CN110286206B - 一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置及方法，实验装置包括高压反应釜、压力控制设备、温度控制设备以及数据采集设备，所述高压反应釜中部设有可视化窗口，高压反应釜内腔中设有隔档块，所述隔档块通过推送杆安装和调节高度，所述高压反应釜两侧通过转轴固定在支架上，使高压反应釜可在0°‑180°范围内转动，支架上设有固定件，用于固定高压反应釜的倾角，支架上还设有角度测量机构，用于精确读取高压反应釜的倾角，本发明优点在于能较好地模拟不同温度、压力、搅拌速率、产气速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集过程，模拟条件与实际工况一致，参数控制精确。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物勘探与开发技术领域，尤其涉及一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置及方法。
背景技术
天然气水合物通常是由水分子与碳氢小气体分子(主要是CH4)在高压低温条件下形成的笼型似冰状结晶化合物，因其外观像冰且遇火可燃烧，故又称“可燃冰”。天然气水合物具有分布广、储量丰富、能量密度大等特点，是一种储量巨大的、洁净的新型替代能源。自然界中天然气水合物主要分布于海底沉积物以及永久冻土带中，据估计以水合物形式存在的碳是地球上以化石燃料存在的碳总量的两倍，因此许多国家都将其视为未来新型替代能源。
但是，天然气水合物的形成与分解在某些生产活动中会带来严重危害。在深海油气钻井过程中，海底上部地层存在的浅层气以及钻遇水合物地层时水合物分解气侵入井筒中，在一定的温度与压力条件下，容易在井筒内二次形成水合物并聚集，阻碍钻井液在环空中的流动，影响产气效率，对钻井施工产生不同程度的安全危害。此外，在油气输送管道中，管道变向、变径、阀门、三通、分离器等油气运移受阻的位置，在一定的温度与压力条件下也容易形成水合物，水合物在管道中的生长与聚集也带来极大的负面影响。
申请公布号为CN106814166A的专利公开了一种评价深水钻井中水合物形成与聚集行为的实验装置及方法，该发明针对天然气水合物地层钻井、冻土钻井和海洋钻井的钻井液体系，在不同温度、压力与流体过流通道条件下，模拟钻屑或地层中水合物的分解气体或浅层气进入井筒环空中形成水合物，进而评价模拟环空循环通道对水合物形成与聚集行为的影响以及钻井液抑制水合物形成和聚集行为的能力。然而，该发明仅针对温度、压力与流体过流通道条件的改变，并没有针对气泡在竖井、水平井造斜段或水平段液体内运移受阻的情况下水合物的形成与聚集进行研究，也没有考虑钻井过程中钻杆的转动对水合物形成与聚集的影响，其模拟条件有限，实验装置的模拟效果与深海油气钻井中的工况差别较大，无法进行全面模拟。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置及方法，能较好地模拟不同温度、压力、搅拌速率、产气速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集过程，模拟条件与实际工况一致，参数控制精确。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置，包括高压反应釜、压力控制设备、温度控制设备以及数据采集设备，所述高压反应釜中部设有可视化窗口，可视化窗口两侧设置密封垫片，高压反应釜内腔中设有隔档块，所述隔档块通过推送杆安装和调节高度，隔档块侧壁上套有密封圈，所述压力控制设备、温度控制设备和数据采集设备均与高压反应釜连接，压力控制设备用于调整向高压反应釜中导入气体的速率，温度控制设备用于控制高压反应釜内的温度，数据采集设备用于采集高压反应釜内的压力和温度数据，所述高压反应釜两侧通过转轴固定在支架上，使高压反应釜可在0°-180°范围内转动，支架上设有固定件，用于固定高压反应釜的倾角，支架上还设有角度测量机构，用于精确读取高压反应釜的倾角。
