CN111794719A - 一种天然气水合物开采相似模拟管道、***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然气水合物开采相似模拟管道、***及方法，所述管道包括管道本体；等腰三棱柱腔体，形成在所述管道本体中；密封件，密封所述等腰三棱柱腔体；以及开采井，设于所述管道本体的外表面，且其中央形成有中空部，所述中空部的一开口，另一端与所述等腰三棱柱腔体连通，本发明可对天然气水合物的竖直井实采过程进行相似的物理实验模拟研究，为相应的数值模拟开采研究提供数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，尤其涉及一种天然气水合物开采相似模拟管道、***及方法。
背景技术
天然气水合物稳定带的厚度一般小于200米，而分布范围一般在千米以上，因此天然气水合物稳定带的基本形态为薄盘状。在采用竖直井对天然气水合物进行实地开采时，通常会在一个竖直井井筒上不同深度处开设多个采气井。在通过采气井开采天然气水合物时，在降压开采过程中，每个采气井的水平周围均会出现温压条件和流场均不同的近井区、中间区和远井区，其中近井区和中间区为有效作用区。考虑到水合物稳定带的厚度低、范围广，且不同深度处多个采气井的存在，每个采气井的实际作用区域为水平方向上的薄盘状区域，由上述的近井区和中间区构成。
为了对天然气水合物实采过程进行相似模拟研究，通常会从上述薄盘状区域中选取一定角度的扇状区域作为模拟边界条件，从而做到对实采过程中流场和温压场工况相似模拟还原，获取相应的空间效应。但是，由于目前的室内物理实验模拟技术所达到的模拟尺度小，无法做到对实采工况的相似还原，造成实验结果不符合真实的实采工况，也不能为数值模拟研究提供可靠的数据支持。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种天然气水合物开采相似模拟管道，对天然气水合物的竖直井实采过程进行相似的物理实验模拟研究，为相应的数值模拟开采研究提供数据支持。本发明的另一个目的在于提供一种天然气水合物开采相似模拟***。本发明的还一个目的在于提供一种天然气水合物开采相似模拟方法。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种天然气水合物开采相似模拟管道，包括：
管道本体；
等腰三棱柱腔体，形成在所述管道本体中；
密封件，密封所述等腰三棱柱腔体；以及
开采井，设于所述管道本体的外表面，且其中央形成有中空部，所述中空部的一开口，另一端与所述等腰三棱柱腔体连通。
优选的，所述等腰三棱柱腔体的截面为等腰三角形，所述等腰三棱柱腔体对应所述等腰三角形的底边的侧面内接于所述管道本体的外边缘。
优选的，所述密封件包括分别设于所述管道本体两端用于密封所述管道本体的两个法兰。
优选的，所述等腰三棱柱腔体为通过对所述管道本体实体铸件刻凿掏除加工形成。
优选的，所述等腰三棱柱腔体通过在管道外壳内设置等腰三棱柱模具并在管道外壳中铸造形成。
本发明另一方面公开了一种天然气水合物开采相似模拟***，包括：
如上所述的相似模拟管道；
进气设备，与所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体连通，用于向所述等腰三棱柱腔体中输入高压天然气以形成天然气水合物；
监测设备，用于监测所述等腰三棱柱腔体中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，以及降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。
优选的，所述***进一步包括与所述等腰三棱柱腔体连通的排气设备和排液设备；
所述排气设备用于排出所述等腰三棱柱腔体中的气体；
所述排液设备用于排出所述等腰三棱柱腔体中的液体。
优选的，
所述属性数据包括等腰三棱柱腔体中的温度、压力、声波和电阻数据；
所述过程数据包括所述天然气水合物的采出速率、波及范围、水合物分解数据和气液运移数据。
本发明还公开了一种天然气水合物开采相似模拟方法，包括：
将相似模拟管道置入低温室中降温至预设温度；
向所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体中填充海底沉积物，通过密封件密封所述相似模拟管道；
