专利名称：研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法。
背景技术：
天然气水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型替代能源。但是至今在水合物勘探与开发应用的天空上还存在储层定量描述不够，开采技术不过关和开发应用风险不小“三朵乌云”的问题。由于含天然气水合物地层是具有渗透性的多孔介质体，钻进过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换，从而影响井壁稳定、测井响应和储层评价。在过压钻井和钻井液温度高于此处水合物相平衡温度的情况下， 水基钻井液驱替侵入含天然气水合物地层和温差下热传导导致的天然气水合物分解是耦合在一起的，其过程是一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。仅采用常见的数值模拟方法存在模型的假设和简化等缺点，无法真实准确的反应实际情况，加上野外水合物地层实际钻井活动少，且操作困难、成本高、风险大，以及实际钻井过程孔内情况往往不可见， 采用实际的测井方式来推断井周储层情况还存在许多不确定性。因此人们也进行了一些室内的模拟实验研究，设计了一些实验装置，建立了一些实验的方法，比如国内《现代地质》 2008年3期“甲烷水合物分解过程模拟实验研究”中曾公开了采用实验模拟的方法进行甲烷水合物分解率研究，实验中采用了等容升温分解和不同粒径多孔介质体系常压分解等方法研究水合物的分解特征；国家知识产权局在2011年6月公开了“一种天然气水合物三维生成开采物性检测实验装置”，申请号为201010603251. 0，该装置可以精确测量开采时物性变化，能用于综合研究各种水合物生成和开采时水合物藏内部的基础物性变化。但上述实验装置和方法的不足之处在于仅能用于水合物开采过程中的模拟实验研究，而忽视了水合物勘探与开采过程中的钻井活动及其钻井液侵入对水合物地层的影响。因此，研究水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性对实现水合物安全高效的勘探开发具有重要意义。针对上述状况，在水合物地层钻井前期先进行室内模拟实验研究是一种合理的选择，有必要通过在室内建立一种能综合模拟的实验装置和实验方法，系统研究水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性，为今后水合物的安全高效勘探开发提供理论基础和实验指导。
发明内容
本发明的目的一是提供一种能综合研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，二是在提供的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置基础上提供一套完整的实验方法。本发明为了达到上述目的，所采取的技术方案是提供一种研究水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构和工控机，还设有岩芯转移机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、 出口计量机构、取样机构；
所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪控制钻井液温度，钻井液在钻井液循环泵作用下在物理模型机构的井口环空腔中循环流动渗入到岩芯夹持器内的水合物沉积物中；
所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，实验箱内设有物理模型机构，在物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，上部设有一个取样点，红外相机安装在实验箱内的滑轮轨道上，与物理模型机构轴线对准，且可左右移动；在物理模型机构内设有岩芯夹持器，岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内， 在岩芯夹持器的轴向上设有电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水/气注入机构、取样机构相连；物理模型机构上的十站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构相连；转移岩芯夹持器中形成的水合物沉积物岩芯时，将岩芯夹持器右端与岩芯转移机构相连实现转移；
所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性；所述的水/气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成；
所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差；
所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成；所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构；
所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构采用手动泵和活塞式取样器，在活塞式取样器的活塞的左端预增入一与物理模型机构内同等的压力，再通过退泵实现等压取样；
