一種天然氣水合物開(kāi)采出砂特性測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開(kāi)采中出砂特性測(cè)試的裝置，尤其是一種在高壓低溫下原位模擬開(kāi)采出砂特性的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物是一種由氣體(或易揮發(fā)的液體)與水在一定溫度壓力條件下形成的冰狀固體，俗稱(chēng)可燃冰，廣泛分布于凍土帶地表以下200-2100米和大陸邊緣海底之下0-1100米的沉積物中，具有巨大的天然氣儲(chǔ)藏能力，甲烷水合物含有164倍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣。全世界天然氣水合物儲(chǔ)量非常巨大，估計(jì)水合物中天然氣資源量為2X1016立方米，相當(dāng)于2X105億噸油當(dāng)量，是全球常規(guī)燃料總碳量的2倍。天然氣水合物被發(fā)達(dá)國(guó)家列為后石油時(shí)代的重要替代能源，我國(guó)也將其列入中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，并于十三五期間進(jìn)行試開(kāi)米。
[0003]但是，天然氣水合物儲(chǔ)層開(kāi)采使天然氣水合物大量分解，將導(dǎo)致含水合物地層的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、出砂、地層坍塌、海底滑坡甚至海嘯等工程和地質(zhì)災(zāi)害。出砂作為油氣開(kāi)采過(guò)程中由于儲(chǔ)層砂粒隨流體從儲(chǔ)層中運(yùn)移出來(lái)的現(xiàn)象，在天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中亦無(wú)法避免。從常規(guī)油氣開(kāi)采出砂來(lái)看，出砂機(jī)理是井底附近的油氣藏原始?jí)毫ζ胶獗淮蚱?，使得油氣藏沉積物發(fā)生屈服，導(dǎo)致其原始結(jié)構(gòu)被破壞而引起的。在常規(guī)海洋油氣開(kāi)采中，出砂的危害性主要有以下幾個(gè)方面:1.采油采氣設(shè)備沖蝕。2.地層和井壁失穩(wěn)。3.砂堵淤積損壞設(shè)備。4.海洋油氣田中，廢棄地層砂的處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
[0004]因此，在進(jìn)行天然氣水合物開(kāi)采前，只有準(zhǔn)確了解開(kāi)采井筒出砂性質(zhì)，才能指導(dǎo)未來(lái)天然氣水合物開(kāi)采的順利進(jìn)行，降低天然氣水合物開(kāi)采而導(dǎo)致出砂事故的可能性。然而目前現(xiàn)有的出砂裝置主要是在常溫常壓下設(shè)計(jì)的，無(wú)法滿(mǎn)足天然氣水合物在低溫高壓的條件下進(jìn)行原位測(cè)量。綜上所述，研發(fā)天然氣水合物開(kāi)采出砂特性測(cè)試裝置，深入研究天然氣水合物及儲(chǔ)層的出砂特性，探索不同影響因素對(duì)水合物開(kāi)采中出砂特性的響應(yīng)機(jī)制，分析水合物開(kāi)采過(guò)程中的出砂風(fēng)險(xiǎn)，建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開(kāi)采中出砂特性測(cè)試的裝置，尤其是一種在高壓低溫下原位模擬開(kāi)采出砂特性的裝置，擴(kuò)展了目前所存在裝置的使用范圍，提高測(cè)量精度。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出了以下的技術(shù)方案:
[0007]—種天然氣水合物開(kāi)采出砂特性測(cè)試裝置，其特征在于，其包括:
[0008]模擬出砂系統(tǒng)，所述模擬出砂系統(tǒng)包括反應(yīng)釜主體、反應(yīng)釜法蘭蓋以及上覆壓力加載器，所述反應(yīng)釜法蘭蓋固定安裝于反應(yīng)釜主體上端面；所述反應(yīng)釜主體包括開(kāi)采井筒、防砂機(jī)構(gòu)以及樣品儲(chǔ)層室，所述開(kāi)采井筒為側(cè)壁設(shè)有開(kāi)孔的中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，所述樣品儲(chǔ)層室位于開(kāi)采井筒的外側(cè)，防砂機(jī)構(gòu)位于樣品儲(chǔ)層室和開(kāi)采井筒之間，所述上覆壓力加載器的下端與樣品儲(chǔ)層室相連通，
[0009]壓力系統(tǒng)，所述壓力包括上覆壓力加載系統(tǒng)、天然氣注氣增壓系統(tǒng)、底部注液系統(tǒng)以及可視化氣液固分離器；其中，所述上覆壓力加載器的上端穿過(guò)反應(yīng)釜法蘭蓋后與一上覆壓力加載系統(tǒng)連通；所述天然氣注氣增壓系統(tǒng)以及底部注液系統(tǒng)均與樣品儲(chǔ)層室相連通，所述可視化氣液固分離器與開(kāi)采井筒的底部相連通；所述可視化氣液固分離器上設(shè)置有出氣口和出液口；
