专利名称：评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及天然气开发领域，特别是一种评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的方
法及装置。
背景技术：
天然气水合物是由水分子与碳氢气体分子组成的具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物， 具有能量密度高、分布广、储量大等特点，是一种很有潜力的新能源和替代能源。自从1810 年英国Davy在实验室首次发现气水合物以来，人类就再没有停止过对气体水合物的研究和 探索。而1960年在自然界发现大规模的天然气水合物，直接促使了许多国家将目光投向了这 个能量密度高、储量巨大、清洁环保的未来潜在新能源。进入21世纪后，随着能源短缺加剧， 油气价格高涨，全球加快了开发、利用天然气水合物的步伐。不少发达国家如美国、日本、 德国、加拿大等国家都投入巨资进行与水合物勘探与开发相关的理论与技术研究。美国制定 了甲烷水合物研究和发展中长期规划，预计在2015年进行商业试开采，日本也计划在2016 年正式进行商业生产。我国自20世纪80年代末开始对天然气水合物进行研究，尽管尚处于 理论和实践探索阶段，但已有一些部门完成了一系列前期研究工作。
目前发现的绝大多数天然气水合物位于大陆斜坡带、洋中脊、海岭等海底沉积物中，因 此，开采海底天然气水合物应是未来研究的重心。但海底水合物储存于距海底0-1000m深的 沉积地层中，海水深度超过500m，埋藏模式很复杂。由于天然气水合物仅能在高压、低温条 件下稳定存在，在天然气水合物地层钻井(进)时，储层井壁和井底附近地层应力释放，会 导致地层压力降低；同时，钻井过程是一个非绝热过程，钻头切削岩石、井底钻具与井壁及 岩心的摩擦都会产生大量的热能；此外，如果循环泥浆温度控制不当，钻井液也会和水合物 地层发生热交换，使孔底水合物得以稳定存在的高压、低温条件遭到破坏，将不可避免地导 致水合物发生分解。水合物分解产生的自由气体进入泥浆，又会使钻井液高度气化。随着分 解产生的气体不断进入钻井液，钻井液的密度下降，泥浆柱的静水压力降低，又会加速水合 物的分解，从而产生更多的气体，这就造成了一个恶性循环。所以，在钻井过程中，井壁周 围地层压力和温度的变化将不可避免地导致天然气水合物发生分解。当固态水合物起胶结或 骨架支撑作用时，分解本身就会使井壁坍塌。而分解产生的水增加了井壁地层的含水量，使 颗粒间的联系减弱，导致井壁不稳；逸出的气体又影响了钻井液的比重和流变性，对井壁稳 定愈发不利，甚至还可能引发井涌和井喷等钻井事故。最后分解进入井内的气体同钻井液一 起上返到地面，在这过程中如果井内温压条件合适，它们又会重新在钻井液循环管路和阀门 特别是防喷器内形成水合物，导致意想不到的钻井事故发生，甚至会造成巨大的损失。
因此，天然气水合物地层钻探(井)的实施，首先要保证对井内的温度和压力实施合理地控制，确保水合物不至大量分解，避免水合物在循环管路中再生成，从而达到稳定井壁的 效果。而要达到此目标，钻井液就必须能有效防止井壁地层中的水合物大量分解和进入井筒 内的气体再形成水合物。针对这一难题，目前世界上很多科研机构都已经着手进行研究，通 过室内模拟实验或现场钻井实验的方法研究解决问题的方法。目前，在钻井液性能测试方面， 由于实际钻井活动少，加之现场实验操作风险大、成本高，综合考虑，室内实验方式是最合 理的选择。然而，目前国内尚没有一套钻井液对水合物形成及分解的抑制性能评价实验系统。 