降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置和方法

本发明属于天然气水合物开采领域，具体涉及降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置和方法。

背景技术：

天然气水合物是由天然气和水在低温、高压条件下形成的冰状笼型化合物，对于天然气水合物的开采通常使用降压法。降压法是通过降低水合物储层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下的相平衡压力，从而使水合物从固态分解相变产生甲烷气体的过程。由于水合物沉积物主要为弱固结以及未固结的砂质、粉砂质沉积物，泥质含量较高，在开采过程中水合物相变分解导致储层力学性质和孔隙度都会发生变化，储层更易产砂。储层出砂会使得井筒内沉砂量增加，造成井下装置损坏，使生产周期大大增加甚至停产。因此，在开采过程中，通过向井筒内下入导管，并给导管内通入惰性气体吹扫井底由于水合物分解而产出的气-水-砂，使井底保持清洁，从而达到安全高效产气的目的。但井筒高含砂条件下注气连续排采机制还不明确，目前亟需能够研究降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置和方法，以对降压开采水合物惰性气体吹扫井底防控固相沉积过程中临界注气量与压降值的响应关系进行研究，为天然气水合物藏降压高效、安全开采提供理论依据和技术指导，从而为现场的开采工程提供重要保障。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置，该装置原理可靠，操作简单，用于模拟降压开采天然气水合物在相同压降条件下注气量对井筒排液携砂的影响，找寻临界注气量，模拟效果好，数据真实有效。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置进行降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的方法，为研究降压开采天然气水合物临界注气量随压降值以及地层产水量的变化规律，提供基础数据和理论指导。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置，由储水罐、水泵、液体流量计、阀闸、甲烷气瓶、气体增压泵、气体流量计、气液注入口、制冷柜、制冷板、温度传感器、制备釜、排空阀、压力传感器、筛网、电动挡板、电动机、井筒、气体喷嘴、环形空间、导管、n2气瓶、混合物出口、抽真空泵、三相分离器、电加热干燥器、砂砾收集器、混合气体收集瓶和可视窗组成。

所述井筒顶端通过螺栓固定有导管，底端用螺栓固定于制备釜之上，侧端的混合物出口连接三相分离与收集系统；所述导管顶端连接注惰性气体系统，包括压力传感器ⅱ、气体增压泵ⅱ、阀闸和n2气瓶，底部连接气体喷嘴，导管与井筒间形成环形空间；所述制备釜内有填砂模型，填砂模型内置制冷板和压力传感器ⅰ，制冷板连接温度传感器和制冷柜，制备釜内由两个电动挡板隔开形成两个填砂模型和一个空腔，电动挡板与电动机相连接，电动挡板和填砂模型之间还安装有筛网，填砂模型的两端连接着注水系统和注气系统，顶部安装有排空阀；所述的三相分离与收集系统包括阀闸、压力传感器ⅲ、抽真空泵和三相分离器，三相分离器底端连接电加热干燥器和砂砾收集器，侧端连接有液体流量计ⅱ和储水罐，顶端连接有气体流量计ⅲ、阀闸和混合气体收集瓶；所述注水系统由阀闸、液体流量计ⅰ、水泵和储水罐依次连接组成；注气系统由阀闸、气体流量计ⅰ、气体增压泵ⅰ和甲烷气瓶依次连接组成。

所述井筒内径150mm，长度4m，为碳钢材料。

所述导管外径90mm，长度3.8m，为碳钢材料。

所述制备釜为1.5m×0.5m×0.5m长方体结构，由两个电动挡板分隔为两个体积为0.6m×0.5m×0.5m的填砂模型和体积为0.3×0.5m×0.5m的空腔，在制备釜上正中间安装有长0.2m×0.3m的可视窗(钢化玻璃)。

利用上述装置进行降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的方法，依次包括以下步骤：

(1)向填砂模型中填砂后，利用注水系统向填砂模型中注水，然后打开制冷柜调节至实验所需温度为制备釜降温，并同时打开注气系统向制备釜持续注入甲烷气体，观察制备釜内的温度压力变化，待压力稳定后，停止注气，水合物制备完成；

