本发明专利技术属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法及装置。采用模拟充填地层砂子管与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型进行试验，入口端安装分流钢块，出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，填砂模型上相对设置有取样孔和测压孔，分别在相邻两个测压孔之间安装差压计，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接。本发明专利技术能实时监测砾石充填条件下地层细砂的产出量、产出粒径的变化规律，能够为水合物降压开采诱发的细砂在充填砾石层中运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对设计合理的砾石充填参数、延长试开采持续时间具有重要的参考意义。
【技术实现步骤摘要】
水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法及装置
本专利技术属于海洋天然气水合物资源开发工程
，具体涉及一种基于一维渗流装置的海洋天然气水合物储层产出细砂在颗粒充填砾石层中的运移规律的室内试验方法及装置。
技术介绍
天然气水合物资源开采研究已成为国际热点问题。目前全球水合物资源开发仍处于部分区域的试开采阶段，距离工业化开采还有很长的路要走。国际上已开展的天然气水合物试采项目，主要包括加拿大麦肯齐三角洲Mallik5L-38项目(2002)、Mallik2L-38项目(2007、2008)、美国阿拉斯加项目(2011～2012)、日本南海海槽(NankaiThrough)AT1-MC项目(2012～2013)等。其中，加拿大2007～2008项目和日本南开海槽天然气水合物资源试开采经历均表明，即使降压法开采能达到短期的开采目标，但如果无法克服出砂现象带来的困难，就很难实现天然气水合物资源的长效开采。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克出砂问题带来的困扰。特别地，日本2013年在NanKaiTrough进行的全球首次海洋天然气水合物资源试采作业证明，裸眼砾石充填防砂工艺虽然能在短期内达到较好的效果，但管外充填砾石层容易受压降幅度和压降速率等工程参数的影响。导致本次试采突发性大量出砂的原因主要有：①瞬间增大压降幅度和压降速率；②水合物分解，地层微粒产出，导致充填层外围形成亏空，砾石层发生蠕动，地层与筛管环空出现缺口。以上特点决定了海洋天然气水合物降压开采过程中地层产出细砂在挡砂介质，尤其是在充填砾石层中的迁移规律与常规油气井产出砂在砾石层中的迁移规律不同。目前已有部分学者提出了针对常规油气井砾石充填层防砂效果的评价方法，但由于海洋天然气水合物降压开采过程中的地层渗流条件为气液两相渗流，管外亏空会随着水合物的分解不断增大进而导致充填砾石层蠕动翻转，这将导致天然气水合物资源降压开采过程中，地层产出细砂或泥质颗粒在砾石层中的运移规律不同于常规油气井砾石层内的细砂运移规律。尤其是对于我国南海北部粉砂质水合物储层而言，泥质含量高、粒度细、不均匀系数大、分选性差，水合物分布模式为胶结充填型，水合物完全分解后地层处于松散状态，因此降压开采过程中地层细砂的产出过程可以近似视为松散堆积颗粒物在流体携带拖曳作用导致的。若降压开采过程中如果采用砾石充填层作为挡砂介质，就必须对地层产出细砂在充填层中的运移规律进行室内评价分析，从而为后续防砂工艺参数的设计提供基础依据。公开号CN106353069A公开了一种水合物分解区松散沉积物中砂粒运移过程的微观监测方法及装置，其主要解决气水两相渗流条件下水合物分解区内均质地层的砂粒迁移过程和筛管挡砂条件下的近井地层砂粒堆积规律，为水合物分解后储层出砂机理研究提供了支撑。但是该专利技术不涉及砾石充填防砂条件下当地层细砂从地层产出到井底之后的流动情况模拟，也未考虑井底防砂介质特别是充填砾石层中地层细砂的运移规律，因此无法对防砂条件特别是砾石充填防砂条件下实际井底出砂规律进行有效的分析。为此，建立一套实验测试方法，通过模拟实验研究水合物降压开采过程中实际储层气液混合渗流条件下地层产出细砂在充填砾石层中的运移规律，对于评价优选最佳颗粒充填型防砂工艺参数具有十分重要的意义，其实验结果可为后续防砂设计及生产制度的确定提供依据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种降压开采过程层中海洋天然气水合物储层产出细砂在充填砾石层中的运移规律的室内试验方法，该方法假设水合物储层松散沉积物中微粒产出过程主要受流体的携带作用产出。因此本方法基于细粒松散沉积物颗粒在一定气水比气液两相一维渗流条件下被流体携带，并在大粒径堆积砾石层内孔隙中的运移、堆积过程提出。由于气相粘度较小，对固相颗粒的拖曳能力较差，再加上砾石充填层本身孔隙尺寸较大，气体对固相微粒的拖曳作用进一步弱化。因此在实际储层中可以忽略气体对产出细砂的影响，仅考虑水对地层砂的拖曳作用。因此，本专利技术需要配合专用出砂模拟设备，在一维水流驱替条件下实现。