CN110306972A - 水合物开采防砂完井分析实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水合物开采防砂完井分析实验装置及方法，水、气、砂供应装置与实验腔的进液口连接，水、气循环回收装置与实验腔的出液口连接；所述的实验腔设有透明筒体，进液口和出液口分别位于透明筒体的两端，在透明筒体内设有至少一个筛网，还设有填充过滤腔；在筛网的两端，填充过滤腔的两端均设有压力传感器，压力传感器与数据收集装置电连接。水、气、砂供应装置向实验腔内计量的供应水、气和砂，以模拟水合物开采过程中的工况，水、气循环回收装置将水和气分离，水、气循环回收装置将收集的砂输送至出砂称重装置称量；收集实验腔两端液体的流量数据，建立气液两相前后对应的一种关系，分析水合物特别是水对于筛管堵塞的影响。

Description

水合物开采防砂完井分析实验装置及方法

技术领域

本发明涉及水合物开采防砂完井分析实验领域，特别是一种水合物开采防砂完井分析实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是由气体和水在一定温度和压力条件下形成的冰状化合物，具有储量大和能量密度高等特点，是一种未来潜力巨大的清洁能源。在天然气水合物开采的完井过程中，含水合物地层的力学性质会发生变化，储层中的砂粒会随着流体从储层中被运移出来，因而导致井壁失稳、出砂、筛管堵塞等问题，严重的甚至导致地层坍塌、海底滑坡和海啸等地质灾害。

由于天然气水合物防砂现场试验成本高、周期长等问题，目前大多数天然气的防砂完井实验都是在实验室条件下进行，通过实验装置模拟水合物防砂筛管堵塞过程是获取水合物防砂堵塞数据和研究水合物防砂堵塞的主要手段。当前对于水合物的研究和分析，更多的是针对在水合物开采过程中出砂和防砂问题研究的实验装置,现有的对于水合物开采中堵塞机理研究的实验装置，缺少对水合物开采防砂完井过程中出砂量进行定量分析，也缺少不同筛网类型在堵塞问题的中影响分析，以及砾石层厚度无法调节，缺少模拟不同井斜角条件下的开采井的堵塞情况等，因此无法准确模拟和还原实际防砂完井作业中的堵塞过程，进而也就无法对防砂完井的堵塞机理进行准确的说明和分析。

中国专利文献CN108982342A记载了一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置及评价方法与应用，评价装置包括高压流体泵送模块、水平井筛管冲蚀模拟模块、过滤集砂模块；所述水平井筛管冲蚀模块包括水平井模拟井筒、筛管短节、电加热套、排砂口、出液口、可调节喷嘴组，可调节喷嘴组上可外接不同长度、不同角度的外接喷嘴，能够高度模拟高温高压气藏水平井实际生产条件下筛管的冲蚀磨损规律；使用过滤集砂***收集并测量不同时间段产出砂质量及粒度分布；通过对筛管内外压差、过砂量、过砂粒度分布的连续测量计算，可以实现防砂筛管抗冲蚀性能的定量评价。该装置存在的问题是出砂采用重力出砂方式，精度不可控，采用喷砂的实验方式，喷嘴损坏非常快，获得的实验数据与真实工况相差较远。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水合物开采防砂完井分析实验装置及方法，能够较为真实的模拟井下开采的防砂工况。在优选的方案中，能够实时的高精度的分析筛网的堵塞机理。能够较为可靠的对防砂效果进行评估。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水合物开采防砂完井分析实验装置，水、气、砂供应装置与实验腔的进液口连接，水、气循环回收装置与实验腔的出液口连接；