[0010]測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器以及溫度傳感器；所述第一壓力傳感器安裝于天然氣注氣增壓系統(tǒng)與樣品儲(chǔ)層室之間的管路上，所述溫度傳感器和第二壓力傳感器均安裝于反應(yīng)釜法蘭蓋上，所述第三壓力傳感器安裝于可視化氣液固分離器與開(kāi)采井筒之間的管路上，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、溫度傳感器以及上覆壓力加載器自帶的第四壓力傳感器均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
[0011]反應(yīng)釜主體為特制壓力容器，可以承受高壓低溫不泄漏、不變形，能促使多孔介質(zhì)、天然氣和水在規(guī)定的高壓和低溫范圍下，在壓力室內(nèi)部合成含水合物多孔介質(zhì)試樣，使之達(dá)到試驗(yàn)所需要求。
[0012]本發(fā)明所述的多孔介質(zhì)可以為各種類(lèi)沉積物，例如海底沉積物、湖泊沉積物、凍土等。但是，由于測(cè)試過(guò)程中要求樣品保真進(jìn)行模擬開(kāi)采，然而水合物樣品需要在高壓低溫狀態(tài)下才能進(jìn)行有效測(cè)量，因此在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采中不僅試驗(yàn)取樣成本較高且具有較大安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大多時(shí)候難以獲得保真樣品來(lái)測(cè)試。因此，本發(fā)明選取目標(biāo)區(qū)沉積物后，通過(guò)上覆壓力加載器使沉積物圍繞開(kāi)采井筒制樣。沉積物制樣是測(cè)試過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響測(cè)試結(jié)果，因此過(guò)程必須嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行。
[0013]所述天然氣注氣增壓系統(tǒng)包括氣源、氣體增減壓栗、緩沖罐，所述氣源依次經(jīng)氣體增減壓栗和緩沖罐通過(guò)氣源管路與樣品儲(chǔ)層室連通，在所述氣源管路上安裝有第一壓力傳感器和安全閥。
[0014]所述天然氣注氣增壓系統(tǒng)與樣品儲(chǔ)層室的側(cè)部相連通，所述底部注液系統(tǒng)與樣品儲(chǔ)層室的底部相連通。
[0015]所述防砂機(jī)構(gòu)包括防砂管和防砂網(wǎng)，所述防砂管為多孔中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，開(kāi)采井筒位于防砂管內(nèi)，所述防砂網(wǎng)位于開(kāi)采井筒和防砂管之間。
[0016]所述天然氣水合物開(kāi)采出砂特性測(cè)試裝置進(jìn)一步包括一溫控系統(tǒng)，所述溫控系統(tǒng)包括恒溫循環(huán)水浴、反應(yīng)釜外水夾套和反應(yīng)釜內(nèi)置換熱管，所述反應(yīng)釜外水夾套位于樣品儲(chǔ)層室的外側(cè)且與樣品儲(chǔ)層室貼合，所述反應(yīng)釜內(nèi)置換熱管安裝于樣品儲(chǔ)層室內(nèi)并與反應(yīng)釜外水夾套，所述恒溫循環(huán)水浴通過(guò)連接管路與反應(yīng)釜外水夾套連通。恒溫循環(huán)水浴中的液體分別通過(guò)連接管道、反應(yīng)爸內(nèi)置換熱管和反應(yīng)爸外水夾套，再通過(guò)連接管道流回恒溫浴完成循環(huán)，維持反應(yīng)釜的溫度恒定。
[0017]反應(yīng)釜法蘭蓋通過(guò)反應(yīng)釜法蘭螺栓與反應(yīng)釜主體的上端面固定連接，在反應(yīng)釜法蘭蓋和反應(yīng)釜主體之間通過(guò)密封圈密封。
[0018]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括上覆加載壓力、孔壓、溫度、氣體流量。溫度、和壓力通過(guò)相應(yīng)傳感器將信號(hào)傳給數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，由測(cè)控采集系統(tǒng)讀取并傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、記錄及分析數(shù)據(jù)。其中采出量和出砂量在可視化氣液固分離器進(jìn)行分離采集，出水出砂量通過(guò)稱(chēng)量氣液固分離器取的，出砂量通過(guò)烘干出砂并進(jìn)行稱(chēng)量記錄，出氣量通過(guò)氣液固分離器后干燥，通過(guò)氣體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量并記錄。
[0019]本裝置使用步驟如下:
