天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非常規(guī)油氣藏開發(fā)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置，本發(fā)明還涉及一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物被認(rèn)為是21世紀(jì)重要的替代能源之一，引起了國內(nèi)外政府部門和科研院所的廣泛關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者尤其重視水合物開采技術(shù)的研究，已經(jīng)提出了注熱法、降壓法、注入化學(xué)試劑法、置換法和固體法等技術(shù)。其中，降壓法通過降低地層孔隙壓力至水合物相平衡壓力之下，從而使固態(tài)水合物分解產(chǎn)生甲烷氣體，該方法被認(rèn)為是最為經(jīng)濟(jì)有效的開采技術(shù)，并已經(jīng)運(yùn)用于凍土地層環(huán)境下加拿大麥肯齊(Mackenzie)三角洲和美國阿拉斯加(Alaska)北部斜坡區(qū)以及深水地層環(huán)境下日本Nankai海槽的水合物試開采項(xiàng)目。加拿大麥肯齊三角洲Mallik凍土區(qū)的“Mallik 2002”和“Mallik 2006-2008”試開采均是因?yàn)椤俺錾皢栴}”導(dǎo)致降壓栗吸入泥砂而損壞，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)場試驗(yàn)被迫停止；日本Nankai海槽的海洋深水地層中，水合物試開采在進(jìn)行至第6天時(shí)，開采井井口突然涌入大量的黑色泥砂，嚴(yán)重的“出砂問題”導(dǎo)致降壓栗損毀，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)場試驗(yàn)就此終止?！俺錾皢栴}”是水合物試開采被迫停止的主要原因，嚴(yán)重限制了現(xiàn)場試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間。海域水合物地層通常處于欠固結(jié)狀態(tài)且埋藏較淺，降壓法開采水合物將使孔隙流體對地層顆粒產(chǎn)生較大的剪切作用力，再加上水合物分解削弱砂粒間膠結(jié)能力，最終導(dǎo)致細(xì)顆粒泥砂在地層中運(yùn)移并聚集，堵塞防砂裝置與管道，損毀降壓栗。
[0003]鑒于原位取芯技術(shù)和現(xiàn)場試驗(yàn)成本的局限，水合物開采技術(shù)研究以室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)為主。國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多套室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置用于水合物開采技術(shù)研究，重點(diǎn)關(guān)注水合物分解產(chǎn)氣和產(chǎn)水情況以及溫度、壓力和水合物飽和度等參數(shù)變化情況的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，鮮有針對水合物開采誘發(fā)砂粒運(yùn)移過程開展模擬工作，配套的水合物開采誘發(fā)砂粒運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)測試方法也尚未見報(bào)道，嚴(yán)重限制了對水合物開采過程中的技術(shù)難題(“出砂問題”)開展模擬實(shí)驗(yàn)工作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法直接為水合物開采服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測方法，可有效地模擬水合物降壓開采誘發(fā)的地層孔隙中砂粒運(yùn)移過程，通過測試開采之后砂粒粒度分布的變化情況以及砂粒發(fā)生運(yùn)移的最大范圍，為水合物降壓開采出砂機(jī)理及其防控技術(shù)研究提供支持。