所述的实验腔设有透明筒体，进液口和出液口分别位于透明筒体的两端，在透明筒体内设有至少一个筛网，还设有填充过滤腔；

在筛网的两端，填充过滤腔的两端均设有压力传感器，压力传感器与数据收集装置电连接。

优选的方案中，在透明筒体的附近还设有显微摄像装置，显微摄像装置与计算机电连接。

优选的方案中，所述的实验腔中依次设有上筛网、填充过滤腔和下筛网，多个压力传感器分别设置在上筛网上游的进料腔、填充过滤腔和下筛网下游的出料腔内；

压力传感器的导线通过导线管穿出到实验腔之外，导线管与导线之间密封。

优选的方案中，上筛网和下筛网均设置在筛网座上，筛网座与透明筒体的内壁之间设有密封圈；

透明筒体的两端设有密封连接的第一法兰和第二法兰，透明筒体两端粘接有翻边结构，第一法兰和第二法兰与翻边结构通过螺钉或螺栓连接；

进液口设置在第一法兰，出液口设置在第二法兰；

第一法兰与上筛网的筛网座通过螺柱连接，并能够沿螺柱调节位置。

优选的方案中，所述的实验腔在进液口的一端与底座铰接，还设有用于调节实验腔倾角的支撑装置。

优选的方案中，填充过滤腔内用于填充砾石层、纤维层或多孔材料层。

优选的方案中，所述的水、气、砂供应装置中，储气瓶、供水箱、水蒸气瓶、砂箱均与主供给管路连通，主供给管路与实验腔的进液口连通，主供给管路上设有第二压力计和温度计；

储气瓶通过泵、流量计和第一压力计与主供给管路连通；

供水箱通过泵和安全阀与主供给管路连通；

水蒸气瓶通过阀与主供给管路连通；

砂箱通过阀、真空吸砂泵和流量计与主供给管路连通。

优选的方案中，所述的水、气循环回收装置中，主回收管路的一端与出液口连通，另一端与三相分离器连通，主回收管路上设有第三压力计和阀；

三相分离器的中部设有气相出口，气相出口通过阀和流量计与气罐连通；

三相分离器靠近底部的位置设有液相出口，液相出口通过阀与回水箱连通；

三相分离器的底部设有出砂口，出砂口下方设有出砂称重装置，出砂称重装置与数据收集装置电连接；

数据收集装置与计算机电连接。

优选的方案中，回水箱通过管路和阀与供水箱连通；

气罐通过管路和压缩机与储气瓶连通。

一种采用上述的水合物开采防砂完井分析实验装置的方法，包括以下步骤：

S1、 水、气、砂供应装置向实验腔内计量的供应水、气和砂，以模拟水合物开采过程中的工况，其中气包括天然气和水蒸气；

S2、水、气、砂进入到实验腔内被过滤，压力传感器检测各段的压力值并传输给数据收集装置；

S3、水、气循环回收装置将水和气分离，并计量的将气和水回收返回水、气、砂供应装置循环利用；

S4、水、气循环回收装置将收集的砂输送至出砂称重装置称量；

S5、收集实验腔两端液体的流量数据，建立气液两相前后对应的一种关系，分析水合物特别是水对于筛管堵塞的影响；

S6、收集实验腔上游天然气的流量和压力、水的流量、水蒸气的流量、混合物的压力、砂的量、实验腔上游、中游、下游各段的压力值、实验后出砂量、实验腔中砂的滞留量、实验腔下游端气体的流量和实验后液体的流量，然后建立粒度对比和流量对比，以体现过流能力，实验腔两端压降对比关系；

S7、微观扫描筛网上砂的滞留状态，粒度大小，孔口砂的分布形式；

S8、根据不同的筛管和填充物来模拟不同类型的堵塞；通过显微摄像装置采集的图像分析筛网堵塞过程的变化情况和砂的分布形式；收集压力传感器和流量传感器在实验前后的数据，通过分析并和图像分析结果对比，进一步验证各个参数和筛网的堵塞情况之间的关系，并根据分析的数据计算筛网的渗透率，分析不同筛网的防砂效果；对实验后的出砂量与实验前的含砂量进行对比，分析出砂机理与筛管堵塞之间的关系。

本发明提供的一种水合物开采防砂完井分析实验装置及方法，与现有技术相比，具有以下的有益效果：

1、本发明的实验装置能够直观的观察到防砂效果及堵塞状况，且水、气、砂之间的配比能够精确模拟。

2、在优选的方案中，本发明通过采用水、气、砂分路提供，并采用真空吸砂泵的方式，能够较为精确的定量控制水合物进入实验腔前的含砂量，再通过对三相分离器中固体的干燥称重，进而判断挡砂效果。

3、同一装置上可以通过控制水合物流体流量、填充物尺寸、填充层厚度，筛网类型来研究这些变量对堵塞问题的影响。

4、通过显微摄像***可直接观察筛管堵塞过程、填充过滤层不同位置的堵塞情况，并且可采集筛管及砾石层堵塞过程中的图像，利于后续挡砂介质堵塞机理的分析。

5、通过压力传感器收集水合物不同位置的压力值来分析不同压力对于堵塞情况的影响。

6、通过调节实验腔的倾斜角度，可以模拟不同井斜角条件下的水合物防砂完井堵塞机理，使得具有更普遍性和全面的实验范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明装置的结构原理图。

