海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统及方法技术方案

技术编号:17965601 阅读:50 留言:0更新日期:2018-05-16 08:09
本发明专利技术公开一种海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统及方法,仿真系统包括试验井子系统、水气注入子系统、分离子系统及井筒监测子系统;试验井子系统包括模拟井筒以及安装在模拟井筒内的模拟套管、模拟油管、气液混合器、防塌孔板、导流器、气体注入管路和水注入管路,模拟井筒的井口设置有井口防喷器;水气注入子系统包括高压气瓶组和水箱,水气注入子系统分别与分离子系统和井口防喷器连接,井筒内安装有电阻成像仪和电容成像仪,配合温压测试数据和测试电磁阀的开闭,实现天然气水合物开采井携砂规律与流型之间的定量仿真测量,能够全尺寸进行天然气水合物开采井不同气水比条件下井筒携砂规律间接可视化研究,可为海域天然气水合物开采井井筒流动保障注水方案的设计提供依据,满足粉砂质天然气水合物开采过程中出砂管理措施对井筒携砂能力分析的需求。

Simulation system and method of sand carrying in wellbore of marine gas hydrate production well

The invention discloses a simulation system and method for the sand carrying law of the marine gas hydrate production well. The simulation system includes the test well subsystem, the water gas injection subsystem, the ion separation system and the wellbore monitoring subsystem, and the test well subsystem includes the simulated wellbore and the simulated casing and the simulation tubing installed in the model shaft. The gas and liquid mixer, the anti collapse hole board, the diversion device, the gas injection pipeline and the water injection pipeline. The wellhead of the simulated wellbore is set with a wellhead blowout preventer, and the water gas injection subsystem includes the high-pressure gas cylinder group and the water tank. The water gas injection subsystem is connected with the ion system and the wellhead blowout preventer, and the wellbore is installed with a resistance imager and a resistance imager. The capacitance imager, combined with the test data of the temperature and pressure and the opening and closing of the solenoid valve, realizes the quantitative simulation measurement between the sand carrying law and the flow pattern of the gas hydrate mining well. It can be used to study the sand carrying law of the well bore under the condition of different gas and water ratio in the gas hydrate mining well, and it can be used for the natural gas hydration in the sea area. The design of water injection scheme for wellbore flow protection in the mining well is provided to meet the demand for sand carrying capacity analysis in the process of sand production.

