本发明涉及天然气水合物钻井过程中一种天然气水合物的气体取样装置。
背景技术：
天然气水合物，又称“可燃冰”，是甲烷分子等轻烃分子与水分子在高压低温的条件下所形成的类冰状笼形化合物，大多为浅色晶体，可类同酒精一样被点燃。天然气水合物是作为一种具有巨大资源潜力的清洁能源，自上世纪八十年代就得到了来自世界各国的广泛关注。天然气遍布世界各地，主要分布在海底以及北极的永久冻土区、陆坡、陆基等。但是在钻井过程中，海底天然气水合物的分解容易引起井筒内流场流动变化，严重时会引发井喷事故，给天然气水合物的勘探开发带来巨大的风险。为了深入研究钻井过程中天然气水合物分解对井筒内的流场流动变化的影响，最直接的方法就是进行海底钻井取样。
因此，当务之急是开发一种天然气水合物的气体取样装置，对天然气水合物分解出的天然气进行收集和分析，从而指导天然气水合物的实际钻井过程，这对于控制钻井风险，提高钻井安全，具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种天然气水合物的气体取样装置，该装置原理可靠，操作简便，通过收集天然气水合物分解后的气体，可测试并监控环空内流场流动变化，合理循环利用水和颗粒物质，为有效解决由于天然气水合物的分解引起的井筒内流场流动变化而带来的钻井风险，提供基础数据和理论支撑，克服了现有技术的缺陷和不足。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种天然气水合物的气体取样装置，由模拟套管、模拟钻杆、电机、减速器、岩屑储集室、液体流量计、水泵、储水槽、气液固三相分离器、流化床干燥器、尼龙收集桶、岩屑收集桶、加气口、空气泵、天然气取样器组成。
所述模拟套管位于支架上，内有模拟钻杆，模拟钻杆连接电机、减速器，模拟套管的两端分别设置混合物进口、混合物出口；混合物进口通过管线分别连接岩屑储集室和液体流量计，岩屑储集室由尼龙漏斗、岩屑漏斗、搅拌器组成，液体流量计连接水泵、储水槽；混合物出口通过管线连接气液固三相分离器，气液固三相分离器连接储水槽，气液固三相分离器顶端有气体出口，底端有固体出口，固体出口连接流化床干燥器、尼龙收集桶、岩屑收集桶。
所述模拟套管上设置3个加气口，每个加气口设有球阀、气体流量计，所述加气口连接空气泵。
所述模拟套管上安装天然气取样器，所述天然气取样器入口有弧形挡板、滑轨和可调螺杆，弧形挡板与取样器内壁通过滑轨相连，通过调节可调螺杆，弧形挡板在取样器内壁作上下运动；取样器两端设置固定挡板、可调挡板和可调螺栓，固定挡板、可调挡板位于同一平面，通过螺栓的拧紧或旋开，使固定挡板、可调挡板封闭或打开；取样器内有4～8个平行挡板，平行挡板的长度小于取样器内径，交错分布于取样器内壁的两侧；取样器出口连接气体流量计、储气罐和计算机监测系统。
进一步的，所述岩屑储集室左边设有尼龙漏斗，右边设有岩屑漏斗，中上部设有搅拌器。
进一步的，所述模拟套管、模拟钻杆均采用透明亚克力玻璃制成，承压2mpa，通过支架支撑。
进一步的，所述尼龙颗粒和岩屑颗粒粒径均为2mm，在整个实验过程中，尼龙颗粒模拟实际工况下天然气水合物固体，岩屑颗粒模拟实际工况下岩屑。
进一步的，所述空气泵为电磁式空气泵，型号为aco-012a。空气泵提供的气体模拟实际工况下天然气水合物随钻井液环空上返过程中分解出的气体；不同位置的加气口用于模拟实际工况下天然气水合物随着钻井液环空上返分解量的不断增加。
进一步的，所述可调螺杆通过向下调节使弧形挡板随滑轨向下运动。
进一步的，可调螺栓通过螺纹与可调挡板连接，通过拧紧或旋开可调螺栓，使可调挡板向左或向右运动。
进一步的，所述计算机监测系统用于分析所收集气体的组分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）通过在岩屑储集室中上部设置搅拌器使尼龙颗粒与岩屑颗粒充分混合；
（2）通过弧形挡板的曲面可以更有效地改变钻井液流动方向；
（3）通过在气体取样装置内设置平行挡板，减小由于钻井液通过固定挡板和可调挡板之间的间隙时，会产生风口作用导致流量增大的影响，阻碍钻井液的流动并减小其动能，更有利于收集上方气体；
（4）通过模拟套管、模拟钻杆，可以观察气量不同时或所加尼龙颗粒和岩屑颗粒比例不同时的流场流动变化；
（5）结构紧凑完整，实现水和颗粒物质的循环利用，清洁环保。
附图说明
图1是本发明一种天然气水合物的气体取样装置的结构示意图。
图2是图1中弧形挡板放于滑轨处的局部放大图。
图3是图1中流体流动示意图。