上述技术方案，所述高压反应釜顶部和底部分别设有出气口和进气口，压力控制设备包括气源、缓冲罐和集气瓶，气源通过高压管路依次经过第一压力表、第一针阀接入缓冲罐，缓冲罐上连接第二压力表，缓冲罐通过高压管路依次经过第二针阀、调压阀、第三压力表、第三针阀、背压阀、第四针阀和第一气体流量计接入高压反应釜底部的进气口，第一气体流量计用于精确控制进气速率，高压反应釜顶部的出气口通过排气管路依次经过阀门、回压阀、第二气体流量计接入集气瓶，第二气体流量计用于精确控制排气速率。
进一步的，所述温度控制设备包括低温恒温反应浴和水夹套，高压反应釜外部包裹有水夹套，高压反应釜外部包裹的水夹套通过冷却管接入低温恒温反应浴。
进一步的，所述缓冲罐外部也包裹有水夹套，高压反应釜外部包裹的水夹套通过冷却管接入低温恒温反应浴。
进一步的，所述高压反应釜中还设有搅拌装置，搅拌装置设置在高压反应釜底部。
作为优选的，所述搅拌装置为磁力搅拌器，搅拌器基座位于高压反应釜下方，搅拌子位于高压反应釜内。
作为优选的，所述角度测量机构为半圆状量角盘，量角盘上设有指针槽，高压反应釜侧面设有与指针槽位置匹配的指针。
通过上述实验装置评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，包括以下步骤：
S1、将配置好的钻井液以及实验所需气体通入高压反应釜中，调节高压反应釜内的温度和压力至设定值并维持一段时间，模拟实际地层中温度和压力；
S2、设定模拟条件：
S2.1、调节调压阀以及背压阀控制实验所需气体鼓入高压反应釜的速度，模拟不同产气速率，鼓泡速度通过第一气体流量计直接观察；
S2.2、在高压反应釜内腔中安装不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块，模拟井筒内阻碍气体运移的相关设备或者通道的位置；
S2.3、将磁力搅拌器设定为不同转速，模拟钻杆对钻井液的搅动；
S2.4、调整高压反应釜的倾角，模拟竖井、水平井造斜段或水平段；
S3、实时采集高压反应釜内的温度和压力数据，并且考虑高压反应釜内腔中隔档块具有不同总过流面积与单个圆孔面积的情况，通过温度、压力数据以及可视化窗口处气泡向上运移和聚集及后续水合物形成和聚集随时间的变化情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
上述技术方案，所述步骤S3中模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用，该过程的具体步骤如下：
S3.1、检查装置气密性：关闭排气管路上的阀门，打开气源，将所需气体通入高压可视化反应釜内，使釜内压力增到12MPa，维持该压力并观察24小时，检查所有针阀、阀门、高压管路、排气管路和高压可视化反应釜的气密性，检查实验装置有无泄漏；
S3.2、清理管路及高压反应釜：检查实验装置无泄漏后，往高压反应釜内装入0.3L配置好的钻井液，打开高压管路上的第一针阀、第二针阀、第三针阀和第四针阀以及排气管路上的阀门，打开气源将实验所需气体不断通入高压反应釜内并排出，确保高压反应釜与所有管路内没有其余气体与杂物；
S3.3、对实验装置进行降温：打开低温恒温反应浴并设定温度，对缓冲罐与高压反应釜进行降温，待温度降至设定温度并保持平衡后，打开计算机，通过温度传感器与压力传感器实时监测并记录高压反应釜内温度与压力；
S3.4、完成上述工作后，打开气源使供气压力达到一定值后，打开第一针阀，实验所需气体进入缓冲罐中，打开排气管路上的阀门并调节回压阀，控制高压反应釜内的压力，打开第二针阀、第三针阀、第四针阀，调节调压阀与背压阀精确控制气体进入高压反应釜内的速率，实验所需气体由进气口鼓入高压反应釜内并对高压反应釜进行加压，鼓泡速度用于模拟产气速率，可以由第一气体流量计直接观察；打开磁力搅拌器并设定搅拌速率；固定高压反应釜的倾角；
