层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置及方法

本发明属于岩土及能源工程领域，涉及一种天然气水合物开采模拟装置及方法，尤其涉及一种层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置及方法，适用于探究水合物层状分布储层中不同层的最优开采方法及开采压力，获取层状分布储层中天然气水合物最优开采方法和开采效率。

背景技术：

1、天然气水合物清洁高效、分布广、储量大，是一种理想的新型清洁能源，近年来成为各国能源转型竞相追逐的重点发展方向。过去的现场生产试验证明了从水合物储层开采天然气的技术可行性。然而，实现天然气水合物的商业化开采，仍然存在巨大的挑战。

2、水合物储层特征影响着水合物开采的安全性和开采效率。南海北部陆坡神狐海域是我国水合物首次试采区，其峡谷区沉积作用复杂，水合物储层表现为纵向分布不均质，多呈现为层状分布储层，各储层间的渗流、传热、力学特性存在显著差异，大大增大了开采难度。水合物开采打破了储层原有的力学平衡，使固态天然气水合物分解为甲烷气和水，改变了原有的应力分布，沉积物有效应力增加，储层孔隙空间被压缩，改变了流体的渗流通道，影响了液气运移而显著改变开采产气效率。然而，由于储层特性差异导致不同储层对同一开采压力的应力响应不同，导致开采井在纵向上受力不均匀；且这一不均匀特性导致水合物分解时形成显著的、不均匀的气液二相渗流场，导致特征不同的储层开采过程中气-水产出规律存在显著差异，同时极大可能诱发土颗粒迁移，导致严重的出砂问题，甚至可能造成开采井倾斜、井筒断裂等工程灾害。

3、由此可见，不同的水合物储层类型适用不同的开采方法或不同的降压开采速率。为了提高水合物的开采效率，增加水合物的开采时长，实际开采过程中根据不同储层特性选择不同的开采策略，采用不同的开采压力，实现多储层组合优化开采，达到层状分布储层中天然气水合物分段高效开采的目的。

4、同时，水合物开采产能受到开采井降压段位置、井壁加固情况等工程因素的影响。在不同储层水合物开采时的流体运移和生产行为不尽相同。且水合物分解会在开采段内和开采段上方分别产生较大的轴向压缩和拉伸载荷，导致开采井不同位置的应力改变、产气效率与出砂产水行为也存在差异。为了安全有效地开采天然气水合物，有必要探究对比开采井不同开采段的开采效率，确定井壁服役极端位置、出砂剧烈位置并界定产气最优点。而后针对薄弱位置进行加固防护，以防止灾害的发生，提高开采效率，增长水合物开采时间。然而，目前与此相关研究处于空白。因此，能够模拟层状分布储层中天然气水合物分段开采，探究开采井不同开采段水合物分解产气行为差异的装置及方法亟待解决。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本申请的目的在于提供了一种层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置及方法，以准确、量化地探究层状分布储层中不同层的最优开采方法及开采压力，获取层状分布储层中天然气水合物最优开采方法和开采效率。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，包括高压釜、气体注入系统、液体注入系统、数据采集器及开采井；高压釜与气体注入系统、液体注入系统分别相连，开采井设于高压釜内且在其与高压釜釜盖接触处设置密封结构，在高压釜上不同深度处设有若干接口用于安装传感器以检测模型孔压或温度，并传输至数据采集器；所述开采井为分段式开采竖井，是在开采井内部沿竖井长度方向分为若干段，各段间彼此分隔相互独立，分段式开采竖井不同段的出口各连接一回压控制系统及一生产计量系统。

4、上述技术方案中，进一步地，所述的分段式开采竖井为柱形套管结构，在开采井内设有若干层套管，且由外向内套管长度依次增大，各套管顶部均位于开采井顶部，各套管底部与开采井内壁之间均分别通过气液封隔层分隔，从而形成若干独立开采段，每段开采井表面均布射孔。

5、进一步地，所述的分段式开采竖井每段之间由气液封隔层隔开，气液封隔层材料与分段式开采竖井相同，气液封隔层与开采竖井内各段下端焊接为一体，以保证分段式开采竖井不同段相互独立，防止分段式开采竖井不同段收集的水蒸气、甲烷气相互渗漏，保证能够分别进行每段的压力控制与产气产水收集。

6、进一步地，所述回压控制系统包括依次连接的出口压力传感器、滤砂器、回压阀、回压缓冲容器、柱塞泵；分段式开采竖井不同段的出口端分别通过一阀门连接一个回压控制系统的出口压力传感器；由不同的回压控制系统对分段式开采竖井不同开采段的开采压力分别控制。

7、更进一步地，所述的生产计量系统包括气液分离器、天平、干燥剂、湿度流量计、气体流量计；回压控制系统中回压阀出口端连接气液分离器，气液分离器排液口连接天平进行产水量实时测量；气液分离装置排气口依次连接湿度流量计、干燥器、气体流量计，以进行产气量实时测量；每个回压控制系统对应连接一个生产计量系统实现对分段式开采竖井不同段处产气产水量的分别收集与测量。