(2)打开电动挡板，启动抽真空泵，以恒定压降值为储层降压，打开三相分离器，并启动注惰性气体系统，调节注惰性气体的的阀闸开度，以恒定的注气速率通过导管向空腔内注入惰性气体n2，使n2吹扫空腔内由于水合物降压分解所产生的气-水-砂，使三相混合物沿环形空间向上运移并通过混合物出口进入三相分离器，经过分离后，气体从顶端排出进入混合气体收集瓶，水进入储水罐，砂砾经过电加热干燥器进行干燥后进入砂砾收集器；同时调节水泵流量实时向制备釜内的填砂模型注水，用来模拟地层产水并为地层补压，使压降恒定；压力传感器对制备釜内以及井口的压力进行监测，并利用计算机实时记录；

(3)通过可视窗观察空腔，若空腔内有积砂、积液，持续注气，直到空腔内无积砂、积液，停止试验，记录压降值、注气量以及收集的气量；

(4)重复步骤(1)、(2)，重新填砂，并调节抽真空泵，模拟以不同的压降值开采水合物；调节注水系统水泵的流量，向制备釜内的填砂模型注水，模拟地层不同产水量；重复步骤(3)；

(5)绘制井口压力与储层压力的压降与临界注气量的变化曲线，通过分离出来的水和收集的气量，反算地层产水，绘制临界注气量与地层产水量的关系曲线，评价注n2吹扫气-液-固返排的清井效果。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)在开采过程中持续向天然气水合物储层持续注水，模拟实际工况下由于井底压力降低和水合物分解地层水的产出，并为地层补压，使地层压力恒定，更为接近实际于工况。通过设置压力传感器对井筒、制备釜和注惰性气体系统的压力进行监测，通过计算机能够实时得知降压排采过程中压力变化情况，及时补压。

(2)采用气体喷嘴引射惰性气体吹扫模拟在降压开采水合物惰性气体吹扫由于水合物分解的气-液-固以及产出的地层水沿着环空通道向井口返排。

(3)绘制井口压力与储层压力的压降与临界注气量的变化曲线。并通过所分离出来的水，反算地层产水，绘制临界注气量与地层产水的关系曲线，进而评价注n2吹扫气-液-固返排的清井效果。

附图说明

图1是降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置结构示意图。

图中：1.储水罐、2.水泵、3.液体流量计ⅰ、4.阀闸、5.甲烷气瓶、6.气体增压泵ⅰ、7.气体流量计ⅰ、8.阀闸、9.气液注入口、10.制冷柜、11.温度传感器、12.制备釜、13.制冷板、14.筛网、15.电动挡板、16.压力传感器ⅰ、17.排空阀、18.电动机、19.井筒、20.气体喷嘴、21.环形空间、22.导管、23.n2气瓶、24.气体增压泵ⅱ、25.压力传感器ⅱ、26.气体流量计ⅱ、27.压力传感器ⅲ、28.抽真空泵、29.三相分离器、30.气体流量计ⅲ、31.电加热干燥器、32.砂砾收集器、33.储水罐、34.混合气体收集瓶、35.可视窗、36.混合物出口、37.液体流量计ⅱ。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参见图1。

降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的装置，包括井筒19、导管22、制备釜12、气体喷嘴20、电动挡板15、制冷板13、可视窗35、气液注入口9、混合物出口36、注惰性气体系统、注水系统、注气系统和三相分离与收集系统。

所述井筒19内有导管22，井筒顶端通过螺栓固定导管，底部固定于制备釜12上，所述导管顶端连接注惰性气体系统，底部连接气体喷嘴20，井筒与导管之间形成环形空间21，所述注惰性气体系统由气体流量计ⅱ26、压力传感器ⅱ25、气体增压泵ⅱ24和n2气瓶23依次连接而成。

