CN111997568B - 一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置及实验方法，所述装置包括全直径井筒，所述全直径井筒内设有中心井加热循环管和中心井温传插装管且所述全直径井筒具有上密封组件和下密封组件，所述全直径井筒的筒体部分开设有具有防砂组件的射孔，所述方法使用如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置以及水合物生成釜进行，本发明能够模拟实际开采天然气水合物防砂井筒，实现水平和垂直开采防砂实验。

Description

一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置及实验方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采模拟技术领域，具体涉及一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置及实验方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrates，NGH)是水分子与轻烃、CO2及H2S等气体分子在低温高压条件下组成的白色类冰状晶体(可直接燃烧，俗称可燃冰)，是一种非化学计量包络化合物。天然气水合物在世界范围内广泛分布，资源量大，被认为是一种未来的优质、洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)总碳量的2倍，它将在21世纪成为人类最重要的能源。
现有天然气水合物模拟井方案尺度小与实际井筒区别巨大，得出实验结论不能很好的应用到实际；现有模拟井方案没有防砂井筒或者只有单一防砂模拟井筒，每次只能测试一种防砂筛网效果，从而延长了实验周期；现有模拟开采井没有加热管流和井筒温度传感，只能单一测出出砂效果；现有模拟开采井没有做到井筒内分层排水；现有模拟井筒大多数只有一根细小模拟开采井，不能做到模拟全尺寸的水平和垂直防砂开采。现有模拟开采井不能做到开采井筒进行不同筛网的开采防砂实验。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置及实验方法，以模拟实际开采天然气水合物防砂井筒，实现水平和垂直开采防砂实验。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，用于反应釜中，所述反应釜包括上釜盖、下釜盖和釜体，所述上釜盖与所述下釜盖密封闭合在所述釜体的两端以形成封闭腔体，所述内腔填充有多孔介质和液体，多孔介质和液体用于模拟水合物储层的地质分层结构，其特征在于，包括全直径井筒，所述全直径井筒内设有加热循环管和温传插装管且所述全直径井筒具有上密封组件和下密封组件，
所述上密封组件包括上封头和上封头压帽，所述上封头的部分密封***的所述全直径井筒的上端且被所述上封头压帽固定，所述上封头贯穿设有排气通道，所述排气通道用于排出水合物模拟开采过程中的甲烷气体；
所述下密封组件包括下封头和下封头压套，所述下封头的部分密封***的所述全直径井筒的下端且被所述下封头压套固定，所述下封头贯穿设有开采通道及排水通道，所述开采通道用于排出水合物模拟开采过程中的气水砂混合物，所述排水通道用于排出水合物模拟开采过程全直径井筒中的水以提取井筒液；
所述加热循环管的一端穿过所述上封头并被固定在所述上封头上，另一端一直延伸至所述全直径井筒的下端，并在靠近所述全直径井筒的下端处弯折朝向所述全直径井筒的上端延伸，加热循环管用于防止在全直径井筒内生成水合物；
所述温传插装管的一端穿过所述上封头并被固定在所述上封头上，另一端向所述全直径井筒的下端延伸，温传插装管内设有温度传感器，温度传感器用于监测水合物模拟开采过程中全直径井筒内的温度；
所述全直径井筒的筒体部分开设有具有防砂组件的射孔，所述射孔用于在水合物储层生成过程中关闭而开采过程中开启，其可以模拟真实完井过程，更重要的是可以让水合物不在井筒内生成，和真实水合物生成以及开采状态匹配。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述防砂组件包括射孔压头、筛网压垫和射孔防砂筛网，所述射孔防砂筛网和射孔之间设有筛网压垫，射孔压头将射孔防砂筛网固定在射孔中。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述排水通道包括四根阶梯放水管，四根所述阶梯放水管的一端都穿过所述下封头并被固定在所述下封头上，另一端分别向所述上封头延伸不同的长度，以排出所述全直径井筒内的1/4、2/4、3/4和全部井管水，以模拟在所述全直径井筒的不同高度排出不同量的井管水。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述上封头具有凸缘，所述全直径井筒上端具有阶梯配合面，所述上封头的部分密封***的所述全直径井筒的上端时，所述上封头的凸缘卡在所述全直径井筒上端的阶梯配合面上，所述上封头压帽套压在所述上封头的凸缘上以实现密封；所述温传插装管的一端与所述上封头之间密封设置有第一橡胶O 形圈，所述加热循环管伸出所述上封头的部分被温传插装管锁母固定；
