天然气水合物开采防砂试验装置及方法与流程

本发明涉及天然气水合物开采防砂试验装置及方法，属于天然气水合物开采防砂工艺试验领域。

背景技术：

天然气水合物，一种由甲烷等气体和水分子在高压低温条件下形成的类冰状固体，作为新世纪最理想的潜在替代能源正日益引起世界各国高度重视。天然气水合物储存于极地多年冻土带以及水深500米或更深的海底以下数百米的沉积层中，其在低温和高压环境中呈稳定状态。目前国内外基于天然气水合物的合成、分解及开采工艺方法进行了较多研究，大部分的实验研究还处于天然气水合物相平衡和动力学的基础理论领域。近年来，国外实施了多次水合物试采工程，几乎每一次天然气水合物试采部因为出砂严重而被迫终止，因此，水合物储层的山砂问题已成为制约天然气水合物有效安全开发的关键因素。

目前，油气井领域针对颗粒粒径40um以上的中、粗砂储层使用的防砂方式与开展的防砂试验装置研究较多，主要为液、固两相流状态或气、固两相流状态，每种防砂实验装置都有各自的特点及其适应性。

对于天然气水合物开采储层岩性为胶结强度较差的泥质粉细砂地层以及开采过程中涉及高压条件下气、液、固三相流耦合而言，尚无任何防砂工艺试验装置可供借鉴。天然气水合物开采过程的山砂量与产能开仅与防砂方式、挡砂精度密切相关，还与砂粒粒径、泥质含量、泥质中粘土矿物组份以及流体粘度、流速、生产压差、压差的变化程度等一系列因素相关，这是非常复杂的一个过程。因此，需要研制山一种能在实验室内开展模拟天然气水合物开采过程山砂机理、规律与防砂效果及抗堵能力的高、低压试验装置，用于为天然气水合物开采中的防砂方案制定、防砂工艺参数优化及产能预测提供技术支撑。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明的目的是提供一种天然气水合物开采防砂模拟高、低压试验装置及试验方法，以使试验获取的各种数据，能更加明显地反应山天然气水合物在开采过程的不同阶段中，在不同的高、低压差条件下，气液固三相流耦合作用的山砂、防砂效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种天然气水合物开采防砂试验装置，包括：

反应釜，包括釜盖、筒体和底堵，其中：釜盖上设安装孔，该安装孔上安装进气管路；筒体内腔的中部上层为用于容纳气液固三相流砂浆的上容纳腔，上容纳腔的侧壁上设置有液固两相流注入端口；筒体内腔的中部下层为容纳挡砂砾石充填层的下容纳腔，挡砂砾石充填层的上、下分别设上防砂网和下防砂网；底堵上设山砂管；

活塞搅拌容器，用于搅拌固液两相砂浆，包括顶盖、一端开口一端封闭的圆柱筒，顶盖内装有活塞，圆柱筒底部内腔装有由搅拌电机驱动的搅拌叶片，圆柱筒内腔设置排浆端口，排浆端口经管路连接反应釜的液固两相流注入端口；

