天然气水合物储层径向水平井钻采模拟装置及方法与流程

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种水合物储层径向水平井钻井过程模拟及增产效果评价的实验装置及其实验方法。

背景技术：

天然气水合物是具有良好应用前景的重要清洁能源。目前天然气水合物资源的开发模式为通过降压、注热、注化学剂以及气体置换等使水合物分解为气体，然后通过井筒开采到地面上。由于水合物分解及开采工艺的限制，水合物开采井的单井产量非常有限。因此，如何提高产量，是制约水合物高效开发的关键问题。

径向水平井技术是利用高压水射流破岩，在一口油气井内的不同深度和方向上钻出多个径向微小井眼的增产措施。通过高压水射流的破岩作用，可大幅增加油气层裸露面积，改善原井周围的应力场和渗流场，是开发低渗油气藏、煤层气和提高油气采收率等的重要举措。

专利号cn201510766291.x提出了一种用于天然气水合物大井眼多分支径向水平井完井方法，指出多分支井在提高水合物产量和采收率方面的良好应用前景。专利号cn201810454977.9公开了一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构，能够提高开采速率和能量利用率。

水合物沉积物一般由水合物、水、气、沉积物骨架等部分组成。在对含水合物储层进行钻探和开采时，通常会破坏水合物的稳定条件而使其发生分解，从而使其对沉积物颗粒间的胶结作用减小；同时，水合物分解产生的气体和水将会增大孔隙压力，降低有效应力，造成井壁失稳、地层坍塌等问题。在水合物储层中的钻探和开采严重影响井筒稳定性特别是水平井的井壁稳定。研究天然气水合物储层中水平井在钻探和开采过程中稳定性及评价方法,对我国的天然气水合物的钻探和开发具有重要意义。

水合物储层钻采还受到多种因素的影响，如水平井井眼结构参数、井壁稳定、开采效果等关键问题缺乏相关的模拟装置和评价方法。因此，需要研发一套能够模拟水合物储层径向水平井钻井过程和开采效果评价的装置，对径向水平井的钻井过程中地层响应进行监测，对井眼结构参数及井型结构进行评价，进一步分析水平井段井壁稳定性以及评价水合物的开采效果，从而为水合物储层径向水平井的设计以及天然气水合物的高效开发提供依据。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种天然气水合物储层径向水平井钻采模拟装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种天然气水合物储层径向水平井钻采模拟装置，包括主体反应系统、供气系统、供液系统、收集系统、钻井液循环系统、恒温控制系统和数据处理系统；

所述主体反应系统包括垂直井筒模拟部分和径向水平井模拟部分，垂直井筒模拟部分包括纵向设置的模拟套管，在模拟套管的内部设置有纵向的油管，模拟套管与油管之间设置有封隔器，油管的下方设置有不相互接触的导向器，在油管的内部设置有模拟钻杆，油管与模拟钻杆之间设置有扶正器；

所述模拟套管包括管体，在管体的上、下两端分别设置有上端盖、下端盖，上端盖、下端盖分别与管体通过螺栓固定，所述油管固定于上端盖的中心位置，并与上端盖相接触，所述导向器设置于下端盖的上方，并与下端盖相接触；

所述模拟套管的下部侧壁上还设置有钻井液导出通道和钻井液导流口，所述上端盖上设置有流体出口；所述模拟钻杆穿过油管和上端盖，模拟钻杆的顶部与钻杆下入装置相连接，模拟钻杆的尾部与射流钻头相连接；所述模拟钻杆的尾部与射流钻头穿过模拟套管的下部侧壁，进入主体反应系统的径向水平井模拟部分；

所述径向水平井模拟部分包括横向设置的水平反应釜，水平反应釜的左端通过接头与模拟套管的侧壁相接触，接触部分设置有密封装置，水平反应釜的右端设置有右端盖，所述右端盖上设置有流体通道，水平反应釜的侧壁上设置有气体通道，所述水平反应釜的侧壁上还安装有电阻成像装置，水平反应釜的侧壁外部安装有压力传感器和声学探头；所述水平反应釜的内部为模拟水合物储层，所述射流钻头经过所述模拟水合物储层后形成径向井眼；

