一种深水气井地面关井阶段天然气水合物生长模拟装置的制作方法

本发明涉及深水气井勘探开发技术领域，特别是涉及深水气井测试过程中关井阶段天然气水合物生长模拟装置。

背景技术：

天然气水合物是由天然气和水在高于冰点的低温和一定压力条件下形成的一种外观像冰但晶体结构却与冰不同的笼型化合物。其中，水分子借助氢键形成主体结晶网络，晶格中的孔穴内充满轻烃(甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷)或非轻烃(氮气、二氧化碳和硫化氢)分子，即所谓的客体分子。

在深水气井勘探开发过程中，主要形成的是以甲烷CH₄为客体分子的甲烷水合物。其形成需要经历成核和生长两个阶段，水合物在成核后，只有在条件合适的情况下才会继续生长，否则生长过程不会继续进行。所述合适的生长条件为：水合物核周围的溶液处于过饱和状态，周围环境具有适宜的低温高压条件和良好的散热条件，同时气液接触面积足够大，有利于物质传递。现阶段的诸多研究已经证明，在深水气井测试过程中初开井阶段和关井阶段是水合物形成堵塞风险最大的两个阶段。

目前深水气井的测试工作是从避免水合物形成的角度出发制定的，而并未考虑水合物生长的过程。但是实际测试过程中，只有当水合物生长到一定程度才会影响测试工作的进行，并给后续的钻进、开采等工作带来极大的麻烦。因此，如果能够针对深水气井关井期间水合物生长情况提供一套合理的模拟方法和装置，将对测试工作制度的制定具有一定的参考意义，有利于提高经济效益，降低安全隐患。

技术实现要素：

针对上述深水气井开发中存在的问题，本发明提供一种深水气井测试过程中关井阶段水合物生长模拟装置。利用该装置可以模拟深水气井测试地面关井过程中水合物的生长情况，得到不同含水率、温度、压力等条件下水合物生长规律，从而用于研究深水气井测试“二开二关”生产制度的可行性，为合理地制定工作制度提供参考。

本发明的技术方案如下：

一种深水气井测试过程中地面关井阶段水合物生长模拟装置，由反应管柱、恒温控制系统、天然气供气系统、天然气增压系统、供液系统、排泄系统、参数监测及数据采集系统及计算机终端组成；其中：

所述反应管柱为水和天然气反应提供场所，其下端分别与所述供液系统、所述天然气增压系统管道连接；所述天然气增压系统与所述天然气供气系统管道连接；所述反应管柱的上端与所述排泄系统管道连接；

所述天然气供气系统用于向反应管柱内注入天然气；

所述天然气增压系统用于增压所述天然气供气系统提供的天然气，及将反应管柱抽真空；

所述供液系统用于向反应管柱内注入液体，并维持反应管柱内液面高度；

所述排液系统用于排泄反应结束后的天然气和液体；

所述恒温控制系统包括设置于所述反应管柱上的局部温度控制装置、内置反应管柱的第一温控槽、及内置所述供液系统和所述天然气供气系统的第二温控槽；所述恒温控制系统用于控制反应管柱的温度梯度和整体温度，及供液系统和天然气供气系统的温度；

所述参数监测及数据采集系统通过设置于各待测系统的传感器将数据传送至计算机终端。

通过上述各系统的相互配合，可以最大程度模拟深水气井测试过程中地面关井阶段的水合物生长情况，从而得到不同含水率、温度、压力等条件下水合物生长规律，有利于研究深水气井测试“二开二关”生产制度的可行性，为合理地制定工作制度提供参考。

下面针对各系统做详细说明：

所述反应管柱包括两种：一种是采用能够承受至少30MPa压力的不锈钢材料制成的反应管柱；另一种是采用能够承受至少10MPa压力的蓝宝石或者高强度玻璃制成的可视化反应管柱。