S3.5、通过高压反应釜中部的可视化窗口，首先观察气泡在钻井液中向上运移以及通过隔档块的情况；随着实验的进行，观察气液界面处以及隔档块下部水合物的生成情况；最后观察气液界面处以及隔档块下部水合物的生长与聚集情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下，竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
进一步的，实验所需气体为甲烷、乙烷或二氧化碳。
本发明的有益效果为：
1、通过改变高压反应釜的倾角实现对竖井、水平井造斜段与水平段井筒与管道的模拟，通过设搅拌装置的转速实现对钻探过程中钻杆转动对钻井液扰动的模拟，通过调压阀、背压阀以及第一气体流量计精确控制气体鼓泡速度，实现对开采过程中产气速率的模拟，该实验装置主要特点之一是能较好地模拟不同温度、压力、搅拌速率，产气速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集过程，模拟条件与实际工况一致，参数控制精确；
2、使用低温恒温反应浴与水夹套配合控制温度，温度传递均匀，温度控制稳定，不影响高温反应釜在支架上转动；
3、缓冲罐上设置水夹套，使缓冲罐与高温反应釜内的温度一致，避免实验所需气体进入高温反应釜内时存在温度变化，减少实验误差；
4、搅拌装置为磁力搅拌器，搅拌器基座位于高压反应釜下方，搅拌子位于高压反应釜内，磁力搅拌装置不仅安装方便，而且不会对高温反应釜的气密性造成影响。
附图说明
附图1为本发明实验装置的结构示意图；
附图2为本发明反应釜的结构示意图；
附图3为本发明量角盘的结构示意图；
附图4为本发明高压反应釜内未搅拌情况下气泡在液体中的运移图；
附图5为本发明高压反应釜内温度和压力随时间变化的曲线图；
附图6为本发明高压反应釜内去离子水中水合物形成图；
附图7为本发明高压反应釜内去离子水中水合物生长与聚集图；
附图8为本发明高压反应釜内纳米颗粒溶液中气液界面处水合物形成图；
附图9为本发明高压反应釜内纳米颗粒溶液中隔档块处水合物生产与聚集图。
标注说明：1、第一压力表，2、第一针阀，3、第二压力表，4、第二针阀，5、调压阀，6、第三压力表，7、第三针阀，8、背压阀，9、第四针阀，10、高压反应釜，11、阀门，12、回压阀，13、第二气体流量，14、气源，15、水夹套，16、缓冲罐，17、低温恒温反应浴，18、第一气体流量计，19、支架，20、计算机，21、集气瓶，22、量角盘，23、指针，24、隔档块，25、固定件，26、转轴，27、可视化窗口，28、搅拌器基座，29、搅拌子，30、锁紧螺钉，31、指针槽。
具体实施方式
请参阅图1-3所示，一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置，包括高压反应釜10、压力控制设备、温度控制设备以及数据采集设备。所述高压反应釜10中部设有可视化窗口27，可视化窗口27两侧设置密封垫片，通过可视化窗口27能够实时观察高温反应釜10内的实验情况，高压反应釜10内腔中设有隔档块24；所述隔档块24通过推送杆安装和调节高度，推送杆固定在高压反应釜10中，推送杆为可伸缩杆，改变推送杆长度进而调节隔档块24处于高压反应釜10内的高度，隔档块24侧壁上套有密封圈，隔档块24与高压反应釜10内壁间通过密封圈密封，隔档块24用于模拟井筒内阻碍气体运移的相关设备或者通道，如：井内变径的位置；所述压力控制设备、温度控制设备和数据采集设备均与高压反应釜10连接，压力控制设备用于调整向高压反应釜10中导入气体的速率，模拟实际工况中的产气速率，温度控制设备用于控制高压反应釜10内的温度，模拟实际工况中的环境温度，数据采集设备用于采集高压反应釜10内的压力和温度数据，数据采集设备包括压力传感器、温度传感器和计算机20，压力传感器和温度传感器分别安装在高压反应釜10顶部和底部的安装孔内，压力传感器和温度传感器通过数据采集信号线接入计算机20；所述高压反应釜10两侧通过转轴26固定在支架19上，支架19为倒置U型，使高压反应釜10可在0°-180°范围内转动，支架19上设有固定件25，用于固定高压反应釜10的倾角。实际使用时，固定件选择锁紧螺栓。