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述排气通道的进气口设有上封头滤芯，所述上封头滤芯与所述上封头之间设置有上封头滤芯压垫，上封头滤芯压头将所述上封头滤芯固定在所述排气通道的进气口处；所述加热循环管的一端通过双卡套和加热管空心螺栓固定在所述上封头上；所述下封头和所述全直径井筒之间密封设置有第二橡胶O形圈；全直径井筒和上封头压帽由聚醚醚酮或尼龙制成，并作表面粗糙化处理。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述反应釜中设有地层温度梯度模拟器，所述地层温度梯度模拟器包括上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管布置在所述反应釜体内的上下两端，所述上循环盘管和下循环盘管均采用独立的热交换装置来实现热传导介质在盘管内的循环；在所述反应釜体内，上循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，以使得在反应釜体内产生垂直温度梯度，N为正整数；所述控温管也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述N根控温自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定，所述控温管之间的温差表示为：
ΔT＝(T1-T2)/(N+1)；其中，T1为下循环盘管的温度，T2为上循环管的温度，T1＞T2。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，在所述反应釜体内还设置有温度传感器，以用于监测上循环盘管、下循环盘管以及N根控温管的温度，并将所监测到的温度数据传输至控制器，由控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以使得反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。
如上所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，进一步地，所述开采通道上设有下封头滤网，下封头滤网压头将所述下封头滤网固定在所述开采通道的入口槽，所述下封头滤网与所述开采通道的入口槽之间设有下封头滤网压垫。
一种天然气水合物全尺寸开采模拟实验方法，其使用如上任一所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置以及水合物生成釜进行，所述水合物生成釜包括上釜盖、釜体和下釜盖，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
选择封闭不同数量的全直径井筒的射孔或在射孔上安装不同数量的筛网；
将全直径井筒以水平或竖直布置方式密封贯穿安装在水合物生成釜中，其中，全直径井筒的上端部分伸出水合物生成釜的上釜盖，全直径井筒的设有射孔部分位于水合物生成釜的釜体内，全直径井筒的下端部分伸出水合物生成釜的下釜盖；
在水合物生成釜内的天然气水合物满足开采条件后，天然气水合物的气水砂混合物通过射孔进入全直径井筒内，气水砂混合物大部分通过开采通道排出，排水通道排出部分水合物模拟开采过程全直径井筒中的水，部分甲烷气体从排气通道产出。
一种天然气水合物全尺寸开采模拟实验方法，其使用如上任一所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置以及水合物生成釜进行，所述水合物生成釜包括上釜盖、釜体和下釜盖，所述方法包括以下步骤：
选择封闭不同数量的全直径井筒的射孔或在射孔上安装不同数量的筛网；
将全直径井筒以水平或竖直布置方式密封贯穿安装在水合物生成釜中，其中，全直径井筒的上端部分伸出水合物生成釜的上釜盖，全直径井筒的设有射孔部分位于水合物生成釜的釜体内，全直径井筒的下端部分伸出水合物生成釜的下釜盖；