鉴于能源短缺和天然气水合物资源潜力巨大，研制出可测试不同钻井液体系在不同温度和压 力条件下，对水合物形成的抑制能力及水合物分解的抑制能力进行评价，并能优选出钻井液 处理剂和水合物抑制剂的室内模拟实验系统，对天然气水合物的勘探与开发尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可测试和评价不同温度和压力条件下不同钻井 液体系抑制水合物形成和分解能力的方法，并利用该室内模拟实验装置优选钻井液处理剂和 水合物抑制剂，从而为天然气水合物和深水油气勘探开发提供服务。
本发明按下述技术方案解决其技术问题
本发明提供的评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的装置，包括提供水与天然气进 行反应的高压反应釜，提供反应所需温度环境的可编程的高低温实验箱，以及压力控制系统、 显微摄像装置、数据采集控制系统，其中高压反应釜放置于高低温实验箱中；高压反应釜 通过其上部和下部的高压管线与压力控制系统相连；而数据采集控制系统通过数据采集信号 线与安装于高压反应釜底部和高压控制台的传感器相连，高压控制台上放有待测钻井液；显 微摄像装置放在位于高低温实验箱中的工作室内的观察筒中，并抵近观察筒的前端带防雾透 明玻璃进行观察。
本发明提供了利用上述装置实现测试和评价钻井液抑制水合物形成和分解能力的方法， 具体是采用以下方法-
a. 水合物形成抑制实验的方法
将钻井液和所需气体送入高压反应釜中，调节该反应釜内压力和温度至设定值以模拟钻 井条件，并维持一段时间；测试时待测钻井液处于该反应釜底部，与气体直接接触，实时采 集反应釜内部温度和压力数据，通过温度、压力以及反应釜内显微观察图像随时间的变化情 况来判断其抑制水合物形成的能力；
b. 水合物分解抑制实验的方法
预先在高压反应釜内部用容器放置好待测钻井液，并在该反应釜底部放置模拟地层的沙 子，而后将水和气体送入反应釜中，调节反应釜内压力和温度至设定值以模拟地层条件，并 维持一段时间；当生成水合物时，将反应釜倾斜使容器中钻井液与反应釜底部含有水合物的 沙子混合，随后将反应釜温度升高到设定温度，使先前形成的水合物逐步分解，实时采集反 应釜内部温度和压力数据，通过观察某一升温时间内反应釜压力增加的大小来判断此种钻井 液抑制水合物分解的能力。本发明还提供了利用上述装置和方法的用途，该装置和方法在包括天然气水合物、冻土 与海洋深水油气钻井中的应用。
本发明具有以下的主要的有益效果
(1) 可在不同温度和压力条件下，通过水合物生成抑制实验方法和水合物分解抑制实验 方法，测试不同钻井液体系对水合物形成和水合物分解的抑制能力，进而实现钻井液上述两 种抑制性能的评价和钻井液相关处理剂与水合物抑制剂的优选。
(2) 可用于天然气水合物、冻土及海洋深水油气钻井的钻井液体系设计研究；
(3) 可用于相关科研院所的水合物科学实验与研究；
(4) 可为石油钻井和地质勘探相关企业与科研院所提供钻井液测试的装置和技术服务；
(5) 通过增压泵和高压控制台可实现实验体系中压力环境的变化，通过高低温实验箱可 实现实验体系中温度环境的变化。该实验系统主要特点之一是大体积的高压反应釜，能保证 钻井液大的测试体积，并能使钻井液与气体接触充分；之二是压力和温度控制方便；之三实 验系统简单，可复制性强。
总之，本发明可以对不同温度和压力条件下钻井液对水合物形成和分解的抑制性能进行 测试，能够可视化地显微观察天然气水合物在纯水以及多孔隙介质(主要是砂子)中的合成 与分解情况，研究适合于水合物地层钻井需要并可用于冻土和海洋深水钻井的钻井液体系。 对于我国水合物勘探开发、海洋深水钻井及西部资源勘探都具有重要的经济和社会效益。
