水合物开采井管内砾石充填仿真系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；根据实际井身结构安装井筒管柱，进行充填作业仿真及充填质量检测，不仅可以对实际天然气水合物开采井储层特点、井身结构限制下的管内砾石充填作业进行全尺寸仿真，还可以对充填作业的施工质量、长期水合物生成条件下的充填作业适应性进行全程监测与评价，从而达到优化施工参数和工艺设计参数的目的，结合径向流分流器、定点压力计及声波成像测井系统的引入，使测量效果真实可靠、仿真结果更接近相差施工，可参考性强，适用于不同井身结构的管内砾石充填过程及其效果监测仿真，不仅为海洋浅层天然气水合物开采井砾石充填作业适应性评价提供了新的思路，还可以为砾石充填作业的最佳施工方案和最佳工艺参数提供依据。

【技术实现步骤摘要】
水合物开采井管内砾石充填仿真系统
本技术涉及海洋天然气水合物资源开发工程
,具体涉及一种能够进行水合物开采井管内砾石充填过程仿真及其效果评价的一体化仿真系统。
技术介绍
天然气水合物资源是一种分布广、能源密度高的非常规天然气资源，天然气水合物是未来全球能源发展的战略制高点，美国、日本、德国、印度、加拿大、韩国先后制订了天然气水合物研究开发计划。我国在南海的成功试采无疑是在全球天然气水合物资源勘探开发的竞争中走在了世界的前列。我国目前已经加快推进天然气水合物产业化开采步伐，争取在国际天然气水合物竞争中占据优势。一般而言，天然气水合物资源储层本身埋深浅、胶结差，水合物分解作用导致地层胶结强度进一步降低，原始弱固结储层甚至可能完全转化为流砂地层，因此天然气水合物开采过程不可避免的会发生出砂，为了维持生产的持续，不能完全按照常规天然气石油行业防砂的观点对地层砂进行严格的阻挡。针对我国南海泥质粉砂天然气储层而言，防砂方式首先必须保证地层大量的泥质颗粒能够顺利排出至井筒，排入井筒的泥质细颗粒通过井筒补液的方式携带至井口，因此，井底防砂介质是连接地层出砂与井筒携砂过程的桥梁。由此可见，防砂介质施工作业过程仿真研究及施工作业效果评价对于实际天然气水合物开采井防砂作业施工设计至关重要。砾石充填是典型的井底防砂手段，主要包括管内砾石充填和管外砾石充填。日本NankaiTrough2013天然气水合物试采项目采用裸眼管外砾石充填作业，取得了试采6d、12万方的试采成果。但是裸眼管外砾石充填最大的问题是：在原始地层中，水合物作为胶结物存在，占据很大的体积空间。随着水合物的分解，原先有水合物占据的体积会逐渐出现亏空，这种亏空由裸眼井壁逐渐向地层内部延伸。再此条件下，与裸眼井壁相接处的充填砾石层会发生一定的蠕动和沉降过程，随着沉降过程的持续，会在充填段地层的上部出现大的充填亏空，导致防砂筛管直接暴露在气、液、砂流动空间内，很快就会发生筛管冲蚀，导致防砂失效。综上所述，如何防止砾石充填颗粒的蠕动是解决上述问题的关键之一，其中管内砾石充填、预充填筛管或涂覆砂胶结筛管(以Geoform为例)是解决砾石蠕动沉降的手段之一。但目前管内砾石充填尚未有在天然气水合物试采工程中成功应用的范例，仅预充填筛管或涂覆砂胶结筛管得到了部分试采验证。与常规油气储层相比，天然气水合物储层的一个典型特点是埋深浅，地层破裂压力极低，砾石充填作业必然面临与常规深层油气不同的挑战。砾石充填作业的最终使用效果取决于工艺参数和施工作业参数两大类关键数据，为了验证天然气水合物开采过程中管内砾石充填施工作业的适应性，有必要进行大尺度管内砾石充填过程仿真，并通过一定的实验手段验证砾石充填效果(含施工质量及长期生产条件下的控砂效果两方面)，从而为解决海域浅层天然气出砂管理方面存在的严峻挑战提供支撑。为此，为满足我国粉砂质储层天然气水合物资源的开发需求，为我国海域天然气水合物试采工程出砂管理提供一定的支撑，亟待提供一种能够进行管内砾石充填防砂作业施工过程仿真的仿真系统。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于针对目前天然气水合物开采对井筒出砂控制的迫切需求，提出一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，能够进行全尺寸管内砾石充填作业过程仿真及其效果监测，为海洋浅层天然气水合物开采井砾石充填作业适应性评价提供新思路，并可为砾石充填作业的最佳施工方案和最佳工艺参数提供依据。