CN105675449A - 天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，包括金属管模块，金属管模块的一端通过管道依次连接有驱替泵和供液模块，供液模块上还通过管道连接有供气模块，金属管模块的另一端通过管道依次连接有回压模块、固体分离模块和预处理模块；金属管模块还连接有数据测量采集模块，数据测量采集模块还分别连接有供气模块和固体分离模块。本发明还公开了一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法，该方法能够为水合物降压开采诱发砂粒运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气藏开发工程技术领域，具体涉及一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，本发明还涉及一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法。
背景技术
天然气水合物被认为是21世纪重要的替代能源之一，引起了国内外政府部门和科研院所的广泛关注。近年来，国内外学者尤其重视水合物开采技术的研究，已经提出了注热法、降压法、注入化学试剂法、置换法和固体法等技术。其中，降压法通过降低地层孔隙压力至水合物相平衡压力之下，从而使固态水合物分解产生甲烷气体，该方法被认为是最为经济有效的开采技术，并已经运用于冻土地层环境下加拿大麦肯齐(Mackenzie)三角洲和美国阿拉斯加(Alaska)北部斜坡区以及深水地层环境下日本Nankai海槽的水合物试开采项目。加拿大麦肯齐三角洲Mallik冻土区的“Mallik2002”和“Mallik2006-2008”试开采均是因为“出砂问题”导致降压泵吸入泥砂而损坏，进而导致现场试验被迫停止；日本Nankai海槽的海洋深水地层中，水合物试开采在进行至第6天时，开采井井口突然涌入大量的黑色泥砂，严重的“出砂问题”导致降压泵损毁，进而导致现场试验就此终止。“出砂问题”是水合物试开采被迫停止的主要原因，严重限制了现场试验的运行时间。海域水合物地层通常处于欠固结状态且埋藏较浅，降压法开采水合物将使孔隙流体对地层颗粒产生较大的剪切作用力，再加上水合物分解削弱砂粒间胶结能力，最终导致细颗粒泥砂在地层中运移并聚集，堵塞防砂装置与管道，损毁降压泵。
鉴于原位取芯技术和现场试验成本的局限，水合物开采技术研究以室内模拟实验为主。国内外学者研发了多套室内模拟实验装置用于水合物开采技术研究，重点关注水合物分解产气和产水情况以及温度、压力和水合物饱和度等参数变化情况的实验模拟，鲜有针对水合物开采诱发砂粒运移过程开展模拟工作，配套的水合物开采诱发砂粒运移的实验测试方法也尚未见报道，严重限制了对水合物开采过程中的技术难题(“出砂问题”)开展模拟实验工作，导致实验数据无法直接为水合物开采服务。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置。
本发明的另一目的是提供一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法，可有效地模拟水合物降压开采诱发的地层孔隙中砂粒运移过程，通过测试开采之后砂粒粒度分布的变化情况以及砂粒发生运移的最大范围，为水合物降压开采出砂机理及其防控技术研究提供支持。
本发明所采用的第一技术方案是，一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，包括金属管模块，金属管模块的一端通过管道依次连接有驱替泵和供液模块，供液模块上还通过管道连接有供气模块，金属管模块的另一端通过管道依次连接有回压模块、固体分离模块和预处理模块；金属管模块还连接有数据测量采集模块，数据测量采集模块还分别连接有供气模块和固体分离模块；金属管模块、供液模块、供气模块、回压模块、固体分离模块、预处理模块和数据测量采集模块均设置于控温模块内。
进一步地，金属管模块包括四个依次连接有的金属管，金属管的两端分别通过导线连接有驱替泵和回压模块；金属管上且与回压模块相连接处设置有防砂网，金属管上设置有取样孔；金属管上设置有数据测量采集模块。
进一步地，回压模块为回压阀门。
进一步地，供液模块包括通过管道依次连接的饱和容器、高压注液泵和第一液体容器；饱和容器通过管道与驱替泵相连接；供气模块包括通过管道相连接的气体增压泵和甲烷气瓶，气体增压泵通过管道与饱和容器相连接。
进一步地，固体分离模块包括通过管道相连接有固体分离器和第二液体容器，固体分离器分别连接有回压阀门和预处理模块。
进一步地，预处理模块包括振动筛、激光粒度仪和电子天平；激光粒度仪和电子天平相连接，激光粒度仪与固体分离器相连接。