图2是本发明中实验腔的结构示意图。

图3是本发明中实验腔倾角调节结构的示意图。

图4是本发明中实验腔的立体结构示意图。

图中：储气瓶1，泵2，流量计3，第一压力计4，第二压力计4'，第三压力计4''，供水箱5，安全阀6，砂箱7，真空吸砂泵8，温度计9，实验腔10，第一法兰101，进液口102，导线管103，上筛网104，压力传感器105，筛网座106，填充过滤腔107，第二法兰108，下筛网109，密封圈110，出液口111，螺柱112，出料腔113，进料腔114，透明筒体115，显微摄像装置11，三相分离器12，回水箱13，气罐14，压缩机15，数据收集装置16，计算机17，主供给管路18，主回收管路19，旋转支撑座20，支撑杆21，底座22，滑块23，导向槽24，螺栓25，水蒸气瓶26，出砂称重装置27。

具体实施方式

实施例1：

如图1~4中，一种水合物开采防砂完井分析实验装置，水、气、砂供应装置与实验腔10的进液口102连接，水、气循环回收装置与实验腔10的出液口111连接；

所述的实验腔10设有透明筒体115，进液口102和出液口111分别位于透明筒体115的两端，在透明筒体115内设有至少一个筛网，还设有填充过滤腔107；

在筛网的两端，填充过滤腔107的两端均设有压力传感器105，压力传感器105与数据收集装置16电连接。由此结构，实现水、气、砂配比可控，流量可控的供应，并能够将水、气等实验介质循环使用，设置的压力传感器105能够方便的分析不同压力下，不同配比介质 及不同筛网结构对防砂效果的影响，以便于分析堵塞机理，为防砂筛管的设计提供支持。

优选的方案如图1中，在透明筒体115的附近还设有显微摄像装置11，显微摄像装置11与计算机17电连接。由此结构，能够实时清晰的观测堵塞状况，为后继的堵塞机理分析提供基础数据。

优选的方案如图4中，所述的实验腔10中依次设有上筛网104、填充过滤腔107和下筛网109，多个压力传感器105分别设置在上筛网104上游的进料腔114、填充过滤腔107和下筛网109下游的出料腔113内；

压力传感器105的导线通过导线管103穿出到实验腔10之外，导线管103与导线之间密封。由此结构，模拟筛管的真实状况，并能够分析筛管各层间对实验介质压力的影响。

优选的方案如图4中，上筛网104和下筛网109均设置在筛网座106上，筛网座106与透明筒体115的内壁之间设有密封圈110；

透明筒体115的两端设有密封连接的第一法兰101和第二法兰108，透明筒体115两端粘接有翻边结构，第一法兰101和第二法兰108与翻边结构通过螺钉或螺栓连接；

进液口102设置在第一法兰101，出液口111设置在第二法兰108；

第一法兰101与上筛网104的筛网座通过螺柱112连接，并能够沿螺柱调节位置。优选的，下筛网109的筛网座106被固定安装，通过透明筒体115内的肩台或者将筛网座106与螺柱连接，螺柱与第二法兰108连接的结构实现下筛网109的筛网座106轴向固定。

优选的方案如图3中，所述的实验腔10在进液口102的一端与底座22铰接，还设有用于调节实验腔10倾角的支撑装置。由此结构，能够模拟筛管在不同倾角下的工作状况。具体结构为，底座22上固设有铰座，实验腔10通过螺栓25与旋转支撑座20固定连接，旋转支撑座20的一端通过轴与底座22上的铰座铰接，需要说明的铰接的位置位于实验腔10靠近出液口111的一端，在底座22上设有沿着实验腔10轴向的导向槽24，滑块23滑动安装在导向槽24内，滑块23上固设有支撑杆21，通过支撑杆21用于支撑在实验腔10底部的位置。通过滑块23的滑动调节实验腔10的倾角。

优选的方案中，填充过滤腔107内用于填充砾石层、纤维层或多孔材料层。通过调节两个筛网座106之间的距离，从而调整填充过滤腔107内填充物的厚度。

优选的方案如图1中，所述的水、气、砂供应装置中，储气瓶1、供水箱5、水蒸气瓶26、砂箱7均与主供给管路18连通，主供给管路18与实验腔10的进液口102连通，主供给管路18上设有第二压力计4'和温度计9；