在水合物生成釜内的天然气水合物满足开采条件后，天然气水合物的气水砂混合物通过射孔进入全直径井筒内，气水砂混合物大部分通过开采通道排出，排水通道排出部分水合物模拟开采过程全直径井筒中的水，部分甲烷气体从排气通道产出。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：全尺寸开采井装置可模拟NGH开采防砂技术，并通过贯穿模拟天然气水合物生成水合物生成釜优化井体结构和防砂技术；井管井壁的数十个孔眼可分别装不同目数的防砂筛网，用来测试不同筛网尺寸(目数)的防砂能力和防砂效果；井管及压帽采用PEEK或尼龙等非金属材料制作，并作表面粗糙化处理，防止气液沿壁串流、热量流失；密封形式采用与釜盖“O”形圈密封，组装时***釜盖后进行装填砂；采用阶梯排水设计，即在不同高度的分布排水管布置；可排出不同量的管水；可在天然气水合物生成釜内水平放置或竖直放置模拟水平开采和竖直开采；配有加热循环管和温度传感器实现井内加热控制及监测，内置加热循环管在水合物成藏时避免井筒生成水合物；全直径井筒上端设计有甲烷产出接口，下端设计有产水接口，分别安装有耐腐蚀防砂金属烧结滤芯，防止产气、产水出砂影响外接设备性能；中心垂直井安装可将防砂井管更换，釜盖大孔安装密封补芯过渡，再安装小直径的中心垂直井；井筒上均匀分布多个射孔，为研究产砂规律，射孔可以通过安装防砂射孔或者关闭射孔对不同区域射孔实行防砂设计或者堵塞模拟；全尺寸开采井及气固液分离装置的技术手段和设计可以通过改进直接应用至实际水合物开发中。
附图说明
图1为本发明天然气水合物全尺寸开采示意图；
图2为本发明天然气水合物全尺寸开采的阶梯排水部分示意图。
图3为反应釜的内部结构示意图；
图4为本发明的实施例的传感器及井管布置示意图；
图5为本发明的实施例在测量流场中的结构示意图。
其中：1、第三橡胶O形圈；2、温传插装管锁母；3、上封头滤芯压头；4、上封头滤芯压垫；5、上封头滤芯；6、上封头；7、双卡套；8、第一橡胶O形圈；9、上封头压帽；10、加热管空心螺栓；11、全直径井筒；12、温传插装管；13、上釜盖外部固定槽；14、上釜盖内壁面；15、下釜盖内壁面；16、射孔压头；17、筛网压垫；18、射孔防砂筛网；19、加热循环管；20、下釜盖外表面；21、下封头滤网压头；22、下封头；23、下封头压套；24、第二橡胶O形圈；25、下封头滤网；26、下封头滤网压垫；27、开槽盘头螺钉；28、阶梯放水管；29、第一排水管；30、第二排水管；31、第三排水管；32、第四排水管；33、第五排水管；
200、反应釜体；201、上釜盖；202、下釜盖；203、上循环盘管；204、下循环盘管；205、控温管；206、螺栓；
301、中心垂直井出口管线；302、中心垂直井压力传感器；303、中心垂直井出口阀门； 304、连通器、305、非中心垂直井出口管线；306、非中心垂直井压力传感器；307、非中心垂直井出口阀门；308、差压传感器；309、连通器阀门；310、连通器压力传感器；311、注气阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参见图1和图2，本实施例中的全直径井筒11用于中心开采的情况，非中心开采时也可参照本实施例，一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其包括全直径井筒11，全直径井筒11内设有加热循环管19和温传插装管12且全直径井筒11具有上密封组件和下密封组件，上密封组件包括上封头6和上封头压帽9，上封头6的部分密封***的全直径井筒11的上端且被上封头压帽9固定，上封头6贯穿设有排气通道，排气通道用于排出水合物模拟开采过程中的甲烷气体，所述排气通道的进气口设有上封头滤芯5，所述上封头滤芯5与所述上封头6之间设置有上封头滤芯压垫4，上封头滤芯压头3将所述上封头滤芯5固定在所述排气通道的进气口处。下密封组件包括下封头22和下封头压套23，下封头22的部分密封***的全直径井筒11的下端且被下封头压套23固定，下封头22贯穿设有开采通道及排水通道，开采通道用于排出水合物模拟开采过程中的气水砂混合物，排水通道用于排出水合物模拟开采过程全直径井筒中的水，所述开采通道上设有下封头滤网25，下封头滤网压头21将所述下封头滤网25固定在所述开采通道的入口槽，所述下封头滤网25与所述开采通道的入口槽之间设有下封头滤网25压垫。加热循环管19的一端穿过上封头6并被固定在上封头6上，另一端一直延伸至全直径井筒11的下端，并在靠近全直径井筒11的下端处弯折朝向全直径井筒11的上端延伸，所述加热循环管19的一端通过双卡套7和加热管空心螺栓10固定在所述上封头6上，加热循环管19用于防止在全直径井筒11内生成水合物；温传插装管12的一端穿过上封头6并被固定在上封头6上，另一端向全直径井筒11的下端延伸，温传插装管12 内设有温度传感器，温度传感器用于监测水合物模拟开采过程中全直径井筒11内的温度；全直径井筒11的筒体部分开设有具有防砂组件的射孔，所述防砂组件包括射孔压头16、筛网压垫17和射孔防砂筛网18，所述射孔防砂筛网18和射孔之间设有筛网压垫17，射孔压头16将射孔防砂筛网18固定在射孔中。所述下封头22和所述全直径井筒11之间密封设置有第二橡胶O形圈24；全直径井筒11和上封头压帽9由聚醚醚酮或尼龙制成，并作表面粗糙化处理。