作为优选的，支架19上还设有角度测量机构，用于精确读取高压反应釜10的倾角。所述角度测量机构为半圆状量角盘22，量角盘22通过锁紧螺钉30固定在支架19上，量角盘22上设有指针槽31，高压反应釜10侧面设有与指针槽31位置匹配的指针23。转动高压反应釜10时，指针23随高压反应釜10在指针槽31内转动，读取量角盘22上的读数，从而定量确认高压反应釜10的倾角。
所述高压反应釜10顶部和底部分别设有出气口和进气口，压力控制设备包括气源14、缓冲罐16和集气瓶21，气源14通过高压管路依次经过第一压力表1、第一针阀2接入缓冲罐16，缓冲罐16上连接第二压力表3，缓冲罐16通过高压管路依次经过第二针阀4、调压阀5、第三压力表6、第三针阀7、背压阀8、第四针阀9和第一气体流量计18接入高压反应釜10底部的进气口，第一气体流量计18用于精确控制进气速率，高压反应釜10顶部的出气口通过排气管路依次经过阀门11、回压阀12、第二气体流量13计接入集气瓶21，第二气体流量计13用于精确控制排气速率。由于本实验单位时间进入高压反应釜10的气体量极少，压力表无法精确显示，故增加精度更高的气体流量计，用以微调调压阀5。
所述温度控制设备包括低温恒温反应浴17和水夹套15，高压反应釜10外部包裹有水夹套15，高压反应釜10外部包裹的水夹套15通过冷却管接入低温恒温反应浴17。使用低温恒温反应浴17与水夹套15配合控制温度，温度传递均匀，温度控制稳定，区别于恒温箱，操作各个阀门或开关以及观察高温反应釜10内的实验情况时，不存在频繁开闭箱门，高温反应釜内的温度不会发生波动，也不受限于恒温箱尺寸，不影响高温反应釜10在支架19上转动。
作为优选的，所述缓冲罐外16部也包裹有水夹套15，高压反应釜10外部包裹的水夹套15通过冷却管接入低温恒温反应浴17。缓冲罐16上设置水夹套15，使缓冲罐16与高温反应釜10内的温度一致，避免实验所需气体进入高温反应釜10内时存在温度变化，减少实验误差。
所述高压反应釜10中还设有搅拌装置，搅拌装置设置在高压反应釜底部，搅拌装置用于模拟钻杆对钻井液的搅动。作为优选的，所述搅拌装置为磁力搅拌器，搅拌器基座28位于高压反应釜10下方，搅拌子29位于高压反应釜10内，磁力搅拌装置不仅安装方便，而且不会对高温反应釜的气密性造成影响。实际使用时，搅拌子29选择十字型。
通过上述实验装置评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，包括以下步骤：
S1、将配置好的钻井液以及实验所需气体通入高压反应釜10中，调节高压反应釜10内的温度和压力至设定值并维持一段时间，模拟实际地层中温度和压力；实验所需气体包括但不限于甲烷、乙烷或二氧化碳；
S2、设定模拟条件：
S2.1、调节调压阀5以及背压阀8控制实验所需气体鼓入高压反应釜10的速度，模拟不同产气速率，鼓泡速度通过第一气体流量计18直接观察；
S2.2、在高压反应釜10内腔中安装不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块24，模拟井筒内阻碍气体运移的相关设备或者通道的位置；
S2.3、将磁力搅拌器设定为不同转速，模拟钻杆对钻井液的搅动；
S2.4、调整高压反应釜10的倾角，模拟竖井、水平井造斜段或水平段；
S3、实时采集高压反应釜10内的温度和压力数据，并且考虑高压反应釜10内腔中隔档块24具有不同总过流面积与单个圆孔面积的情况，通过温度、压力数据以及可视化窗口27处气泡向上运移和聚集及后续水合物形成和聚集随时间的变化情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
所述步骤S3中模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用，该过程的具体步骤如下：
S3.1、检查装置气密性：关闭排气管路上的阀门11，打开气源14，将所需气体通入高压反应釜10内，使釜内压力增到12MPa，维持该压力并观察24小时，检查所有针阀、阀门、高压管路、排气管路和高压反应釜的气密性，检查实验装置有无泄漏；
