本發(fā)明涉及天然氣水合物多相分離技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于對(duì)天然氣水合物鉆井液多相分離計(jì)量的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，在自然界廣泛分布于大陸永久凍土區(qū)、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起帶和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。由于天然氣水合物形成與賦存條件的特殊性，迄今為止除了海底鉆探和海底沉積物取樣作業(yè)獲得少量天然氣水合物樣品外，全球絕大多數(shù)天然氣水合物的分布是通過物探調(diào)查獲得的證據(jù)間接確認(rèn)的。雖然人們對(duì)天然氣水合物的賦存、分布和特征的理解取得了巨大的進(jìn)步，但是為了進(jìn)一步加強(qiáng)水合物在能源資源、地質(zhì)災(zāi)害和對(duì)氣候變化的影響方面的認(rèn)識(shí)，還需要進(jìn)行更多的科學(xué)鉆探和井孔測(cè)試，但是在這之前還需要解決一系列重要的科學(xué)性問題和技術(shù)性挑戰(zhàn)。

天然氣水合物的形成和穩(wěn)定需要非常特殊的高壓低溫環(huán)境，在進(jìn)行天然氣水合物鉆井過程中，鉆頭切削巖石的過程、井底鉆具與井壁和巖心的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱能，以及井壁和井底附近地層應(yīng)力釋放，這些都會(huì)造成天然氣水合物分解產(chǎn)生氣體和分解水，大大降低沉積物的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性。由于天然氣水合物礦藏特別是海域的天然氣水合物通常賦存于相對(duì)較淺的深度，相對(duì)于傳統(tǒng)油氣藏，在天然氣水合物的鉆采過程中更容易出現(xiàn)氣滲出、氣泄漏和套管坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)天然氣水合物礦藏鉆井過程中可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)各類性質(zhì)天然氣水合物鉆井過程有關(guān)的全部地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生機(jī)理與控制方法展開研究。國(guó)際上展開的有限的幾次水合物試采中，均對(duì)鉆井過程可能引起的地質(zhì)變化與危害作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。例如，成立于2001年的墨西哥灣天然氣水合物聯(lián)合產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，部分研究任務(wù)就是在水合物沉積層鉆井所帶來的有關(guān)危害。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)耗資巨大，成本高昂，且只適合于已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實(shí)物樣品的國(guó)家。因而通過在實(shí)驗(yàn)室建立實(shí)驗(yàn)?zāi)M儀器及設(shè)備，模擬自然界天然氣水合物成藏環(huán)境，并研究鉆井過程的規(guī)律和影響機(jī)制是降低鉆采風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑與必要手段。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究成本較低，且是其它研究的基礎(chǔ)，因此，天然氣水合物鉆井實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究就成為當(dāng)前天然氣水合物鉆井技術(shù)研究最為可行的研究方法。

在實(shí)驗(yàn)室模擬過程中，在向模擬地層鉆井眼時(shí)，通常鉆井液沿空心鉆柱向下泵送到鉆頭，鉆井液用于從鉆進(jìn)的井下位置向外傳送由鉆井過程產(chǎn)生的固體顆粒物。與傳統(tǒng)鉆井不同，天然氣水合物鉆井過程返回的鉆井液混合物會(huì)攜帶大量氣體與未分解的水合物。為了準(zhǔn)確的了解井下鉆井過程，需要對(duì)鉆井液的氣體攜帶量與產(chǎn)水量進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。由于水合物地層模擬過程中，需要保持高壓低溫狀態(tài)，這就需要在高壓下對(duì)鉆井液混合物進(jìn)行多相分離，以便測(cè)定。同時(shí)還要保證防止分離過程中氣體與液體發(fā)生反應(yīng)形成新的水合物，避免導(dǎo)致設(shè)備的堵塞與測(cè)量的不準(zhǔn)確。

因此，需要提供一種設(shè)備對(duì)高壓高流速的天然氣水合物鉆井液進(jìn)行分離，確保鉆井過程產(chǎn)生的干研磨性小顆粒從鉆井液中分離，并對(duì)其攜帶的氣體與液體實(shí)時(shí)分離計(jì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種天然氣水合物鉆井液多相分離系統(tǒng)，適用于從天然氣水合物鉆井液中除去固體并可以實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)氣與產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)量，為準(zhǔn)確了解水合物井下鉆井過程提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于對(duì)天然氣水合物鉆井液進(jìn)行多相分離的實(shí)驗(yàn)裝置，包括固相分離器、注液模塊、注氣模塊和氣液分離器，其中：

所述固相分離器包括筒體、位于筒體上端的上堵頭以及位于筒體下端的下堵頭，所述上堵頭、下堵頭和筒體之間氣密連接形成一密閉腔體，所述下堵頭設(shè)有與密閉腔體連通的固相分離器入口，所述筒體上側(cè)壁設(shè)有與密閉腔體連通的固相分離器出口，在位于固相分離器入口與固相分離器出口之間的密閉腔體內(nèi)還設(shè)置有第一過濾裝置和第二過濾裝置；