图1为钻井液对水合物形成抑制性实验的装置示意图。
图2为钻井液对水合物分解抑制性实验的装置示意图。
图3为未加入水合物抑制剂钻井液的温度压力变化曲线图。
图4为加入水合物抑制剂钻井液的温度压力变化曲线图。
图中l.高低温实验箱；2.高压反应釜；3.温度传感器；4.待测钻井液；5.压力传 感器；6.透明观察窗口； 7.进气/液口； 8.出气孔；9.抽真空口； IO.针阀；ll.真空泵； 12.数据采集控制系统；13.高压控制台；14.空压机；15.增压泵；16.压力表；17.截止阀； 18.气源；19.回收气瓶；20.显微摄像装置；21.观察筒；22.底座；23.量杯；24.纯水和沙子。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一.评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的装置
如图1和图2所示包括提供水与天然气进行反应的高压反应釜2，提供反应所需温度
环境的可编程的高低温实验箱l，以及压力控制系统、显微摄像装置、数据采集控制系统12。 其中高压反应釜放置于高低温实验箱中；高压反应釜通过其上部和下部的高压管线与压力 控制系统相连；而数据采集控制系统通过数据采集信号线与安装于高压反应釜底部和高压控 制台13的传感器相连，高压反应釜内装有待测钻井液4和模拟地层的纯水与沙子24;显微摄像装置放在高低温实验箱外部的伸入到工作室内的观察筒21中，并抵近观察筒21的的前 端带防雾透明玻璃进行观察。
所述的高低温实验箱l，其由型号为HLT705P的实验箱改造而来。改造包括实验箱工 作室的顶部由固定变成可方便开启的顶盖，顶盖中心位置开孔，孔的直径8cm，配有绝热孔 盖；工作室正面开4个孔，4个孔在一条直线上，其中1个孔的孔径为15cm，其中心线对准 反应釜透明观察窗口的中心，孔上安装有可沿孔轴线伸縮的前端用加热防雾透明玻璃密封的 观察筒，该筒伸入到试验箱内部，抵近反应釜的透明观察窗口，显微摄像装置放置在观察筒 内，并抵近防雾透明玻璃；另外3个测试孔规格一样，孔径5cm，其中2个孔用于走与反应 釜相连的高压软管，第3个孔走与传感器相连的信号线。
所述的高压反应釜2，其主要由反应釜体、反应釜盖、卡箍、观察窗口的端盖、温度传 感器3和压力传感器5组成。其中卡箍从外部将反应釜体和反应釜盖箍住，并利用螺栓通 过其两端的无螺纹光孔锁紧；所述温度和压力传感器通过螺纹连接安装于反应釜体的底部； 所述端盖通过螺栓固定在反应釜体上；反应釜体底部连接一根高压软管，反应釜盖上连接有 两根高压软管。
所述的压力控制系统由真空泵ll、高压控制台13、空压机14和增压泵15组成，其中 空压机引出两根管线分别与高压控制台和增压泵连接，分别为高压控制台和增压泵提供驱动 气源，增压泵与高压控制台之间通过高压软管相连，真空泵通过一般软管与反应釜盖相连。 高压软管可采用直径为13.2mm、耐压70Mpa的CEJN700进口软管。一般软管可采用口径5mm 左右的橙色PVC管。
所述的数据采集控制系统，其由信号变送器、多功能数据采集卡、视频采集卡、8路继 电器以及电脑及其上运行的采集软件组成。其中信号变送器与温度和压力传感器之间通过 信号线线相连，信号变送器通过数据线与多功能数据采集卡相连；8路继电器输入端通过数 据线与多功能数据采集卡相连，输出端通过导线与高压控制台上的电磁阀相连；多功能数据 采集卡和视频采集卡安装在电脑主板上，电脑主机上装有数据采集软件。