S3.2、清理管路及高压反应釜10：检查实验装置无泄漏后，往高压反应釜10内装入0.3L配置好的钻井液，打开高压管路上的第一针阀2、第二针阀4、第三针阀7和第四针阀9以及排气管路上的阀门11，打开气源14将实验所需气体不断通入高压反应釜10内并排出，确保高压反应釜10与所有管路内没有其余气体与杂物；
S3.3、对实验装置进行降温：打开低温恒温反应浴17并设定温度，对缓冲罐16与高压反应釜10进行降温，待温度降至设定温度并保持平衡后，打开计算机20，通过温度传感器与压力传感器实时监测并记录高压反应釜10内温度与压力；
S3.4、完成上述工作后，打开气源14使供气压力达到一定值后，打开第一针阀2，实验所需气体进入缓冲罐16中，打开排气管路上的阀门11并调节回压阀12，控制高压反应釜10内的压力，打开第二针阀4、第三针阀7、第四针阀9，调节调压阀5与背压阀8精确控制气体进入高压反应釜10内的速率，实验所需气体由进气口鼓入高压反应釜10内并对高压反应釜10进行加压，鼓泡速度用于模拟产气速率，可以由第一气体流量计18直接观察；打开磁力搅拌器并设定搅拌速率；固定高压反应釜10的倾角；
S3.5、通过高压反应釜10中部的可视化窗口27，首先观察气泡在钻井液中向上运移以及通过隔档块24的情况；随着实验的进行，观察气液界面处以及隔档块24下部水合物的生成情况；最后观察气液界面处以及隔档块24下部水合物的生长与聚集情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下，竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
实验装置配备了多种不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块24，即：隔档块24的形状与厚度均一致，但四种隔档块24中设有数量和大小不同的圆孔，其中四种隔档块24规格如下：隔档块24A的总过流面积约为1.2cm2，单个圆孔面积约为0.086cm2，气体最容易通过；隔档块24B总过流面积约为0.9cm2，单个圆孔面积约为0.045cm2，气体比较容易通过；隔档块24C总过流面积约为0.6cm2，单个圆孔面积约为0.025cm2，气体比较难通过；隔档块24D总过流面积约为0.3cm2，单个圆孔面积约为0.005cm2，气体最难通过。
如图4所示，为了更好地观察气泡在液体中的运移，并未开启磁力搅拌器。鼓入高压反应釜10内的气泡，在液体中不断向上运移，大部分气泡运移至隔档块24下部破裂，少量气泡通过并脱离隔档块24继续向上运移，至气液界面处破裂消失。不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块24对气泡的上述行为产生不同的影响。
如图5所示，计算机20通过温度传感器与压力传感器实时记录实验过程中高压反应釜10内的温度与压力，并且通过温度与压力曲线图结合可视化窗口27判断水合物的生成。水合物生成时虽然要消耗气体，但是由于实验是动态鼓泡过程，消耗的气体很快由新鼓入的气体填补，因此压力曲线波动不大；但是水合物的生成是一个放热反应，因此当高压反应釜10内水合物生成时，高压反应釜10内温度会上升，从温度曲线的上升结合可视化窗口27的观察可以判断水合物的生成。
如图6、7所示，通过可视化窗口27观察去离子水中水合物的形成以及生长与聚集现象，实验设定的温度与压力都满足水合物生成条件，随着实验的不断进行，在气液界面处可以观察到大量白色细微粉末状小颗粒，紧接着靠近气液界面上部可视化窗口27的玻璃壁面变得呈“雾”状模糊，同时发现在气液界面处以及隔档块24的下部气泡表面有水合物膜生成，并且温度曲线有小幅度的上升，运移气液界面处的气泡不再破裂消失，而是在表面迅速形成水合物膜并且不断地聚集，隔档块24处被“截留”下来的气泡也迅速在表面生成水合物膜并且聚集起来，聚集速度与聚集量远远大于气液界面处。