所述反应管柱上下两端均安装有法兰，下端法兰堵头设一个接口，所述接口分别与所述天然气增压系统、供液系统相连。

所述反应管柱釜体上留有用于安装各类传感器的位置。可视化反应管柱侧面安置一个摄像机对反应管柱内的水合物生长情况进行拍摄记录，并将影像信息传输给计算机。不锈钢材质制成的反应管柱则通过水合物厚度测量传感器测量水合物层生长厚度，通过计算机记录水合物生长数据。反应管柱主要为水合物生成提供场所，生成的水合物会附着在反应管柱壁上。

所述恒温控制系统主要包含有两个温控槽及一个安置在反应管柱上的局部温度控制装置。

所述温控槽中一个用于调节控制注入反应管柱内的水和天然气温度，一个用于控制反应管柱的整体环境温度。

所述局部温度控制装置用于调节反应管柱内不同位置的温度使其模拟深水测试过程中测试管柱内温度场分布，从而控制水合物生长速度、控制水蒸发速度。所述温度分布场并不是单一递增或单一递减的温度梯度，而是分成两段(即从海平面到泥线温度递减，从泥线到气藏深度温度递增)。所述局部温度控制装置通过两段温度调节来实现对温度分布场的模拟，首先通过温控槽降低反应管柱的整体管柱温度，然后对管柱局部位置进行加热，改变管柱温度场分布，模拟现场实际情况。针对不通气藏、不同海洋，可能会有不同的温度，因此，所述局部温度控制装置可调节的温度范围在0-90℃之间。

所述天然气供气系统用于向反应管柱内注入实验天然气气体，主要包括一个气罐和一个进气阀；

所述天然气增压系统主要包括一个增压泵和一个真空泵。所述增压泵用于增压来自于所述天然气供气系统输出的天然气并调整反应管柱内反应压力。所述天然气供气系统中输出的气体首先经过所述天然气增压系统的增压泵增压再注入反应管柱中。所述真空泵用于在气体注入之前将反应管柱内抽至真空状态。

所述供液系统主要包括一个进液阀、一个电动泵及一个供水罐。所述供液系统用于给反应管柱内提供液体，维持反应管柱内液面高度。

所述排泄系统主要包括有一个排泄阀和一个泄水罐。

所述参数监测及数据采集系统主要包括一个气体流量计、一个液体流量计、一个液体温度传感器、四个温度传感器、两个气体压力传感器、一个水合物层超声波厚度传感器、一个湿度计。所述参数监测及数据采集系统用于监测反应管柱内气体和液体消耗情况、温度压力湿度变化情况、反应管柱内壁上水合物层的厚度、反应时间等参数并采集传输给计算机终端。

本发明中所有管道连接方式均采用抗高压不锈钢管线。

本发明还进一步提供了利用上述模拟装置判断水合物形成风险程度的方法：在反应管柱内，水合物以贴壁方式生长，并以水合物层的形式逐渐增厚。水合物层优先在管柱内模拟泥线处的部位生长，管柱各个部位水合物贴壁生长速度不同。如果在关井时间内，水合物层生长并彻底堵塞井筒，则该温度压力条件下，不适宜使用地面关井形式，应尽量减少开关井次数，根据实际情况采取水合物抑制措施。如果水合物层形成一定厚度但尚未堵塞整个管柱，可以根据再次开井后的情况来判断是否构成堵塞风险。具体判断方法如下：

假设管壁水合物厚度为d，则该处气体流动剖面半径为R＝(L-2d)/2，气体流动速度为：

式中L为井筒直径，m；Q为气体流量，m³/d。

则壁面水合物颗粒所受合力为：

F＝F_f-Gcosθ-F_c

将重力、拖曳力等代入可得

当水合物颗粒处于受力平衡临界状态时，合力F＝0，则有

此时气体流动截面半径为：

此时水合物厚度

当R>r时，表明随着气体流态面积减小，再次开井定产量Q情况下，井筒内气体流速增加，对应拖曳力增加，井筒内水合物无法形成凝聚堵塞。

当R<r时，表明在该开井产量下拖曳力无法将水合物携带至井口，会在井筒内形成堵塞。

本发明所述方案的技术效果在于：

(1)利用双重温度控制系统，包括温控槽和局部温度控制装置模拟关井期间井筒内温度场分布，使得水合物生成区域与反应管柱釜底水蒸发区域温度区分开，最大程度地接近现场测试工作中采用地面关井的实际情况；

