一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟装置及方法与流程

本发明属于能源开采技术工程领域，具体涉及一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟装置及方法。

背景技术：

天然气水合物是由气体和水在低温高压下形成的一种非化学计量的笼型化合物，广泛储存于自然界的大陆边缘海底和永久冻土带沉积物中，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高和燃烧清洁等特性，被誉为是21世纪最有应用前景的新能源之一。目前，国际上已先后对自然界的天然气水合物进行了多次成功试采，但都未能达到商业化开采的水平，并且每次试采都耗资巨大。因此，通过模拟自然界水合物的生成环境和水合物试采的流程，在实验室中系统的开展天然气水合物开采模拟实验能为现场试采提供借鉴。

依据水合物藏的储层构造和地球物理特性等，研究者将水合物藏分为四种类型：class1，水合物稳定区存在水合物层，在水合物层的下方存在一个与其岩石物理性质相近的自由气层；class2，水合物稳定区内也存在水合物层，水合物层下方为自由水层；class3，仅存在水合物层，没有自由气或者液态水层；class4，水合物在稳定区内分布比较分散，且没有明显边界，通常饱和度较低，不具有开采价值。对水合物藏的开采应用较多的开采方法主要有加热法、降压法、注入抑制剂法及联合法。水合物开采所用的生产井包括垂直井、水平井和倾斜井。目前，研究者已对水合物的开采进行了大量的实验和数值模拟研究，但是缺乏可同时用于系统的开展不同储层、不同生产井、不同开采方法下天然气水合物开采模拟的实验装置及方法。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供了一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟装置，能够同时用于系统的开展不同生产井、不同储层、不同开采方法下天然气水合物开采的模拟实验，实验过程中可以实时监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况，并获得产水量和产气量，为水合物的不同开采模式进行效率和安全评估。

本发明的技术方案：

一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟装置，包括高压反应釜2、生产井11、控温装置、控压装置、供气供液装置、气液分离装置和数据采集装置；

所述高压反应釜2下部设有底座1；高压反应釜2底部均匀设置有多个多点测量式热电偶3；高压反应釜2上盖中心位置设置防砂过滤层；高压反应釜2上盖均布有四个可视化窗口25；高压反应釜2上盖通过螺钉26与釜体连接，上盖与釜体内部接触处设置有密封垫圈27；

所述生产井11的入口管路通过可调节任意角度的旋转管24与高压反应釜2连接，生产井11的入口与旋转管24之间连接有第一阀门29；生产井11的出口管路一端通过第四阀门32与真空泵10相连，另一端通过第五阀门33与背压泵14相连；生产井11两端的井盖28可拆卸，井盖28内侧设置有防砂过滤层；生产井11上均匀分布有多个温度传感器12和多个压力传感器13；生产井11均布有多个可视化窗口25；

所述控温装置包括两个恒温水浴和一个液体加热器7，分别用于控制高压反应釜2、生产井11、注入液体的温度；

所述控压装置包括背压泵14、真空泵10；

所述供气供液装置包括气瓶9、注气泵8、注液泵6和液体加热器7；气瓶9经管路与注气泵8相连通，气瓶9的出气口端通过第三阀门31控制；液体加热器7经管路与注液泵6相连通，二者之间通过第二阀门30控制；注气泵8和注液泵6经管路合并通入至高压反应釜2内，管路上设有压力表4和控制阀门5；

所述气液分离装置包括气液分离器15、量杯16、质量天平17、气体流量计19和集气罐18；气液分离器15的入口与背压泵14通过管路相连，气液分离器15的排液管线连接至质量天平17上的量杯16内，气液分离器15的排气管线进一步与集气罐18相连，二者间设有气体流量计19；

所述防砂过滤层包括不锈钢防砂过滤网22和四氟多孔过滤板23；

所述气液分离器15可分离水合物分解的气和水，所述质量天平17和气体流量计19分别用于测量产水量和产气量；

所述生产井11入口端连接有旋转管24，通过调节旋转管24得到不同角度的生产井11，包括垂直井、水平井、倾斜井；

所述高压反应釜2与所述生产井11入口相连，所述生产井11出口与背压泵14相连，该支路用于模拟降压法开采水合物；所述高压反应釜2侧面连接注液泵6和液体加热器7，该支路用于模拟注热法和注抑制剂法开采水合物；所述高压反应釜2合成天然气水合物后，该装置可以模拟降压法、注热法、注抑制剂法及联合法开采天然气水合物；