【技术实现步骤摘要】
海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统及方法
本专利技术属于海洋天然气水合物资源开发工程
,具体涉及一种能够可视化仿真实际海洋天然气水合物开采井筒流体携砂流动规律的仿真系统及方法。
技术介绍
天然气水合物资源是一种能量密度极高的清洁能源,全球深海海域面积中约有90%以上满足天然气水合物的生成和赋存温压条件。为占领能源制高点,海洋天然气水合物的勘探开发已成为目前国际能源竞争的热点。海域天然气水合物有90%以上赋存于海底低渗透粘土或粉砂质粘土储层中,2017年5月10日-7月9日我国在南海北部成功实现全球首次粉砂质粘土储层中天然气水合物的安全可控开采,奠定了我国在该领域的领先地位。然而,无论是我国首次海域天然气水合物试采工程还是日本海域天然气水合物试采,都面临出砂问题。我国在首次海域天然气水合物试采过程中摒弃常规油气行业“防砂”思路,以储层稳定为核心,提出了粉砂质天然气水合物开采过程中的“出砂管理”概念及基本应对措施,为我国首次海域天然气水合物试采成功提供了一定的支撑。海洋天然气水合物开采井出砂管理的基本思路是:适度控砂,防排结合,以排为主。这样做的主要目的是维持地层的稳定和生产的持续。也就是说,如果地层泥砂随流体运移至井底,则采取“防粗疏细”的控砂设计方案,使大粒径地层砂被防砂筛管或砾石层阻挡,但是占地层绝大多数的泥质含量及小颗粒砂质组分均被主动疏导至井底,通过井筒携砂方案设计,使地层泥砂产出到井口平台。因此,海域天然气水合物试采过程中,井筒的携砂动态分析对于防止井筒砂埋、维持举升系统的正常运转至关重要。水合物生产井气液比条件下地层砂从井底到平台井口的流动规律成为天然气水合物试采过程面临的关键课题之一。如何通过定量可视化手段实施观测天然气水合物生产井筒内的泥砂运移、聚集规律,是进行天然气水合物开采井筒携砂规律研究的难点。在常规油气井井筒携砂生产条件模拟方面,目前已有部分学者提出了大量的采用有机玻璃管甚至蓝宝石可视窗的井筒携砂规律观测装置,这些实验装置大同小异,基本上都是由供液(气)子系统、供砂子系统、模拟井筒、回收与处理子系统等构成,其核心是模拟井筒。如申请公开号CN105464606A公开了一种用两层透明同心玻璃管构成的模拟携砂井筒,能够满足小尺度低压条件下钻采双工况井筒携砂规律模拟,虽然这种肉眼可视化实验手段为直观观测井筒携砂效果的好坏提供了便利,但是肉眼观察很难达到定量评价携砂条件的精度,可视化的同时也带来了不能承受实际井筒高压条件和定量识别携砂规律的缺陷;另外也有部分专门针对特定流体(如泡沫,专利公开号CN104280315A)及特殊井型(如大斜度井,专利公开号CN202900235U)的井筒携砂效果实验装置,其共同点是:只能进行小尺度范围的模拟实验,却极少考虑实际井筒尺寸效应和高压环境效应的影响,而且,也不涉及天然气水合物生产井多组分多相流动条件下的携砂动态定量分析。与常规纯水相携砂流动或纯气相携砂流动模拟不同,天然气水合物开采井始终处于多相多组分高压流动状态,井筒气液比及温压条件对流型的影响至关重要,因此研究天然气水合物开采井的井筒携砂过程首先必须对井筒流型有清晰的认识。在天然气水合物开采井井筒多组分多相流动条件下,井筒携砂临界流速条件、携砂量等参数与流型密切相关,因此如果能够专利技术一种实验装置,既能模拟天然气水合物开采井不同气水比条件下的高压流动过程,又能可视化评价实际井筒尺度条件下砂粒在井筒中的运移、沉降规律,则可以为天然气水合物开采井举升方案及井筒流动保障方案的设计提供非常有利的数据支撑。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对目前我国海洋粉砂质天然气水合物开采对井筒出砂精细管理的迫切需求,提出一种能够全尺寸进行天然气水合物开采井不同气水比条件下井筒携砂规律间接可视化研究的仿真系统及仿真方法,以满足粉砂质天然气水合物开采过程中出砂管理措施对井筒携砂能力分析的需求。本专利技术是采用以下的技术方案实现的:海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统,包括试验井子系统、水气注入子系统、分离子系统以及井筒监测子系统:所述试验井子系统包括模拟井筒以及安装在模拟井筒内的模拟套管、模拟油管、气液混合器、防塌孔板、导流器、气体注入管路和水注入管路;所述模拟井筒为全尺寸天然气水合物开采模拟井,模拟井筒的井口设置有井口防喷器,井口防喷器为连接试验井子系统与水气注入子系统和分离子系统的桥梁;模拟油管设置在模拟套管内,为实际现场尺寸规格的普通油管,模拟油管管鞋处安装有油套环空封隔器,座封实现模拟套管与模拟油管环空的封隔;气液混合器为环形结构,设置在模拟井筒井底,其上端安装有测试电磁阀,下端与导流器连通;模拟套管与气液混合器连接,且其外径与气液混合器的环形内径相等;防塌孔板为圆形金属多孔板,其外径与模拟套管内径相同,安装在模拟套管内壁管鞋处,防止实验过程中下方模拟地层砂被流体冲破,后续实验无法进行;防塌孔板、导流器及气液混合器环空所形成的空间为模拟地层砂的填装空间,该空间内填满实际水合物地层砂,实际操作过程中该区域的模拟地层砂在气液混合流体的携带作用下穿透防塌孔板,进入模拟油管;模拟套管的管鞋处还安装有油管穿越封隔器,以密封模拟套管与模拟井筒井壁之间的环空,且沿模拟套管的圆周方向均匀设置有多个通孔,所述通孔设置在靠近管鞋处,位于防塌孔板上方且位于油管穿越封隔器的下方;气体注入管路和水注入管路穿过所述油管穿越封隔器与气液混合器连接,且在气体注入管路和水注入管路与气液混合器连接处分别安装有单向阀,保证气体和水注入过程中不会因为双方的压力差导致气水倒流;所述水气注入子系统分别与分离子系统和井口防喷器连接,水气注入子系统包括设置在地面上的高压气瓶组和水箱,分离子系统包括设置在地面上的气液固分离器,水箱通过一注入泵与水注入管路相连,且水箱与气液固分离器的液路出口相连接,用于向模拟井筒内注水并回收返出的循环水;高压气瓶组与气体注入管路及气液固分离器的气路出口相连接,用于向模拟井筒内注气并回收返出的气体,实现气、液循环,在高压气瓶组与气体注入管路之间安装有阀门F1,注入泵与水注入管路之间安装有阀门F2,气液固分离器与模拟油管、高压气瓶组和水箱之间分别安装有阀门F3、阀门F4和阀门F5;所述井筒监测子系统包括电阻成像仪、电容成像仪以及相对设置在模拟油管内壁上的温度传感器和压力传感器;电阻成像仪为内径与模拟油管内径一致的环状结构,电阻成像仪两端分别为与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电容成像仪为内径与油管内径一致的环状结构,电容成像仪两端分别为能够与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电阻成像仪和电容成像仪通过连接接箍串接在模拟油管上,且温度传感器和压力传感器分别安装在连接接箍内壁等高部位处。进一步的,所述电阻成像仪由16个电极环形排列构成,四点法层析成像测量,即任意两个电极作为电流激励极,测量另外任意两个电极之间的电压值,经过反复测量得到整个平面内的电阻率场分布规律,电阻成像仪要求被测介质的连续相为导电介质,因此适合于地层水为连续相的低气液比井筒流动条件测量。进一步的,所述电容成像仪由16个电极环形排列构成,电极外壳一点接地,从任意一点注入电流,测量该本文档来自技高网
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海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统及方法

