本实用新型属于天然气水合物开采领域，具体涉及一种模拟海洋水合物开采井中控砂筛管的筛网介质内水合物二次生成与富集堵塞微观机理的评价系统。
背景技术：
天然气水合物是一种能量密度极高的清洁化石能源，全球约90％以上的天然气水合物赋存在海洋浅层沉积环境中，少数存在于永久冻土层当中。世界各国对天然气水合物的开发和利用进行着不断的探索，并进行了多次开采试验。我国于2017年首次在南海神狐海域开采了天然气水合物，并获得了产气时长和累计产气量两项重大突破。但无论是我国天然气水合物试采还是国外的历次天然气水合物试采，出砂问题始终存在并且在部分试采中成为制约其试采工程失败的罪魁祸首。因此，要保证天然气水合物资源的长效安全试采，必须在井底安装适当的控砂介质进行控砂，其中最常用的控砂介质即为网片型机械筛管。
网片型机筛管通常由外保护罩、筛网网片、基管三部分构成。其中筛网网片是主要的控砂单元，也是筛管中最“脆弱”的部件，在实际矿场使用中筛网网片可能面临着严重的被冲蚀风险和堵塞风险。因此，在常规油气田开发过程中，通常在外保护罩内侧设计特殊结构的导流装置，以缓解由于泥砂正面冲击筛网网片造成的筛管冲蚀破坏；利用筛网网片金属丝的外楔形结构和多场网片之间的支撑层配合以缓解泥质等细颗粒对网片造成的堵塞。但是，对于天然气水合物开采井而言，机械筛管面临的工况更为复杂，除了上述泥砂对筛网网片的冲蚀破坏、泥质等细颗粒对网片的堵塞外，水合物开采井中面临的新的难题就是由于水合物在筛管(尤其是在筛网网片)中的二次形成导致的筛管渗透率严重下降问题。筛网网片中水合物二次富集堵塞与泥质堵塞叠加，对实际天然气水合物的生产造成极其不利的影响。但目前通用的机械筛管结构设计均未考虑水合物在筛网网片中的微观富集堵塞的影响，也尚无任何关于筛网网片中天然气水合物二次富集堵塞规律研究的模拟装置。
因此，为了设计研发具有特殊结构的专门针对天然气水合物开采井的防砂筛管，必须对水合物开采过程中其在筛网网片中的优先生成位置、微观影响机理有清晰的认识，从而再设计水合物开采井专用筛管结构特别是导流槽及筛网网片组合时具有更强的针对性。因此，针对上述问题，提出一种机械筛网网片内水合物微观富集与堵塞机理评价装置则成为本实用新型所面临的重要课题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种能够同时模拟气液流向、流动型态、温压条件对筛网中水合物微观富集堵塞机理影响的评价系统。通过该系统实现海洋天然气水合物开采井中筛网网片上天然气水合物易生成位置的预判、水合物富集堵塞规律的模拟，从而对水合物开采井尤其是水平井段筛管导流槽的设计提供依据，为实际开采井中筛管由于水合物富集堵塞后的解堵方案提供建议。
本实用新型是采用以下的技术方案实现的：
一种机械筛网水合物微观富集与堵塞机理评价系统，包括：供给模块，用以提供甲烷和蒸馏水；循环模块，用以提供所需流型和气液比，包括出口、入口及真空泵；恒温模块，用以提供恒定的温度；多方位筛网固定模块，位于恒温模块内，包括圆形滑轨，位于滑轨圆心处的电机，沿滑轨均布的四个筛网固定装置，该四个筛网固定装置通过直角连接硬管串联，每个直角管的竖边和横边上各固定有与滑轨动配合的滑轮，该两滑轮通过皮带与电机相连，其中一个直角管分为两段，一段通过软管连循环模块的入口，另一段通过软管连循环模块的出口；所述筛网固定装置包括公头、母头以及安装时位于公头、母头之间的筛网角度调节装置，该调节装置包括两圆柱，两圆柱之间为筛网对接面，且各圆柱的对接面与底面之间开有若干贯通孔。数据采集模块，用以采集系统数据。
进一步地，所述直角连接硬管为透明耐高压管。
