一种模拟生产气井井筒水合物射频解堵实验装置及方法

本发明涉及一种生产气井井筒水合物堵塞的解堵，特别是基于射频加热的水合物解堵装置。

背景技术：

1、天然气水合物是气体分子与水分子在高压低温条件下形成的外观像冰的具有非化学计量性的笼形结晶物质。在生产过程中，生产气井（储气库气井）中天然气采出，靠近井底井筒处于高温高压状态，随着气体在井筒上升，温度大幅度降低，水、天然气气体在低温高压条件下，极易在靠近井口位置处、储层产气通道、井筒、防喷器（bop）、节流管线等部位生成水合物造成井筒堵塞，造成采气效率下降或停产的风险，必须采取解堵措施使其恢复正常生产。

2、目前，采取井筒水合物解堵的措施有：（1）物理解堵法，其通过将电动锥形旋转粉碎水合物堵塞块，或者采用震动棒敲击井筒内壁，使井筒水合物破碎掉落，但解堵耗时长，且不能做到完全解堵。（2）化学剂解堵法，其通过加入不同配比的解堵剂改变水合物活性，以改变水合物相变特征，使其分解达到解堵效果。但是普通解堵剂用量巨大，且对井筒及生产环境影响大，如甲醇（有毒）；新型聚合物抑制剂生产成本极高，不具经济性。（3）加热法，其通过加热堵塞处至水合物相平衡温度以上，使水合物分解解堵。包括套管束加热、电伴热带加热、直接电加热等。但传统的加热方式加热速率慢、热量损失大，且存在工艺不成熟、能耗高、不经济等缺点。相比之下，射频加热法可根据需要快速加热，且其在重油方面已经彰显了它的有效性。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波，射频加热是靠快速交变的电场，引起物料内部极性分子的快速转动，摩擦生热产生热效应。

技术实现思路

1、本发明提供了一种模拟生产气井井筒水合物射频解堵实验装置及方法，目的在于提供一种可以评价射频加热解堵效果的实验装置及方法。

2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种模拟生产气井井筒水合物射频解堵实验装置，包括射频发生系统、模拟井筒水合物堵塞解堵系统、注气系统、注液系统、废气废液回收系统、数据监测及处理系统；所述射频发生系统、模拟井筒水合物堵塞解堵系统、注气系统、注液系统分别与数据监测及处理系统相连，实现对射频发生系统、模拟井筒水合物堵塞解堵系统、注气系统、注液系统的数据监测及存储，所述射频发生系统向模拟井筒水合物堵塞解堵系统输出射频并加热。

4、可选或优选方案，所述射频发生系统包括射频发射电机、循环制冷机、水冷循环管路、电流匹配器、同轴电缆、环形电极圈及电极板；所述射频发生电机一端通过水冷循环管路与循环制冷机相连；所述射频发射电机另一端与电流匹配器相连，电流匹配器通过同轴电缆连接环形电极圈及电极板，水冷循环管路上设置电磁阀和安全阀；所述循环制冷机、射频发射机、电流匹配器均与全装置控制箱和计算机相连。

5、可选或优选方案，所述射频发射电机为晶体管型射频发射电机，射频发射电机包括信号源、功分器、驱动模块、功放模块、合成器。

6、可选或优选方案，所述模拟井筒水合物堵塞解堵系统包括带有可视化窗口的井筒、水合物堵塞块、内置电阻探头的可收缩合金框体、放置水合物堵塞块的带孔挡板、温度探头、压力探头、电阻率测试仪、密封法兰、实时摄像机、屏蔽箱体；所述井筒的两端设置有环形电极圈及电极板，井筒设置有可视化窗口；所述水合物堵塞块为标准圆柱状水合物，水合物堵塞块放置在上下两端可收缩合金框体内，并整体放置在带孔挡板上，可收缩合金框体上下两端分布了电阻率测试仪的探头；所述温度探头、压力探头分别为光纤温度传感器探头、光纤压力传感器探头，温度探头分别设置在井筒内密封法兰附近及水合物堵塞块上侧；所述屏蔽箱体材质为不锈钢，并且外部加设一层保温层；所述实时摄像机正对水合物堵塞块；所述可收缩合金框体与电阻率测试仪相连；所述温度探头、压力探头分别与测温传感器、测压传感器相连；所述屏蔽箱体通过同轴电缆与电流匹配器连接，并用铜箔环绕做密封保护，屏蔽箱体接地；测温传感器、测压传感器、电阻率测试仪、实时摄像机与全装置控制箱和计算机相连。