所述的显微摄像装置，可由OPTEM公司的ZOOM 70XL光学变焦系统和Pixera公司120 万像素的数字CCD成像系统组成，两者通过固定接口相连，光学变焦系统放大倍数取10倍， 显微摄像装置通过数据线与视频采集卡相连。所述光学变焦系统和成像系统也可以采用其它 公司所生产的同类型的产品。
二.评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的方法
l.水合物形成抑制实验的方法
将钻井液和所需气体(甲烷、天然气等)送入高压反应釜2中，调节该反应釜内压力和 温度至设定值以模拟地层条件，并维持一段时间；测试时待测钻井液4处于该反应釜底部， 与气体直接接触，实时采集反应釜内部温度和压力数据，通过温度、压力以及反应釜内显微 观察图像随时间的变化情况来判断其抑制水合物形成的能力。具体如下
(1)实验系统的安装和试压首先把各系统按图1的方式安装完成。高压反应釜2 (简
8称反应釜)上部的两个观察窗口和下部左侧的一个观察窗口安装有盲盖，下部右侧的观察窗 口安装透明耐压窗口，显微摄像装置20放入观察筒21内并抵近该透明窗口，距离在2cm以 内。由于本实验所用气体为高压的可燃性气体，为确保系统及实验人员的安全，各系统安装 完成以后，必须检査阀门、气体管道和反应釜的气密性；采用水试压检验系统密封性，开启 空压机14，通过高压控制台13增压到预定25MPa后，保压观察10小时，检查实验系统有无 泄露。
(2) 反应釜清洗检查实验系统无泄露后，通过高压控制台13用蒸馏水对反应釜及高 压软管进行清洗，然后用气源18吹扫高压软管，确保反应釜及连接管道内没有残留液体。
(3) 进液将反应釜底端进液管一端放入配好的体积在0.4 -1.5升范围内的待测钻井液 4中，打开针阀lO和真空泵ll，通过抽真空口9抽真空，利用压差将钻井液通过进气/液口 7 吸入反应釜中，然后关闭针阀IO和真空泵11，把进液管连接到高压控制台13上，关闭控制 台上的排液针阀；再次打开真空泵11和针阀10，尽可能抽出已注入溶液的反应釜内空气， 大约30分钟后，关闭针阀10和真空泵11。
(4) 进气打开截止阀17和气源18，打开空压机14,通过增压泵15和高压控制台13 经进气/液口 7向反应釜内通入气体；打开数据采集控制系统12，通过温度传感器3和压力传 感器5监测进气过程中反应釜内温度和压力的变化，并记录所采集数据。至设定压力后，保 持2 3小时，待反应釜内压力稳定后，关闭气源18、截止阀17和高压控制台13上的高压 针阀，让反应釜内气体和钻井液充分混合，静置10 13小时。
(5) 降温观察启动并设定高低温实验箱l的降温值和降温速率，开始降温。通过数据 采集系统12监测降温过程中反应釜内部的温度(钻井液中的温度和气体中的温度)和压力变 化，结合透明观察窗口 6和显微摄像装置20，观察反应釜内有无水合物形成。通过反应釜内 的温度、压力变化(图3和图4)以及观察到的图像可以对钻井液体系抑制水合物形成的能 力进行评价。
如图3所示在未加入水合物抑制剂(动力学抑制剂)时，系统压力由18MPa降至12.5Mpa, 压降达到5.5MPa，而且可以看到温度曲线有非常明显的升高，说明水合物的生成非常显著。 而在加入1%的PVP后，系统压力由18MPa降至17.5MPa，可以解释为有少量甲垸气体在泥 浆内溶解，而且温度的变化也非常平稳，说明反应釜内无水合物。在实验结束后，打开反应 釜进行观察，发现两种钻井液配方抑制水合物生成性能的差异，通过这种方式就可以评价某 种钻井液体系及其处理剂含量的变化对抑制水合物形成的能力强弱。
实验结束时，缓慢打开高压控制台13上的排液针阀和回收气瓶19上的截止阀，通过反 应釜盖上的出气孔8将气体回收到回收气瓶19，待压力表16指示稳定后，关闭回收气瓶19 上的截止阀，开启高压控制台上的卸荷阀对系统卸压。