本专利技术采取的技术方案为：水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，具体包括如下步骤：(1)向模拟充填砾石层子管内的一部分空间内填充砾石，填充砾石层的厚度为模拟充填砾石层子管体积的1/2～2/3，用液压压实装置压实；(2)填砂模型的模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔B1、B2、B3、B4，另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔C1、C2、C3、C4，取样孔C1～C4用堵头堵死；测压孔B1、B2、B3、B4中均插入引压管，每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计P1、P2、P3，差压计P1、P2、P3的测量结果作为气液两相渗流压降梯度计算的基础数据实时采集；(3)取填砂模型的模拟充填地层砂子管，与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型，将模拟充填砾石层子管的剩余空间及模拟充填地层砂子管的一部分空间中填充地层细砂，用液压压实装置压实；(4)填砂模型的模拟充填地层砂子管的剩余空间填充分流钢块，分流钢块根据实际填砂模型模拟充填地层砂子管的剩余空间，采用长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接填充，直到充满整个填砂模型的模拟充填地层砂子管为止；(5)填砂模型的入口端连接恒速泵，填砂模型的出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接；(6)将填砂模型安装后并抽真空，根据实际地层产业指数，设定恒速泵的泵速，利用恒流泵在小于5ml/min的低流速条件下，向模型中注入蒸馏水使地层沉积物和砾石层饱和，开始模拟实验；(7)恒速泵开启过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时测量；电子天平连续测量并记录产出砂、液混合物的质量，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间；利用数据处理软件进行处理，并通过数据采集与处理模块实时采集到电脑数据库；(8)测量恒流泵标准曲线：即拆卸填砂管模型后，将实时电子天平直接连接到泵出口端，利用与步骤(7)相同的标称泵速泵送蒸馏水，实时记录产出蒸馏水重量随时间的变化曲线；(9)对比步骤(7)与步骤(8)测量得到的重量曲线，根据两条曲线差值计算当前出砂速率、累积出砂量；(10)利用步骤(7)得到的粒度分布数据随时间的变化规律，分析恒定流速条件下沉积物微粒通过砾石层产出的粒径随时间的变化曲线；(11)利用步骤(7)获取的压降随时间变化曲线，判断细砂在砾石层中的堵塞位置和堵塞严重程度；(12)停止恒速泵，分别从填砂管模型的砾石层充填段各取样口C1～C4取样，用非在线激光粒度仪对实验结束后从取样孔取得的模拟地层细砂-砾石层混合砂样进行粒度测量；对各截面的砂-砾混合物粒径做横向对比分析，并与原始充填砾石层的粒径分布规律做纵向对比，从而判断不同截面处地层微粒的侵入比例和滞留在该截面的地层微粒粒径分布判断地层细粒在砾石层中的运移堆积规律；(13)采用单一变量控制的办法更换充填砾石层的充填层厚度或者充填砂粒径、充填强度，重复步骤(3)～(12)，纵向对比砾石充填层目数、厚度、强度水合物降压分解储层的适应性；(14)利用数据采集与处理模块，通过数据处理获取细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化本文档来自技高网...
【技术保护点】
水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)向模拟充填砾石层子管内的一部分空间内填充砾石，填充砾石层的厚度为模拟充填砾石层子管体积的1/2～2/3，用液压压实装置压实；(2)填砂模型的模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔B1、B2、B3、B4，另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔C1、C2、C3、C4，取样孔C1～C4用堵头堵死；测压孔B1、B2、B3、B4中均插入引压管，每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计P1、P2、P3，差压计P1、P2、P3的测量结果作为气液两相渗流压降梯度计算的基础数据实时采集；(3)取填砂模型的模拟充填地层砂子管，与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型，将模拟充填砾石层子管的剩余空间及模拟充填地层砂子管的一部分空间中填充地层细砂，用液压压实装置压实；(4)填砂模型的模拟充填地层砂子管的剩余空间填充分流钢块，分流钢块根据实际填砂模型模拟充填地层砂子管的剩余空间，采用长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接填充，直到充满整个填砂模型的模拟充填地层砂子管为止；(5)填砂模型的入口端连接恒速泵，填砂模型的出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接；(6)将填砂模型安装后并抽真空，根据实际地层产业指数，设定恒速泵的泵速，利用恒流泵在小于5ml/min的低流速条件下，向模型中注入蒸馏水使地层沉积物和砾石层饱和，开始模拟实验；(7)恒速泵开启过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时测量；电子天平连续测量并记录产出砂、液混合物的质量，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间，通过数据采集与处理模块实时采集到电脑数据库；(8)测量恒流泵标准曲线：即拆卸填砂管模