[0006]本發(fā)明所米用的第一技術(shù)方案是，一種天然氣水合物開米井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置，包括金屬管模塊，金屬管模塊的一端通過管道依次連接有驅(qū)替栗和供液模塊，供液模塊上還通過管道連接有供氣模塊，金屬管模塊的另一端通過管道依次連接有回壓模塊、固體分離模塊和預(yù)處理模塊;金屬管模塊還連接有數(shù)據(jù)測量采集模塊，數(shù)據(jù)測量采集模塊還分別連接有供氣模塊和固體分離模塊;金屬管模塊、供液模塊、供氣模塊、回壓模塊、固體分離模塊、預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)測量采集模塊均設(shè)置于控溫模塊內(nèi)。
[0007]進(jìn)一步地，金屬管模塊包括四個(gè)依次連接有的金屬管，金屬管的兩端分別通過導(dǎo)線連接有驅(qū)替栗和回壓模塊;金屬管上且與回壓模塊相連接處設(shè)置有防砂網(wǎng)，金屬管上設(shè)置有取樣孔;金屬管上設(shè)置有數(shù)據(jù)測量采集模塊。
[0008]進(jìn)一步地，回壓模塊為回壓閥門。
[0009]進(jìn)一步地，供液模塊包括通過管道依次連接的飽和容器、高壓注液栗和第一液體容器;飽和容器通過管道與驅(qū)替栗相連接;供氣模塊包括通過管道相連接的氣體增壓栗和甲烷氣瓶，氣體增壓栗通過管道與飽和容器相連接。
[0010]進(jìn)一步地，固體分離模塊包括通過管道相連接有固體分離器和第二液體容器，固體分離器分別連接有回壓閥門和預(yù)處理模塊。
[0011]進(jìn)一步地，預(yù)處理模塊包括振動篩、激光粒度儀和電子天平;激光粒度儀和電子天平相連接，激光粒度儀與固體分離器相連接。
[0012]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)測量采集模塊包括壓力傳感器、第一氣體流量計(jì)、第二氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、采集卡和工控機(jī)，采集卡分別通過導(dǎo)線連接有工控機(jī)、壓力傳感器、第一氣體流量計(jì)、第二氣體流量計(jì)和液體流量計(jì);壓力傳感器設(shè)置于金屬管上;氣體增壓栗和飽和容器之間設(shè)置有第一氣體流量計(jì)；固體分離器上連接有第二氣體流量計(jì)；固體分離器和第二液體容器之間設(shè)置有液體流量計(jì)。
[0013]本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是，一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測方法，采用上述的天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置，包括以下步驟:
[0014]I)砂樣級配測量:測量實(shí)驗(yàn)砂樣的級配曲線，作為砂粒運(yùn)移分析的初始值；
[0015]2)金屬管填砂:
[0016]2.1)清洗4根金屬管，并將其與實(shí)驗(yàn)砂樣同時(shí)放入恒溫烘箱中干燥至少12小時(shí)，溫度控制為105°C，之后取出并自然冷卻至室溫；
[0017]2.2)密封4根金屬管的一端和取樣孔，隨后豎直放置金屬管，米用電子天平稱重砂樣質(zhì)量，將砂樣裝填入4根金屬管，控制孔隙度為設(shè)定值，之后密封金屬管的另一端；
[0018]2.3)通過法蘭將4根已經(jīng)填砂的金屬管連接，并將其連接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中；
[0019]3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢漏:連接管路，向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中注水使孔隙壓力不小于lOMPa，靜置12小時(shí)，如果孔隙壓力穩(wěn)定則實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)密閉性能良好，否則查找泄漏點(diǎn)并再次檢漏；
[0020]4)水合物合成:
[0021]4.1)向金屬管注入甲烷氣體，記錄驅(qū)替排出的孔隙水體積；
[0022]4.2)降低溫度以合成水合物；
[0023]4.3)孔隙壓力不再降低時(shí)，水合物合成階段完成；
[0024]5)降壓驅(qū)替:
[0025]5.1)制備超飽和甲烷氣體的鹽水；
[0026]5.2)調(diào)節(jié)回壓閥門至設(shè)定壓力，該設(shè)定壓力小于水合物相平衡壓力，向金屬管內(nèi)栗送超飽和甲烷氣體的鹽水，實(shí)現(xiàn)金屬管與飽和容器之間的鹽水循環(huán)，進(jìn)行水合物降壓開采誘發(fā)砂粒運(yùn)移過程的模擬，實(shí)時(shí)測量金屬管內(nèi)孔隙壓力的變化情況；