所述生产井11两端的井盖28可以拆开，根据实验需求选择性向生产井11内腔填充沉积物。

一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟方法，包括以下步骤：

(1)确定模拟用水合物储层的类型：打开高压反应釜2上盖，根据所需模拟用水合物储层的类型，向高压反应釜内填入沉积物或沉积物与冰粉混合物等，安装高压反应釜上盖。具体地，模拟用水合物储层的类型分为class1、class2、class3和class4四种类型；

a)模拟合成class1型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内先填充少量的不含水沉积物并压实，然后在其上填充沉积物和冰粉的混合物并压实；

b)模拟合成class2型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至稍高于零度，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内先填充少量饱和水的沉积物，然后在其上填充沉积物和冰粉的混合物并压实；

c)模拟合成class3型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内填充适量(取决于样品饱和度，通常高于50％)冰粉与沉积物混合均匀的混合物；

d)模拟合成class4型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内填充少量(取决于样品饱和度，通常在5-20％)冰粉与沉积物混合均匀的混合物；

(2)模拟合成相应类型的水合物储层：对实验装置抽真空后，向高压反应釜2中供水供气，合成所需饱和度的水合物样品；

a)合成class1型水合物储层为上部含水合物沉积物层，在水合物层的下方存在一个与其岩石物理性质相近的自由气层；

b)合成class2型水合物储层为上部含水合物沉积物层，水合物层下方为自由水层；

c)合成class3型水合物储层为单一含水合物沉积物层，不包括无水合物的地层；

d)合成class4型水合物储层为水合物在沉积物中分散分布，且饱和度较低；

(3)选择模拟用水合物储层的类型对应的生产井类型：调整生产井的角度，得到实验所需角度的生产井；

(4)确定水合物储层的开采方法：通过调节相应支路的设备，对水合物进行不同开采方法下的开采模拟实验；具体地，所述高压反应釜2与所述生产井11入口相连，所述生产井11出口与背压泵14相连，该支路用于模拟降压法开采水合物，模拟降压法开采水合物时需要确定降压幅度和降压速率；所述高压反应釜2侧面连接注液泵6和液体加热器7，该支路用于模拟注热法和注抑制剂法开采水合物，模拟注热法、注抑制剂法或加热法+注抑制剂法联合开采水合物时，需要确定注入流体的温度和注入速率；所述高压反应釜2合成天然气水合物后，该装置可以模拟联合法(降压法+加热法、降压法+注抑制剂法、降压法+加热法+注抑制剂法)开采水合物，联合法需要同时确定上述变量。

(5)打开气液分离装置，在气液分离后测量产水量和产气量，并在实验全程通过高压反应釜2和生产井11上的可视化窗口25、多点测量式热电偶3、温度传感器12和压力传感器13监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况。

所述步骤(1)，所述高压反应釜可用纯水或冰粉制备不含沉积物的天然气水合物，也可以在高压反应釜内填充模拟不同类型水合物储层的沉积物。

所述步骤(3)，所述生产井可以用来模拟和监测水合物开采过程气-水的流动情况；也可以在生产井中填充沉积物，用于模拟和监测水合物开采过程气-水在沉积物中的流动。

本发明的有益效果：

(1)本发明的装置可以在高压反应釜内制备不同类型、不同饱和度的水合物样品，包括利用纯水或冰粉制备不含沉积物的水合物样品，也可以在高压反应釜内填充模拟不同类型水合物储层的沉积物，制备含沉积物的水合物样品。通过调节旋转管可以得到不同角度的生产井，包括开采水合物所用的垂直井、水平井、倾斜井。在水合物样品制备结束后，打开背压泵所在的支路可以模拟降压法开采水合物，打开注液泵和液体加热器所在的支路就可以模拟注热法或注抑制剂法开采水合物，两条支路同时使用就可以模拟联合法开采水合物。高压反应釜和生产井各由一个水浴单独控温。实验过程中可以通过高压反应釜和生产井上的可视化窗口，与均匀分布的多点测量式热电偶、温度传感器和压力传感器实时监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况，从而获得水合物不同开采模式下的安全性。气液分离装置可分离水合物分解的气和水，质量天平和气体流量计可以测量产水量和产气量，从而获得水合物不同开采模式下的效率。该装置可以系统的进行天然气水合物合成、开采(分解)、气液分离、开采效率和安全评估方面的实验研究。