进一步地，所述两圆柱之间的对接面为斜面，该斜面的倾斜角度为80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°或10°°。当然，所述两圆柱之间的对接面也可为垂直面。
进一步地，所述数据采集模块包括：压力传感器、温度传感器、压差传感器以及光学摄像头和高速摄像机，所述压差传感器位于多方位筛网固定模块中每个筛网的两端，压力传感器和温度传感器用以监测系统的温压，光学摄像头和高速摄像机用以观测管道内的气液两相流的流型。
进一步地，所述循环模块包括气液混流器、高压盘管、循环泵，所述气液混流器入口连通供给模块，出口连通所述高压盘管，该高压盘管用于吸入混合均匀的气液两相流体，其出口端与循环泵相连，所述循环泵直接连入多方位筛网固定模块中，用以控制混合均匀的两相流流速。
进一步地，所述供给模块包括高压气瓶和供水箱。所述高压气瓶和供水箱直接和循环模块的气液混流器相连。所述供给模块还包括补液容器，用以为系统补充水和甲烷。
进一步地所述两圆柱之间的对接面上设有凹凸配合结构。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：
本实用新型创新提出筛网网片中水合物微观富集与堵塞机理评价的模拟实验系统，从定量角度解答水合物开采过程中机械筛管发生堵塞的部位及堵塞规律，为满足我国对天然气水合物能源的开发需求，为适用于天然气水合物开采井的机械筛管机构设计和降压开采的生产参数、降压速率的制定等提供一定支撑。
本实用新型通过模拟一定气液比和流动形态条件下筛网水合物富集堵塞的情况，可以比较在水平井段筛管筛网各个方向的水合物二次生成堵塞情况和规律，然后在施工过程中可以具有针对性地在容易二次生成水合物的筛网方位使用甲烷水合物抑制装置，提高生产效率和产量。
本实用新型通过调节供给模块和循环模块来实现不同气液比、不同流速条件下筛网水合物二次生成堵塞的规律和临界条件，所得数据可以对现场生产的每日产量、降压速率等生产条件等进行一定的指导。
本实用新型通过实验获得气液两相流流向与筛网夹角对筛网上水合物富集堵塞程度的关系，对筛网管外保护罩的导流槽优化设计具有一定的指导意义，另外，在评价选用筛管时，可以对其筛网网片进行实验，其网片上水合物二次生成堵塞的性质也可以作为一定的评价指标。
附图说明
图1为本实用新型所述机械筛网水合物微观富集与堵塞机理评价系统框图；
图2为本实用新型所述筛网固定装置结构示意图；
图3为本实用新型所述筛网角度调节装置结构示意图；
以上各图中：1、恒温模块；2、循环模块；3、供给模块；4、数据采集模块；5、压差传感器；6、筛网固定装置；7、筛网；8、管线固定器；9、透明耐高压管线；10、耐高压软管；11、公头；12、母头；13、耐高压密封垫圈；14、筛网；15、筛网角度调节装置；16、直角连接硬管；17、测压孔；18、滑轮；19、滑轨；20、电机；15-1、贯通孔；15-2、对接面；15-3、底面。
具体实施方式
本实用新型的提出过程：机械筛管是气液从地层产出后流经的第一站，面临的水合物二次生成风险较大。具体到以圆柱状包裹在基管外围的筛网网片中，如果不考虑筛管导流槽的影响，对垂直井而言，由于筛网网片与气液流向之间的夹角是固定的，因此可以认为冲击到筛网网片表面的气液流向为均匀水平的，因此筛管被水合物富集堵塞也是均匀的。然而，对于水平井或者其他井型而言，可以预见水合物在筛管中的富集堵塞是不均匀发生的。因此，研究气液流向、气液流向与筛网网片夹角对筛网中水合物二次生成富集规律的影响，将是从机理上揭示水合物开采中筛管堵塞部位、优化筛管导流槽的前提，也是对筛网中水合物堵塞部位开展“解堵”措施提供“眼睛”。
为了能够更加清楚地理解本实用新型的目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细地说明。