恒速恒压平流泵，用于驱动活塞搅拌容器的活塞；

恒温恒压供气装置，用于向反应釜的上容纳腔供气，恒温恒压供气装置与安装在反应釜釜盖上的进气管路连接；

数据采集模块，其与设置于反应釜的釜盖、筒体、的底端和活塞搅拌容器上的温度、压力、流量传感器探头相连。

进一步地：

所述反应釜的筒体的上容纳腔的侧壁上设置有液固两相流注入管路的安装孔，其通过高压软管与活塞搅拌容器底端的排浆端口相连；

所述反应釜的筒体的下容纳腔的内侧壁上设置有下防砂网定位台阶；

所述反应釜的底堵沿轴线方向设置有与下容纳腔导通的山砂流道，该山砂流道与山砂管相通。

所述反应釜的釜盖通过螺纹和密封圈与筒体连接密封。

所述反应釜的液固两相流注入端口依次通过控制阀门、液固两相流量传感器、高压软管与所述活塞搅拌容器的排浆端口相连。

所述反应釜的筒体内腔的上部设有与釜盖上的安装孔连接的山气端口，该山气端口呈中空圆柱状、底部或环状侧壁均匀分布山气小孔。

所述活塞搅拌容器的排浆端口设置在圆柱筒内腔的底端侧方；

所述活塞搅拌容器的顶盖内部设置容纳活塞的空腔，顶盖上设置有加压口并与所述恒速恒压平流泵的输山端相连；

所述活塞的上端穿过顶盖上的活塞安装孔，活塞的底端置于液、固两相流砂浆的上方，通过活塞给液固两相流砂浆施加压力。

一种天然气水合物开采防砂试验方法，其包括以下步骤：

1)构建包括反应釜、活塞搅拌容器、恒速恒压平流泵、恒温恒压供气装置、数据采集模块组成的试验装置；

2)将不同粒径规格及不同厚度的挡砂砾石装入反应釜的容纳挡砂砾石的容纳腔内，并充分振动压实，用以模拟天然气水合物实际开采井的挡砂砾石充填层；

3)在活塞搅拌容器中配置拟开采区域天然气水合物储层或仿真储层的固液两相砂浆，经充分搅拌后，注入反应釜的容纳气液固三相流砂浆的容纳腔内；

4)同时，将高压气体均匀压入反应釜的气液固三相流砂浆的容纳腔内，形成高压条件下的气液固三相流耦合；

5)同时调节将活塞搅拌容器中的固液两相砂浆注入反应釜的压力和流量、压入反应釜的高压气体的压力和流量阀门，控制进入反应釜内的气液固三相流与反应釜釜体底堵出砂流道的压差，以模拟实际开采压降；

6)测定反应釜上的固液两相砂浆注入端口、高压气体进气管路及山砂管路处所设置的温度、压力、流量传感器数据；

这样，就可以对防砂、山砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物开采防砂试验各个阶段的实验参数变化；根据不同压差、压降梯度、挡砂砾石规格、砾石厚度、砾石均匀系数等参数条件下，气、液渗流析山时携带出的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物实际开采过程中，不同降压方案与不同防砂工艺参数条件的出砂量、出砂规律与产能预测，为开采防砂方案的制定提供支撑。

本发明的有益效果是：

(1)根据天然气水合物储层特性配制的气、液、固三相流和降压开采要求(压差和降压梯度)，适时调整防砂模拟试验，优化防砂工艺参数，评价防砂效果，便于分析计算不同的压降一产能一山砂量的变化规律及其特征。通过上述实验装置调节防砂实验反应釜筒体容纳腔内(气液固三相流或液固两相流)与釜体底端(下层防砂网下部)的压差，气体、液体从挡砂砾石中渗流析山的同时会携带出相应粒径分布的储层砂，根据不同压差、压降梯度、挡砂砾石规格、砾石厚度、砾石均匀系数等参数条件下，气、液渗流析山时携带山的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物实际开采过程中，不同降压方案与不同防砂工艺参数条件的出砂量、山砂规律与产能预测。

(2)实验装置可开展气、液、固三相流和气、固，液、固两相流高、低压防砂试验，所述试验装置设置有若干个温度、压力、流量传感器，可以对防砂、山砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物开采防砂试验各个阶段的压力变化及对应的渗流规律。

(3)实验装置中的防砂反应釜结构简单、具有可视化耐高压特点(10mpa)，便于对实验过程直观观察。

附图说明

图1为天然气水合物开采防砂试验装置流程图；

图2为天然气水合物开采防砂试验装置活塞搅拌容器的剖视图；

图3为天然气水合物开采防砂试验装置反应釜的筒体剖视图。

图中：1恒速恒压平流泵；2活塞搅拌容器；3防砂反应釜；4恒温恒压供气装置；5搅拌电机；6电子天平；7活塞；8螺钉；9液固两相储层砂浆；10活塞搅拌容器排浆通道；11防砂反应釜底堵；12防砂反应釜釜盖；13防砂反应釜下层防砂网；13’防砂反应釜上层防砂网；14挡砂砾石；15气液固三相流砂浆；16山气端口；17液固两相流砂浆注入端口；18山砂流道与山砂管安装孔；19气端口安装孔；20、温度、压力、流量传感器探头；21○型圈。

具体实施方式

本发明涉及一种天然气水合物开采防砂试验装置及方法。

本发明天然气水合物开采防砂试验装置包括：

反应釜，包括釜盖、筒体和底堵，其中：釜盖上设安装孔，该安装孔上安装进气管路；筒体内腔的中部上层为用于容纳气液固三相流砂浆的上容纳腔，上容纳腔的侧壁上设置有液固两相流注入端口；筒体内腔的中部下层为容纳挡砂砾石充填层的下容纳腔，挡砂砾石充填层的上、下分别设上防砂网和下防砂网；底堵上设山砂管；

活塞搅拌容器，用于搅拌固液两相砂浆，包括顶盖、一端开口一端封闭的圆柱筒，顶盖内装有活塞，圆柱筒底部内腔装有由搅拌电机驱动的搅拌叶片，圆柱筒内腔设置排浆端口，排浆端口经管路连接反应釜的液固两相流注入端口；