7、可选或优选方案，所述注气系统包括甲烷气瓶、进气阀门、气体增压机、气体空压机、气体质量流量计、气体流量调节阀、一号控制阀、二号控制阀、泄压阀；所述甲烷气瓶设置进气阀门通过一号控制阀门与气体增压机相连，气体增压机通过二号控制阀门与气体空压机连接，气体增压机通过气体流量调节阀与气体质量流量计相连，所述气体流量调节阀与气体质量流量计中间设置泄压阀，甲烷气瓶通过注气管路与井筒连接；所述气体增压机、气体空压机、气体质量流量计均与全装置控制箱和计算机相连。

8、可选或优选方案，注液系统包括液体罐、控制阀、液体注入泵、液体流量调节阀、液体流量计、单向阀；液体罐出口端与液体注入泵进液端通过控制阀连接；所述液体注入泵出液端依次经注液管路上的液体流量调节阀、液体流量计、单向阀与井筒上端进液端连接；所述液体注入泵、液体流量计与全装置控制箱和计算机相连。

9、可选或优选方案，所述废气废液回收系统包括液体回收罐及泄压阀，所述液体回收罐通过控制阀门与井筒的下端连接；所述泄压阀门设置在气体质量流量计与气体流量调节阀中间。

10、可选或优选方案，所述数据监测及处理系统包括中央处理芯片、计算机、连接线路和配套运行软件，可对模拟井筒水合物堵塞解堵系统进行控制，对注气系统、注液系统泵体控制并存储气体液体的流量，实时处理电阻率测试仪及井筒内分布的多个温压传感器数据。

11、一种模拟生产气井井筒水合物射频解堵的实验方法，包括如下步骤：

12、s1：首先将制备好的圆柱状水合物堵塞块放置到井筒中带孔挡板上，该水合物堵塞块是依据生产气井工况及相关数据制备的，确保该位置在可视化窗口中央并检查实时摄像机可以清晰观察水合物堵塞块，将实时图像经控制系统显示到计算机屏幕；

13、s2：通过注气系统先向井筒中注入甲烷气体，达到实验所需压力；再根据注入甲烷气量向井筒注入定量的水，以满足不同气液比的设置，模拟不同生产工况下井筒水合物解堵效果评价；

14、s3：保证屏蔽箱体接地后关闭屏蔽箱体，手持电磁漏能测试仪绕屏蔽箱15及周围系统转一圈，对系统周围的波功率密度进行监测，观察测试仪指示灯并确保数据不超过1w/cm2，如测试值高于该值则立即停止实验并安装泄露电磁波部件；通过全装置控制箱设置水合物堵塞块完全分解的温度，循环制冷机温度和工作功率；打开循环制冷机，设置温度为17~22℃，打开电磁阀；再打开射频发射电机，设置工作功率为500w；根据水合物相态变化图版通过控制系统设置实验压力条件下水合物堵塞块完全分解的最大温度，设置电流匹配器自动调节阻抗至50ω；全装置控制箱一直监测反射功率和井筒内水合物堵塞块附近温度，当温度超过限定值关闭射频发射电机并报警（限定值大于水合物相平衡曲线温度值），如果反射功率在限值内，增加射频功率至工作功率，并持续工作，同时监测井筒中温度，当温度超过限定值关闭射频发射电机并报警，如果反射功率在限值内，通过实时摄像机观察水合物堵塞块分解情况，当井筒中的温度达到使水合物堵塞块完全分解时，关闭射频发射电机和电磁阀，完成一次射频解堵实验，实验正常进行时，需即时观察水合物堵塞块的分解情况并分析电阻率测试仪成像反演图；实验结束后，通过实时摄像机存储数据记录一组气液比条件水合物堵塞块完全分解的时长，计算水合物分解速率；

15、s4：完成一次射频解堵实验后，先经气体质量流量计通过泄压阀排放气体，再将井筒中的液体回收至液体回收罐；打开屏蔽箱体将井筒静置，待所有装置自然冷却后循环上述步骤，进行至少三组相同气液比、不同射频功率下的解堵实验，进行不同气液比、相同射频功率下的解堵实验。

16、基于上述技术方案，可产生如下技术效果：

17、本发明提供的一种模拟生产气井井筒水合物射频解堵实验装置及方法，将制备釜生成的水合物堵塞块放置在带孔挡板上，井筒中充满甲烷气体、等比例的水，水合物堵塞块也位于上下环形电极圈及电极板之间；射频发射电机产生信号经电流匹配器作用在上下环形电极圈及电极板，井筒中存在大量的极性分子（水合物堵塞块及水），两电极间产生高频交变电场，在电场作用下形成偶极子，当电场的大小和方向按照一定频率变化时，偶极子为了与变化的电场方向趋于一致，产生翻转运动，引起水合物分子间的摩擦、碰撞，产生大量的热量，井筒内水合物堵塞块被高效加热后分解，从而达到水合物快速解堵的目的；本发明能够通过设置不同射频电流定量分析不同气液比条件下水合物分解情况，可实时监测水合物分解情况并评价井筒水合物堵塞块体的射频解堵效果。