(2)本发明提出的一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟方法，可以制备不同饱和度、不同类型的水合物储层样品；可以在不同角度的生产井中模拟气-水流动，也可以在生产井中填充沉积物，用于模拟气-水在沉积物中的流动；可以选择降压法、注热法、注抑制剂法或联合法模拟水合物开采；可以实验全程监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况，并得到产水量和产气量。该方法可以系统而又高效的模拟天然气水合物开采。

附图说明

图1为多方式天然气水合物开采模拟装置示意图；

图2(a)为高压反应釜的俯视结构示意图；

图2(b)为高压反应釜的仰视结构示意图；

图2(c)为高压反应釜的剖面结构示意图；

图3为生产井的结构示意图。

图中：1底座；2高压反应釜；3多点测量式热电偶；4压力表；5控制阀门；6注液泵；7液体加热器；8注气泵；9气瓶；10真空泵；11生产井；12温度传感器；13压力传感器；14背压泵；15气液分离器；16量杯；17质量天平；18集气罐；19气体流量计；20第一水浴；21第二水浴；22不锈钢防砂过滤网；23四氟多孔过滤板；24旋转管；25可视化窗口；26螺钉；27密封垫圈；28井盖；29第一阀门；30第二阀门；31第三阀门；32第四阀门；33第五阀门；34电脑。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图叙述本发明的具体实施方式。

实施例一，参考图1，本实施例提出一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟装置，包括高压反应釜2、生产井11、控温装置、控压装置、供气供液装置、气液分离装置和数据采集装置。

所述高压反应釜2下部设有底座1；高压反应釜2底部均匀设置有多个多点测量式热电偶3；高压反应釜2上盖中心位置设置防砂过滤层；高压反应釜2上盖均布有四个可视化窗口25；高压反应釜2上盖通过螺钉26与釜体连接，上盖与釜体内部接触处设置有密封垫圈27；

所述生产井11的入口管路通过可调节任意角度的旋转管24与高压反应釜2连接，生产井11的入口与旋转管24之间连接有第一阀门29；生产井11的出口管路一端通过第四阀门32与真空泵10相连，另一端通过第五阀门33与背压泵14相连；生产井11两端的井盖28可拆卸，井盖28内侧设置有防砂过滤层；生产井11上均匀分布有多个温度传感器12和多个压力传感器13；生产井11均布有多个可视化窗口25；

所述控温装置包括两个恒温水浴和一个液体加热器7，分别用于控制高压反应釜2、生产井11、注入液体的温度；

所述控压装置包括背压泵14、真空泵10；

所述供气供液装置包括气瓶9、注气泵8、注液泵6和液体加热器7；气瓶9经管路与注气泵8相连通，气瓶9的出气口端通过第三阀门31控制；液体加热器7经管路与注液泵6相连通，二者之间通过第二阀门30控制；注气泵8和注液泵6经管路合并通入至高压反应釜2内，管路上设有压力表4和控制阀门5；

所述气液分离装置包括气液分离器15、量杯16、质量天平17、气体流量计19和集气罐18；气液分离器15的入口与背压泵14通过管路相连，气液分离器15的排液管线连接至质量天平17上的量杯16内，气液分离器15的排气管线进一步与集气罐18相连，二者间设有气体流量计19；

所述防砂过滤层包括不锈钢防砂过滤网22和四氟多孔过滤板23。

所述气液分离器15可分离水合物分解的气和水，所述质量天平17和气体流量计19分别用于测量产水量和产气量；

所述生产井11入口端连接有旋转管24，通过调节旋转管24得到不同角度的生产井11，包括垂直井、水平井、倾斜井；

所述高压反应釜2与所述生产井11入口相连，所述生产井11出口与背压泵14相连，该支路用于模拟降压法开采水合物；所述高压反应釜2侧面连接注液泵6和液体加热器7，该支路用于模拟注热法和注抑制剂法开采水合物；所述高压反应釜2合成天然气水合物后，该装置可以模拟降压法、注热法、注抑制剂法及联合法开采天然气水合物；

所述生产井11两端的井盖28可以拆开，根据实验需求选择性向生产井11内腔填充沉积物。

实施例二，本实施例提出一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟方法，结合图1描述具体步骤如下：