[0020](a)檢查設(shè)備的氣密性:連接相應(yīng)排水排氣管，關(guān)閉并密封開(kāi)采反應(yīng)釜，溫度常溫，用側(cè)部氣管通入氮?dú)猓孟礉嵕乜p檢測(cè)氣密性。氣密性良好進(jìn)入下一步。
[0021](b)樣品裝填:打開(kāi)反應(yīng)釜法蘭蓋，用含水沙填充到儲(chǔ)砂層中壓實(shí)，關(guān)閉上端法蘭蓋密封。
[0022](c)水合物合成:打開(kāi)上覆壓力加載系統(tǒng)，加載初始上覆壓力，溫度逐步降至初始溫度(通常在20°C )，注氣增壓系統(tǒng)從側(cè)部進(jìn)氣管供甲烷氣以生成天然氣水合物，充分進(jìn)氣，等氣壓穩(wěn)定后24小時(shí)穩(wěn)固。再降溫到所需水合物合成溫度，每10秒記錄一次上覆加載壓力(由上覆壓力加載器自帶的第四壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量)、溫度(反應(yīng)釜主體內(nèi)溫度，由溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量)、孔隙壓力(由第二壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量)、進(jìn)氣量(天然氣注氣增壓系統(tǒng)注入樣品儲(chǔ)層室的天然氣量)和進(jìn)液量(底部注液系統(tǒng)注入樣品儲(chǔ)層室的水量)。若有氣飽和或者液飽和實(shí)驗(yàn)需求，還需要樣品合成后進(jìn)行側(cè)部注氣或者底部注液進(jìn)行制樣。
[0023](d)壓力室開(kāi)采出砂:開(kāi)采井筒底部開(kāi)采口以設(shè)定的降壓速率/注熱速率等參數(shù)進(jìn)行降壓/注熱開(kāi)采等，每隔一定時(shí)間記錄一次上覆加載壓力、溫度、孔隙壓力、進(jìn)氣量和進(jìn)液量，待到可視化氣液固分離器出現(xiàn)固體后或達(dá)到某一出砂量或開(kāi)采結(jié)束。其中采出量和出砂量在可視化氣液固分離器進(jìn)行分離采集，出水出砂量通過(guò)稱(chēng)量氣液固分離器取的，出砂量通過(guò)烘干出砂并進(jìn)行稱(chēng)量記錄，出氣量通過(guò)氣液固分離器后干燥，通過(guò)氣體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量并記錄。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供一種在高壓低溫下原位合成并模擬開(kāi)采出砂特性的裝置，擴(kuò)展了目前所存在裝置的使用范圍，提高測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明天然氣水合物開(kāi)采出砂特性測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖2為圖1中反應(yīng)釜法蘭蓋與上覆壓力加載器的配合結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖3為圖1中反應(yīng)釜主體內(nèi)部分層圖。
[0028]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0029]1、氣源；2、氣體增減壓栗；3、緩沖罐；4、第一壓力傳感器；5、安全閥；6、反應(yīng)釜法蘭蓋；7、反應(yīng)釜主體；8、溫度傳感器；9、第二壓力傳感器；10、減壓閥；11、第三壓力傳感器；12、出氣口 ；13、出液口 ；14、可視化氣液固分離器；15、數(shù)據(jù)采集器；16、恒溫循環(huán)水?。?7、上覆壓力加載器；18、上覆壓力加載系統(tǒng)；19、底部注液系統(tǒng)；20、開(kāi)米井筒；21、防砂管；22、樣品儲(chǔ)層室；23、反應(yīng)釜外水夾套；24、反應(yīng)釜內(nèi)置換熱管；25、反應(yīng)釜法蘭螺栓；26、防砂網(wǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]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(shuō)明。
[0031]實(shí)施例:
[0032]天然氣水合物是氣體或易揮發(fā)的液體與水作用，形成的一種包絡(luò)狀晶體，天然氣水合物需要在高壓和低溫下才存在，因此需要原位測(cè)量其物理性質(zhì)。
[0033]本發(fā)明正是基于以上原理，提供一種在高壓低溫下原位模擬開(kāi)采出砂特性的裝置，提高測(cè)量精度。如圖1所示，一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開(kāi)采中出砂特性測(cè)試的裝置包括壓力系統(tǒng)、模擬出砂系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)以及控溫