通过进气设备向所述等腰三棱柱腔体中输入高压天然气以形成天然气水合物；
通过监测设备监测所述等腰三棱柱腔体中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，当所述属性数据稳定时关闭进气设备；
通过开采井对所述天然气水合物进行降压开采；
通过监测设备监测降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。
优选的，所述方法进一步包括在所述天然气水合物降压开采完毕后：
对所述相似模拟管道升温；
通过排气设备将所述等腰三棱柱腔体中的气体；
通过排液设备将所述等腰三棱柱腔体中的液体。
本发明天然气水合物开采相似模拟管道中设有等腰三棱柱腔体，从而可在该腔体中填充沉积物，形成等腰三棱柱形的沉积物天然气水合物样品，可用于竖直井开采天然气水合物的相似模拟，以此实验模拟还原天然气水合物的实地开采过程。还原实采过程中竖直井作用的近井区、中间区和远井区流场和温度压力场的变化过程，同时为相应的数值模拟开采研究提供数据支持。此外，依据本发明的单元管道反应器可获取实验模拟开采所需的空间效应，达到与其尺度相当的单一反应器的实验效果，但造价大为降低、操作灵活性和安全性大为提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟管道一个具体实施例的示意图；
图2示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟管道一个具体实施例中等腰三棱柱腔体的示意图；
图3示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟管道一个具体实施例中等腰三棱柱腔体各尺寸的示意图之一；
图4示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟管道一个具体实施例中等腰三棱柱腔体各尺寸的示意图之二；
图5示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟方法一个具体实施例的流程图之一；
图6示出本发明一种天然气水合物开采相似模拟方法一个具体实施例的流程图之二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种天然气水合物开采相似模拟管道。如图1和图2所示，本实施例中，天然气水合物开采相似模拟管道包括管道本体1、等腰三棱柱腔体2、密封件4和开采井3。
其中，等腰三棱柱腔体2形成在所述管道本体1中。密封件4用于密封所述柱状腔体。开采井3设于所述管道本体1的外表面，且开采井3中央形成有中空部，所述中空部的一开口，另一端与所述柱状腔体连通。
本发明天然气水合物开采相似模拟管道中设有等腰三棱柱腔体2，从而可在该腔体中填充沉积物，形成等腰三棱柱形的沉积物天然气水合物样品，可用于竖直井开采天然气水合物的相似模拟，以此实验模拟还原天然气水合物的实地开采过程。还原实采过程中竖直井作用的近井区、中间区和远井区流场和温度压力场的变化过程，同时为相应的数值模拟开采研究提供数据支持。此外，依据本发明的单元管道反应器可获取实验模拟开采所需的空间效应，达到与其尺度相当的单一反应器的实验效果，但造价大为降低、操作灵活性和安全性大为提高。
在一个实施方式中，所述等腰三棱柱腔体2为对所述管道本体1刻凿掏除加工形成的。优选的，管道本体1可为采用如钢材等耐高压材料形成的实心柱形体，通过对实心柱形体刻凿掏除形成一个等腰三棱柱腔体2。
在其他实施方式中，所述管道本体1可包括管道外壳以及收容于所述管道外壳中的模具，所述模具中形成有所述等腰三棱柱腔体2。在成型时，先采用钢材等耐高压材料形成空心柱形体，然后通过浇铸等工艺形成一个具有等腰三棱柱腔体2的模具，然后再将模具置入空心柱形体的管道外壳中形成管道本体1。该模具优选的尺寸与空心柱形体管道本体1的空心尺寸对应，从而可与要置入的管道本体1紧密贴合。管道本体1的耐高压性能由单元管道保持，因此，模具不需要承受高压，仅作为填充物在单元管道内构造出等腰三棱柱腔体2。因此，该模具可以是耐压的也可以是不耐压的。优选的，可选取抗腐蚀、具有一定形变性能且轻质的高分子聚合物类材料制成，例如橡胶和塑料，更优选使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