所述制备釜12由两个电动挡板15隔开，形成两个填砂模型和中间的空腔，所述填砂模型内置制冷板13和压力传感器ⅰ16，制冷板连接温度传感器11和制冷柜10，所述空腔与井筒、导管之间的环形空间连通，空腔内设置可视窗35；所述填砂模型顶部有排空阀17，两侧设置气液注入口9，气液注入口分别连接注水系统和注气系统，所述注水系统由阀闸4、液体流量计ⅰ3、水泵2和储水罐1依次连接而成，注气系统由阀闸8、气体流量计ⅰ7、气体增压泵ⅰ6和甲烷气瓶5依次连接而成；所述井筒右上侧设置混合物出口36，通过该出口连接三相分离与收集系统，该系统包括压力传感器ⅲ27、抽真空泵28和三相分离器29。

所述电动挡板15连接电动机18，电动挡板和填砂模型之间设置筛网14。

所述三相分离器29底端连接电加热干燥器31和砂砾收集器32，侧端连接液体流量计ⅱ37和储水罐33，顶端连接气体流量计ⅲ30和混合气体收集瓶34。

进行降压开采水合物惰性气体吹扫防控固相沉积的方法，依次包括以下步骤：

步骤一：向填砂模型中填砂后，首先启动电动机18关闭电动挡板15，打开制备釜两端的排空阀17和阀闸4，启动水泵2向填砂模型中注水，待排空阀门有水溢出时，关闭排空阀门和注水系统，停止注水；然后打开制冷柜10调节至实验所需要的温度为制备釜降温，并同时打开阀闸8，启动气体增压泵ⅰ6向制备釜12持续注入甲烷气体，观察制备釜内的温度压力变化，待压力稳定后，关闭注气系统，停止注气，水合物制备完成。

步骤二：打开电动挡板15，并打开混合物出口36与抽真空泵28相连的阀闸，启动抽真空泵并以恒定的压降值为储层降压，打开三相分离器29、气体流量计ⅲ30、电加热干燥器31、砂砾收集器32、混合气体收集瓶34，并启动气体增压泵ⅱ24，调节注惰性气体的的阀闸开度，以恒定的注气速率通过导管22向空腔内注入惰性气体(n2),使n2吹扫空腔内由于水合物降压分解所产生的气-水-砂，使三相混合物沿环形空间21向上运移并通过混合物出口36进入三相分离器29，经过分离后，气体从顶端排出进入混合气体收集瓶34，水进入储水罐33，砂砾经过电加热干燥器31进行干燥后进入砂砾收集器32；同时启动水泵2，调节水泵流量实时向制备釜内的填砂模型注水，用来模拟地层产水并为地层补压，使压降恒定；压力传感器ⅲ27和压力传感器ⅰ16对井口以及制备釜的压力进行监测，并利用计算机实时记录。

步骤三：循环一段时间，通过可视窗35观察空腔内有无积液、积砂，当空腔内无积砂、积液时，停止试验。若有积砂、积液，持续注气，直到空腔内无积砂，无积液，停止试验，记录压降值δp1、临界注气量q临1、收集的气量q气1以及收集的液量q液1。

步骤四：重新填砂，重复步骤一，并调节抽真空，模拟以不同的压降值开采水合物；同时调节注水系统注水泵的流量，向制备釜内的填砂模型注水，模拟地层的不同产水量产水；重复步骤三，记录压降值δp2、临界注气量q临2、收集的气量q气2以及收集的液量q液2。

步骤五：重复步骤四，会得到压降值δp2、δp3、δp4…；临界注气量q临2、q临3、q临4…；收集的气量q气2、q气3、q气4…以及收集的液量q液2、q液3、q液4…。

步骤六：绘制井口压力与储层压力的压降δp1、δp2、δp3、δp4…与临界注气量q临1、q临2、q临3、q临4…的变化关系曲线。并计算分解气量q分解气＝q气-q临，根据在标况下，1m³天然气水合物分解能够获得0.8m³的纯水以及164m³的甲烷气体，计算地层产水量绘制临界注气量q临1、q临2、q临3、q临4…与地层产水量q产液的关系曲线，进而评价注n2吹扫气-液-固返排的清井效果。

本发明通过监测井筒与制备釜压力变化、注入气量与地层产水量，找寻临界注气量，能够准确得到降压开采水合物惰性气体吹扫井底防控固相沉积过程中临界注气量随压降值以及临界注气量随地层产水量的变化规律，为降压开采水合物惰性气体吹扫井底的清井效果评价提供基础数据和理论指导。