所述注氣模塊包括氣瓶、減壓閥、增壓泵、氣體流量計(jì)和第二截止閥，所述氣瓶通過管路依次經(jīng)減壓閥、增壓泵、氣體流量計(jì)和第二截止閥與固相分離器出口連通；

所述注液模塊包括儲(chǔ)液天平、加熱器、平流泵和第四截止閥，所述儲(chǔ)液天平中通過管路依次經(jīng)加熱器、平流泵和第四截止閥與固相分離器入口連通；

所述氣液分離器通過管路依次經(jīng)壓力控制閥和第三截止閥與固相分離器出口連通，所述氣液分離器上部設(shè)有氣體出口，下部設(shè)有液體出口；

所述天然氣水合物鉆井液通過管路經(jīng)第一截止閥與固相分離器入口連通。

進(jìn)一步地，所述第一過濾裝置包括底座、壓環(huán)、過濾片和墊片，所述底座為中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，所述壓環(huán)、過濾片和墊片固定在底座內(nèi)壁，且過濾片位于壓環(huán)和墊片之間，所述底座固定在筒體內(nèi)壁，且二者之間氣密連接。

進(jìn)一步地，所述第二過濾裝置包括濾網(wǎng)筒、過濾網(wǎng)、接頭和導(dǎo)管，所述濾網(wǎng)筒為側(cè)壁設(shè)有過濾孔的中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，所述過濾網(wǎng)包裹住濾網(wǎng)筒的側(cè)壁，所述濾網(wǎng)筒的上端封閉，下端通過接頭與導(dǎo)管連接，所述導(dǎo)管的上端伸入到濾網(wǎng)筒內(nèi)，所述導(dǎo)管的下端與固相分離器入口相連通。

進(jìn)一步地，所述固相分離器還包括支架、上壓帽和下壓帽，所述筒體安裝在支架上，所述上壓帽與筒體上端螺紋連接，用于將上堵頭固定在筒體的上端，所述下壓帽與筒體下端螺紋連接，用于將下堵頭固定在筒體的下端，所述筒體最大承受壓力為25Mpa。

進(jìn)一步地，所述氣液分離器的氣體出口連接有氣體計(jì)量器，所述氣液分離器的液體出口連接有液體計(jì)量器。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種天然氣水合物鉆井液多相分離方法，適用于從天然氣水合物鉆井液中除去固體并可以實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)氣與產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)量，為準(zhǔn)確了解水合物井下鉆井過程提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)，該實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：

(1)注氣：打開第二截止閥和氣瓶，通過減壓閥與增壓泵向固相分離器出口注入氣體，當(dāng)固相分離器中的氣體壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉第二截止閥和氣瓶；

(2)注水：設(shè)定壓力控制閥的壓力，設(shè)定加熱器溫度，打開第三截止閥和第四截止閥，通過平流泵向固相分離器入口注入熱水，通過注入的熱水將固相分離器中的氣體逐漸排出；當(dāng)固相分離器中的液面達(dá)到固相分離器出口時(shí)，固相分離器中的氣體將停止排出，注入的熱水通過固相分離器出口排出進(jìn)入氣液分離器；

(3)注鉆井液：關(guān)閉第四截止閥，打開第一截止閥，需要處理的高壓天然氣水合物鉆井液通過第一截止閥、固相分離器入口進(jìn)入固相分離器，分離后的氣體與液體通過固相分離器出口流出，經(jīng)壓力控制閥進(jìn)入氣液分離器器，氣體從氣液分離器的氣體出口流出，液體從氣液分離器的液體出口流出，對(duì)分離出的氣體和液體分別進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量采集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、通過設(shè)置在固相分離器中上部的出口，以及注液模塊和注氣模塊相結(jié)合，使得固相分離器的密閉腔體始終處于氣液混合的高壓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在高壓下對(duì)天然氣水合物鉆井液進(jìn)行多相分離的同時(shí)，避免鉆井液在分離過程中生成新的水合物；

2、通過在固相分離器中依次設(shè)置的過濾筒和過濾片，橫向過濾與縱向過濾相結(jié)合，能夠有效去除鉆井液中的固體顆粒，防止設(shè)備出現(xiàn)堵塞及計(jì)量偏差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多相分離實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的固相分離器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記說明：1-固相分離器；2-固相分離器入口；3-第一截止閥；4-固相分離器出口；5-氣瓶；6-減壓閥；7-增壓泵；8-氣體流量計(jì)；9-第二截止閥；10-第三截止閥；11-壓力控制閥；12-氣液分離器；13-氣體出口；14-液體出口；15-第四截止閥；16-平流泵；17-加熱器；18-儲(chǔ)液天平；19-支架；20-筒體；21-下堵頭，22-下壓帽；23-上堵頭；24-上壓帽；25-底座；26-壓環(huán)；27-過濾片；28-墊片；29-濾網(wǎng)筒；30-過濾網(wǎng)；31-接頭；32-導(dǎo)管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖1和圖2所示，一種用于對(duì)天然氣水合物鉆井液進(jìn)行多相分離的實(shí)驗(yàn)裝置，包括固相分離器1、注液模塊、注氣模塊和氣液分離器12。