进一步地，数据测量采集模块包括压力传感器、第一气体流量计、第二气体流量计、液体流量计、采集卡和工控机，采集卡分别通过导线连接有工控机、压力传感器、第一气体流量计、第二气体流量计和液体流量计；压力传感器设置于金属管上；气体增压泵和饱和容器之间设置有第一气体流量计；固体分离器上连接有第二气体流量计；固体分离器和第二液体容器之间设置有液体流量计。
本发明所采用的第二技术方案是，一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法，采用上述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，包括以下步骤：
1)砂样级配测量：测量实验砂样的级配曲线，作为砂粒运移分析的初始值；
2)金属管填砂：
2.1)清洗4根金属管，并将其与实验砂样同时放入恒温烘箱中干燥至少12小时，温度控制为105℃，之后取出并自然冷却至室温；
2.2)密封4根金属管的一端和取样孔，随后竖直放置金属管，采用电子天平称重砂样质量，将砂样装填入4根金属管，控制孔隙度为设定值，之后密封金属管的另一端；
2.3)通过法兰将4根已经填砂的金属管连接，并将其连接入实验***中；
3)实验***检漏：连接管路，向实验***中注水使孔隙压力不小于10MPa，静置12小时，如果孔隙压力稳定则实验***密闭性能良好，否则查找泄漏点并再次检漏；
4)水合物合成：
4.1)向金属管注入甲烷气体，记录驱替排出的孔隙水体积；
4.2)降低温度以合成水合物；
4.3)孔隙压力不再降低时，水合物合成阶段完成；
5)降压驱替：
5.1)制备超饱和甲烷气体的盐水；
5.2)调节回压阀门至设定压力，该设定压力小于水合物相平衡压力，向金属管内泵送超饱和甲烷气体的盐水，实现金属管与饱和容器之间的盐水循环，进行水合物降压开采诱发砂粒运移过程的模拟，实时测量金属管内孔隙压力的变化情况；
5.3)间隔固定时间对驱替出来的砂样进行测量分析，包括质量和粒径；
5.4)水合物完全分解之后，降压驱替阶段完成；
6)实验结束：缓慢泄压，采用取样工具从金属管开孔中取出部分砂样，分析砂粒级配在金属管的轴向变化情况，仪器拆卸并清洗整理。
本发明的有益效果是：方便有效地测量水合物降压开采诱发砂粒运移过程中砂粒级配的变化情况以及评价不同规格防砂网的防砂效果。该方法能够为水合物降压开采诱发砂粒运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。
附图说明
图1是本发明天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置的结构框图；
图2是本发明天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置的结构示意图；
图3是本发明天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法的工作流程图。
图中，1.金属管；2.甲烷气瓶；3.气体增压泵；4.第一气体流量计；5.饱和容器；6.第一液体容器；7.高压注液泵；8.驱替泵；9.压力传感器；10.回压阀门；11.固体分离器；12.激光粒度仪；13.电子天平；14.第二气体流量计；15.液体流量计；16.第二液体容器；17.振动筛；18.数据采集卡；19.工控机；20.防砂网；21.步入式冷库；22.金属管模块；23.供液模块；24.供气模块；25.回压模块；26.固体分离模块；27.预处理模块；28.数据测量采集模块；29.控温模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，如图1所示，包括金属管模块22，金属管模块22的一端通过管道依次连接有驱替泵8和供液模块23，供液模块23上还通过管道连接有供气模块24，金属管模块22的另一端通过管道依次连接有回压模块25、固体分离模块26和预处理模块27；金属管模块22还连接有数据测量采集模块28，数据测量采集模块28还分别连接有供气模块24和固体分离模块26；金属管模块22、供液模块23、供气模块24、回压模块25、固体分离模块26、预处理模块27和数据测量采集模块28均设置于控温模块29内。
如图2所示，金属管模块22包括四个依次连接有的金属管1，金属管1的两端分别通过导线连接有驱替泵8和回压模块25，其中，驱替泵8的主要作用就是从饱和容器5中将饱和水泵入到金属管1中；金属管1上且与回压模块25相连接处设置有防砂网20，金属管1上设置有取样孔，取样孔的位置与压力传感器9的位置一一对应；金属管1上设置有数据测量采集模块28。
回压模块25为回压阀门10。实验过程中为了保证金属管1中在某一恒定的压降条件下进行躯体模拟试验，因此液体出口端的压力不能直接放空形成大气压，这样不方便恒定压差的建立，因此回压阀10的主要作用是维持筛网20前后的压力差处于某一恒定值。