图中：1-储水槽，2-水泵，3-液体流量计，4-尼龙漏斗，5-岩屑漏斗，6-搅拌器，7-岩屑储集室，8、9、14、27、34-球阀，10-电机，11-减速器，12、39-混合物进口，13-空气泵，15、28-气体流量计，16-模拟套管，17-模拟钻杆，18-固定挡板，19-可调挡板，20、22-可调螺栓，21-平行挡板，23-弧形挡板，24-滑轨，25-可调螺杆，26-取样器出口，29-储气罐，30-计算机监测系统，31-支架，32-轴承，33-混合物出口，35-气液固三相分离器，36-流化床干燥器，37-尼龙收集桶，38-岩屑收集桶。
具体实施方式
下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参见图1、图2、图3。
一种天然气水合物的气体取样装置，由模拟套管16、模拟钻杆17、电机10、减速器11、岩屑储集室7、液体流量计3、水泵2、储水槽1、气液固三相分离器35、流化床干燥器36、尼龙收集桶37、岩屑收集桶38、加气口、空气泵13、天然气取样器组成。
所述模拟套管16位于支架31上，内有模拟钻杆17（模拟套管与模拟钻杆之间有轴承32），模拟钻杆连接电机10、减速器11，模拟套管的两端分别设置混合物进口（12、39）、混合物出口33；混合物进口通过球阀8、9和管线分别连接岩屑储集室7和液体流量计3，岩屑储集室由尼龙漏斗4、岩屑漏斗5、搅拌器6组成，液体流量计连接水泵2、储水槽1；混合物出口通过球阀34和管线连接气液固三相分离器35，气液固三相分离器连接储水槽，气液固三相分离器顶端有气体出口，底端有固体出口，固体出口连接流化床干燥器36、尼龙收集桶37、岩屑收集桶38。
所述模拟套管上设置3个加气口，每个加气口设有球阀14、气体流量计15，所述加气口连接空气泵13。
所述模拟套管上安装天然气取样器，天然气取样器入口有弧形挡板23、滑轨24和可调螺杆25，弧形挡板与取样器内壁通过滑轨相连，通过调节可调螺杆，弧形挡板在取样器内壁作上下运动；取样器两端设置固定挡板18、可调挡板19和可调螺栓20、22，固定挡板、可调挡板位于同一平面，通过可调螺栓的拧紧或旋开，使固定挡板、可调挡板封闭或打开；取样器内有4～8个平行挡板21，平行挡板的长度小于取样器内径，交错分布于取样器内壁的两侧；取样器出口26通过球阀27依次连接气体流量计28、储气罐29和计算机监测系统30。
所述弧形挡板23随着旋进可调螺杆25可以向下移动并改变钻井液流动方向（图2）。所述平行挡板21可以阻碍钻井液流动，减小其动能（图3）。
利用上述装置进行天然气水合物的气体取样，具体步骤如下：
第一步，打开电磁式空气泵13、球阀8、9、34、电机10，关闭球阀27，封闭气液固三相分离器35上下端出口，封闭取样器气体出口26，若储水槽1中有气泡产生，则证明装置气密性良好；
第二步，关闭所有球阀，接着打开水泵2、球阀8、9、34，储水槽1内的水流出后依次通过水泵2加压、液体流量计3计量后从混合物进口12、39流入，经过水平段管道流向气液固三相分离器35后返回储水槽1，循环5min；
第三步，打开岩屑储集室7，将尼龙颗粒和岩屑颗粒比例调整为1:5，阀门开度为1/4，颗粒物质一起随步骤二中的水从混合物进口12、39进入水平管道，观察流场流动变化，并用高速摄像机记录；继续旋转岩屑储集室7阀门的开度，分别按照1/2、3/4、1进行旋转并重复上述实验步骤，观察和记录不同阀门开度时流场流动变化并记录；
第四步，打开电磁式空气泵13，其产生的气体进入三条并联的气体分流管后经过三个球阀14、三个气体流量计15从加气口进入水平段管道，调节球阀14开度的大小，使气量保持在0.05m3/h，观察流场流动变化，并用高速摄像机记录；继续旋转球阀14的开度，分别使气量保持在0.08m3/h、0.11m3/h、0.14m3/h并重复上述实验步骤，观察和记录不同阀门开度时流场流动变化并记录；
第五步，旋进可调螺栓25，使弧形挡板23向下运动，钻井液冲击弧形挡板23后将随着弧形挡板23的曲面向上运动，进入气体取样装置；此时，转动螺栓22使可调挡板往外运动，此时钻井液和气体一起在取样装置内往上运动，随着弧形挡板23越往下运动，气体和液体在取样装置内往上流动的高度越高，由于气体密度比液体小，所以气体冲击弧形挡板后往取样装置上部流动并依次经过4~8个平行挡板21，通过调节螺栓20、22使可调挡板19左右运动，控制液体存于下层储集室，气体继续向上从取样器出口26流出，并依次通过球阀27、气体流量计28、储气罐29，最终由计算机检测系统30分析气体组分。
本发明在实验过程中通过摄像机对实验过程进行记录、计算机对取样器所收集的气体组分进行分析，实验过程中对水、尼龙颗粒和岩屑颗粒都进行回收重复利用，合理节约资源，其实验结果将为天然气水合物钻井过程中井筒流场流动分析提供依据。