(1)确定模拟用水合物储层的类型：打开高压反应釜2上盖，根据所需模拟用水合物储层的类型，向高压反应釜内填入沉积物或沉积物与冰粉混合物等，安装高压反应釜上盖。具体地，模拟用水合物储层的类型分为class1、class2、class3和class4四种类型；

a)模拟合成class1型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内先填充少量的不含水沉积物并压实，然后在其上填充沉积物和冰粉的混合物并压实；

b)模拟合成class2型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至稍高于零度，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内先填充少量饱和水的沉积物，然后在其上填充沉积物和冰粉的混合物并压实；

c)模拟合成class3型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内填充适量(取决于样品饱和度，通常高于50％)冰粉与沉积物混合均匀的混合物；

d)模拟合成class4型水合物储层时，首先打开水浴20将高压反应釜2内的温度降至零度以下，打开高压反应釜2的上盖，向高压反应釜2内填充少量(取决于样品饱和度，通常在5-20％)冰粉与沉积物混合均匀的混合物；

(2)模拟合成相应类型的水合物储层：对实验装置抽真空后，向高压反应釜2中供水供气，合成所需饱和度的水合物样品；

a)合成class1型水合物储层为上部含水合物沉积物层，在水合物层的下方存在一个与其岩石物理性质相近的自由气层；

b)合成class2型水合物储层为上部含水合物沉积物层，水合物层下方为自由水层；

c)合成class3型水合物储层为单一含水合物沉积物层，不包括无水合物的地层；

d)合成class4型水合物储层为水合物在沉积物中分散分布，且饱和度较低；

(3)选择模拟用水合物储层的类型对应的生产井类型：调整生产井的角度，得到实验所需角度的生产井；

(4)确定水合物储层的开采方法：通过调节相应支路的设备，对水合物进行不同开采方法下的开采模拟实验；具体地，所述高压反应釜2与所述生产井11入口相连，所述生产井11出口与背压泵14相连，该支路用于模拟降压法开采水合物，模拟降压法开采水合物时需要确定降压幅度和降压速率；所述高压反应釜2侧面连接注液泵6和液体加热器7，该支路用于模拟注热法和注抑制剂法开采水合物，模拟注热法、注抑制剂法或加热法+注抑制剂法联合开采水合物时，需要确定注入流体的温度和注入速率；所述高压反应釜2合成天然气水合物后，该装置可以模拟联合法(降压法+加热法、降压法+注抑制剂法、降压法+加热法+注抑制剂法)开采水合物，联合法需要同时确定上述变量。

(5)打开气液分离装置，在气液分离后测量产水量和产气量，并在实验全程通过高压反应釜2和生产井11上的可视化窗口25、多点测量式热电偶3、温度传感器12和压力传感器13监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况。

所述步骤(1)，所述高压反应釜2可用纯水或冰粉制备不含沉积物的天然气水合物，也可以在高压反应釜2内填充模拟不同类型水合物储层的沉积物。如需合成高饱和度的水合物，可以根据所需饱和度将适量冰粉和沉积物在液氮中混合均匀，采用冰粉合成水合物；如需合成低饱和度的水合物，可以直接利用水合成水合物。

所述步骤(3)，所述生产井11可以用来模拟和监测水合物开采过程气-水的流动情况；也可以在生产井11中填充沉积物，用于模拟和监测水合物开采过程气-水在沉积物中的流动。

实施例三，本实施例提出一种针对不同类型天然气水合物储层的多方式开采模拟方法，与实施例二不同之处在于步骤(3)，同样参考图1，描述如下：

步骤(3)，打开生产井11一端的井盖28，向生产井11内填充过饱和水的沉积物，安装井盖28后，调整与生产井11相连的旋转管24的角度使得生产井11水平放置。此方案用于模拟随着海底天然气水合物不断开采，生产井11附近的水合物分解结束后，远离生产井11的水合物分解后的气-水流经含过饱和水沉积物的情况。

其他步骤类似实施例二，此不赘述。

上述实施例二和实施例三提出的方法,可以系统的研究不同水合物储层、不同生产井、不同开采方法下天然气水合物开采模拟方案，通过在每种开采方案的实施过程中实时监测水合物的生成、分解和二次生成情况及气-水流动情况和获得的产水量和产气量，为水合物的不同开采方案进行效率和安全评估，从而能更好的优化水合物试采方案并指导水合物的现场试采。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，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，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明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，仍属于本发明技术方案的保护范围。