8、本发明利用分段式开采竖井在水合物开采模拟装置中对层状分布储层中天然气水合物分段开采进行模拟。分别控制开采井不同开采段的开采压力并分别进行产气产水收集和测量，以准确探究层状分布储层中不同层的最优开采方法及开采压力，获取层状分布储层中天然气水合物最优开采方法和开采效率。

9、与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：

10、(1)本申请适用于深海能源开采技术领域，能够可靠、准确的探究层状分布储层不同层的最优开采压力，对比开采井不同开采段的生产效率，以探究水合物层状分布储层中不同层的最佳开采方法和最优开采压力，对比开采井不同段处的生产效率并界定产气最优点提供依据，填补了目前层状分布储层中天然气水合物分段开采的空白，可望解决天然气水合物开采过程中开采井不同开采段生产行为差异难以探究的问题。

11、(2)本发明装置与其它装置相比，具有显著的技术优势。本发明装置结构简单，易于加工制作。在水合物开采过程中，可以利用分段式开采竖井对不同特性储层的开采压力分别独立控制，并同时分别获取开采井不同层的产气产水量，具有较强的科学性与对照性。

12、(3)本实验装置可搭载在超重力离心机上工作，模拟天然气水合物现场开采的土层响应及灾变过程，为天然气水合物开采模拟实验提供科学支撑。

技术特征：

1.一种层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，包括高压釜、气体注入系统、液体注入系统、数据采集器及开采井；高压釜与气体注入系统、液体注入系统分别相连，高压釜内设有水合物储层模型，开采井设于高压釜内且在其与高压釜釜盖接触处设置密封结构，在高压釜上不同深度处设有若干接口用于安装传感器以检测模型孔压或温度，并传输至数据采集器；其特征在于，所述开采井为分段式开采竖井(10)，是在开采井内部沿竖井长度方向分为若干段，各段间彼此分隔相互独立，分段式开采竖井不同段的出口各连接一回压控制系统及一生产计量系统。

2.根据权利要求1所述的层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，其特征在于，所述的分段式开采竖井(10)为柱形套管结构，在开采井内设有若干层套管，且由外向内套管长度依次增大，各套管顶部均位于开采井顶部，各套管底部与开采井内壁之间均分别通过气液封隔层分隔，从而形成若干独立开采段，每段开采井表面均布射孔。

3.根据权利要求2所述的层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，其特征在于，所述的分段式开采竖井(10)每段之间由气液封隔层隔开，气液封隔层材料与分段式开采竖井(10)相同，气液封隔层与开采竖井内各段下端焊接为一体，以保证分段式开采竖井(10)不同段相互独立，防止分段式开采竖井不同段收集的水蒸气、甲烷气相互渗漏，保证能够分别进行每段的压力控制与产气产水收集。

4.根据权利要求1所述的层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，其特征在于，所述回压控制系统包括依次连接的出口压力传感器(12)、滤砂器(13)、回压阀(14)、回压缓冲容器(21)、柱塞泵(22)；分段式开采竖井(10)不同段的出口端分别通过一阀门(11)连接一个回压控制系统的出口压力传感器(12)；由不同的回压控制系统对分段式开采竖井(10)不同开采段的开采压力分别控制。

5.根据权利要求4所述的层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置，其特征在于，所述的生产计量系统包括气液分离器(25)、天平(26)、干燥剂(23)、湿度流量计(24)、气体流量计(9)；回压控制系统中回压阀(14)出口端连接气液分离器(25)，气液分离器(25)排液口连接天平(26)进行产水量实时测量；气液分离装置(25)排气口依次连接湿度流量计(24)、干燥器(23)、气体流量计(9)，以进行产气量实时测量；每个回压控制系统对应连接一个生产计量系统实现对分段式开采竖井(10)不同段处产气产水量的分别收集与测量。

6.层状分布储层中天然气水合物开采模拟实验方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的装置实现，根据所模拟的层状分布储层工况确定分段式开采竖井的分段数，通过不同回压控制系统对分段式开采竖井不同开采段的开采压力分别控制，探究层状分布储层不同层的最优开采压力及最佳开采方式。

技术总结
本发明公开了一种层状分布储层中天然气水合物分段开采模拟实验装置及方法，所述装置中开采井采用分段式开采竖井，是在开采井内部沿竖井长度方向分为若干段，各段间彼此分隔相互独立，且分段式开采竖井不同段的出口各连接一回压控制系统及一生产计量系统。本发明装置可以用于室内模拟层状分布储层中天然气水合物分段开采，对比开采井不同开采段水合物开采过程中生产行为的差异。能够探究水合物层状分布储层中不同层的最优开采方法及开采压力，获取层状分布储层中天然气水合物最佳开采方法组合和最优开采效率。为有效防止工程灾害、增长水合物开采时长、高效开采层状分布储层中的天然气水合物提供科学支撑。

技术研发人员：王路君,洪晓均,王鹏,朱斌,陈云敏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16