重复上述操作，可对各种钻井液体系的水合物形成抑制性能进行实验和评价。
2.水合物分解抑制实验的方法
预先在高压反应釜2内部用容器放置好待测钻井液4，并在该反应釜底部放置模拟地层的纯水和沙子24，而后将气体送入反应釜中，调节反应釜内压力和温度至设定值以模拟地层 条件，并维持一段时间；当生成水合物时，将反应釜倾斜使容器中钻井液与反应釜底部含有 水合物的沙子混合，随后将反应釜温度升高到设定温度，使先前形成的水合物逐步分解，实 时采集反应釜内部温度和压力数据，通过观察某一升温时间内反应釜压力增加的大小来判断 此种钻井液抑制水合物分解的能力。具体如下
(1) 实验系统的安装、试压和清洗先将反应釜上的4个观察窗口全部安装盲盖，按水 合物形成抑制实验方法所述的安装、试压方法进行同样操作，然后打开盲盖把配好的体积在 0.4 -1升范围内的待测钻井液4放入量杯23内，量杯23粘固在底座22上，底座22固定在 反应釜底部。在反应釜内放入一定量的纯水和沙子24，按图2所示安装连接各部分。
(2) 进气打开截止阀17和气源18，打开空压机14，通过增压泵15和高压控制台13 经进气/液口 7向反应釜内通入气体；打开数据采集控制系统12，通过温度传感器3和压力传 感器5监测进气过程中反应釜内温度和压力的变化，并记录所采集数据。至设定压力后，保 持2 3小时，待反应釜内压力稳定后，关闭气源18、截止阀17和高压控制台13上的高压 针阀，让反应釜内气体和钻井液充分混合，静置10 13小时。
(3) 降温观察开启高低温实验箱l降温，使反应釜底部沙子内逐步形成水合物，由于 待测钻井液4内添加有水合物生成抑制剂，在此温度压力条件下不会生成水合物(见图4); 通过数据采集控制系统12监测反应釜内温度和压力变化，当压力降低到一定程度并保持稳定 后，说明反应釜内水合物形成已完成。水合物生成抑制剂可以采用热力学和动力学抑制剂。
(4) 升温观察待水合物形成稳定后，保持高低温实验箱1降温的温度，把高压反应釜 2倾斜一定角度(如45度)，使待测钻井液4从量杯23内倒出，与含有水合物的沙子24混 合；随后使高低温实验箱的温度升高2°C，从而使水合物分解；随着水合物的分解，反应釜 内压力逐渐升高；通过观察一定升温梯度一定升温时间(如20分钟)内反应釜内压力增加的 大小来判断某一钻井液抑制水合物分解的能力。实验结束时，缓慢打开高压控制台13上的排 液针阀和回收气瓶19上的截止阀，通过反应釜盖上的出气孔8将气体回收到回收气瓶19， 待压力表16指示稳定后，关闭回收气瓶19上的截止阀，开启高压控制台上的卸荷阀对系统 卸压。
重复上述操作，可对各种钻井液体系的水合物分解抑制性能进行实验和评价。 本发明可以采用以下方法实现水合物生成抑制实验
a. 待测液体的准备把0.4 -1.5升范围的待测钻井液4注入高压反应釜2，打开数据采集 系统12，通过温度传感器3和压力传感器5监测记录高压反应釜2内温度和压力；打开真空 泵ll，通过抽真空口9抽真空，抽真空完毕后关闭针阀10和真空泵11;
b. 水合物生成体系的准备打开气源18的截止阀17，通过增压泵15和高压控制台13向 所述反应釜内通入气体，至设定压力后保持2 3小时，待该反应釜内压力稳定后，关闭气源 18和高压控制台13上的高压针阀，让该反应釜内气体和钻井液充分混合，静置10 13小时。 高压控制台13的结构请参阅实用新型专利(申请号200820230460.3)，该高压控制台主要包括有操作面板的金属台柜和超压保护机构，安装有试压控制管道、排气/液管道和高压进气 /液管道；试压控制管道用于对高压反应釜进行试压；在排气/液管道上接有超压保护机构，超 压保护机构备有自动泄压和手动泄压的设置，由计算机指令控制继电器、电磁阀、气控阀自 动打开和闭合或截止阀手动开闭通过卸荷口泄压；高压进气/液管道安装有高压针阀，用于控 制实验气体进入高压反应釜。