上釜盖外部固定槽13是在全尺寸开采模拟井贯穿***反应釜中使用螺纹固定在反应釜上釜盖；在上釜盖内壁面14和下釜盖内壁面15之间的模拟井段处于反应釜中。井筒为高强非金属材料；模拟井上釜盖外部固定槽13和下釜盖外表面20位于反应釜外。模拟井底部的开槽盘头螺钉27将下封头滤网压头21，下封头25和下封头滤网压垫26固定，下封头压套 23包含使用第二橡胶O形圈24将下封头22密封固定。
进一步地，所述上封头6具有凸缘，所述全直径井筒11上端具有阶梯配合面，所述上封头6的部分密封***的所述全直径井筒11的上端时，所述上封头6的凸缘卡在所述全直径井筒11上端的阶梯配合面上，所述上封头压帽9套压在所述上封头6的凸缘上以实现密封。所述温传插装管12的一端与所述上封头6之间密封设置有第一橡胶O形圈8，所述加热循环管 19伸出所述上封头6的部分被温传插装管锁母2固定，加热循环管19与上封头6之间设有第三橡胶O形圈1。
进一步地，所述排水通道包括四根阶梯放水管28，四根所述阶梯放水管28的一端都穿过所述下封头22并被固定在所述下封头22上，另一端分别向所述上封头6延伸不同的长度，以排出所述全直径井筒11内的1/4、2/4、3/4和全部井管水，以模拟在所述全直径井筒11的不同高度排出不同量的井管水。第一排水管29为排出井管水1/4，第二排水管30为排出井管水2/4，第三排水管31为排出井管水3/4，第四排水管32为排出整个釜体内腔高度的井管水，第五排水管33为排出全部管水。
本全尺寸开采模拟井用于开展全尺寸开采井开采研究，优化开采井结构和产砂防砂技术，其工作原理如下：选择封闭不同数量的全直径井筒11的射孔，射孔可以通过安装防砂射孔或者关闭射孔对不同区域射孔实行防砂设计或者堵塞模拟，更换井管井壁的数十个孔眼分别装不同目数的防砂筛网，用来测试不同筛网尺寸(目数)的防砂能力和防砂效果后将开采模拟井。从水合物生成釜的轴心***，其中，图1中的两水平线分别与上釜盖内壁面14和下釜盖内壁面15接触，水合物生成釜与模拟井之间密封好，内不同高度的分布排水管布置，在模拟开采时通过开启不同出水阀排出不同量的管水，开采模拟井筒上方分别接加热管线，心井配有加热循环管19和温度传感器实现井内加热控制及监测，内置加热循环管在水合物成藏时避免井筒生成水合物。
同时，为在反应釜中模拟水合物储层，由于目前已有的天然气水合物实验设备尺度对比实际地层环境都不足以拥有温度梯度，所以大多天然气水合物反应釜都是做的恒温水浴，但是在实际开采中，天然气水合物储层受地层温度的影响，温度随着深度的变化是有一定温差与温度梯度的，且这种温度梯度的存在会对天然气水合物的生成开采均具有一定的影响，这就需要对更接近实际开采真实情况的大尺度天然气水合物设备有着需要模拟地层温度梯度更高要求，如何精确控制地层温度梯度以实现NGH藏原位温度场模拟就是目前要解决的技术难题。
为此，如图3所示，该反应釜20包括反应釜体以及安装在反应釜体上端面的上釜盖201 以及安装在反应釜体下端面的下釜盖202，该反应釜体1与上、下釜盖之间的联接通过螺栓206的方式，联接稳定牢固、安全可靠。
在该反应釜体200内的上下两端分别布置有上循环盘管203和下循环盘管204，该上循环盘管203和下循环盘管204均采用独立的热交换装置(未图示)来实现热传导介质在盘管内的循环，该热交换装置具有制冷、加热以及恒温的功能。在上循环盘管203和下循环盘管 204的作用下，可以使得反应釜体200内的上部和下部均形成等温面，但如果仅仅是反应釜上部和下部均形成等温面，由于反应釜四周无法做到绝热，在热对流的影响下，会形成高温自下而上占据大部分空间，无法做到均衡的温度梯度，从而不能模拟地层温度梯度。为此，在本实施中，在该反应釜体200内、上循环盘管203和下循环盘管204之间间隔设置有N根控温管205，以使得在反应釜体200内产生垂直温度梯度，N为正整数，当然控温管205数量可根据实际需求而定，在本实施例中，N为3，即布置有三根控温管205，每一控温管205也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。
如此，通过在反应釜体内的上下两端布置有上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管的设计保障了加热稳定，而通过在循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，控温管环绕反应釜体，而每一根控温管也是有独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环，即也是可以实现制冷、加热以及恒温的功能，如此即可以单独地调整每一根控温管的温度，从而可以在反应釜体内模拟出地层温度梯度。