供液模块23包括通过管道依次连接的饱和容器5、高压注液泵7和第一液体容器6，其中，饱和容器5的主要作用是将甲烷气瓶2和第一液体容器6中的气体和液体充分混合，形成饱和气体的饱和水；相应的，高压注液泵7的作用是将第一液体容器6中的普通水泵入到饱和容器5当中去；饱和容器5通过管道与驱替泵8相连接；供气模块24包括通过管道相连接的气体增压泵3和甲烷气瓶2，气体增压泵3通过管道与饱和容器5相连接。
固体分离模块26包括通过管道相连接有固体分离器11和第二液体容器16，固体分离器11分别连接有回压阀门10和预处理模块27，其中，要测试经过筛网20的筛子的粒径，必须首先将砂子、液体混合物中的流体除去；另外，由于整个循环流程中液体最终回到第二液体容器16，回收实验用水之前需要将砂子等固体颗粒除去，因此固体分离器11的主要作用是：将混合物中的固体沉降分离，从而为下一步砂粒径测量和水的回收做准备。
预处理模块27包括振动筛17、激光粒度仪12和电子天平13，振动筛17的作用和激光粒度仪12的作用实际上是一样的，都是为了测量产出砂子的粒径分布规律，但是振动筛需要的砂子量比较多，而且需要砂子干燥，因此实际上振动筛与图2中的部件不进行实际连接，但是在图2中，用电子天平13测量重量结束以后需要将产出的砂子收集，完后进行振动筛17筛析；另外，振动筛最主要的功能是“砂样配级测量”，在实验之前，需要知道装填到金属管1中的砂子的粒度分布规律，因此需要用振动筛筛析出符合一定粒径分布范围的砂子，然后进行填装；激光粒度仪12和电子天平13相连接，激光粒度仪12与固体分离器11相连接；激光粒度粒度仪的主要作用是对产出的砂子进行粒度分析，因此激光粒度仪是与固体分离器11相连接的。
数据测量采集模块28包括压力传感器9、第一气体流量计4、第二气体流量计14、液体流量计15、采集卡18和工控机19，采集卡18分别通过导线连接有工控机19、压力传感器9、第一气体流量计4、第二气体流量计14和液体流量计15；压力传感器9设置于金属管1上；气体增压泵3和饱和容器5之间设置有第一气体流量计4；固体分离器11上连接有第二气体流量计14；固体分离器11和第二液体容器16之间设置有液体流量计15。
本发明提供一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法，如图3所示，采用上述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，包括以下步骤：
1)砂样级配测量：测量实验砂样的级配曲线，作为砂粒运移分析的初始值；
2)金属管填砂：
2.1)清洗4根金属管1，并将其与实验砂样同时放入恒温烘箱中干燥至少12小时，温度控制为105℃，之后取出并自然冷却至室温；
2.2)密封4根金属管1的一端和取样孔，随后竖直放置金属管1，采用电子天平13称重砂样质量，将砂样装填入4根金属管1，控制孔隙度为设定值，之后密封金属管1的另一端；
2.3)通过法兰将4根已经填砂的金属管1连接，并将金属管1的入口段与驱替泵8的出口端的金属管线连接，金属管2的出口端与回压阀10的入口金属管线相连接；
3)实验***检漏：连接管路，向整个循环管路中注水使孔隙压力不小于10MPa，静置12小时，如果孔隙压力稳定则实验***密闭性能良好，否则查找泄漏点并再次检漏；
4)水合物合成：
4.1)向金属管1注入甲烷气体，记录驱替排出的孔隙水体积；第二液体容器16含刻度，因此可以测量注气过程中排除的空隙水总体积，另外，还可以通过液体流量计15测量驱替过程中液体的流量，然后乘以驱替时间就可以得到注甲烷过程中排除的孔隙水总体积。
4.2)降低温度以合成水合物；
4.3)孔隙压力不再降低时，水合物合成阶段完成；
5)降压驱替：
5.1)制备超饱和甲烷气体的盐水；
5.2)调节回压阀门10至设定压力，该设定压力小于水合物相平衡压力，向金属管1内泵送超饱和甲烷气体的盐水，实现金属管1与饱和容器5之间的盐水循环，进行水合物降压开采诱发砂粒运移过程的模拟，实时测量金属管1内孔隙压力的变化情况；
5.3)间隔固定时间对驱替出来的砂样进行测量分析，包括质量和粒径；其中，粒径分析是通过激光粒度仪12和振动筛20来实现的；质量是通过电子天平13进行测量；
5.4)水合物完全分解之后，降压驱替阶段完成；
6)实验结束：缓慢泄压，采用取样工具从金属管开孔中取出部分砂样，分析砂粒级配在金属管的轴向变化情况，仪器拆卸并清洗整理。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。
Claims (8)
