一种天然气水合物井中加热模拟实验装置及方法与流程

本发明属于天然气水合物开采领域，具体涉及一种天然气水合物井中加热模拟实验装置及方法。

背景技术：

随着全球经济的发展，人们对能源的需求量越来越大，石油、煤炭等常规能源日渐枯竭，天然气水合物因其污染小、高热值、高储量等优点而被视为未来最具有潜力的能源之一，天然气水合物是一种由天然气(以甲烷为主)与水分子组成的具有笼型结构的似冰雪状的结晶化合物，广泛分布于海洋沉积物以及大陆永久冻土带。随着越来越多天然气水合物藏的发现，各国对天然气水合物这一非常规能源愈发重视，都在积极对其进行研究以及试采，以期早日进行商业化开采。中国相继在海域和陆域发现了天然气水合物，并于2017年在神狐海域采用降压法成功进行了海域天然气水合物试采。

在目前提出的开采天然气水合物的方法中，降压法由于其简单有效且开采成本低，被认为是最具开采潜力的开采方法，在天然气水合物的降压开采过程中，由于天然气水合物的分解是一个吸热过程，天然气水合物分解区域会产生较大的温降，加上焦耳-汤姆逊效应的综合影响，导致在近井段地层已经分解完成的区域重新生成天然气水合物(二次水合物)或孔隙水结冰，阻碍了天然气水合物的分解和流体的运移，降低了储层的渗透率，进而影响天然气水合物的产量。

天然气水合物降压开采电加热器井壁辅助加热开采技术是将降压和注热两种方法综合使用，在降压开采的过程中，电加热器通过热传导的方式给井周区域内提供热量，提高周围地层的温度，进而改善天然气水合物的产气。目前对于降压开采井中辅助加热开采的研究相对较少，且大多集中于降压开采井中辅助加热开采对于产气量以及产气速率的研究，对于影响加热器加热效果的研究鲜有。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种天然气水合物井中加热模拟实验装置及方法，能够有效的模拟天然气水合物井中加热过程中的各种工况，并配有温度、压力和流量监控系统以及数据采集处理系统，从而能够对测出加热过程中天然气水合物样品各位置的温度，以研究加热器在各种工况(不同日产水量、加热功率以及气水比)下对于近井段地层的加热范围，得出影响到二次水合物生成位置处的加热功率。

为达到上述目的，本发明提供了一种天然气水合物井中加热模拟实验装置，其特征在于，包括：井中加热模拟系统、供气系统、供水系统、环境温度控制系统、监控系统及数据采集处理系统，所述井中加热模拟系统包括反应器、筛网、加热器及加热器固定座，反应器包括反应器筒、反应器基座及反应器盖板，其中反应器筒的底部与反应器基座固定连接，反应器筒的顶部与反应器盖板可拆卸式固定连接，反应器筒的侧壁上自上而下均布有至少三层注入孔，每层注入孔包含相间均匀分布的注气孔与注水孔，反应器基座与加热器固定座通过设置在反应器基座中部的凸台嵌套连接；所述加热器固定座上设置有至少两个呈同心布置的环槽；所述加热器通过环槽安装在加热器固定座上，加热器上自上而下设置有至少三层射流孔洞，在加热器与天然气水合物样品之间设有筛网；所述反应器盖板上安装有排出管，排出管的一端穿过反应器盖板与反应器内部连通，排出管的另一端与气液分离器连接；

所述供气系统包括空压机及输气管，空压机通过输气管与注气孔连接，且在输气管上设置有气体增压泵、压力表及控制阀；

所述供水系统包括注水泵及输水管，注水泵通过输水管与注水孔连接，且在输水管上设置有压力表、控制阀及液体流量计；

所述环境温度控制系统包括恒温槽，恒温槽用来控制实验过程中的环境温度和注入流体温度保持恒定；

所述监控系统用于监控所述加热模拟实验装置内的温度、压力以及流量的变化，监控系统包括压力表、温度传感器、液体流量计及气体流量计，其中气体流量计安装在排气管上，排气管与气液分离器连通，压力表、温度传感器、液体流量计及气体流量计分别与无纸记录仪连接；