此外，由于地层温度为自下而上温度以一定梯度逐渐降低，为了更精确地模拟出地层温度梯度，该N根控温管自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定，如此，即可以实现低温到高温等温差等距自上而下排列，具体为下循环盘管204为设定高温T1,上循环盘管74为设定低温T2，有N根控温管205，控温管205之间温差可以表示为：ΔT＝(T1-T2)/(N+1)，也即控温管205自上而下温度分别设定为T2+ΔT、T2+2ΔT、…、T2+NΔT。
另外，为了使得温管之间温差ΔT实时保持稳定状态，以达到对地层最真实的模拟，该反应釜体200内还设置有温度传感器，以用于检测上循环盘管203、下循环盘管204以及N根控温管205的温度，并将所监测到的温度数据传输至温度控制器，由温度控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以保证反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。具体到本实施例中，垂直温度梯度温差控制为5℃，控温精度为±0.5℃。
在某些实施例中，为了模拟水合物储层的地质分层结构情况，可以设置有流场测量装置，流场测量装置可以量化反应釜内流场情况，全直径井筒用于水合物开采时，可以研究流场与水合物开采物之间的关系。
也就是说，反应釜工作时，内部每一层分布着若干口垂直井，位于中心的那一口垂直井为中心垂直井(即全直径井筒)，其余的为非中心垂直井，流场测量装置包括非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、连通器阀门、差压传感器、连通器、中心垂直井出口阀门以及中心垂直井压力传感器；非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通器阀门的个数和非中心垂直井相同；每一非中心垂直井均设置有非中心垂直井出口管线，每一非中心垂直井出口管线均对应地依次连通安装有非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通阀门，所有的连通器阀门均汇集连通至连通器；中心垂直井设置有中心垂直井出口管线，中心垂直井出口管线依次连通安装有中心垂直井压力传感器和中心垂直井出口阀门，中心垂直井出口阀门连通至连通器。
具体地，参见图4，本实施例提供的天然气水合物实验***的反应釜内有27口垂直井，天然气水合物储层分为三层，每层对称分布九口垂直井，分别编号为1-A，2-A,…,9-B,9-C, 其中位于中心的垂直井9-B为中心垂直井，其余的垂直井均为非中心垂直井。参见图5，本实施提供的流场测量装置则主要包括非中心垂直井压力传感器306、非中心垂直井出口阀门 307、连通器阀门309、差压传感器308、连通器304、中心垂直井出口阀门303以及中心垂直井压力传感器302。
其中，该非中心垂直井压力传感器306、非中心垂直井出口阀门307、差压传感器308、连通器阀门309的个数和非中心垂直井相同；将除9-B垂直井外的所有非中心垂直井出口管线305依次连接非中心垂直井压力传感器306，非中心垂直井出口阀门307，差压传感器308 的一端，差压传感器308的另一端接到连通器阀门309，连通器阀门309汇集至连通器305，连通器305的另一端依次连接中心垂直井出口阀门303、中心垂直井压力传感器302、中心垂直井出口管线301。
26个差压传感器的编号分别为A1,B1,C1,A2,…,A9,C9，分别代表连接1-A井与9-B井的差压传感器，连接1-B井与9-B井的差压传感器，…，连接9-A井与9-B井的差压传感器，连接9-C井与9-B井的差压传感器。具体地，该压差传感器308的精度高于中心垂直井压力传感器302和非中心垂直井压力传感器306的精度，量程小于中心垂直井压力传感器302和非中心垂直井压力传感器306的量程，由于压力传感器精度测不了小压差，差压传感器308 的精度更高，在压力差比较小的时候，压力传感器显示的的压力可能是一样的，但是差压传感器能测出来压力差，压力差比较大的时候，超出差压传感器的量程就会损害差压传感器，也就是说，压差传感器精度高，但是量程小。压力传感器量程大，但是精度不够，所以二者要相互配合使用。