如图8、9所示，向高压反应釜10中加入不同质量浓度的纳米二氧化硅溶液，观察纳米二氧化硅溶液中气液界面处水合物的形成以及隔档块24处水合物的生长于聚集情况。实验设定的温度与压力都满足水合物生成条件，随着实验的不断进行，可以看到气液界面漂浮有白色细微粉末状小颗粒，紧接着靠近气液界面上部可视化窗口27的玻璃壁面变得呈“雾”状模糊，推测可能由于磁力搅拌器搅拌原因，使玻璃壁上残留有纳米颗粒溶液，于是最先生成水合物，同时在气液界面处可以观察到运移上来的气泡不再破裂，而是在表面迅速生成水合物膜，温度曲线也有小幅度的上升。图8所示为不同粒径与质量浓度的纳米颗粒溶液中气液界面处水合物的初始形成，水合物形成后会不断生长与聚集，图9所示为粒径30nm不同质量浓度的纳米颗粒溶液中隔档块处水合物的生长与聚集情况。
实验结束时，关闭气源14、第四针阀9、第三针阀7、第二针阀4以及第一针阀2，随后缓慢打开阀门11与回压阀12对实验装置进行卸压，直到实验装置压力降至大气压。
重复上述操作，可以观察在一定的温度与压力条件下，气泡在液体内的向上运移的情况，以及随着时间的推移，在隔档块24下方与气液界面处的水合物形成与聚集过程。磁力搅拌器设置不同的转速可以模拟不同的搅拌速率；通过第一气体流量18计对调压阀5与背压阀8进行精确操作，进而控制鼓泡速度，模拟不同的产气速率；不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块24可以模拟不同的过流面积；对高压反应釜10进行不同角度的旋转和固定可以模拟竖井、水平井造斜段或水平段；通过在高压反应釜10内加入不同类型的钻井液观察水合物的形成以及聚集情况，并且与去离子水中水合物的生成与聚集情况作比较，评价钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
综上所述，本实验装置可以模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、搅拌速率、产气速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用，并利用该实验装置对钻井液相关处理剂和水合物抑制剂加以优选，进而为天然气水合物以及深水油气勘探与开发提供技术支持。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，采用评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置，其特征在于：
评价油气钻井中水合物动态形成的实验装置，包括高压反应釜、压力控制设备、温度控制设备以及数据采集设备，所述高压反应釜中部设有可视化窗口，可视化窗口两侧设置密封垫片，高压反应釜内腔中设有隔档块，所述隔档块通过推送杆安装和调节高度，隔档块侧壁上套有密封圈，所述压力控制设备、温度控制设备和数据采集设备均与高压反应釜连接，压力控制设备用于调整向高压反应釜中导入气体的速率，温度控制设备用于控制高压反应釜内的温度，数据采集设备用于采集高压反应釜内的压力和温度数据，所述高压反应釜两侧通过转轴固定在支架上，使高压反应釜可在0°-180°范围内转动，支架上设有固定件，用于固定高压反应釜的倾角，支架上还设有角度测量机构，用于精确读取高压反应釜的倾角；
所述高压反应釜顶部和底部分别设有出气口和进气口，压力控制设备包括气源、缓冲罐和集气瓶，气源通过高压管路依次经过第一压力表、第一针阀接入缓冲罐，缓冲罐上连接第二压力表，缓冲罐通过高压管路依次经过第二针阀、调压阀、第三压力表、第三针阀、背压阀、第四针阀和第一气体流量计接入高压反应釜底部的进气口，第一气体流量计用于精确控制进气速率，高压反应釜顶部的出气口通过排气管路依次经过阀门、回压阀、第二气体流量计接入集气瓶，第二气体流量计用于精确控制排气速率；
所述温度控制设备包括低温恒温反应浴和水夹套，高压反应釜外部包裹有水夹套，高压反应釜外部包裹的水夹套通过冷却管接入低温恒温反应浴；
所述缓冲罐外部也包裹有水夹套，高压反应釜外部包裹的水夹套通过冷却管接入低温恒温反应浴；