所述流体通道连接供气系统和供液系统，所述流体出口连接收集系统，所述模拟钻杆和所述钻井液导出通道与钻井液循环系统相连接；所述主体反应系统位于恒温控制系统内部；所述压力传感器、声学探头及电阻成像装置均与数据处理系统相连接。

优选的，所述供气系统包括一号气瓶，一号气瓶通过气体主管线与所述流体通道相连接，气体主管线上依次安装有一号阀门、一号流量计及一号压力表；所述气体主管线还通过一气体支管线与所述水平反应釜的侧壁上的气体通道相连接，在气体支管线上安装有二号阀门；

所述供液系统包括一号水箱，一号水箱通过液体管线与所述流体通道相连接，液体管线上依次安装有一号泵、二号流量计以及三号阀门；

所述收集系统包括二号水箱及二号气瓶，二号水箱及二号气瓶均与气液固分离装置相连接，气液固分离装置通过第一流体管线与所述流体出口相连接，第一流体管线上依次安装有三号流量计及回压阀；

所述钻井液循环系统包括三号水箱，三号水箱通过第二流体管线与所述模拟钻杆相连接，第二流体管线上依次安装有二号泵及四号流量计，所述钻井液导出通道通过第三流体管线与三号水箱相连接，在第三流体管线上依次安装有三号泵及五号流量计；

所述恒温控制系统包括恒温箱，所述主体反应系统位于恒温箱内部；

所述数据处理系统包括数据处理器和计算机，所述压力传感器、声学探头及电阻成像装置均与数据处理系统相连接。

优选的，所述回压阀处还配备有单向保护装置。

一种天然气水合物储层径向水平井钻采模拟方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：

(1)装样：连接好钻采模拟装置并进行气密性检测，向主体反应系统的水平反应釜内装入模拟地层砂，将模拟水合物储层部分填满，安装右端盖，并与供气系统及供液系统相连接；

(2)天然气水合物合成：先对主体反应系统进行排气处理，然后向主体反应系统内通甲烷气体和蒸馏水，设置恒温箱温度为1°，降温合成水合物；

(3)径向水平井钻井过程模拟：水合物合成结束后，启动钻井液循环系统，通过控制钻杆下入装置推动射流钻头以一定速度前进，模拟径向水平井段钻进过程；同时通过电阻成像装置观测、记录水平井的井径、长度及井眼形状的变化，通过压力传感器和声学探头监测钻井过程中地层响应特征；

(4)增产效果评价：径向水平井建井完成后，通过控制回压阀，模拟天然气水合物降压开采；在模拟降压开采的过程中通过回压阀及流量计对开采速度和气体量进行记录，并与不存在径向水平井条件下直接开采的结果进行对比，分析开采速度、开采量、增产时间的变化规律。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明能够模拟天然气水合物储层中径向水平井钻井过程，并监测钻井过程中地层的响应特征；通过声学参数、电学参数及压力变化情况对钻井过程中储层物性变化情况进行分析，进一步评价储层响应情况；通过电阻成像装置对天然气水合物储层中径向水平井成井过程进行实时监测，对井径、井眼长度、井眼形状进行评价和分析。

2、本发明能够进行不同井眼结构参数条件下水平井段井壁稳定性分析。通过分析水平段长度、井眼大小、井眼形状及钻井方式等因素对井壁稳定的影响，对天然气水合物储层中径向水平井成井过程中井壁稳定性进行分析和评价。

3、本发明能够评价不同天然气水合物开采条件下径向水平井的增产效果。通过模拟不同的天然气水合物开采方式，分析不同井眼结构参数、开采方式、生产方式等因素对径向水平井增产效果的影响；进一步，可探究特定开采方式下井眼结构参数和开采方式对增产时间的影响规律及内在机制。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为天然气水合物储层径向水平井钻采模拟装置的结构原理示意图；