所述数据采集处理系统包括计算机和无纸记录仪，无纸记录仪与计算机连接。

优选的，所述反应器筒的底部与反应器基座焊接。

优选的，所述反应器筒的顶部与反应器盖板法兰连接。

优选的，每层注入孔包含四个注气孔及四个注水孔。

进一步，所述加热器为套管式加热器。

优选的，每层射流孔洞的数量大于等于四个。

所述供气系统的供气压力范围与反应器工作压力范围一致，均为0.5mpa～8mpa。

所述供水系统的供水压力范围与反应器工作压力范围一致，均为0.5mpa～8mpa。

所述恒温槽控制的实验环境温度与天然气水合物样品初始温度一致，恒温槽的工作温度范围-10℃～20℃。

本发明还提出了一种天然气水合物井中加热模拟实验方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述的天然气水合物井中加热模拟实验装置，具体包括以下步骤：

步骤一、前期准备：

在进行天然气水合物井中加热模拟实验前，将加热器嵌套在加热器固定座的环槽内，安装并连接好实验设备，在反应器中填充天然气水合物样品，检查输气管、输水管以及反应器的气密性，打开恒温槽，用于模拟地层条件下的温度，并使实验环境温度保持稳定；

步骤二、打开控制阀，向反应器中注入气体和水，调整气体增压泵与注水泵，观察气体流量计与液体流量计显示的示数与实验拟采用的参数一致时，调整完毕；

步骤三、接通与加热器相连的电源开关，数据收集处理系统利用监控系统来监控天然气水合物样品内部的温度变化、输气管和输水管管内压力的变化，利用监控系统来监控模拟井孔的产水量和产气量，通过调节注水泵的泵量来改变模拟井孔的产水量使其达到设定值，通过调节空压机的风量来改变模拟井孔产出流体的气水比，数据收集处理系统和监控系统，实时监测实验过程中温度、压力和流量的变化，并由计算机对无纸记录仪记录的实验数据进行处理，以形成对实际天然气水合物的开采具有指导作用的实验数据。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的一种天然气水合物井中加热模拟实验装置及方法，加热模拟实验装置结构简单、操作简便，能模拟接近真实的地层条件，来研究不同气水产出比、井孔产水量以及加热功率对加热器加热效果的影响，加热模拟实验方法是通过设置一定工况下的加热功率来避免加热器加热范围内二次水合物的形成，以提高开采效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明一种天然气水合物井中加热模拟实验装置的结构示意图。

图2为本发明中温度传感器分布图。

图中各标记如下：1-反应器筒，2-反应器基座，3-筛网，4-加热器，5-加热器固定座，6-射流孔洞，7-天然气水合物样品，8-注水孔，9-注气孔，10-输水管，11-反应器盖板，12-温度传感器，13-排出管，14-控制阀，15-空压机，16-气体增压泵，17-输气管，18-电缆孔，19-排气管，20-液体流量计，21-计算机，22-无纸记录仪，23-气体流量计，24-气液分离器，25-恒温槽，26-注水泵，27-压力表。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出了一种天然气水合物井中加热模拟实验装置，包括井中加热模拟系统、供气系统、供水系统、环境温度控制系统、监控系统及数据采集处理系统，