储气瓶1通过泵、流量计和第一压力计4与主供给管路18连通；通过泵实现供气，储气瓶1内储存的为天然气。

供水箱5通过泵和安全阀与主供给管路18连通；通过泵实现供水，此处的泵采用变流量泵，优选的，供水箱5内采用模拟开采环境的水，例如偏酸性的水。

水蒸气瓶26通过阀与主供给管路18连通；用于模拟开采工况下回流的水蒸气。

砂箱7通过阀、真空吸砂泵8和流量计与主供给管路18连通。优选的，砂箱7位于主供给管路18的下方，砂箱7通过支管与主供给管路18连通，真空吸砂泵8对支管抽真空，支管的底部伸入到靠近砂箱7底部的位置，由此构成一个虹吸装置，主供给管路18的流体在支管产生负压吸附效应，从而将砂箱7内的砂通过虹吸进入到主供给管路18内。

优选的方案中，所述的水、气循环回收装置中，主回收管路19的一端与出液口111连通，另一端与三相分离器12连通，主回收管路19上设有第三压力计4''和阀；三相分离器12用于将气、液和固形物分离。

三相分离器12的中部设有气相出口，气相出口通过阀和流量计与气罐14连通；

三相分离器12靠近底部的位置设有液相出口，液相出口通过阀与回水箱13连通；

三相分离器12的底部设有出砂口，出砂口下方设有出砂称重装置27，出砂称重装置27与数据收集装置16电连接；通过对固形物的称重，评估筛网和填充物的防砂效果。

优选的方案中，数据收集装置16与计算机17电连接。由此结构，

优选的方案中，回水箱13通过管路和阀与供水箱5连通；

气罐14通过管路和压缩机15与储气瓶1连通。将回收的天然气压缩后再送至储气瓶1中存储，循环使用，以便于提供持续的实验。

实施例2：

一种采用上述的水合物开采防砂完井分析实验装置的方法，包括以下步骤：

S1、 水、气、砂供应装置向实验腔10内计量的供应水、气和砂，以模拟水合物开采过程中的工况，其中气包括天然气和水蒸气；

S2、水、气、砂进入到实验腔10内被过滤，压力传感器检测各段的压力值并传输给数据收集装置16；

S3、水、气循环回收装置将水和气分离，并计量的将气和水回收返回水、气、砂供应装置循环利用；

S4、水、气循环回收装置将收集的砂输送至出砂称重装置27称量；

S5、收集实验腔10两端液体的流量数据，建立气液两相前后对应的一种关系，分析水合物特别是水对于筛管堵塞的影响；

S6、收集实验腔10上游天然气的流量和压力、水的流量、水蒸气的流量、混合物的压力、砂的量、实验腔10上游、中游、下游各段的压力值、实验后出砂量、实验腔10中砂的滞留量、实验腔10下游端气体的流量和实验后液体的流量，然后建立粒度对比和流量对比，以体现过流能力，实验腔10两端压降对比关系；

S7、微观扫描筛网上砂的滞留状态，粒度大小，孔口砂的分布形式；

S8、根据不同的筛管和填充物来模拟不同类型的堵塞；通过显微摄像装置采集的图像分析筛网堵塞过程的变化情况和砂的分布形式；收集压力传感器和流量传感器在实验前后的数据，通过分析并和图像分析结果对比，进一步验证各个参数和筛网的堵塞情况之间的关系，并根据分析的数据计算筛网的渗透率，分析不同筛网的防砂效果；对实验后的出砂量与实验前的含砂量进行对比，分析出砂机理与筛管堵塞之间的关系。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合，例如将磁流变液的结构与多片的阻尼片1结构的组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：水、气、砂供应装置与实验腔（10）的进液口（102）连接，水、气循环回收装置与实验腔（10）的出液口（111）连接；

所述的实验腔（10）设有透明筒体（115），进液口（102）和出液口（111）分别位于透明筒体（115）的两端，在透明筒体（115）内设有至少一个筛网，还设有填充过滤腔（107）；

在筛网的两端，填充过滤腔（107）的两端均设有压力传感器（105），压力传感器（105）与数据收集装置（16）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：在透明筒体（115）的附近还设有显微摄像装置（11），显微摄像装置（11）与计算机（17）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：所述的实验腔（10）中依次设有上筛网（104）、填充过滤腔（107）和下筛网（109），多个压力传感器（105）分别设置在上筛网（104）上游的进料腔（114）、填充过滤腔（107）和下筛网（109）下游的出料腔（113）内；