在优选的实施方式中，为了降低成本，可设计等腰三棱柱腔体2和管道本体1的大小，在既定所需的等腰三棱柱腔体2的体积条件下，保证尽可能大的天然气水合物空间模拟体积，同时使管道本体1的空间体积尽量小，达到对管道本体1空间的充分利用。本实施例中，所述等腰三棱柱腔体2的截面为等腰三角形，所述等腰三棱柱腔体2对应所述等腰三角形的底边的侧面内接于所述管道本体1的外边缘。即等腰三棱柱腔体2对应于管道本体1端面的侧面面积内接于管道本体1的截面圆。
具体的，如图3和图4所示，可通过以下公式计算管道本体1的参数范围，公式如下：
其中，θ为等腰三棱柱腔体2等腰三角形顶角的角度，L等腰三棱柱腔体2沿管道本体1延伸方向的长度，D为管道本体1的截面圆直径。
其中，h为等腰三棱柱腔体2的柱形高度。
其中，v为等腰三棱柱腔体2的体积。
可以理解的是，在实际应用中，管道本体1和等腰三棱柱腔体2的尺寸可根据实际需要灵活确定，例如可以根据实地开采的竖直井作用范围设定尺寸，从而保证实验模拟与实地开采工况的高度相似性，在实验室内等效还原真实工况下的竖直井开采过程。
在优选的实施方式中，所述密封件4包括分别设于所述管道本体1两端用于密封所述管道本体1的两个法兰。管道本体1的两端分别通过一个法兰覆盖，以密封管道本体1。
基于相同原理，本实施例还公开了一种天然气水合物开采相似模拟***。所述***包括如本实施例的天然气水合物开采相似模拟管道、进气设备和监测设备。其中，在实验时，相似模拟管道需置入低温室中降温至预设温度。以使相似模拟管道具备实际井下水合物开采时的环境温度。所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体2中可填充海底沉积物，然后通过密封件4密封所述相似模拟管道。具体的，可将海底沉积物填入管道内的等腰三棱柱腔体2中需要进行压实处理，然后可以通过在相似模拟管道两端分别套设一个法兰密封该相似模拟管道。
其中，进气设备与所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体2连通，可用于向所述等腰三棱柱腔体2中输入高压天然气以形成天然气水合物。高压天然气存储在高压气瓶中，进气设备可将高压气瓶的高压天然气通入等腰三棱柱腔体2中，使等腰三棱柱腔体2内逐渐生成水合物。
监测设备可用于监测所述等腰三棱柱腔体2中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，以及降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。在水合物生成过程中，监测设备可监控和记录等腰三棱柱腔体2内的温度、压力、声波和电阻等属性数据，以考察成藏过程中流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律。待等腰三棱柱腔体2内各参数保持基本稳定后，说明等腰三棱柱腔体2内水合物生成完毕，关闭进气设备。
进一步地，监测设备可监测采出气的采出速率，并通过监测设备的气体回收瓶进行回收和计量。开采过程中，监测设备可对等腰三棱柱腔体2内的水合物藏参数进行监测和记录，以此来确定不同等腰三棱柱腔体2中水合物的分解情况和水合物藏径向的受影响情况。对比等腰三棱柱腔体2区域不同位置参数的变化情况，可以得出开采过程径向的波及范围、水合物分解和气液运移情况等过程数据。
本实施例的天然气水合物开采相似模拟***可用于相似模拟天然气水合物的竖直井开采过程，考察开采过程中流体流动、温度压力场的变化规律，以及考察开采过程中的空间效应，如降压开采过程中的波及区域等。在优选的实施方式中，所述***进一步包括与所述等腰三棱柱腔体2连通的排气设备和排液设备，用于在实验完毕后清洗等腰三棱柱腔体2。
其中，所述排气设备用于排出所述等腰三棱柱腔体2中的气体。在实验完毕后，对所述相似模拟管道升温，以使待等腰三棱柱腔体2内水合物逐步分解。排气设备可将所述等腰三棱柱腔体2中的气体。具体的，可通过排气设备将等腰三棱柱腔体2内剩余气体全部排出。
所述排液设备用于排出所述等腰三棱柱腔体2中的液体。具体的，排液设备可将等腰三棱柱腔体2内水排出。并可打开相似模拟管道，将等腰三棱柱腔体2内的海底沉积物清出，然后通过排液设备将等腰三棱柱腔体2清洗。