c. 水合物生成抑制的观测启动并设定高低温实验箱l的降温温度，开始降温；通过数 据采集系统12对合成过程中所述反应釜内部的温度和压力以及该反应釜外围的环境温度进 行测量和实时保存，反应釜内部的温度是指待测钻井液中的温度和气体中的温度；结合高低 温实验箱1上的观察筒21、反应釜上的透明观察窗口 6和显微摄像装置20，观察反应釜内有 无水合物形成。
本发明还可以采用以下方法实现水合物分解抑制实验
a. 待测液体和水合物生成体系的准备把0.4 1升的待测钻井液4放入量杯23内，量杯 放置在底座22上；在高压反应釜2内按设定的量放入纯水和沙子24;打开数据采集系统12， 通过温度传感器3和压力传感器5监测和记录高压反应釜2内温度和压力的变化；打开真空
泵11抽真空，待抽真空完毕后，关闭针阀10和真空泵11;
b. 实验所需水合物的生成打开气源18上的截止阀17，通过增压泵15和高压控制台向 高压反应釜2内通入气体，至设定压力后，关闭气源；设定高低温实验箱1的目的温度后， 启动高低温实验箱l开始降温，使所述反应釜底部的水逐步生成水合物，由于量杯23中的钻 井液添加有水合物生成抑制剂，在此温度压力条件下不会生成水合物；
C.水合物分解抑制的准备高压反应釜2内压力降低到一定程度并保持稳定后，说明水
合物合成反应已完成；然后把高压反应釜2倾斜一个角度(如45度)，使待测钻井液4从量 杯23内倒出，覆盖在生成的水合物上；
d. 水合物分解抑制的观测使高低温实验箱l内温度升高，从而使水合物分解；随着水 合物的分解，反应釜内压力逐渐升高；通过监测一定升温时间内反应釜压力增加的大小，评 价钻井液抑制水合物分解的性能。
三.上述装置和方法的用途
本发明提供的装置和方法，应用在包括天然气水合物、冻土与海洋深水油气钻井活动中。 可以对不同温度和压力条件下钻井液对水合物形成和分解的抑制性能进行测试，优选钻井液 处理剂和水合物抑制剂，研究适合于水合物地层钻井需要并可用于冻土和海洋深水钻井的钻 井液体系。
本发明提供的装置和方法，具有以下贡献-
(1) 可以实现大体积钻井液的水合物形成和分解抑制性能实验与评价；
(2) 用倾斜这一简单方式实现了对钻井液的水合物分解抑制性能评价，从而攻克了以前 无法较好实验评价钻井液对水合物分解抑制能力这一难题；
(3) 可以对各种钻井液体系的水合物形成和分解抑制性能进行实验和评价；
(4) 可以通过直观的方式对钻井液中的水合物形成实施监测。
权利要求
1. 一种评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的装置，其特征在于包括提供水与天然气进行反应的高压反应釜(2)，提供反应所需温度环境的可编程的高低温实验箱(1)，以及压力控制系统、显微摄像装置、数据采集控制系统(12)，其中高压反应釜放置于高低温实验箱中；高压反应釜通过其上部和下部的高压管线与压力控制系统相连；而数据采集控制系统通过数据采集信号线与安装于高压反应釜底部和高压控制台(13)的传感器相连，高压控制台上放有待测钻井液(4)；显微摄像装置放在高低温实验箱外部的伸入到工作室内的观察筒(21)中，并抵近观察筒的前端带防雾透明玻璃进行观察。