[0027]5.3)間隔固定時(shí)間對驅(qū)替出來的砂樣進(jìn)行測量分析，包括質(zhì)量和粒徑；
[0028]5.4)水合物完全分解之后，降壓驅(qū)替階段完成；
[0029]6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束:緩慢泄壓，采用取樣工具從金屬管開孔中取出部分砂樣，分析砂粒級配在金屬管的軸向變化情況，儀器拆卸并清洗整理。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:方便有效地測量水合物降壓開采誘發(fā)砂粒運(yùn)移過程中砂粒級配的變化情況以及評價(jià)不同規(guī)格防砂網(wǎng)的防砂效果。該方法能夠?yàn)樗衔锝祲洪_采誘發(fā)砂粒運(yùn)移機(jī)理研究提供測試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，對于增加水合物試開采持續(xù)時(shí)間具有重要的參考意義，促進(jìn)水合物商業(yè)化開采技術(shù)的發(fā)展。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0032]圖2是本發(fā)明天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測方法的工作流程圖。
[0034]圖中，1.金屬管;2.甲烷氣瓶;3.氣體增壓栗;4.第一氣體流量計(jì);5.飽和容器;6.第一液體容器;7.高壓注液栗;8.驅(qū)替栗;9.壓力傳感器;10.回壓閥門；11.固體分離器;12.激光粒度儀；13.電子天平；14.第二氣體流量計(jì)；15.液體流量計(jì)；16.第二液體容器；17.振動篩；18.數(shù)據(jù)采集卡；19.工控機(jī);20.防砂網(wǎng)；21.步入式冷庫;22.金屬管模塊;23.供液模塊;24.供氣模塊;25.回壓模塊;26.固體分離模塊;27.預(yù)處理模塊;28.數(shù)據(jù)測量采集模塊；29.控溫模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0036]本發(fā)明提供一種天然氣水合物開采井砂粒橫向運(yùn)移規(guī)律的監(jiān)測裝置，如圖1所示，包括金屬管模塊22，金屬管模塊22的一端通過管道依次連接有驅(qū)替栗8和供液模塊23，供液模塊23上還通過管道連接有供氣模塊24，金屬管模塊22的另一端通過管道依次連接有回壓模塊25、固體分離模塊26和預(yù)處理模塊27;金屬管模塊22還連接有數(shù)據(jù)測量采集模塊28，數(shù)據(jù)測量采集模塊28還分別連接有供氣模塊24和固體分離模塊26;金屬管模塊22、供液模塊23、供氣模塊24、回壓模塊25、固體分離模塊26、預(yù)處理模塊27和數(shù)據(jù)測量采集模塊28均設(shè)置于控溫模塊29內(nèi)。
[0037]如圖2所示，金屬管模塊22包括四個(gè)依次連接有的金屬管I，金屬管I的兩端分別通過導(dǎo)線連接有驅(qū)替栗8和回壓模塊25，其中，驅(qū)替栗8的主要作用就是從飽和容器5中將飽和水栗入到金屬管I中；金屬管I上且與回壓模塊25相連接處設(shè)置有防砂網(wǎng)20，金屬管I上設(shè)置有取樣孔，取樣孔的位置與壓力傳感器9的位置一一對應(yīng);金屬管I上設(shè)置有數(shù)據(jù)測量采集模塊28。
[0038]回壓模塊25為回壓閥門10。實(shí)驗(yàn)過程中為了保證金屬管I中在某一恒定的壓降條件下進(jìn)行軀體模擬試驗(yàn)，因此液體出口端的壓力不能直接放空形成大氣壓，這樣不方便恒定壓差的建立，因此回壓閥10的主要作用是維持篩網(wǎng)20前后的壓力差處于某一恒定值。
[0039]供液模塊23包括通過管道依次連接的飽和容器5、高壓注液栗7和第一液體容器6，其中，飽和容器5的主要作用是將甲烷氣瓶2和第一液體容器6中的氣體和液體充分混合，形成飽和氣體的飽和水;相應(yīng)的，高壓注液栗7的作用是將第一液體容器6中的普通水栗入到飽和容器5當(dāng)中去;飽和容器5通過管道與驅(qū)替栗8相連接;供氣模塊24包括通過管道相連接的氣體增壓栗3和甲烷氣瓶2，氣體增壓栗3通過管道與飽和容器5相連接。
[0040]固體分離模塊26包括通過管道相連接有固體分離器11和第二液體容器16，固體分離器11分別連接有回壓閥門10和預(yù)處理模塊27，其中，要測試經(jīng)過篩網(wǎng)20的篩子的粒徑，必須首先將砂子、液體混合物中的流體除去；另外，由于整個(gè)循