图中：11模拟套管，12油管，13模拟钻杆，14上端盖，15下端盖，16固定螺栓，17封隔器，18扶正器，19导向器，110钻井液导出通道，111射流钻头，112钻井液导流口，113流体出口，114接头，115钻杆下入装置，21水平反应釜，22右端盖，23密封装置，24径向井眼，25模拟水合物储层，26电阻成像装置，27压力传感器，28声学探头，29流体通道，210气体通道，31一号气瓶，32一号阀门，33一号流量计，34一号压力表，35二号阀门，41一号水箱，42一号泵，43二号流量计，44三号阀门，51回压阀，52三号流量计，53气液固分离装置，54二号水箱，55二号气瓶，61三号水箱，62二号泵，63四号流量计，64三号泵，65五号流量计，7恒温箱，81数据处理器，82计算机。

具体实施方式

本发明提供了一种天然气水合物储层径向水平井模拟及增产效果评价的实验装置，该装置能够通过物理实验的方法分析天然气水合物储层径向水平井井壁稳定性的影响因素，对不同开采条件下径向水平井的增产效果进行科学评价，为解决现场天然气水合物高效开采及增产提供参考依据。

如图1所示，一种天然气水合物储层径向水平井钻采模拟装置，包括：主体反应系统、供气系统、供液系统、收集系统、钻井液循环系统、恒温控制系统、数据处理系统。

所述的主体反应系统由垂直井筒模拟部分和径向水平井模拟部分组成。所述垂直井筒模拟部分的主体为纵向设置的模拟套管11，所述模拟套管11的内部设置有纵向的油管12，所述模拟套管11与油管12之间设置有封隔器17，用以封隔所述模拟套管11和所述油管12之间的环空。所述油管12的下方设置有与其不相互接触的导向器19，在径向水平井钻井过程中起到导向作用。所述模拟套管11的上、下两端设置有上端盖14及下端盖15，用于密封、扶正模拟钻杆以及导出流体，上端盖14及下端盖15均通过固定螺栓16固定，所述油管12位于所述上端盖14的中心位置，并与上端盖14相接触，所述导向器19位于所述下端盖15的上方，并与所述下端盖15相接触，导向器19用于径向水平井钻井过程导向。此外所述模拟套管11的下部侧壁上还设置有钻井液导出通道110和钻井液导流口112，用于辅助钻井液循环，所述上端盖14上设置有流体出口113，用于导出采出流体。所述油管12的内部设置有模拟钻杆13，模拟钻杆13通过油管12下入，所述油管12与所述模拟钻杆13之间设置有扶正器18，用于扶正模拟钻杆。所述模拟钻杆13穿过所述油管12和所述上端盖14，与所述扶正器18相接触，所述模拟钻杆13的顶部与钻杆下入装置115相接触，尾部与射流钻头111相接触。所述射流钻头111与所述模拟钻杆13的尾端部分穿过所述模拟套管11的侧壁，进入主体反应系统的径向水平井模拟部分。径向水平井模拟部分的主体为横向设置的水平反应釜21，水平反应釜21为耐压装置，耐压15mpa，所述水平反应釜21的左端通过接头114与所述模拟套管11的侧壁相接触，接触部分设置有密封装置23。所述水平反应釜的右端设置有右端盖22，所述右端盖22上设置有流体通道29，用于导入水合物合成所需的流体。所述水平反应釜21侧壁上设置有气体通道210用以导入气体，侧壁上安装电阻成像装置26，可实时监测水平段内部情况，侧壁外部均匀分布有压力传感器27和声学探头28，用以监测钻进和开采过程中的地层响应特性。所述水平反应釜21的内部为模拟水合物储层25，所述射流钻头经过所述模拟水合物储层25后形成径向井眼24，所述径向井眼24的长度、直径及形状等是监测的主要参数。

其中，所述流体通道29连接供气系统和供液系统，实现流体注入的功能。所述流体出口113连接收集系统，用于混合流体导出、分离及收集。所述模拟钻杆13和所述钻井液导出通道110与钻井液循环系统相连接，实现钻井过程中钻井液循环的功能。实验装置的主体反应系统位于恒温控制系统内部，可以提供水合物合成所需的温压条件。所述压力传感器、声学探头及电阻成像装置等均与数据处理系统相连接，实现相关参数的实时监测与记录的功能。