1.一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，包括金属管模块(22)，所述金属管模块(22)的一端通过管道依次连接有驱替泵(8)和供液模块(23)，所述供液模块(23)上还通过管道连接有供气模块(24)，所述金属管模块(22)的另一端通过管道依次连接有回压模块(25)、固体分离模块(26)和预处理模块(27)；所述金属管模块(22)还连接有数据测量采集模块(28)，所述数据测量采集模块(28)还分别连接有供气模块(24)和固体分离模块(26)；所述金属管模块(22)、供液模块(23)、供气模块(24)、回压模块(25)、固体分离模块(26)、预处理模块(27)和数据测量采集模块(28)均设置于控温模块(29)内。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述金属管模块(22)包括四个依次连接有的金属管(1)，所述金属管(1)的两端分别通过导线连接有驱替泵(8)和回压模块(25)；所述金属管(1)上且与回压模块(25)相连接处设置有防砂网(20)，所述金属管(1)上设置有取样孔；所述金属管(1)上设置有数据测量采集模块(28)。
3.根据权利要求2所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述回压模块(25)为回压阀门(10)。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述供液模块(23)包括通过管道依次连接的饱和容器(5)、高压注液泵(7)和第一液体容器(6)；所述饱和容器(5)通过管道与驱替泵(8)相连接；所述供气模块(24)包括通过管道相连接的气体增压泵(3)和甲烷气瓶(2)，所述气体增压泵(3)通过管道与饱和容器(5)相连接。
5.根据权利要求4所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述固体分离模块(26)包括通过管道相连接有固体分离器(11)和第二液体容器(16)，所述固体分离器(11)分别连接有回压阀门(10)和预处理模块(27)。
6.根据权利要求5所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述预处理模块(27)包括振动筛(17)、激光粒度仪(12)和电子天平(13)；所述激光粒度仪(12)和电子天平(13)相连接，所述激光粒度仪(12)与固体分离器(11)相连接。
7.根据权利要求6所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，其特征在于，所述数据测量采集模块(28)包括压力传感器(9)、第一气体流量计(4)、第二气体流量计(14)、液体流量计(15)、采集卡(18)和工控机(19)，所述采集卡(18)分别通过导线连接有工控机(19)、压力传感器(9)、第一气体流量计(4)、第二气体流量计(14)和液体流量计(15)；所述压力传感器(9)设置于金属管(1)上；所述气体增压泵(3)和饱和容器(5)之间设置有第一气体流量计(4)；所述固体分离器(11)上连接有第二气体流量计(14)；所述固体分离器(11)和第二液体容器(16)之间设置有液体流量计(15)。
8.一种天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测方法，其特征在于，采用权利要求7中所述的天然气水合物开采井砂粒横向运移规律的监测装置，包括以下步骤：
1)砂样级配测量：测量实验砂样的级配曲线，作为砂粒运移分析的初始值；
2)金属管填砂：
2.1)清洗4根金属管(1)，并将其与实验砂样同时放入恒温烘箱中干燥至少12小时，温度控制为105℃，之后取出并自然冷却至室温；
2.2)密封4根金属管(1)的一端和取样孔，随后竖直放置金属管(1)，采用电子天平(13)称重砂样质量，将砂样装填入4根金属管(1)，控制孔隙度为设定值，之后密封金属管(1)的另一端；
2.3)通过法兰将4根已经填砂的金属管(1)连接，并将其连接入实验***中；
3)实验***检漏：连接管路，向实验***中注水使孔隙压力不小于10MPa，静置12小时，如果孔隙压力稳定则实验***密闭性能良好，否则查找泄漏点并再次检漏；
4)水合物合成：
4.1)向金属管(1)注入甲烷气体，记录驱替排出的孔隙水体积；
4.2)降低温度以合成水合物；
4.3)孔隙压力不再降低时，水合物合成阶段完成；
5)降压驱替：
5.1)制备超饱和甲烷气体的盐水；
5.2)调节回压阀门(10)至设定压力，该设定压力小于水合物相平衡压力，向金属管(1)内泵送超饱和甲烷气体的盐水，实现金属管(1)与饱和容器(5)之间的盐水循环，进行水合物降压开采诱发砂粒运移过程的模拟，实时测量金属管(1)内孔隙压力的变化情况；
5.3)间隔固定时间对驱替出来的砂样进行测量分析，包括质量和粒径；
5.4)水合物完全分解之后，降压驱替阶段完成；
6)实验结束：缓慢泄压，采用取样工具从金属管开孔中取出部分砂样，分析砂粒级配在金属管的轴向变化情况，仪器拆卸并清洗整理。
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