所述的工控机在Windows 2000或XP环境下运行，采用VB编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。本发明的实验装置，所述的岩芯夹持器在其轴向上均勻布置10站位测点，分别安装有10个压力传感器C，10个温度传感器和10个电阻率传感器。本发明的实验装置，所述的岩芯夹持器规格为Φ 50mm，长度1200mm，测试岩芯 Φ 50mm,长度500 1200mm，测试岩芯长度不足1200mm部分通过假岩芯补长，测试岩芯可采用天然岩芯、人造岩芯或填砂模型。所述的假岩芯补长是指当测试岩芯长度不能填满整个岩芯夹持器时，利用假岩芯将岩芯夹持器内测试岩芯补长至1200mm以填满整个岩芯夹持器。所述的假岩芯如不锈钢材料制的成空心圆筒体假岩芯。本发明的实验装置，所述的岩芯保真转移机构由外腔体、内腔体、活塞、手动泵、环状腔、温度控制仪、压力控制仪、封隔板和接头组成，外腔体内含有内腔体，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。
为了达到本发明的第二个目的，提供一种将所述的实验装置用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，包含有水合物沉积物气体渗透性测试实验方法，钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法；水合物沉积物岩芯保真转移方法；所述的水合物地层气体渗透性测试实验方法，分为低、中、高三种不同渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法，具体步骤如下
(1)所述的低渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
a.注水液体水储存容器中的液体水通过平流泵经活塞容器A注入岩芯夹持器中的测试岩芯内；
b.注气液体水注入结束后，开启天然气瓶，CH4气体经过减压阀，当天然气压力低于实验所需压力时，开启气体增压泵增压，气体压力由压力表D显示，流经阀⑤；
c.选择低渗透注气管路，CH4气体经过阀⑥、阀⑦、低流量计构成的低渗透管路，进入岩芯夹持器中测试岩芯，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3小时后停止注气；
d保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成低渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗透率进行低渗实验，此时阀①、阀⑦、阀⑥打开，其它阀门关闭，开启氮气瓶 A,瓶中氮气经高压调压阀B调压至4MPa后进入物理模型机构，气体渗入压力由压力表E显示，通过低流量计测试低渗透性水合物沉积物的渗透率；
(2)所述的中渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；
c.选择中渗透注气管路，天然气经过阀⑧、中流量计和阀⑨构成的中渗透管路，向岩芯夹持器中测试岩芯注入CH4气体，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3 小时后停止注气；
d.保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成中渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗透率进行中渗实验，此时阀②、阀③、阀⑧、阀⑨打开，其它阀门关闭，氮气瓶B中气体先经高压调压阀A调压至4MPa，气体压力由压力表A显示，再经中压调压阀调压至0. 6MPa，气体压力由压力表B显示，然后进入物理模型机构，通过中流量计测试中渗透性水合物沉积物的渗透率；
(3)所述的高渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；
c.选择高渗透注气管路，天然气经过阀⑩、阀 π高流量计所构成的高渗透管路，向岩芯夹持器中测试岩芯注入CH4气体，待测试岩芯中
压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3小时后停止注气；
d.保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成高渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗率进行高渗实验，此时阀②、阀④、阀⑩、阀 打开，其它阀门关闭，氮气瓶B中气体经高压调压阀A调压至4MPa，气体压力由压力表A显示，经中压调压阀调压至 0. 6MPa,气体压力由压力表B显示，再经低压调压阀调压至0. 2MPa,气体渗入压力由压力表C显示，进入物理模型机构，通过高流量计测试高渗透性水合物沉积物的渗透率。本发明所述的一种钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法步骤如下
(1)所述的水合物沉积物包括利用测试岩芯作为骨架材料合成的水合物沉积物，放置在物理模型机构内的岩心夹持器中；
(2)钻井液对水合物沉积物的侵入钻井液储罐中的钻井液经温控仪调节达到实验需求温度0 50°C后，通过钻井液循环泵进入物理模型机构的井口环空腔，并在其中循环流动，钻井液逐渐侵入岩芯夹持器内水合物沉积物中；