本技术是采用以下的技术方案实现的：一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，与实际砾石充填工具为1:1对应关系，满足全尺寸砾石充填工具下入和天然气水合物储层深度条件，模拟结果可靠性高、工程实践性强，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；所述试验井子系统包括模拟井筒、模拟套管、模拟油管、三相注入管线和机械筛管，模拟井筒的井口处设置有井口防喷闸板；井口防喷闸板上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口安装有对应的闸阀；模拟套管设置在模拟井筒内，模拟井筒和模拟套管之间的环空还设置有油管穿越封隔器，具有油管穿越功能，且三相注入管线穿过所述油管穿越封隔器与固定设置在模拟井筒底部的径向流分流器相连；模拟油管和机械筛管设置在模拟套管内；模拟油管与机械筛管相连且位于机械筛管的上部，且在模拟套管的生产层段按照实际井底射孔参数预设有模拟射孔孔眼，模拟射孔孔眼段长度与机械筛管长度一致；模拟套管与模拟油管之间的环空安装有油套环空封隔器，油套环空封隔器位于模拟射孔孔眼的上方；机械筛管的外保护罩与模拟套管内壁、油套环空封隔器及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间；在砾石充填过程仿真阶段，三相注入管线穿过油管穿越封隔器向井内注入气、水、泥砂三相混合物，在充填效果监测阶段，三相注入管线的阀门处于关闭状态；所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组、水箱、砾石混砂箱、三相混合器和渣浆回收罐，充填管柱组合包括充填管路、充填封隔器和充填喷头，充填管路设置在模拟油管内，充填喷头设置在充填管路的下端，充填封隔器安装在充填喷头的上方与机械筛管内壁之间，砾石混砂箱是砾石充填过程仿真的关键部件，包括砾石、携砂液混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连，实际砾石充填过程仿真中，通过砾石混砂箱中砂比和泵排量、泵出口压力的控制，可实现不同施工参数情况下充填过程仿真的目的；所述高压气瓶组的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管和模拟油管之间形成的环空，用于向三相混合器补给气体并回收由井底分离产出的气体；所述水箱的入口端通过管路与模拟油管内的举升管柱相连，水箱的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，用于向三相混合器中补给水、泥砂混合液并回收从井底产出的水、泥砂混合物，气、水补给量与实际天然气水合物储层产出气水比一致；三相混合器包括气-水-泥砂混合搅拌器和三相注入泵，为密封高压装置，三相混合器的出口端通过管路与三相注入管路接口相连，能够实现三相的实时快速混合和注入，实际砾石充填效果仿真过程中，通过控制三相注入泵的排量和泥砂比例、粒径，来模拟不同出砂情况下井底砾石充填层的变化情况；所述渣浆回收罐通过管路与井筒携砂液返出环空连接，所述井筒携砂液返出环空为充填管路与模拟油管之间的环空，渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置，实现充填携砂液的过滤与存放；所述充填质量检测子系统包括气体分离器、举升管柱和定点压力计以及声波成像测井系统；气体分离器仅在砾石充填效果仿真监测过程中使用，气体分离器和举升管柱均设置在模拟油管内，且气体分离器的出口与油套环空气体产出回路连通，与实际天然气水合物开采井一致，气体分离器的主要作用是从储层产出的气、水、泥砂三相混合流体中分离气体，分离之后的水、泥砂混合物则通过模拟油管内部的举升管柱举升到地面；所述定点压力计包括安装在机械筛管内壁上、下两端的定点压力计P3和定点压力计P2，以及安装在模拟套管的充填部位管外上、下两端的定点压力计P4和定点压力计P1；所述充填质量检测子系统为常规井下声波成像测井系统，能够测量筛管外充填层的灰度值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，与现场实际施工工具为1:1对应关系，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；所述试验井子系统包括模拟井筒、模拟套管、模拟油管、三相注入管线和机械筛管，模拟井筒的井口处设置有井口防喷闸板；井口防喷闸板上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口处均安装有对应的闸阀；模拟套管设置在模拟井筒内，模拟井筒和模拟套管之间的环空还设置有油管穿越封隔器，且三相注入管线穿过所述油管穿越封隔器与固定设置在