(2)本发明设计了两种反应管柱，适合于不同压力条件下模拟地面关井水合物生长情况。低压条件下使用可视化管柱能够直接观察到水合物在反应管柱上的附着位置。同时两个反应管柱均可通过数据采集系统计量气相和液相流量压力变化，计算出生成水合物生长过程中气相与液相的消耗量，结合水合物层厚度传感器的数值，可以得到水合物在实验条件下的生长速度，对现场测试工作的进行具有指导作用；

(3)本发明将关井期间气水分布规律与水合物生长情况相结合，通过改变反应管柱内液面高度大小、积液处反应管柱的温度高低，来影响水蒸气扩散的速度；根据不同液面高度、温度情况下水合物形成风险情况，提出针对现场测试工作时，不同的气藏温度、积液高度是否应采取水合物抑制措施。

附图说明

图1为深水气井测试地面关井水合物生长情况示意图。

图2为深水气井测试管柱内气体为连续相情况下水合物生长原理图。

图3为深水气井测试管柱内液滴形成水合物生长原理图。

图4为深水气井测试地面关井水合物生长模拟装置工作原理框图。

图5为水气井测试地面关井水合物生长模拟装置的系统图。

图6为耐压反应管柱结构图。

图中：

1、反应管柱；2、恒温控制系统；2-a、温控槽；2-b、温控槽；3、法兰堵头；4、气体流量计；5、气阀；6、增压泵；7、气罐；8、进液阀；9、供水罐；10、液体流量计；11、电动泵；12、真空泵；13、排泄阀；14、排泄罐；15、计算机；16、水合物层厚度测量传感器；17、进气温度传感器；18、进气压力传感器；19、液体温度传感器；20、局部温度控制装置；21、反应管柱内温度传感器；22、湿度计；23、气体压力传感器；24、流体注入口；25、温度传感器安装接口；26、压力传感器安装接口；27、流体排出口；28、湿度计传感器安装接口；29、管柱局部温度控制装置；30、摄像机；31、水合物厚度超声波传感器安装接口。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2为深水气井测试地面关井阶段水合物生长原理图，针对于测试管柱内水合物的生长建立了“泼水结冰”式的生长特征模型。深水气井测试关井阶段，测试管柱内气相为连续相，气相中溶解有水蒸气分子，除此之外还夹带有少量小液滴。地面关井后，测试管柱内壁上的液相主要以液膜的形式存在，由于关井流体不流动，液膜会在重力作用下逐渐向井底滑落。井筒内的水蒸气在做无规则的自由运动，其中一些水蒸气分子在运动过程中运移至测试管柱壁上的液膜处，由于水合物的成核是异相成核，发生在气液界面处，因此水合物会在测试管柱壁上的液膜表面处成核并生长，水蒸气与甲烷在此处被消耗。由于水蒸气的消耗造成了井筒内存在浓度差，在浓度差的作用下，井底的水会蒸发出水分子，这些水蒸气分子会向上扩散至水合物生成区域继续促使水合物生长。水合物层是具有孔隙的膜状结构，气相与液相通过孔隙扩散接触，水合物不断生长。随着水合物的生长，孔隙会逐渐变小，直至完全被水合物充满。此时气相与液相被分隔开，无法进一步成核生长。如果在测试管柱的内壁上仍残留有液膜，液膜会在重力的作用下进一步向下运移，最终只留下水合物层附着在测试管柱内壁上。

图3为深水气井测试管柱内液滴形成水合物生长原理图。在关井阶段，除了溶解在气相中的水蒸气分子之外，还存在有一些少量的雾状液滴。这些雾状液滴在井筒中与气相分子充分接触，首先会在气体与液滴接触界面形成很薄的水合物膜，水合物膜是具有孔隙的结构，气相分子和液相分子通过孔隙传递，膜内的液体不断消耗，水合物膜逐渐变厚、水合物生长。对于较小的液滴来说，最终会形成水合物颗粒，水合物颗粒会在重力作用下向下滑落，接遇到井壁时有可能停滞并粘附在测试管柱内壁上。对于较大的液滴来说，在生长阶段后期水合物膜较厚，阻碍了液相与气相分子的扩散，因此后期生长速度缓慢，最终会形成内部含有液体的水合物颗粒。