(3)监测侵入过程中的动态响应分别通过沿岩芯夹持器轴向均布并固定于物理模型结构上部的10个温度传感器和10个压力传感器C来测试侵入过程中水合物沉积物的温度和压力变化；通过沿岩芯夹持器轴向均布并固定于物理模型机构下部的10个电阻率传感器测试侵入过程中水合物沉积物电阻率的变化；
(4)红外观测通过安装在滑轮轨道上的红外相机扫描观察物理模型机构中岩芯夹持器内水合物沉积物的温度分布和变化，分析钻井液动态侵入过程和水合物分解区域；
(5)取样进行分析研究取样操作时用手摇泵B给活塞容器B左端预增入一与岩芯夹持器内相同的压力，将活塞容器B的接头接至物理模型机构的取样接口，接好后，将手摇泵 B退泵处理，将岩芯夹持器中的样品吸入活塞容器B中；
(6)应用装置上的工控机编制的软件进行各种数据的采集，形成数据库，分析并显示天然气水合物沉积物对钻井液侵入的响应特性。本发明所述的用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，所述的水合物沉积物岩芯保真转移方法步骤如下
(1)卸下岩芯夹持器的右端盖，将岩芯转移机构的接头与物理模型机构右端连接；
(2)通过温度控制仪调节岩芯转移机构外腔体和内腔体间环状腔中的温度以降低内腔体内部的温度，通过压力控制仪调节内腔体内部的压力；
(3)当内腔体内部温度、压力和岩芯夹持器内部温度、压力相同时，打开封隔板，通过手动泵调节活塞使水合物沉积物岩芯在保温保压的条件下进入岩芯转移机构；
(4)关闭岩芯转移机构中的封隔板，卸下岩芯转移机构与物理模型机构的链接，实现水合物沉积物的保真转移。本发明具有以下的有益效果
(1)鉴于目前国内尚无一套综合研究水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置和实验方法，本发明可很好地弥补这方面的不足，利用开发的实验装置和方法进行水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验研究，为今后水合物的安全高效勘探开发提供理论基础。(2)本发明可对含水合物地层的渗透性能进行测试，掌握水合物地层渗透率和饱和度关系及水和物分解对地层渗透率的影响。(3)本发明在钻井液侵入过程中将红外观察技术与物性参数监测相结合，综合评价水合物沉积物对钻井液侵入的动态响应特性。(4)本发明可利用岩芯转移机构实现将岩芯夹持器中合成的水合物沉积物转移后处理，进行水合物沉积物钻井液侵入与力学性质的关联研究。(5)本发明可用于相关科研院所的水合物科学实验和研究，为野外天然气水合物勘探和开发提供安全钻井研究的实验装置和技术服务。
图1为本发明研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置结构示意图。图2为本发明岩芯保真转移机构结构示意图。上述图中1-温控仪、2-钻井液储罐、3-阀⑦、4-高压调压阀B、5_阀①、6-氮气瓶A、7-低流量计、8-压力表E、9-压力表A、10-高压调压阀A、ll-阀②、12-氮气瓶B、 13-中压调压阀、14-压力表B、15-阀③、16-阀④、17-低压调压阀、18-压力表C、19-阀 ⑥、20-阀⑧、21-气体增压泵、22-压力表D、23-阀⑤、24-天然气瓶、25-减压阀、26-阀 ⑩、27-中流量计、28-高流量计、29-阀⑨、30-阀 、31-液体水储存容器、32-平流泵、 33-活塞容器A、34-左端盖、35-岩芯夹持器、36-环压腔、37-测试岩芯、38-电阻率传感器、39-压力传感器A、40-高低温恒温实验箱(简称实验箱)、41_环压跟踪泵、42-物理模型机构、43-电子天平、44-右端盖、45-气液分离器、46-气体质量流量计、47-压力传感器B、 48-手摇泵A、49-回压阀、50-回压缓冲容器、51-压力表G、52_压力表F、53_压力传感器 C、54-温度传感器、55-红外相机、56-手摇泵B、57-活塞容器B、58-取样口、59-井口环空腔、60-滑轮轨道、61-钻井液循环泵、62-外腔体、63-温度控制仪、64-内腔体、65-活塞、 66-手动泵、67-环状腔、68-压力控制仪、69-封隔板、70-接头。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。实施例1 本发明的一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其结构如图1。包括钻井液循环机构、实验箱、岩芯转移机构、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构和工控机。所述的钻井液循环机构，包括温控仪1、钻井液储罐2和钻井液循环泵61和物理模型机构42的井口环空腔59，其中钻井液贮罐2容积IOOOmL,温度在室温到_50°C之间可控可调，钻井液循环泵61的注入最大压力25MPa，流量范围控制在0. 5 lOml/min。所述的高低温恒温实验箱40内设有物理模型机构42、滑轮轨道60和红外相机 55 物理模型机构内设有岩芯夹持器35、环压腔36、左端盖34、右端盖44、井口环空腔59， 取样口 58设在物理模型机构上部；测试岩芯37放在岩芯夹持器35内，岩芯夹持器35长度为1200mm，可在25MPa下安全工作且耐腐蚀，此外还可方便地取出岩芯。测试岩芯37采用人造岩芯，规格Φ 50mm,长度1200mm ；红外相机55安装在高低温恒温实验箱40内部滑轮轨道60上，其与物理模型机构轴线对准，并可在滑轮轨道上左右移动，通过运行安装于工控机内部的红外相机关联程序获取红外相机存储卡内数据信息，并进行分析处理得到温度分布图像，评价钻井液对水合物地层的动态侵入过程和水合物分解区域，将直观观察与数据测试相结合分析含水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性。