模拟井筒底部的径向流分流器相连；模拟油管和机械筛管设置在模拟套管内，模拟油管与机械筛管相连且位于机械筛管的上部；且在模拟套管的生产层段按照实际井底射孔参数预设有模拟射孔孔眼，模拟射孔孔眼段长度与机械筛管长度一致；模拟套管与模拟油管之间的环空还安装有油套环空封隔器，油套环空封隔器位于模拟射孔孔眼的上方；机械筛管的外保护罩与模拟套管内壁、油套环空封隔器及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间；所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组、水箱、砾石混砂箱、三相混合器和渣浆回收罐，充填管柱组合包括充填管路、充填封隔器和充填喷头，充填管路设置在模拟油管内，充填喷头设置在充填管路的下端，充填封隔器安装在充填喷头的上方与机械筛管内壁之间；砾石混砂箱包括混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连；所述高压气瓶组的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管和模拟油管之间形成的环空；所述水箱的入口端通过管路与模拟油管内的举升管柱相连，水箱的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连；三相混合器包括气‑水‑泥砂混合搅拌器和三相注入泵，三相混合器的出口端通过管路与三相注入管路接口相连；所述渣浆回收罐通过管路与井筒携砂液返出环空连接，所述井筒携砂液返出环空为充填管路与模拟油管之间的环空，渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置；所述充填质量检测子系统包括气体分离器、举升管柱和定点压力计以及声波成像测井系统；气体分离器仅在砾石充填效果仿真监测过程中使用，气体分离器和举升管柱均设置在模拟油管内，且气体分离器的出口与油套环空气体产出回路连通；所述定点压力计包括安装在机械筛管内壁上、下两端的定点压力计P3和P2，以及安装在模拟套管的充填部位管外上、下两端的定点压力计P4和P1；所述充填质量检测子系统为常规井下声波成像测井系统。...

【技术特征摘要】
1.水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，与现场实际施工工具为1:1对应关系，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；所述试验井子系统包括模拟井筒、模拟套管、模拟油管、三相注入管线和机械筛管，模拟井筒的井口处设置有井口防喷闸板；井口防喷闸板上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口处均安装有对应的闸阀；模拟套管设置在模拟井筒内，模拟井筒和模拟套管之间的环空还设置有油管穿越封隔器，且三相注入管线穿过所述油管穿越封隔器与固定设置在模拟井筒底部的径向流分流器相连；模拟油管和机械筛管设置在模拟套管内，模拟油管与机械筛管相连且位于机械筛管的上部；且在模拟套管的生产层段按照实际井底射孔参数预设有模拟射孔孔眼，模拟射孔孔眼段长度与机械筛管长度一致；模拟套管与模拟油管之间的环空还安装有油套环空封隔器，油套环空封隔器位于模拟射孔孔眼的上方；机械筛管的外保护罩与模拟套管内壁、油套环空封隔器及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间；所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组、水箱、砾石混砂箱、三相混合器和渣浆回收罐，充填管柱组合包括充填管路、充填封隔器和充填喷头，充填管路设置在模拟油管内，充填喷头设置在充填管路的下端，充填封隔器安装在充填喷头的上方与机械筛管内壁之间；砾石混砂箱包括混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连；所述高压气瓶组的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管和模拟油管之间形成的环空；所述水箱的入口端通过管路与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦龙，吴能友，胡高伟，万义钊，陈强，卜庆涛，刘昌岭，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：新型
国别省市：山东,37