实施例一，本实施例提出一种机械筛网水合物微观富集规律与堵塞机理评价系统，如图1所示，包括：循环模块2、供给模块3、恒温模块1、多方位筛网固定模块及数据采集模块4。
循环模块2用以将实验系统的管路抽真空、向实验管路和多方位筛网固定模块注入甲烷和蒸馏水的两相流体，提供模拟实验所需的流型和气液比。主要包括气液混流器、高压盘管、循环泵、抽真空泵以及相关的阀门管线。气液混流器连通供给模块，由供给模块提供蒸馏水和甲烷气体，再在气液混流器中充分混合，形成具有指定气液比的两相流体。高压盘管吸入气液混流器中混合均匀的气液两相流体，高压盘出口端与循环泵相连。循环泵直接连入多方位筛网固定模块的管线，控制混合均匀的两相流流速，保证实验的进行。抽真空泵用于实验开始前将管线中的气体清空。
供给模块包括高压气瓶和供水箱，所述高压气瓶和供水箱直接和循环模块的气液混流器相连，提供所需要的甲烷气体和蒸馏水。另外，还包括补液容器，当实验中水合物生成时，系统的压力降低，通过补液容器为系统补充水和气。
数据采集模块包含压力传感器、温度传感器、压差传感器以及光学摄像头、高速摄像机及对应的采集软件。多方位筛网固定模块中每个筛网的两端设有压差传感器，通过测量两端的压差变化来反应筛网上甲烷水合物二次生成造成的堵塞的情况。压力传感器和温度传感器用于监测系统的温压情况，探究水合物二次生成所需的临界温度压力条件等。通过光学摄像头和高速摄像机等可以用于观测管道内的气液两相流的流型，探究流动形态、气液比等流动参数对筛网上水合物的二次生成堵塞的影响，从而为生产参数的制定提供依据。
恒温模块为低温恒温箱，多方位筛网固定模块位于恒温模块内部，参考图1，多方位筛网固定模块包括圆形滑轨18，位于滑轨圆心处的电机20，沿滑轨均布的四个筛网固定装置6，该四个筛网固定装置6通过直角连接硬管16串联，每个直角连接硬管16的竖边和横边上各固定有与滑轨动配合的滑轮18，该两滑轮18通过皮带与电机20相连，其中一个直角管分为两段，一段通过软管连循环模块的入口，另一段通过软管连循环模块的出口。相互串联的筛网固定装置6在透明耐高压管的连接下分别处于水平状态和竖直状态，可以分别研究流速由上到下、水平穿透和由下到上三种不同流动方向条件下的筛网中水合物微观富集与堵塞规律。通过电机带动滑轮从而带动多方位筛网固定模块旋转可以进一步研究多角度流动方向条件下的筛网中水合物微观富集与堵塞规律。直角连接硬管16采用透明耐高压管的主要作用是观察流经筛网时的流动型态并起串联筛网固定串联作用。
参考图2及图3，本实施例筛网固定装置6，包括公头11、母头12以及安装时位于公头、母头之间的筛网角度调节装置15，该调节装置包括两圆柱，两圆柱之间为筛网对接面15-2，且各圆柱的对接面15-2与底面15-3之间开有若干贯通孔15-1。公头11和母头12之间使用刨箍夹紧确保其两者的密封。筛网角度调节装置15能够压住放置于筛网固定装置6中的筛网14，防止其在气液两相流的冲击下发生移动和较大的变形。筛网固定装置公头11和母头12上分别设有测压孔17，用于实时测量实验过程中筛网两端的差压。
筛网角度调节装置15可以根据需求将两圆柱之间的对接面15-2设置成斜面，斜面的倾斜角度α可以为80°、70°、60°、40°、30°、20°或10°。当然，也可以将两圆柱之间的对接面15-2设置成垂直面。实验过程中通过更换不同的筛网角度调节装置15，以此来使流经筛网的气液两相流和筛网网面具有一定的角度，从而实现流体流向与筛网网片介质夹角模拟，从而对天然气水合物试采井专用筛管导流槽的设计提供支撑。