图4为深水气井测试水合物生长模拟装置的系统图，针对该发明的深水测试地面关井期间水合物生长模拟实验步骤进行以下说明(反应管柱采用耐压10MPa可视化反应管柱)：

(1)预处理反应管柱：检测反应管柱密封性能之后，对反应管柱进行冲洗。预处理后的反应管柱与其他装置连接并检查管线连接处密封情况，此时所有阀门处于关闭状态。

(2)反应管柱处理：利用真空泵12将反应管柱内抽至真空状态，关闭真空泵12。

(3)温度控制：利用温控槽2-a将反应管柱1温度控制至测试过程中海底泥线处温度状况，利用温控槽2-b将气罐7与供水罐9内温度调整至测试过程中气藏内温度状况。调整局部温度控制装置20对反应管柱增温，改变反应管柱内温度分布状况，模拟深水气井测试过程中测试管柱温度场状况。

(4)注入实验液体：打开进液阀8，通过可视化反应管柱观察液面高度，利用电动泵11向反应管柱内泵入所需实验液体到指定高度，关闭进液阀8和电动泵11。

(5)注入实验气体：打开进气阀5和增压泵6，向反应管柱内供气并增压，通过反应管柱内的气体压力传感器23监测反应管柱内压力大小，当反应管柱内达到实验压力时，关闭进气阀5和增压泵6，监测反应管柱内压力，若能够保持一段时间稳定不变即可进行下一步操作。

(6)拍摄记录：调整实验温度操作完成后打开摄像机对反应釜内水合物生成区域进行拍摄记录。

(7)水合物生长过程：开始拍摄的同时开始计时，根据水合物层厚度测量传感器16传输至计算机15的数据及摄像机拍摄的影像观察水合物层的生长情况。

(8)排水排气：达到实验指定时间后，打开排泄阀13放出反应管柱内气体，打开进液阀5将反应管柱底部剩余的水排至供水罐9内。卸掉反应管柱1上的法兰盘堵头3，观察反应管柱内水合物层生长情况。

(9)参数检测及数据采集处理系统工作情况：气体流量计4监测注入反应管柱内的气体流量；液体流量计10监测注入反应管柱内的液体流量；进气温度传感器17监测注入反应管柱内气体温度，为局部温度控制装置提供温度参考；液体温度传感器19监测反应管注入反应管柱内的液体温度，为温度控制装置提供温度参考；管柱内气体压力传感器23监测反应管柱内压力大小，为增压系统提供参考；管柱内温度传感器21监测反应过程中管柱内温度，为局部温度控制装置提供参考；湿度计22监测水合物生长过程中反应管柱内含水率变化；水合物层厚度传感器16在水合物生长过程中监测水合物层的生长厚度变化。系统内的所有传感器监测参数的同时将采集到的数据传输至计算机，以便于针对水合物生长情况进行量化分析。通过采集到的参数以及其变化趋势，可以对水合物的生长过程进行深入量化研究，以便对深水气井测试过程的工作制度的制定提供参考。

使用耐压30MPa反应管柱的实验步骤与使用耐压10MPa反应管柱实验基本一致，由于耐压30MPa反应管柱不可视，因此省略步骤(7)即可。

图6为系统图中的反应管柱结构图，在进行实验之前，先向反应管柱内通入气体以检验反应管柱与法兰堵头之间的密封性，确认密封性能良好后再与其他系统的装置连接。耐压10MPa可视化反应釜与耐压30MPa反应釜结构一致，但区别在于：可视化反应釜能够直接通过肉眼或者摄像机来记录水合物生长过程，非可视化反应釜由于需要采用耐压程度较高的材料，只能够通过超声波传感器来监测水合物的生长情况。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。