所述的气测渗透率机构，包括氮气瓶A6、氮气瓶B12、高压调压阀B4和高压调压阀 A 10、中压调压阀13、低压调压阀17、低流量计7、中流量计27和高流量计28，以及阀①5、 阀②11、阀③15、阀④16、阀⑤23、阀⑥19、阀⑦3、阀⑧20、阀⑨29、阀⑩26、_ π 30所组成的三种不同渗透压力的管路，分别测试高、中、低三种渗透率的测试岩芯的水合物沉积物渗透性。其中高压调压阀B4和高压调压阀AlO的调压范围10 4MPa，中压调压阀13的调压范围4 0. 6MPa，低压调压阀17的调压范围0. 6 0. 2MPa，低流量计7的流量范围 30ml/min,中流量计27的流量范围300ml/min，高流量计28的流量范围3000ml/min。所述的液体水注入机构和天然气注入机构，其中液体水注入机构由液体水储存容器31、平流泵32、活塞容器A33组成，平流泵32的工作压力40MPa，流量0 20ml/min，活塞容器A33体积1000ml，工作压力32MPa。天然气注入机构包括天然气瓶对、减压阀25、气体增压泵21和压力表D22、阀⑤23、阀⑦3、阀⑥19、阀⑧20、阀⑨29、阀⑩26、阀Hl 30、低流量计7、中流量计27和高流量计28构成。当天然气瓶M压力高于实验所需压力时，天然气由减压阀25减压后注入物理模型机构42，当天然气压力低于实验所需压力时，天然气由气体增压泵20增压后注入物理模型机构，注入气体压力由压力表D22显示。注入物理模型机构中的天然气量在不同渗透性测试岩芯实验时，分别根据低流量计7、中流量计27和高流量计观来确定注入天然气量。所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵41、压力传感器A39组成，环压跟踪泵41缸体容积100ml，流量在0. 01 30ml/min间可调，最大环压32MPa，实验中可保持环压高于岩芯夹持器35内部压力，保证实验过程中测试岩芯37始终处于被抱紧状态。所述的回压机构由回压阀49、回压缓冲容器50、手摇泵A48和压力表G51组成，回压阀49回压调节范围0 25MPa，控制波动幅度在士0. IMPa范围内；回压缓冲容器50工作压力16MPa，容积500ml ；手摇泵A48最大工作压力32MPa。所述的温度测量机构和压力测量机构，由沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型机构42上部的10个温度传感器54、10个压力传感器C53组成，温度传感器精度 0. rc ；压力传感器C精度0. 25%F. S。所述的电阻率测量机构，由沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型机构42 下部的10个电阻率传感器38组成，电阻率的测量范围为0 15000 Ω ·πι，精度1%。所述的出口计量机构由压力传感器Β47、压力表F52、气液分离器45、气体质量流量计46和电子天平43组成，气液分离器45用于回压阀49出口流出的气、液分离；压力传感器Β47和压力表F52用于监测出口处的压力；电子天平43用于出口液体体积计量，量程 4200g,精度0. Olg ；气体质量流量计46用于出口气体体积计量，流量控制范围0 IOOOml/ min,工作压力lOMPa，可控制瞬时流量，显示累积流量。进行取样操作时用手摇泵B56将活塞容器B57中的活塞推至尽头，将活塞容器B57 的接头接至物理模型机构的取样接口 58，接好后将手摇泵B56退泵处理，将岩芯夹持器中的样品吸入活塞容器B57中。参见图2，所述的岩芯保真转移机构由外腔体62、温度控制仪63、内腔体64、活塞 65、手动泵66、环状腔67、压力控制仪68、封隔板69和接头70组成。外腔体内设有内腔体与环状腔，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。所述的工控机是一个数据采集处理系统，软件在Windows 2000或XP环境下运行， 通过工控机与各个机构连接，适时采集压力、温度、电阻率、气体和液体流量等数值并进行数据处理，可实时显示各点参数，实现人机对话，操作人员设定好参数后可实现无人值守， 工控机自动采集所有参数并自动控制装置的运行。工控机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表和曲线图，同时生成数据库文件格式，以便后续数据处理和分析使用。
实施例2 本发明在应用上述实施例1实验装置的基础上提出了一套研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，其中的水合物沉积物气体渗透性测试实验方法，分为低、中、高三种不同渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法，具体操作步骤如下
(1)所述的低渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
a.注水液体水储存容器31中的液体水通过平流泵32经活塞容器A33注入岩芯夹持器35中的测试岩芯37内；所述测试岩芯材料采用天然岩心，长度500mm，另外700mm长度采用空心的不锈钢圆筒体作为假岩芯补长至1200mm，以填满整个岩芯夹持器；