其中，固相分離器1包括支架19、筒體20、下堵頭21、下壓帽22、上堵頭23、上壓帽24、第一過濾裝置和第二過濾裝置。筒體20安裝在支架19上，下壓帽22與筒體20下端螺紋連接，將下堵頭21固定在筒體20下端，上壓帽24與筒體20上端螺紋連接，將上堵頭23固定在筒體20上端。下堵頭21和上堵頭23均與筒體20內(nèi)壁通過密封圈氣密接觸，形成一高350mm，直徑68mm的圓柱形密閉腔體，其最高設(shè)計(jì)壓力為25Mpa。下堵頭21設(shè)有與密閉腔體連通的固相分離器入口2，筒體20上部側(cè)壁設(shè)有與密閉腔體連通的固相分離器出口4，第一過濾裝置和第二過濾裝置均設(shè)置密閉腔體中，且位于固相分離器入口2與固相分離器出口4之間。

其中，第一過濾裝置包括底座25、壓環(huán)26、過濾片27和墊片28。底座25為中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，通過螺紋固定在筒體20的內(nèi)壁上，底座25外壁與筒體20內(nèi)壁通過密封圈氣密接觸，壓環(huán)27與底座25的下端通過螺紋連接，墊片28位于底座25上端內(nèi)部，通過旋轉(zhuǎn)壓環(huán)27將過濾片28固定在壓環(huán)27和墊片28之間，過濾片28直徑48為mm。

其中，第二過濾裝置包括濾網(wǎng)筒29、過濾網(wǎng)30、接頭31和導(dǎo)管32。濾網(wǎng)筒29的側(cè)壁均勻分布有12×28個(gè)直徑為2mm的過濾孔，過濾網(wǎng)30包裹住濾網(wǎng)筒29的側(cè)壁，濾網(wǎng)筒30的上端封閉，下端與接頭31鉚接，導(dǎo)管32與接頭31通過螺紋連接，導(dǎo)管32上端伸入到濾網(wǎng)筒29內(nèi)，其下端與固相分離器入口2相連通。

其中，注氣模塊包括氣瓶5、減壓閥6、增壓泵7、氣體流量計(jì)8和第二截止閥9。氣瓶中5中的氣體通過管路依次經(jīng)減壓閥6、增壓泵7、氣體流量計(jì)8、第二截止閥9從固相分離器出口4注入到固相分離器1中。

其中，注液模塊包括儲(chǔ)液天平18、加熱器17、平流泵16和第四截止閥15。所述儲(chǔ)液天平18中的液體(在本實(shí)施例中為水)通過管路依次經(jīng)加熱器17、平流泵16、第四截止閥15從固相分離器入口2注入到固相分離器1中。

其中，氣液分離器12通過管路依次經(jīng)壓力控制閥11和第三截止閥10與固相分離器出口2連通，氣液分離器12上部設(shè)有氣體出口13，下部設(shè)有液體出口14，氣體出口13連接有氣體計(jì)量器(圖中未示出)，液體出口14連接有液體計(jì)量器(圖中未示出)。

其中，需要處理的高壓天然氣水合物鉆井液通過管路經(jīng)第一截止閥3與固相分離器入口2連通。

本發(fā)明實(shí)施例的一種采用上述用于對(duì)天然氣水合物鉆井液進(jìn)行多相分離的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)注氣：打開第二截止閥和氣瓶，通過減壓閥與增壓泵向固相分離器出口注入氣體，當(dāng)固相分離器中的氣體壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉第二截止閥和氣瓶；

(2)注水：設(shè)定壓力控制閥的壓力，設(shè)定加熱器溫度，打開第三截止閥和第四截止閥，通過平流泵向固相分離器入口注入熱水，通過注入的熱水將固相分離器中的氣體逐漸排出；當(dāng)固相分離器中的液面達(dá)到固相分離器出口時(shí)，固相分離器中的氣體將停止排出，注入的熱水通過固相分離器出口排出進(jìn)入氣液分離器；

(3)注鉆井液：關(guān)閉第四截止閥，打開第一截止閥，需要處理的高壓天然氣水合物鉆井液通過第一截止閥、固相分離器入口進(jìn)入固相分離器，分離后的氣體與液體通過固相分離器出口流出，經(jīng)壓力控制閥進(jìn)入氣液分離器器，氣體從氣液分離器的氣體出口流出，液體從氣液分離器的液體出口流出，對(duì)分離出的氣體和液體分別進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量采集。

本發(fā)明的多相分離實(shí)驗(yàn)裝置及分離方法，通過設(shè)置在固相分離器中上部的出口，以及注液模塊和注氣模塊相結(jié)合，使得固相分離器的密閉腔體始終處于氣液混合的高壓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在高壓下對(duì)天然氣水合物鉆井液進(jìn)行多相分離的同時(shí)，避免鉆井液在分離過程中生成新的水合物；通過在固相分離器中依次設(shè)置的過濾筒和過濾片，橫向過濾與縱向過濾相結(jié)合，能夠有效去除鉆井液中的固體顆粒，防止設(shè)備出現(xiàn)堵塞及計(jì)量偏差。

上述實(shí)施例只是為了說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實(shí)質(zhì)所做出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。