如此，当需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先通过观察27个压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心的垂直井的压力差，看是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。受压力差的影响，气液会自发从高压流向低压(或有自发从高压流向低压的趋势)，也即反应釜内的流场被准确测量出来。
由此可见，本实施提供的表征装置通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。同时由于整个测量装置是通过垂直井出口管线相连接的，也就是说整个测量装置可以外接反应釜的，亦即该差压传感器和连通器均设置于反应釜之外，不需要对整个天然气水合物***进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备表征功能的天然气水合物实验***，可以随时外加本装置，用于研究流场情况与开采物之间的关系。
一种天然气水合物全尺寸开采模拟实验方法，其使用如上任一所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置以及水合物生成釜进行，所述水合物生成釜包括上釜盖、釜体和下釜盖，所述方法包括以下步骤：选择封闭不同数量的全直径井筒的射孔或在射孔上安装不同数量的筛网；将全直径井筒以水平或竖直布置方式密封贯穿安装在水合物生成釜中，其中，全直径井筒的上端部分伸出水合物生成釜的上釜盖，全直径井筒的设有射孔部分位于水合物生成釜的釜体内，全直径井筒的下端部分伸出水合物生成釜的下釜盖；在水合物生成釜内的天然气水合物满足开采条件后，天然气水合物的气水砂混合物通过射孔进入全直径井筒内，气水砂混合物大部分通过开采通道排出，排水通道排出部分水合物模拟开采过程全直径井筒中的水，部分甲烷气体从排气通道产出。
本实施例中，
(1)装填防砂筛网：更换井管井壁的数十个孔眼分别装不同目数的防砂筛网，用来测试不同筛网尺寸(目数)的防砂能力和防砂效果后将开采模拟井，再将开采模拟中心井筒放入模拟水合物生成釜；
(2)水平或竖直放入模拟水合物生成釜：固定好水合物生成釜上下中空釜盖朝向，将开采模拟中心井筒组装***釜盖，密封形式采用与上下釜盖“O”形圈密封，连接管线密封固定后往生成釜进行装填地层砂。
(3)排水：中心井内不同高度的分布排水管布置，在模拟开采时通过开启不同出水阀排出不同量的中心井管水；
(4)开采出砂防砂：井筒上均匀分布多个射孔，射孔可以通过安装防砂射孔或者关闭射孔对不同区域射孔实行防砂设计或者堵塞模拟；开采模拟井筒上方分别接加热管线，产气管线和井口管线；连接管线密封固定后进行装填地层砂，将水合物生成釜内注入气液，降温增压生成水合物，达到开采条件后可通过不同开采方式使水合物分解产气水砂流经筛管，流入井筒分离计量出砂防砂效果。
(5)更换井管：釜盖大孔安装密封补芯过渡，再安装小直径的中心垂直井重复试验。
开采方法可根据需要选择降压开采或注热开采，其中，降压开采是目前主要的天然气水合物开采方法之一，是通过降低水合物层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固体分解相变产生甲烷气体的过程。降压法开采井的设计与常规油气开采相近，渗透性较好的水合物藏内压力传播很快，因此，降压法是最有潜力的经济、有效的开采方式。注热开采，又称热激发开采法，是直接对天然气水合物层进行注热或加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，用于反应釜中，所述反应釜包括上釜盖、下釜盖和釜体，所述上釜盖与所述下釜盖密封闭合在所述釜体的两端以形成封闭腔体，所述封闭腔体填充有多孔介质和液体，多孔介质和液体用于模拟天然气水合物储层的地质分层结构，其特征在于，包括全直径井筒，所述全直径井筒内设有加热循环管和温传插装管且所述全直径井筒具有上密封组件和下密封组件，
所述上密封组件包括上封头和上封头压帽，所述上封头的一部分密封***所述全直径井筒的上端，且被所述上封头压帽固定，所述上封头贯穿设有排气通道，所述排气通道用于排出天然气水合物模拟开采过程中的甲烷气体；
所述下密封组件包括下封头和下封头压套，所述下封头的一部分密封***所述全直径井筒的下端，且被所述下封头压套固定，所述下封头贯穿设有开采通道及排水通道，所述开采通道用于排出天然气水合物模拟开采过程中的气水砂混合物，所述排水通道用于排出天然气水合物模拟开采过程全直径井筒中的井管水以提取井筒液；
所述加热循环管的一端穿过所述上封头并被固定在所述上封头上，另一端一直延伸至所述全直径井筒的下端，并在靠近所述全直径井筒的下端处弯折朝向所述全直径井筒的上端延伸，加热循环管用于防止在水合物成藏时全直径井筒内生成天然气水合物；