b.注气液体水注入结束后，开启天然气瓶24，CH4气体经过减压阀25，当天然气压力低于实验所需压力时，开启气体增压泵21增压，气体压力由压力表D22显示，流经阀⑤23 ；
c.选择低渗透注气管路，CH4气体经过阀⑥19、阀⑦3、低流量计7构成的低渗透管路， 进入岩芯夹持器35中测试岩芯37，待测试岩芯37中压力达到设定压力12MPa并保持2 3小时后停止注气；
d保温调节高低温恒温实验箱40的温度，使物理模型机构42中测试岩芯37在4°C恒温条件下静置20小时，在岩芯夹持器35中形成低渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗透率进行低渗实验，此时阀①5、阀⑦3、阀⑥19打开，其它阀门关闭，开启氮气瓶A6，瓶中氮气经高压调压阀B4调压至4MPa后进入物理模型机构42，气体渗入压力由压力表E8显示，通过低流量计7测试低渗透性水合物沉积物的渗透率；
(2)所述的中渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；
c.选择中渗透注气管路，天然气经过阀⑧20、中流量计27和阀⑨四构成的中渗透管路，向岩芯夹持器35中测试岩芯37注入CH4气体，待测试岩芯37中压力达到设定压力 IOMPa并保持2 3小时后停止注气；
d.保温调节高低温恒温实验箱40的温度，使物理模型机构42中测试岩芯37在4°C 恒温条件下静置18小时，在岩芯夹持器35中形成中渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗透率进行中渗实验，此时阀②11、阀③15、阀⑧20、阀⑨四打开，其它阀门关闭，氮气瓶B12中气体先经高压调压阀AlO调压至4MPa，气体压力由压力表A9显示，再经中压调压阀13调压至0. 6MPa,气体压力由压力表B14显示，然后进入岩芯夹持器35内测试岩芯37，通过中流量计27测试中渗透性水合物沉积物的渗透率；
(3)所述的高渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤
步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；
c.选择高渗透注气管路，天然气经过阀⑩沈、阀 30、高流量计观所构成的高渗透管路，向岩芯夹持器35中测试岩芯37注入CH4气体，待测试岩芯37中压力达到设定压力 8MPa并保持2 3小时后停止注气；
d.保温调节高低温恒温实验箱40的温度，使物理模型机构42中测试岩芯37在4°C 恒温条件下静置16小时，在岩芯夹持器35中形成高渗透性的水合物沉积物；
e.气测渗率进行高渗实验，此时阀②11、阀④16、阀⑩沈、阀 30打开，其它阀门关闭，氮气瓶B12中气体经高压调压阀AlO调压至4MPa，气体压力由压力表A9显示，经中压调压阀13调压至0. 6MPa，气体压力由压力表B14显示，再经低压调压阀17调压至0. 2MPa，气体渗入压力由压力表C18显示，进入测试岩芯37，通过高流量计28测试高渗透性水合物沉积物的渗透率。实施例3 在应用上述实施例1实验装置的基础上进行研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，其中钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法步骤如下
(1)水合物沉积物合成岩芯夹持器35长度1200mm，预先做好填砂模型放置在岩芯夹持器35内，以填满岩芯夹持器，采用实施例2低渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法中的步骤a、b合成水合物沉积物；
(2)钻井液对水合物沉积物的侵入钻井液储罐2中的钻井液经温控仪1调节达到 30°C后，通过钻井液循环泵61进入物理模型机构42的井口环空腔59，并在其中循环流动， 钻井液逐渐侵入岩芯夹持器35内水合物沉积物中；
(3)监测侵入过程中的动态响应分别通过沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型结构42上部的10个温度传感器M和10个压力传感器C53来测试侵入过程中水合物沉积物的温度和压力变化；通过沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型机构42下部的 10个电阻率传感器38测试侵入过程中水合物沉积物电阻率的变化；
(4)红外观测通过安装在滑轮轨道60上的红外相机55扫描观察物理模型机构42中岩芯夹持器内水合物沉积物的温度分布和变化，分析钻井液动态侵入过程和水合物分解区域；
(5)取样进行分析研究取样操作时用手摇泵B56给活塞容器B57左端预增入一与岩芯夹持器35内相同的压力，将活塞容器B57的接头接至物理模型机构42的取样接口 58，接好后，将手摇泵B56退泵处理，将岩芯夹持器35中的样品吸入活塞容器B57中；
(6)应用装置工控机上安装的软件进行各种数据的采集，形成数据库，分析并显示天然气水合物沉积物对钻井液侵入的响应特性。实施例4 将实施例1实验装置内的水合物沉积物岩芯保真转移的方法，具体操作步骤如下
(1)卸下物理模型机构42的右端盖44，将岩芯转移机构的接头70与物理模型机构42 右端连接；
(2)通过温度控制仪63调节岩芯转移机构外腔体62和内腔体64间环状腔67中的温度以降低内腔体64内部的温度，通过压力控制仪68调节内腔体64内部的压力；