具体的，所述供气系统起到向主体反应系统内部注入水合物合成所需气体(甲烷气体或二氧化碳气体)的作用。所述供气系统包括一号气瓶31，一号气瓶31通过气体管线与所述流体通道29相连接，气体管线上依次安装有一号阀门32、一号流量计33及一号压力表3。所述一号气瓶31的另一个出口通过气体支管线与所述水平反应釜21的侧壁上的气体通道210相连接，气体支管线上安装有二号阀门35。此外供气系统还包括相关的接头、单向阀、连接管线及数据线等附属附件。所述供液系统起到向主体反应系统内部注入水合物合成所需溶液(蒸馏水或sds溶液)的作用。供液系统包括一号水箱41，一号水箱41通过液体管线与所述流体通道29相连接，液体管线上依次安装有一号泵42、二号流量计43以及三号阀门44。此外，供液系统还包括接头、单向阀、密封装置及数据线等附件。收集系统包括二号水箱54及二号气瓶55，二者均与气液固分离装置53相连接，气液固分离装置53通过流体管线与所述流体出口113相连接，流体管线上依次安装有三号流量计52及回压阀51。此外，收集系统还包括接头、单向阀、密封装置及数据线等附件。钻井液循环系统包括三号水箱61，三号水箱61通过流体管线与所述模拟钻杆13相连接，流体管线上依次安装有二号泵62及四号流量计63，所述钻井液导出通道110通过流体管线与所述三号水箱61相连接，流体管线上依次安装有三号泵64及五号流量计65。此外，钻井液循环系统还包括接头、单向阀、密封装置及数据线等附件。恒温控制系统主要包括恒温箱7及其相关辅助装置，起到降温和维持温度恒定的作用。数据处理系统主要包括数据处理器81、计算机82及相关的数据线等附属配件，起到数据采集、数据整理以及调控的作用。

作为对本发明的进一步设计，上述模拟套管为一耐压反应釜，耐压15mpa，其内径根据全尺寸套管同等比例缩放而确定，其内部的模拟油管及模拟钻杆均由全尺寸油管和钻杆等比例缩放而制成的。

更进一步的，上述电阻成像装置用于实时监测水合物储层中径向水平井的成井过程及地层响应特性，其测试部分内部安装有片状电极；该装置配套有相关的显示设备和数据处理系统。

进一步的，所述回压阀还连接相关的单向保护装置，保证从所述流体出口中流出的混合流体能够单向流向所述气液固分离装置。

更进一步的，所述数据处理器上设置有多个接口，通过数据线与流量计和压力传感器等相连接，并与计算机相连接，完成数据的收集和处理工作。

本发明中涉及的材料主要有气体(甲烷、二氧化碳等)、水(蒸馏水或去离子水)、sds溶液和充填物质(地层砂)。

采用上述装置可以模拟天然气水合物储层中径向水平井的钻井过程及实现不同开采条件下径向水平井增产效果评价，具体方法包括以下步骤：

1、装样：连接好装置并进行气密性检测，向主体反应系统的水平反应釜21内装入模拟地层砂，将模拟水合物储层25部分填满，安装右端盖22，并与供气系统及供液系统相连接。

2、天然气水合物合成：先对主体反应系统进行排气处理，然后向主体反应系统内通甲烷气体和蒸馏水，设置恒温箱温度为1°，降温合成水合物。

3、径向水平井钻井过程模拟：水合物合成结束后，启动钻井液循环系统，通过控制钻杆下入装置115推动射流钻头13以一定速度前进，模拟径向水平井段钻进过程；同时通过电阻成像装置26观测、记录水平井的井径、长度及井眼形状的变化，通过压力传感器27和声学探头28监测钻井过程中地层响应特征。

4、增产效果评价：径向水平井建井完成后，通过控制回压阀51，模拟天然气水合物降压开采。在模拟降压开采的过程中通过回压阀51及流量计对开采速度和气体量进行记录，与不存在径向水平井条件下直接开采的结果进行对比，分析开采速度、开采量、增产时间等变化规律。

在此过程中，可以记录的数据有：进气量、进水量、地层砂重量、压力、温度、流量、声波速度和形状以及电阻图像等。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的指导下，本领域技术人员所做出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。