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征是高压反应釜(2)主要由反应釜体、反应釜 盖、卡箍、观察窗口的端盖、温度传感器(3)和压力传感器(5)组成，其中卡箍从外 部将反应釜体和反应釜盖箍住，并利用螺栓通过其两端的无螺纹光孔锁紧；所述温度和压 力传感器通过螺纹连接安装于反应釜体的底部；所述端盖通过螺栓固定在反应釜体上；反 应釜体底部连接一根高压软管，反应釜盖上连接有两根高压软管。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征是高低温实验箱(1)的结构包括该实验箱 工作室的顶部设计为可方便开启的顶盖，顶盖中心位置开孔且配有绝热孔盖；工作室正面 丌4个测试孔，4个测试孔在一条直线上，其中1个测试孔的孔径为15cm，该孔中心线 对准高压反应釜(2)的透明观察窗口的中心，该孔上装有可沿孔轴线伸缩的前端用加热 防雾透明玻璃密封的观察筒；另外3个测试孔规格一样，孔径5cm，其中2个孔用于走与 反应釜相连的高压软管，第3个孔走与传感器相连的信号线。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征是压力控制系统由真空泵(11)、高压控制台 (13)、空压机(14)和增压泵(15)组成，其中空压机引出两根管线分别与高压控制台和增压泵连接，分别为高压控制台和增压泵提供驱动气源，增压泵与高压控制台之间通 过高压软管相连，真空泵通过一般软管与反应釜盖相连。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征是数据采集控制系统由信号变送器、多功能数 据采集卡、视频采集卡、8路继电器以及电脑及其上运行的采集软件组成，其中信号变 送器与温度和压力传感器之间通过信号线线相连，信号变送器通过数据线与多功能数据采 集卡相连；8路继电器输入端通过数据线与多功能数据采集卡相连，输出端通过导线与高 压控制台上的电磁阀相连；多功能数据采集卡和视频采集卡安装在电脑主板上，电脑主机 上装有数据采集软件。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征是显微摄像装置由OPTEM公司的ZOOM 70XL 光学变焦系统和Pixera公司120万像素的数字CCD成像系统组成，两者通过固定接口相 连，光学变焦系统放大倍数取10倍，显微摄像装置通过数据线与视频采集卡相连。
7. —种利用权利要求1至6中任一权利要求所述装置实现测试和评价钻井液抑制水 合物形成和分解能力的方法，其特征是采用以下方法a. 水合物形成抑制实验的方法将钻井液和所需气体送入高压反应釜(2)中，调节该反应釜内压力和温度至设定值 以模拟地层条件，并维持一段时间；测试时待测钻井液(4)处于该反应釜底部，与气体 直接接触，实时采集反应釜内部温度和压力数据，通过温度、压力以及反应釜内显微观察 图像随时间的变化情况来判断其抑制水合物形成的能力；b. 水合物分解抑制实验的方法-预先在高压反应釜(2)内部用容器放置好待测钻井液(4)，并在该反应釜底部放置 模拟地层的沙子，而后将水和气体送入反应釜中，调节反应釜内压力和温度至设定值以模 拟地层条件，并维持一段时间；当生成水合物时，将反应釜倾斜使容器中钻井液与反应釜 底部含有水合物的沙子混合，随后将反应釜温度升高到设定温度，使先前形成的水合物逐 步分解，实时采集反应釜内部温度和压力数据，通过观察某一升温时间内反应釜压力增加 的大小来判断此种钻井液抑制水合物分解的能力。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征是采用以下方法实现水合物生成抑制实验a. 