压力传感器（105）的导线通过导线管（103）穿出到实验腔（10）之外，导线管（103）与导线之间密封。

4.根据权利要求3所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：上筛网（104）和下筛网（109）均设置在筛网座（106）上，筛网座（106）与透明筒体（115）的内壁之间设有密封圈（110）；

透明筒体（115）的两端设有密封连接的第一法兰（101）和第二法兰（108），透明筒体（115）两端粘接有翻边结构，第一法兰（101）和第二法兰（108）与翻边结构通过螺钉或螺栓连接；

进液口（102）设置在第一法兰（101），出液口（111）设置在第二法兰（108）；

第一法兰（101）与上筛网（104）的筛网座通过螺柱（112）连接，并能够沿螺柱调节位置。

5.根据权利要求4所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：所述的实验腔（10）在进液口（102）的一端与底座（22）铰接，还设有用于调节实验腔（10）倾角的支撑装置。

6.根据权利要求1~5任一项所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：填充过滤腔（107）内用于填充砾石层、纤维层或多孔材料层。

7.根据权利要求6所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：所述的水、气、砂供应装置中，储气瓶（1）、供水箱（5）、水蒸气瓶（26）、砂箱（7）均与主供给管路（18）连通，主供给管路（18）与实验腔（10）的进液口（102）连通，主供给管路（18）上设有第二压力计（4'）和温度计（9）；

储气瓶（1）通过泵、流量计和第一压力计（4）与主供给管路（18）连通；

供水箱（5）通过泵和安全阀与主供给管路（18）连通；

水蒸气瓶（26）通过阀与主供给管路（18）连通；

砂箱（7）通过阀、真空吸砂泵（8）和流量计与主供给管路（18）连通。

8.根据权利要求7所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：所述的水、气循环回收装置中，主回收管路（19）的一端与出液口（111）连通，另一端与三相分离器（12）连通，主回收管路（19）上设有第三压力计（4''）和阀；

三相分离器（12）的中部设有气相出口，气相出口通过阀和流量计与气罐（14）连通；

三相分离器（12）靠近底部的位置设有液相出口，液相出口通过阀与回水箱（13）连通；

三相分离器（12）的底部设有出砂口，出砂口下方设有出砂称重装置（27），出砂称重装置（27）与数据收集装置（16）电连接；

数据收集装置（16）与计算机（17）电连接。

9.根据权利要求8所述的一种水合物开采防砂完井分析实验装置，其特征是：回水箱（13）通过管路和阀与供水箱（5）连通；

气罐（14）通过管路和压缩机（15）与储气瓶（1）连通。

10.一种采用权利要求1~9任一项所述的水合物开采防砂完井分析实验装置的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、 水、气、砂供应装置向实验腔（10）内计量的供应水、气和砂，以模拟水合物开采过程中的工况，其中气包括天然气和水蒸气；

S2、水、气、砂进入到实验腔（10）内被过滤，压力传感器检测各段的压力值并传输给数据收集装置（16）；

S3、水、气循环回收装置将水和气分离，并计量的将气和水回收返回水、气、砂供应装置循环利用；

S4、水、气循环回收装置将收集的砂输送至出砂称重装置（27）称量；

S5、收集实验腔（10）两端液体的流量数据，建立气液两相前后对应的一种关系，分析水合物特别是水对于筛管堵塞的影响；

S6、收集实验腔（10）上游天然气的流量和压力、水的流量、水蒸气的流量、混合物的压力、砂的量、实验腔（10）上游、中游、下游各段的压力值、实验后出砂量、实验腔（10）中砂的滞留量、实验腔（10）下游端气体的流量和实验后液体的流量，然后建立粒度对比和流量对比，以体现过流能力，实验腔（10）两端压降对比关系；

S7、微观扫描筛网上砂的滞留状态，粒度大小，孔口砂的分布形式；

S8、根据不同的筛管和填充物来模拟不同类型的堵塞；通过显微摄像装置采集的图像分析筛网堵塞过程的变化情况和砂的分布形式；收集压力传感器和流量传感器在实验前后的数据，通过分析并和图像分析结果对比，进一步验证各个参数和筛网的堵塞情况之间的关系，并根据分析的数据计算筛网的渗透率，分析不同筛网的防砂效果；对实验后的出砂量与实验前的含砂量进行对比，分析出砂机理与筛管堵塞之间的关系。