基于相同原理，本实施例还公开了一种天然气水合物开采相似模拟方法。如图5所示，本实施例中，所述方法包括：
S100：将相似模拟管道置入低温室中降温至预设温度。以使相似模拟管道具备实际井下水合物开采时的环境温度。
S200：向所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体2中填充海底沉积物，通过密封件4密封所述相似模拟管道。具体的，将海底沉积物填入管道内的等腰三棱柱腔体2中需要进行压实处理，然后可以通过在相似模拟管道两端分别套设一个法兰密封该相似模拟管道。
S300：通过进气设备向所述等腰三棱柱腔体2中输入高压天然气以形成天然气水合物。高压天然气存储在高压气瓶中，通过进气设备将高压气瓶的高压天然气通入等腰三棱柱腔体2中，使等腰三棱柱腔体2内逐渐生成水合物。
S400：通过监测设备监测所述等腰三棱柱腔体2中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，当所述属性数据稳定时关闭进气设备。在水合物生成过程中，可通过监测设备监控和记录等腰三棱柱腔体2内的温度、压力、声波和电阻等属性数据，以考察成藏过程中流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律。待等腰三棱柱腔体2内各参数保持基本稳定后，说明等腰三棱柱腔体2内水合物生成完毕，关闭进气设备。
S500：通过开采井3对所述天然气水合物进行降压开采。
S600：通过监测设备监测降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。进一步地，可通过监测设备对监测采出气的采出速率，并通过监测设备的气体回收瓶进行回收和计量。开采过程中，通过监测设备对等腰三棱柱腔体2内的水合物藏参数进行监测和记录，以此来确定不同等腰三棱柱腔体2中水合物的分解情况和水合物藏径向的受影响情况。对比等腰三棱柱腔体2区域不同位置参数的变化情况，可以得出开采过程径向的波及范围、水合物分解和气液运移情况等过程数据。
在优选的实施方式中，如图6所示，所述方法还包括在所述天然气水合物降压开采完毕后：
S700：对所述相似模拟管道升温。以使待等腰三棱柱腔体2内水合物逐步分解。
S800：通过排气设备将所述等腰三棱柱腔体2中的气体。具体的，可通过排气设备将等腰三棱柱腔体2内剩余气体全部排出。
S900：通过排液设备将所述等腰三棱柱腔体2中的液体。具体的，可通过排液设备将等腰三棱柱腔体2内水排出。并打开相似模拟管道，将等腰三棱柱腔体2内的海底沉积物清出，并将等腰三棱柱腔体2清洗。
下面通过一个具体例子来对本发明作进一步地说明，在具体例子中，首先搭建可对天然气水合物开采过程进行相似模拟的相似模拟管道。首先选取长度为5米、外径为550mm的实体圆柱钢材，考虑到管道需要耐压16～32Mpa，因此只对500mm直径内的钢材进行加工。对该钢材进行精确刻凿掏除加工，从而在其内部掏出顶角为
即θ＝4.05°的等腰三棱柱腔体2，则等腰三棱柱腔体2的厚度为354mm，等腰三棱柱腔体2的体积为312L。该等腰三棱柱腔体2即为下一步实验进行时的操作空间。在等腰三棱柱腔体2顶角处布设开采井3。
现有技术中，目前室内物理实验模拟所用的装置主要分为操作空间为柱状的一维反应器、平面状的二维反应器和桶状的三维反应器。表1中分别列出了两个一维反应器、一个二维反应器和两个三维反应器及其尺寸/有效体积。
表1
相对于现有技术，按照现有天然气水合物物理模拟技术搭建一套常规的高径比为1的三维桶状模拟反应器，当其设计体积为312L时，计算可得该反应器内径仅为0.735m。但是，依据本发明提供的方法所构建的模拟反应器，其等效模拟的反应器内径可达到10.105m，大大提高了模拟尺度，同时降低了反应釜造价，提高了实验操作灵活性和安全性。
在实验时，将相似模拟管道放入可制冷的低温室中并设定到预设温度，然后将海底沉积物填入管道内的等腰三棱柱腔体2中并进行压实处理，管道两侧采用法兰密封闭合。然后打开高压气瓶，将高压气瓶的高压天然气通过进气设备通入等腰三棱柱腔体2中，使等腰三棱柱腔体2内逐渐生成水合物。在水合物生成过程中，通过监测设备监控和记录等腰三棱柱腔体2内的温度、压力、声波和电阻等参数，以考察成藏过程中流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律。待等腰三棱柱腔体2内各参数保持基本稳定后，说明等腰三棱柱腔体2内水合物生成完毕，关闭进气设备。