(3)当内腔体64内部温度、压力和岩芯夹持器35内部温度、压力相同时，打开封隔板 69，通过手动泵66调节活塞65使水合物沉积物在保温保压的条件下进入岩芯转移机构；
(4)关闭岩芯转移机构中的封隔板69，卸下岩芯转移机构与物理模型机构42的链接， 即实现了水合物沉积物的保真转移。
权利要求
1.一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构和工控机，其特征在于还设有岩芯转移机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构；所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪控制钻井液温度，钻井液在钻井液循环泵作用下在物理模型机构的井口环空腔中循环流动渗入到岩芯夹持器内的水合物沉积物中；所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，实验箱内设有物理模型机构，在物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，上部设有一个取样点，红外相机安装在实验箱内的滑轮轨道上，与物理模型机构轴线对准，且可左右移动；在物理模型机构内设有岩芯夹持器，岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内， 在岩芯夹持器的轴向上设有电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水/气注入机构、取样机构相连；物理模型机构上的十站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构相连；转移岩芯夹持器中形成的水合物沉积物岩芯时，将岩芯夹持器右端与岩芯转移机构相连实现转移；所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性；所述的水/气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成；所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差；所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成；所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构；所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构采用手动泵和活塞式取样器，在活塞式取样器的活塞的左端预增入一与物理模型机构内同等的压力，再通过退泵实现等压取样；所述的工控机在Windows 2000或XP环境下运行，采用VB编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。
2.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置， 其特征在于所述的岩芯夹持器在其轴向上均勻布置10站位测点，分别安装有10个压力传感器C，10个温度传感器和10个电阻率传感器。
3.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于所述的岩芯夹持器规格为Φ 50mm,长度1200mm，测试岩芯Φ 50mm,长度 500 1200mm，测试岩芯长度不足1200mm部分通过假岩芯补长，测试岩芯采用天然岩芯、人造岩芯或填砂模型。
4.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置， 其特征在于所述的岩芯保真转移机构由外腔体、内腔体、活塞、手动泵、环状腔、温度控制仪、压力控制仪、封隔板和接头组成，外腔体内含有内腔体，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。
5. 一种将权利要求1所述的实验装置用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，包含有水合物沉积物气体渗透性测试实验方法，钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法；水合物沉积物岩芯保真转移方法；其特征在于所述的水合物沉积物气体渗透性测试实验方法，分为低、中、高三种不同渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法，具体步骤如下(1)所述的低渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤a.注水液体水储存容器中的液体水通过平流泵经活塞容器A注入岩芯夹持器中的测试岩芯内；b.注气液体水注入结束后，开启天然气瓶，CH4气体经过减压阀，当天然气压力低于实验所需压力时，开启气体增压泵增压，气体压力由压力表D显示，流经阀⑤；c.选择低渗透注气管路，CH4气体经过阀⑥、阀⑦、低流量计构成的低渗透管路，进入岩芯夹持器中测试岩芯，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3小时后停止注气；d保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成低渗透性的水合物沉积物；e.