型后，将实时电子天平直接连接到泵出口端，利用与步骤(7)相同的标称泵速泵送蒸馏水，实时记录产出蒸馏水重量随时间的变化曲线；(9)对比步骤(7)与步骤(8)测量得到的重量曲线，根据两条曲线差值计算当前出砂速率、累积出砂量；(10)利用步骤(7)得到的粒度分布数据随时间的变化规律，分析恒定流速条件下沉积物微粒通过砾石层产出的粒径随时间的变化曲线；(11)利用步骤(7)获取的压降随时间变化曲线，判断细砂在砾石层中的堵塞位置和堵塞严重程度；(12)停止恒速泵，分别从填砂管模型的砾石层充填段各取样口C1～C4取样，用非在线激光粒度仪对实验结束后从取样孔取得的模拟地层细砂‑砾石层混合砂样进行粒度测量；对各截面的砂‑砾混合物粒径做横向对比分析，并与原始充填砾石层的粒径分布规律做纵向对比，从而判断不同截面处地层微粒的侵入比例和滞留在该截面的地层微粒粒径分布判断地层细粒在砾石层中的运移堆积规律；(13)采用单一变量控制的办法更换充填砾石层的充填层厚度或者充填砂粒径、充填强度，重复步骤(3)～(12)，纵向对比砾石充填层目数、厚度、强度水合物降压分解储层的适应性；(14)利用数据采集与处理模块，通过数据处理获取细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层‑细砂混合物渗透率变化；地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化等数据，最终获取水合物地层的最佳充填砾石的充填厚度、充填强度、充填粒径相关参数。...
【技术特征摘要】
1.水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)向模拟充填砾石层子管内的一部分空间内填充砾石，填充砾石层的厚度为模拟充填砾石层子管体积的1/2～2/3，用液压压实装置压实；(2)填砂模型的模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔B1、B2、B3、B4，另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔C1、C2、C3、C4，取样孔C1～C4用堵头堵死；测压孔B1、B2、B3、B4中均插入引压管，每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计P1、P2、P3，差压计P1、P2、P3的测量结果作为气液两相渗流压降梯度计算的基础数据实时采集；(3)取填砂模型的模拟充填地层砂子管，与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型，将模拟充填砾石层子管的剩余空间及模拟充填地层砂子管的一部分空间中填充地层细砂，用液压压实装置压实；(4)填砂模型的模拟充填地层砂子管的剩余空间填充分流钢块，分流钢块根据实际填砂模型模拟充填地层砂子管的剩余空间，采用长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接填充，直到充满整个填砂模型的模拟充填地层砂子管为止；(5)填砂模型的入口端连接恒速泵，填砂模型的出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接；(6)将填砂模型安装后并抽真空，根据实际地层产业指数，设定恒速泵的泵速，利用恒流泵在小于5ml/min的低流速条件下，向模型中注入蒸馏水使地层沉积物和砾石层饱和，开始模拟实验；(7)恒速泵开启过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时测量；电子天平连续测量并记录产出砂、液混合物的质量，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间，通过数据采集与处理模块实时采集到电脑数据库；(8)测量恒流泵标准曲线：即拆卸填砂管模型后，将实时电子天平直接连接到泵出口端，利用与步骤(7)相同的标称泵速泵送蒸馏水，实时记录产出蒸馏水重量随时间的变化曲线；(9)对比步骤(7)与步骤(8)测量得到的重量曲线，根据两条曲线差值计算当前出砂速率、累积出砂量；(10)利用步骤(7)得到的粒度分布数据随时间的变化规律，分析恒定流速条件下沉积物微粒通过砾石层产出的粒径随时间的变化曲线；(11)利用步骤(7)获取的压降随时间变化曲线，判断细砂在砾石层中的堵塞位置和堵塞严重程度；(12)停止恒速泵，分别从填砂管模型的砾石层充填段各取样口C1～C4取样，用非在线激光粒度仪对实验结束后从取样孔取得的模拟地层细砂-砾石层混合砂样进行粒度测量；对各截面的砂-砾混合物粒径做横向对比分析，并与原始充填砾石层的粒径分布规律做纵向对比，从而判断不同截面处地层微粒的侵入比例和滞留在该截面的地层微粒粒径分布判断地层细粒在砾石层中的运移堆积规律；(13)采用单一变量控制的办法更换充填砾石层的充填层厚度或者充填砂粒径、充填强度，重复步骤(3)～(12)，纵向对比砾石充填层目数、厚度、强度水合物降压分解储层的适应性；(14)利用数据采集与处理模块，通过数据处理获取细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化等...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彦龙，刘昌岭，刘乐乐，吴能友，孙建业，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37
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