【技术保护点】
海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统,其特征在于,包括试验井子系统、水气注入子系统、分离子系统以及井筒监测子系统;所述试验井子系统包括模拟井筒以及安装在模拟井筒内的模拟套管、模拟油管、气液混合器、防塌孔板、导流器、气体注入管路和水注入管路;所述模拟井筒为全尺寸天然气水合物开采模拟井,模拟井筒的井口设置有井口防喷器;模拟油管设置在模拟套管内,采用实际现场尺寸规格的普通油管,模拟油管的管鞋处安装有油套环空封隔器,座封实现模拟套管与模拟油管环空的封隔;气液混合器为环形结构,设置在模拟井筒的底部,其上端安装有测试电磁阀,下端与导流器连通;模拟套管与气液混合器连接,且其外径与气液混合器的环形内径相等;防塌孔板为圆形金属多孔板,其外径与模拟套管内径相同,安装在模拟套管内壁管鞋处;防塌孔板、导流器及气液混合器环空所形成的空间为模拟地层砂的填装空间;模拟套管的管鞋处还安装有油管穿越封隔器,以密封模拟套管与模拟井筒井壁之间的环空,且沿模拟套管的圆周方向均匀设置有多个通孔,所述通孔位于防塌孔板上方且位于油管穿越封隔器的下方;气体注入管路和水注入管路穿过所述油管穿越封隔器与气液混合器连接,且在气体注入管路和水注入管路与气液混合器连接处分别安装有单向阀;所述水气注入子系统分别与分离子系统和井口防喷器连接,水气注入子系统包括设置在地面上的高压气瓶组和水箱,分离子系统包括设置在地面上的气液固分离器,水箱通过一注入泵与水注入管路相连,且水箱与气液固分离器的液路出口相连接,用于向模拟井筒内注水并回收返出的循环水;高压气瓶组与气体注入管路及气液固分离器的气路出口相连接,用于向模拟井筒内注气并回收返出的气体,实现气、液循环,在高压气瓶组与气体注入管路之间安装有阀门F1,注入泵与水注入管路之间安装有阀门F2,气液固分离器与模拟油管、高压气瓶组和水箱之间分别安装有阀门F3、阀门F4和阀门F5;所述井筒监测子系统包括电阻成像仪、电容成像仪以及相对设置在模拟油管内壁上的温度传感器和压力传感器;电阻成像仪为内径与模拟油管内径一致的环状结构,电阻成像仪两端分别为与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电容成像仪为内径与模拟油管内径一致的环状结构,电容成像仪两端分别为能够与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电阻成像仪和电容成像仪通过连接接箍串接在模拟油管上,且温度传感器和压力传感器分别安装在连接接箍内壁等高部位处。...