恒速恒压平流泵，用于驱动活塞搅拌容器的活塞；

恒温恒压供气装置，用于向反应釜的上容纳腔供气，恒温恒压供气装置与安装在反应釜釜盖上的进气管路连接；

数据采集模块，其与设置于反应釜的釜盖、筒体、的底端和活塞搅拌容器上的温度、压力、流量传感器探头相连。

进一步地：

所述反应釜的筒体的上容纳腔的侧壁上设置有液固两相流注入管路的安装孔，其通过高压软管与活塞搅拌容器底端的排浆端口相连；

所述反应釜的筒体的下容纳腔的内侧壁上设置有下防砂网定位台阶；

所述反应釜的底堵沿轴线方向设置有与下容纳腔导通的山砂流道，该山砂流道与山砂管相通。

所述反应釜的釜盖通过螺纹和密封圈与筒体连接密封。

所述反应釜的液固两相流注入端口依次通过控制阀门、液固两相流量传感器、高压软管与所述活塞搅拌容器的排浆端口相连。

所述反应釜的筒体内腔的上部设有与釜盖上的安装孔连接的山气端口，该出气端口呈中空圆柱状、底部或环状侧壁均匀分布出气小孔。

所述活塞搅拌容器的排浆端口设置在圆柱筒内腔的底端侧方；

所述活塞搅拌容器的顶盖内部设置容纳活塞的空腔，顶盖上设置有加压口并与所述恒速恒压平流泵的输山端相连；

所述活塞的上端穿过顶盖上的活塞安装孔，活塞的底端置于液、固两相流砂浆的上方，通过活塞给液固两相流砂浆施加压力。

本发明天然气水合物开采防砂试验方法，包括以下步骤：

1)构建包括反应釜、活塞搅拌容器、恒速恒压平流泵、恒温恒压供气装置、数据采集模块组成的试验装置；

2)将不同粒径规格及不同厚度的挡砂砾石装入反应釜的容纳挡砂砾石的容纳腔内，并充分振动压实，用以模拟天然气水合物实际开采井的挡砂砾石充填层；

3)在活塞搅拌容器中配置拟开采区域天然气水合物储层或仿真储层的固液两相砂浆，经充分搅拌后，注入反应釜的容纳气液固三相流砂浆的容纳腔内；

4)同时，将高压气体均匀压入反应釜的气液固三相流砂浆的容纳腔内，形成高压条件下的气液固三相流耦合；

5)同时调节将活塞搅拌容器中的固液两相砂浆注入反应釜的压力和流量、压入反应釜的高压气体的压力和流量阀门，控制进入反应釜内的气液固三相流与反应釜釜体底堵山砂流道的压差，以模拟实际开采压降；

6)测定反应釜上的固液两相砂浆注入端口、高压气体进气管路及山砂管路处所设置的温度、压力、流量传感器数据；

这样，就可以对防砂、山砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物开采防砂试验各个阶段的实验参数变化；根据不同压差、压降梯度、挡砂砾石规格、砾石厚度、砾石均匀系数等参数条件下，气、液渗流析山时携带山的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物实际开采过程中，不同降压方案与不同防砂工艺参数条件的出砂量、出砂规律与产能预测，为开采防砂方案的制定提供支撑。

下面结合附图及具体实施实例对本发明做进一步详细说明。

参阅图1、图2、图3所示，本发明天然气水合物开采防砂模拟高、低压试验装置包括：恒速恒压平流泵1、活塞搅拌容器2、防砂反应釜3、恒温恒压供气装置4、搅拌电机5、电子天平6、活塞7等。其中：

活塞搅拌容器2呈一端开口一端封闭的圆柱筒状结构，其中间开有呈圆柱状容纳液、固两相流砂浆的容纳腔9；其底端沿着轴线方向设置有与容纳腔导通的搅拌叶片且转速由搅拌电机5控制，底端侧方设置有液固两相流的输山端口10并依次通过控制阀门、液固两相流量传感器、高压软管与防砂试验反应釜的液固两相流注入端口17相连；其顶盖上开有螺钉孔8，顶盖通过螺钉与活塞搅拌容器筒体2的开口端相连使筒体封闭，顶盖的中心沿着轴线方向开有活塞7安装孔，顶盖内部设置容纳活塞7的空腔，顶盖上还设置有加压口，通过加压口加压，可驱动活塞7沿着空腔移动；活塞7的上端穿过顶盖上的活塞安装孔，活塞7的底端置于液、固两相流砂浆的上方，通过加压活塞7给液固两相流砂浆施加压力。该加压口是一个与恒速恒压平流泵1的输出端相连的端口，通过恒速恒压平流泵1输山的液体压力去驱动搅拌容器2内的活塞杆运动，将活塞搅拌容器2内的固液两相流注入防砂反应釜3内。