待测液体的准备把0.4 -1.5升范围的待测钻井液(4)注入高压反应釜(2)内的 容器中，打开数据采集系统(12)，通过温度传感器(3)和压力传感器(5)监测记录高 压反应釜(2)内温度和压力；打开真空泵(11)，通过抽真空口 (9)抽真空，抽真空完 毕后关闭针阀(10)和真空泵(11);b. 水合物生成体系的准备打开气源(18)的截止阀(17)，通过增压泵(15)和高 压控制台(13)向所述反应釜内通入气体，至设定压力后保持2 3小时，待该反应釜内 压力稳定后，关闭气源(18)和高压控制台(13)上的高压针阀，让该反应釜内气体和钻 井液充分混合，静置10 13小时；C.水合物生成抑制的观测启动并设定高低温实验箱(1)的降温温度，开始降温；通过数据采集系统(12)对合成过程中所述反应釜内部的温度和压力以及该反应釜外围的环境温度进行测量和实时保存，反应釜内部的温度是指待测钻井液中的温度和气体中的温度；结合透明观察窗口 (6)和显微摄像装置(20)，观察反应釜内有无水合物形成。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征是采用以下方法实现水合物分解抑制实验a.待测液体和水合物生成体系的准备把0.4~1升的待测钻井液(4)放入量杯(23) 内，量杯放置在底座(22)上；在高压反应釜(2)内按设定的量放入纯水和沙子(24); 打开数据采集系统(12)，通过温度传感器(3)和压力传感器(5)监测和记录高压反应 釜(2)内温度和压力的变化；打开真空泵(11)抽真空，待抽真空完毕后，关闭针阀(10) 和真空泵(11);b.实验所需水合物的生成打开气源(18)上的截止阀(17)，通过增压泵(15)和 高压控制台向高压反应釜(2)内通入气体，至设定压力后，关闭气源；设定高低温实验 箱(1)的目的温度后，启动高低温实验箱(1)开始降温，使所述反应釜底部的水逐步生 成水合物，由于量杯(23)中的钻井液添加有水合物生成抑制剂，在此温度压力条件下不 会生成水合物；C.水合物分解抑制的准备高压反应釜(2)内压力降低到一定程度并保持稳定后， 说明水合物合成反应已完成；然后把高压反应釜(2)倾斜一个角度，使待测钻井液(4) 从量杯(23)内倒出，覆盖在生成的水合物上；d.水合物分解抑制的观测使高低温实验箱(1)内温度升高，从而使水合物分解； 随着水合物的分解，反应釜内压力逐渐升高；通过监测一定升温时间内反应釜压力增加的 大小，评价钻井液抑制水合物分解的性能。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述装置和方法的用途，其特征是该装置和 方法在包括天然气水合物、冻土与海洋深水油气钻井中的应用。
全文摘要
本发明涉及评价钻井液对水合物形成和分解抑制能力的装置和方法。该装置包括高低温实验箱(1)、放置于高低温实验箱中的高压反应釜(2)、压力控制系统、显微摄像装置及数据采集控制系统(12)；该反应釜通过其上部和下部的高压管线与压力控制系统相连，而数据采集控制系统通过数据采集信号线与装于该反应釜底部和高压控制台(13)的传感器相连，高压控制台上放有待测钻井液(4)；显微摄像装置放在高低温实验箱外部的伸入到工作室内的观察筒(21)中，并抵近观察筒(21)的前端带防雾透明玻璃进行观察。本发明提供了在不同温度和压力条件下，利用该装置评价水合物地层钻井、冻土和海洋深水钻井的钻井液对水合物形成和分解的抑制实验。
文档编号G01N7/18GK101532936SQ20091006160
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者刘天乐, 宁伏龙, 凌 张, 昊 张, 函 曹, 涂运中, 勇 范, 蒋国盛 申请人:中国地质大学(武汉)