所述井中加热模拟系统用于对模拟地层进行加热，井中加热模拟系统包括反应器、筛网3、加热器4及加热器固定座5，反应器包括反应器筒1、反应器基座2及反应器盖板11，其中反应器筒1的底部与反应器基座2焊接，反应器筒1的顶部与反应器盖板11法兰连接，反应器筒1的侧壁上自上而下均布有三层注入孔，每层注入孔包含四个注气孔9与四个注水孔8，且注气孔9与注水孔8相间均匀分布，反应器基座2与加热器固定座5通过设置在反应器基座2中部的凸台嵌套连接；所述加热器固定座5上设置有至少两个呈同心布置的环槽；所述加热器4通过环槽安装在加热器固定座5上；在所述加热器4上自上而下设置有至少三层射流孔洞6，以模拟套管壁射流孔，每层射流孔洞6的数量大于等于四个，加热器4与天然气水合物样品7之间设有一层致密的筛网3，加热器4为套管式加热器；所述反应器盖板11上安装有排出管13，排出管13的一端穿过反应器盖板11与反应器内部连通，排出管13的另一端与气液分离器24连接。

所述供气系统用于向模拟地层供应气体，供气系统包括空压机15及输气管17，空压机15通过输气管17与注气孔9连接，且在输气管17上设置有气体增压泵16、压力表27及控制阀14，为了使气体按照一定的流量从井孔流出，供气系统的供气压力范围与反应器工作压力范围一致：0.5mpa～8mpa。

所述供水系统用于向模拟地层供应液体，供水系统包括注水泵26及输水管10，注水泵26通过输水管10与注水孔8连接，且在输水管10上设置有压力表27、控制阀14及液体流量计20，供水系统的供水压力范围与反应器工作压力范围一致：0.5mpa～8mpa。

所述环境温度控制系统包括恒温槽25，恒温槽25控制的实验环境温度与天然气水合物样品7初始温度一致，恒温槽25的工作温度范围-10℃～20℃。

所述监控系统用于监控所述加热模拟实验装置内的温度、压力以及流量的变化，监控系统包括压力表27、温度传感器12、液体流量计20及气体流量计23；压力表27数量为两个，分别安装于输水管10及输气管17上，温度传感器12连接在反应器盖板11上，用以测量距离井壁不同范围天然气水合物样品7中部的温度；液体流量计20安装在输水管17上；气体流量计23安装在排气管19上，排气管19与气液分离器24连通，压力表27、温度传感器12、液体流量计20及气体流量计23分别与无纸记录仪22连接。如图2所示，温度传感器12的数量及排布方式根据加热器4的尺寸和反应器的尺寸进行调整。

所述数据采集处理系统用于收集处理监控系统的监控的数据，数据采集处理系统包括计算机21和无纸记录仪22，无纸记录仪22与计算机21连接。

进一步的是，所述恒温槽25控制的实验环境温度应与天然气水合物样品7初始温度一致，天然气水合物样品7初始温度与所研究的地层温度一致，恒温槽25的工作温度范围-10℃～20℃。

天然气水合物井中加热模拟实验方法，具体包括以下步骤：

步骤一、在进行天然气水合物井中加热模拟实验前，选择一定尺寸的加热器4嵌套在加热器固定座5上的环槽内，安装并连接好实验设备，在反应器中填充的天然气水合物样品7应与所研究的地层性质一致或相近，检查输气管17、输水管10以及反应器的气密性；打开恒温槽25，用于模拟地层条件下的温度，并使实验环境温度保持稳定；

步骤二、打开控制阀14，向反应器中注入气体和水，调整气体增压泵16与注水泵26，并时刻注意实验设备中压力表27的变化，避免压力过高损坏设备，当观察到气体流量计23与液体流量计20上面的示数与实验拟采用的参数一致时，调整完毕；

步骤三、接通与加热器4相连的电源开关，数据收集处理系统利用监控系统来监控天然气水合物样品7内部的温度变化、输气管17和输水管10管内压力的变化，利用监控系统来监控模拟井孔的产水量和产气量，通过调节注水泵26的泵量来改变模拟井孔的产水量使其达到设定值，通过调节空压机15的风量来改变模拟井孔产出流体的气水比。数据收集处理系统和监控系统，实时监测实验过程中温度、压力和流量的变化，并由计算机21对无纸记录仪22记录的实验数据进行处理，以形成对实际天然气水合物的开采具有指导作用的实验数据。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。