本实施例筛网角度调节装置15两圆柱的底面15-3分别与固定装置公头11和母头12对接。为了使筛网固定更加牢固，所述两圆柱之间的对接面上设有凹凸配合结构，通过凹凸结构可以可靠地压紧筛网14。
本系统通过电机20带动滑轮18沿滑轨19滑动而可以使多方位筛网固定模块整体发生旋转，实现控制气液两相流流动的方向与重力方向的夹角，以此来模拟流体流向对筛网网片介质中水合物微观富集堵塞规律的影响；通过控制气液比、实验管路内流体流速、温度和压力等实验条件可以观测各个方位筛网上水合物二次生成的微观机理和临界条件，并且进行相关的敏感性分析。另外，通过透明耐高压管、耐高压软管及筛网固定装置的配合，实现了同时观察流型、筛网堵塞差压的目的，通过模拟实验将筛网中水合物富集堵塞程度演化规律与流型建立规律，进一步刻画不同条件下的筛网水合物富集堵塞机理。
本系统能够比较真实地模拟实际的天然气水合物开采井井底工况的需求，模拟结果对现场施工具有指导意义。
实施例二，本实施例提出一种机械筛网中水合物微观生成富集规律评价方法，主要包括以下步骤：
(1)选定筛网角度调节装置：
定义多方位筛网固定模块在电机作用下沿圆形滑轨整体旋转的角度为公转角，参考图1，定义从装置入流口依次将筛网固定装置编号为6-1、6-2、6-3、6-4，定义6-2、6-4处于水平状态，6-1、6-3处于竖直状态时的公转角为0°，电机顺时针旋转形成公转角；
定义利用筛网角度调节装置调整的气液混流体流向与筛网之间的夹角为自转角，自转角指明了一定公转角条件下的最佳筛网外保护罩倾角设计，利用公转角和自转角的配合，实现流体流向、外保护罩导流槽对筛管中水合物二次微观富集与生成条件的影响，为不同井型条件下筛管导流槽的走向设计提供基础。
设定公转角为0°，选择筛网角度调节装置组合，使6-1与6-3中的筛网角度调节装置自转角和为90°(或直接选定垂直面)，使6-2与6-4中的筛网角度调节装置自转角之和为90°(或直接选定垂直面)；
(2)抽真空与气液补给：关闭供给模块与混输模块之间的阀门，接通多方位筛网固定模块与循环模块，开启循环模块中的真空泵，对循环系统和多方位筛网固定模块抽真空处理；然后开启供给模块与循环模块之间的阀门，关闭多方位筛网固定模块与循环模块之间的阀门，向循环模块中按一定的比例注入气、液，使系统压力达到设定的实验压力，然后关闭供给模块。
(3)模拟气液混输：启动循环模块，使气液充分混合，接通多方位筛网固定模块与循环模块，设定循环泵泵速，起泵定速循环，与此同时，开启温控模块，设定温度值(如2℃)，对整个系统降温；降至设定温度之后持续维持该温度定速循环并在此过程中分别实时记录4个筛网网片两侧的绝对压力值和压差的变化情况。绝对压力降低表示系统中某个位置生成了水合物，筛网两侧的压差抬升表示筛网中开始生成了水合物，记录此时的绝对压力，作为水合物在筛网网片中生成的临界压力(此处可以得到4个压力值，作为四种自转角条件下的临界压力条件)；
(4)固定自转角条件下的最佳筛管外保护罩导流槽流向识别：调整预设温度(如4℃)、气液比条件，重复步骤(2)-(3)，如此即可获得一定公转角条件下筛网中水合物微观生成的三维临界状态分布图(温度、压力、气液比)。
(5)调整自转角组合，重复步骤(2)-(4)，即可获得一定公转角条件下筛网网片中水合物二次富集生成临界条件的四维临界状态图(自转角)
(6)停止实验。
本实用新型涉及的判断模拟实验结束的标志为：①当多方位筛网固定模块中筛网两侧的压差增大到起始压差的5倍及以上时，表明由于水合物在筛网上的生成，已经造成了严重的堵塞，停止实验；②当由于水合物在筛网上形成导致循环泵驱替压力上升，整个系统压力值达到14MPa时，接近系统安全耐压，停止实验。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。