所述温传插装管的一端穿过所述上封头并被固定在所述上封头上，另一端向所述全直径井筒的下端延伸，温传插装管内设有温度传感器，温度传感器用于监测天然气水合物模拟开采过程中全直径井筒内的温度；
所述全直径井筒的筒体部分开设有具有防砂组件的射孔，所述射孔用于在天然气水合物储层生成过程中关闭而天然气水合物模拟开采过程中开启；
所述排水通道包括四根阶梯放水管，四根所述阶梯放水管的一端都穿过所述下封头并被固定在所述下封头上，另一端分别向所述上封头延伸不同的长度，以排出所述全直径井筒内的1/4、2/4、3/4和全部井管水，以模拟在所述全直径井筒的不同高度排出不同量的井管水；
所述上封头具有凸缘，所述全直径井筒上端具有阶梯配合面，所述上封头的一部分密封的***所述全直径井筒的上端时，所述上封头的凸缘卡在所述全直径井筒上端的阶梯配合面上，所述上封头压帽套压在所述上封头的凸缘上以实现密封；所述温传插装管的一端与所述上封头之间密封设置有第一橡胶O形圈，所述加热循环管伸出所述上封头的部分被温传插装管锁母固定；
所述排气通道的进气口设有上封头滤芯和上封头滤芯压头，所述上封头滤芯与所述上封头之间设置有上封头滤芯压垫，所述上封头滤芯压头将所述上封头滤芯固定在所述排气通道的进气口处；所述加热循环管的一端通过双卡套和加热管空心螺栓固定在所述上封头上；所述下封头和所述全直径井筒之间密封设置有第二橡胶O形圈；全直径井筒和上封头压帽由聚醚醚酮或尼龙制成，并作表面粗糙化处理。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其特征在于，所述防砂组件包括射孔压头、筛网压垫和射孔防砂筛网，所述射孔防砂筛网和射孔之间设有筛网压垫，射孔压头将射孔防砂筛网固定在射孔中。
3.根据权利要求1所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其特征在于，所述反应釜中设有地层温度梯度模拟器，所述地层温度梯度模拟器包括上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管布置在所述反应釜内的上下两端，所述上循环盘管和下循环盘管均采用独立的热交换装置来实现热传导介质在盘管内的循环；在所述反应釜内，上循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，以使得在反应釜内产生垂直温度梯度，N为正整数；所述控温管也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其特征在于，所述N根控温自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定，所述控温管之间的温差表示为：
ΔT＝(T1-T2)/(N+1)；其中，T1为下循环盘管的温度，T2为上循环管的温度，T1＞T2。
5.根据权利要求3所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其特征在于，在所述反应釜体内还设置有温度传感器，以用于监测上循环盘管、下循环盘管以及N根控温管的温度，并将所监测到的温度数据传输至控制器，由控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以使得反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。
6.根据权利要求1所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，其特征在于，所述开采通道上设有下封头滤网，下封头滤网压头将所述下封头滤网固定在所述开采通道的入口槽，所述下封头滤网与所述开采通道的入口槽之间设有下封头滤网压垫。
7.一种天然气水合物全尺寸开采模拟实验方法，其使用如权利要求1-6任一所述的天然气水合物全尺寸开采模拟井装置，以及反应釜进行，所述反应釜包括上釜盖、釜体和下釜盖，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
封闭不同数量的全直径井筒的射孔或在射孔上安装不同数量的筛网；
将全直径井筒以水平或竖直布置方式密封贯穿安装在反应釜中，其中，全直径井筒的上端部分伸出反应釜的上釜盖，全直径井筒的设有射孔部分位于反应釜的釜体内，全直径井筒的下端部分伸出反应釜的下釜盖；
在反应釜内的天然气水合物满足开采条件后，天然气水合物的气水砂混合物通过射孔进入全直径井筒内，气水砂混合物大部分通过开采通道排出，至少部分水合物模拟开采过程中的全直径井筒中的水从排水通道排出，至少部分甲烷气体从排气通道产出。
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