在天然气水合物开采时，进行单井降压开采。通过开采井3管道对等腰三棱柱腔体2内的水合物进行单井降压开采。监测采出气的采出速率，并通过监测设备的气体回收瓶进行回收和计量。开采过程中，通过监测设备对等腰三棱柱腔体2内的水合物藏参数进行监测和记录，以此来确定不同等腰三棱柱腔体2中水合物的分解情况和水合物藏径向的受影响情况。待产出气基本无采出时，说明水合物采出基本完毕。对比等腰三棱柱腔体2区域不同位置参数的变化情况，可以得出开采过程径向的波及范围、水合物分解和气液运移情况。
实验完毕后，对相似模拟管道升温，待等腰三棱柱腔体2内水合物基本分解完毕后，通过排气设备将等腰三棱柱腔体2内剩余气体全部排出，然后通过排液设备将等腰三棱柱腔体2内水排出。打开相似模拟管道，将等腰三棱柱腔体2内的海底沉积物清出，并将等腰三棱柱腔体2清洗。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种天然气水合物开采相似模拟管道，其特征在于，包括：
管道本体；
等腰三棱柱腔体，形成在所述管道本体中；
密封件，密封所述等腰三棱柱腔体；以及
开采井，设于所述管道本体的外表面，且其中央形成有中空部，所述中空部的一开口，另一端与所述等腰三棱柱腔体连通。
2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述等腰三棱柱腔体的截面为等腰三角形，所述等腰三棱柱腔体对应所述等腰三角形的底边的侧面内接于所述管道本体的外边缘。
3.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述密封件包括分别设于所述管道本体两端用于密封所述管道本体的两个法兰。
4.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述等腰三棱柱腔体为通过对所述管道本体实体铸件刻凿掏除加工形成。
5.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述等腰三棱柱腔体通过在管道外壳内设置等腰三棱柱模具并在管道外壳中铸造形成。
6.一种天然气水合物开采相似模拟***，其特征在于，包括：
如权利要求1-5任一项所述的相似模拟管道；
进气设备，与所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体连通，用于向所述等腰三棱柱腔体中输入高压天然气以形成天然气水合物；
监测设备，用于监测所述等腰三棱柱腔体中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，以及降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述***进一步包括与所述等腰三棱柱腔体连通的排气设备和排液设备；
所述排气设备用于排出所述等腰三棱柱腔体中的气体；
所述排液设备用于排出所述等腰三棱柱腔体中的液体。
8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，
所述属性数据包括等腰三棱柱腔体中的温度、压力、声波和电阻数据；
所述过程数据包括所述天然气水合物的采出速率、波及范围、水合物分解数据和气液运移数据。
9.一种天然气水合物开采相似模拟方法，其特征在于，包括：
将相似模拟管道置入低温室中降温至预设温度；
向所述相似模拟管道的等腰三棱柱腔体中填充海底沉积物，通过密封件密封所述相似模拟管道；
通过进气设备向所述等腰三棱柱腔体中输入高压天然气以形成天然气水合物；
通过监测设备监测所述等腰三棱柱腔体中形成所述天然气水合物过程中的属性数据，当所述属性数据稳定时关闭进气设备；
通过开采井对所述天然气水合物进行降压开采；
通过监测设备监测降压开采所述天然气水合物过程中的过程数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述天然气水合物降压开采完毕后：
对所述相似模拟管道升温；
通过排气设备将所述等腰三棱柱腔体中的气体；
通过排液设备将所述等腰三棱柱腔体中的液体。
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