所述高压反应釜中还设有搅拌装置，搅拌装置设置在高压反应釜底部；
所述搅拌装置为磁力搅拌器，搅拌器基座位于高压反应釜下方，搅拌子位于高压反应釜内；
所述角度测量机构为半圆状量角盘，量角盘上设有指针槽，高压反应釜侧面设有与指针槽位置匹配的指针；
评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，包括以下步骤：
S1、将配置好的钻井液以及实验所需气体通入高压反应釜中，调节高压反应釜内的温度和压力至设定值并维持一段时间，模拟实际地层中温度和压力；
S2、设定模拟条件：
S2.1、调节调压阀以及背压阀控制实验所需气体鼓入高压反应釜的速度，模拟不同产气速率，鼓泡速度通过第一气体流量计直接观察；
S2.2、在高压反应釜内腔中安装不同总过流面积与单个圆孔面积的隔档块，模拟井筒内阻碍气体运移的相关设备或者通道的位置；
S2.3、将磁力搅拌器设定为不同转速，模拟钻杆对钻井液的搅动；
S2.4、调整高压反应釜的倾角，模拟竖井、水平井造斜段或水平段；
S3、实时采集高压反应釜内的温度和压力数据，并且考虑高压反应釜内腔中隔档块具有不同总过流面积与单个圆孔面积的情况，通过温度、压力数据以及可视化窗口处气泡向上运移和聚集及后续水合物形成和聚集随时间的变化情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
2.根据权利要求1所述的一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，其特征在于：所述步骤S3中模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用，该过程的具体步骤如下：
S3.1、检查装置气密性：关闭排气管路上的阀门，打开气源，将所需气体通入高压可视化反应釜内，使釜内压力增到12MPa，维持该压力并观察24小时，检查所有针阀、阀门、高压管路、排气管路和高压可视化反应釜的气密性，检查实验装置有无泄漏；
S3.2、清理管路及高压反应釜：检查实验装置无泄漏后，往高压反应釜内装入0.3L配置好的钻井液，打开高压管路上的第一针阀、第二针阀、第三针阀和第四针阀以及排气管路上的阀门，打开气源将实验所需气体不断通入高压反应釜内并排出，确保高压反应釜与所有管路内没有其余气体与杂物；
S3.3、对实验装置进行降温：打开低温恒温反应浴并设定温度，对缓冲罐与高压反应釜进行降温，待温度降至设定温度并保持平衡后，打开计算机，通过温度传感器与压力传感器实时监测并记录高压反应釜内温度与压力；
S3.4、完成上述工作后，打开气源使供气压力达到一定值后，打开第一针阀，实验所需气体进入缓冲罐中，打开排气管路上的阀门并调节回压阀，控制高压反应釜内的压力，打开第二针阀、第三针阀、第四针阀，调节调压阀与背压阀精确控制气体进入高压反应釜内的速率，实验所需气体由进气口鼓入高压反应釜内并对高压反应釜进行加压，鼓泡速度用于模拟产气速率，可以由第一气体流量计直接观察；打开磁力搅拌器并设定搅拌速率；固定高压反应釜的倾角；
S3.5、通过高压反应釜中部的可视化窗口，首先观察气泡在钻井液中向上运移以及通过隔档块的情况；随着实验的进行，观察气液界面处以及隔档块下部水合物的生成情况；最后观察气液界面处以及隔档块下部水合物的生长与聚集情况，模拟深海油气钻探过程中海底上部地层存在的浅层气以及水合物分解气侵入井筒内，在不同温度、压力、产气速率、搅拌速率以及流体过流面积条件下，竖井、水平井造斜段或水平段井筒与管道内水合物形成以及聚集现象，进而评价井筒与管道内水合物形成与聚集行为的影响因素以及钻井液对水合物形成的促进或抑制作用。
3.根据权利要求2所述的一种评价油气钻井中水合物动态形成的实验方法，其特征在于：实验所需气体为甲烷、乙烷或二氧化碳。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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