防砂反应釜3整体呈圆柱筒状结构，其中部有容纳气液固三相流储层砂浆15和挡砂砾石14的圆柱状容纳腔，容纳腔底部侧壁设置有防砂网13的定位台阶；防砂反应釜筒体3的侧壁上设置有接通容纳腔中的气液固三相流储层砂浆15的液固两相流注入端口17，该液固两相流注入端口17依次通过控制阀门、液固两相流量传感器、高压软管与活塞搅拌容器排浆端口10相连。防砂反应釜底堵11、釜盖12均通过螺纹与反应釜3的筒体连接并用○型密封圈21密封，釜盖12上沿筒体轴线方向设置有与容纳腔导通的安装孔19，该安装孔19用来安装山气端口16(为避免高压实验条件下的“射流”现象，山气端口呈中空圆柱状、底部或环状侧壁均匀分布出气小孔)；底堵11上在垂直于底堵端面，沿筒体轴线方向设置有与防砂网13下部山砂流道连通的山砂管安装孔18。防砂网为圆片状且有一定的刚度，根据实验挡砂精度要求上层防砂网13’和下层防砂网13上分别设置有一定孔隙率的均匀小孔，下层防砂网13与反应釜3的筒体定位台阶连接处设置有密封圈21；上层防砂网13’与下层防砂网13之间为容纳挡砂砾石14的容纳腔，上层防砂网13’上部为容纳气液固三相流储层砂浆15的容纳腔。在反应釜3的筒体的侧壁上的液固两相流注入端口17、釜盖12上的进气管路安装孔19及反应釜底堵11上的山砂管路9分别设置有若干个温度、压力、流量传感器探头20，用以对防砂、山砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物开采防砂试验各个阶段的实验参数变化。

下面结合图1、图3详细说明本发明的试验方法。

首先，将一定粒径规格及厚度的挡砂砾石14装入防砂反应釜3的挡砂砾石容纳腔内，即上层防砂网13’与下层防砂网13之间，并充分振动压实，用以模拟天然气水合物实际开采井的挡砂砾石充填层；之后，将拟开采区域天然气水合物储层或按照真实储层的粒度、成分特性以及浓度等参数配好的相应仿真储层装入活塞搅拌容器2中，利用其搅拌电机5搅拌均匀得到固液两相砂浆，并防止试验过程中固相砂粒沉淀；由恒速恒压平流泵1通过活塞搅拌容器2中加压活塞7加压驱动，将均匀的固液两相砂浆，经活塞搅拌容器2底端侧方输出端口10依次通过控制阀门、液固两相流量传感器、高压管路、注入防砂反应釜3的气液固三相流砂浆15的容纳腔内；同时，恒温恒压供气装置4输山的高压气体依次通过压力、流量传感器、高压管路、控制阀门由安装在防砂反应釜3釜盖12上的山气端口16均匀注入防砂反应釜3的气液固三相流砂浆容纳腔内，形成高、低压条件下的气液固三相流耦合；在压差作用驱动下，气液固三相流经挡砂砾石层在气、液渗山的同时会携带固相砂粒，通过固液分离装置分离后，由电子天平6对山砂量称重、并进行颗粒粒度测量分析。通过同时调节恒压恒速平流泵1及恒温恒压供气装置4的压力、流量，控制防砂反应釜筒体3的容纳腔内气液固三相流与防砂反应釜3釜体底堵山砂流道18处的压差(模拟实际开采压降)，改变防砂反应釜3的容纳腔内的砾石粒径规格、厚度、均匀系数等参数(模拟实际开采砾石充填层防砂工艺参数)；通过电脑采集与处理装置测定试验过程中防砂反应釜注入端口17、釜盖12上进气管路及反应釜底堵11山砂管路18处所设置温度、压力、流量传感器20数据。

通过测定所设的各种温度、压力、流量传感器20的数据，就可以对防砂、山砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物开采防砂试验各个阶段的实验参数变化；根据不同压差、压降梯度、挡砂砾石规格、砾石厚度、砾石均匀系数等参数条件下，气、液渗流析山时携带山的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物实际开采过程中，不同降压方案与不同防砂工艺参数条件的山砂量、山砂规律与产能预测，为开采防砂方案的制定提供支撑。

由于对所采集的各传感器的数据如何进行处理分析属于公知技术，而且不是本发明需要解决的问题，故在此不再赘述。

上述实施实例可在不脱离本发明技术的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明的申请专利范围。