【技术特征摘要】
1.海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统,其特征在于,包括试验井子系统、水气注入子系统、分离子系统以及井筒监测子系统;所述试验井子系统包括模拟井筒以及安装在模拟井筒内的模拟套管、模拟油管、气液混合器、防塌孔板、导流器、气体注入管路和水注入管路;所述模拟井筒为全尺寸天然气水合物开采模拟井,模拟井筒的井口设置有井口防喷器;模拟油管设置在模拟套管内,采用实际现场尺寸规格的普通油管,模拟油管的管鞋处安装有油套环空封隔器,座封实现模拟套管与模拟油管环空的封隔;气液混合器为环形结构,设置在模拟井筒的底部,其上端安装有测试电磁阀,下端与导流器连通;模拟套管与气液混合器连接,且其外径与气液混合器的环形内径相等;防塌孔板为圆形金属多孔板,其外径与模拟套管内径相同,安装在模拟套管内壁管鞋处;防塌孔板、导流器及气液混合器环空所形成的空间为模拟地层砂的填装空间;模拟套管的管鞋处还安装有油管穿越封隔器,以密封模拟套管与模拟井筒井壁之间的环空,且沿模拟套管的圆周方向均匀设置有多个通孔,所述通孔位于防塌孔板上方且位于油管穿越封隔器的下方;气体注入管路和水注入管路穿过所述油管穿越封隔器与气液混合器连接,且在气体注入管路和水注入管路与气液混合器连接处分别安装有单向阀;所述水气注入子系统分别与分离子系统和井口防喷器连接,水气注入子系统包括设置在地面上的高压气瓶组和水箱,分离子系统包括设置在地面上的气液固分离器,水箱通过一注入泵与水注入管路相连,且水箱与气液固分离器的液路出口相连接,用于向模拟井筒内注水并回收返出的循环水;高压气瓶组与气体注入管路及气液固分离器的气路出口相连接,用于向模拟井筒内注气并回收返出的气体,实现气、液循环,在高压气瓶组与气体注入管路之间安装有阀门F1,注入泵与水注入管路之间安装有阀门F2,气液固分离器与模拟油管、高压气瓶组和水箱之间分别安装有阀门F3、阀门F4和阀门F5;所述井筒监测子系统包括电阻成像仪、电容成像仪以及相对设置在模拟油管内壁上的温度传感器和压力传感器;电阻成像仪为内径与模拟油管内径一致的环状结构,电阻成像仪两端分别为与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电容成像仪为内径与模拟油管内径一致的环状结构,电容成像仪两端分别为能够与模拟油管配合的公扣和母扣,作为模拟油管的连接件连接在模拟油管上;电阻成像仪和电容成像仪通过连接接箍串接在模拟油管上,且温度传感器和压力传感器分别安装在连接接箍内壁等高部位处。2.根据权利要求1所述的生产井井筒携砂规律仿真系统,其特征在于:所述电阻成像仪由16个电极环形排列构成,四点法层析成像测量。3.根据权利要求1所述的生产井井筒携砂规律仿真系统,其特征在于:所述电容成像仪由16个电极环形排列构...

【专利技术属性】
技术研发人员:李彦龙胡高伟陈强王代刚黄丽刘昌岭万义钊
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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