气测渗透率进行低渗实验，此时阀①、阀⑦、阀⑥打开，其它阀门关闭，开启氮气瓶 A,瓶中氮气经高压调压阀B调压至4MPa后进入物理模型机构，气体渗入压力由压力表E显示，通过低流量计测试低渗透性水合物沉积物的渗透率；(2)所述的中渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；c.选择中渗透注气管路，天然气经过阀⑧、中流量计和阀⑨构成的中渗透管路，向岩芯夹持器中测试岩芯注入CH4气体，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3 小时后停止注气；d.保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成中渗透性的水合物沉积物；e.气测渗透率进行中渗实验，此时阀②、阀③、阀⑧、阀⑨打开，其它阀门关闭，氮气瓶B中气体先经高压调压阀A调压至4MPa，气体压力由压力表A显示，再经中压调压阀调压至0. 6MPa，气体压力由压力表B显示，然后进入物理模型机构，通过中流量计测试中渗透性水合物沉积物的渗透率；(3)所述的高渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤步骤a、b与低渗透性水合物沉积物实验方法相同；c.选择高渗透注气管路，天然气经过阀⑩、阀 、高流量计所构成的高渗透管路，向岩芯夹持器中测试岩芯注入CH4气体，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3小时后停止注气；d.保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成高渗透性的水合物沉积物；e.气测渗透率进行高渗实验，此时阀②、阀④、阀⑩、阀 打开，其它阀门关闭，氮气瓶B中气体经高压调压阀A调压至4MPa，气体压力由压力表A显示，经中压调压阀调压至 0. 6MPa,气体压力由压力表B显示，再经低压调压阀调压至0. 2MPa,气体渗入压力由压力表 C显示，进入物理模型机构，通过高流量计测试高渗透性水合物沉积物的渗透率。
6.根据权利要求5所述的用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，其特征在于所述的钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法步骤如下(1)所述的水合物沉积物包括利用测试岩芯作为骨架材料合成的水合物沉积物，放置在物理模型机构内的岩心夹持器中；(2)钻井液对水合物沉积物的侵入钻井液储罐中的钻井液经温控仪调节达到实验需求温度0 50°C后，通过钻井液循环泵进入物理模型机构的井口环空腔，并在其中循环流动，钻井液逐渐侵入岩芯夹持器内水合物沉积物中；(3)监测侵入过程中的动态响应分别通过沿岩芯夹持器轴向均布并固定于物理模型结构上部的10个温度传感器和10个压力传感器C来测试侵入过程中水合物沉积物的温度和压力变化；通过沿岩芯夹持器轴向均布并固定于物理模型机构下部的10个电阻率传感器测试侵入过程中水合物沉积物电阻率的变化；(4)红外观测通过安装在滑轮轨道上的红外相机扫描观察物理模型机构中岩芯夹持器内水合物沉积物的温度分布和变化，分析钻井液动态侵入过程和水合物分解区域；(5)取样进行分析研究取样操作时用手摇泵B给活塞容器B左端预增入一与岩芯夹持器内相同的压力，将活塞容器B的接头接至物理模型机构的取样接口，接好后，将手摇泵 B退泵处理，将岩芯夹持器中的样品吸入活塞容器B中；(6)应用装置上的工控机编制的软件进行各种数据的采集，形成数据库，分析并显示天然气水合物沉积物对钻井液侵入的响应特性。
7.根据权利要求5所述的用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，其特征在于所述的水合物沉积物岩芯保真转移方法步骤如下(1)卸下岩芯夹持器的右端盖，将岩芯转移机构的接头与物理模型机构右端连接；(2)通过温度控制仪调节岩芯转移机构外腔体和内腔体间环状腔中的温度以降低内腔体内部的温度，通过压力控制仪调节内腔体内部的压力；(3)当内腔体内部温度、压力和岩芯夹持器内部温度、压力相同时，打开封隔板，通过手动泵调节活塞使水合物沉积物岩芯在保温保压的条件下进入岩芯转移机构；(4)关闭岩芯转移机构中的封隔板，卸下岩芯转移机构与物理模型机构的链接，实现水合物沉积物的保真转移。
全文摘要
本发明涉及一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法，装置包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、岩芯转移机构、取样机构和工控机；实验方法在装置上完成，有水合物沉积物气体渗透率实验的方法，钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法；水合物沉积物岩芯保真转移方法。本发明提供了前期室内天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性研究，可掌握钻井液侵入对水合物地层物性的影响规律，可实现模拟含水合物沉积物样品的保真转移，为今后水合物地层开发钻井安全和测井准确解释提供依据。
文档编号G01N33/24GK102323394SQ20111024253
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者余义兵, 刘力, 宁伏龙, 张凌, 王跃伟, 蒋国盛 申请人:中国地质大学(武汉)