水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统，包括井下子系统、地面子系统及数据采集子系统，能够满足实际天然气水合物开采井筛管工况的全尺寸仿真，仿真结果可以直接用于海洋天然气水合物开采井筛管冲蚀破坏情况评估；首创性地将筛管冲蚀和实际水合物生产井工况条件相结合，通过压力传感器、压差传感器、在线激光粒度仪与井口出砂浓度测量仪联合，实现筛管冲蚀状况的实时监测，通过模拟实验可以得到筛管在水合物生产条件下的冲蚀破坏规律，评价筛管在水合物开采过程中的抗冲蚀适应性，进而为天然气水合物开采井筛管外保护罩导流槽的设计、筛管类型的优选、降压控砂方案的风险提示及储存的改造区间选择提供数据支撑。

Simulation system for erosion evaluation of mechanical sieve tubes in hydrate mining wells

The utility model discloses a simulation system for the evaluation of the erosion of the mechanical sieve tube in a hydrate mining well, which includes the well system, the ground subsystem and the data acquisition subsystem, which can satisfy the full size simulation of the actual gas hydrate production well, and the simulation results can be directly used for the Yu Haiyang gas hydrate mining well. The evaluation of erosion damage is made, and it is the first to combine the erosion of sieve tube with the working condition condition of the actual hydrate production well, and through the pressure sensor, pressure difference sensor, the on-line laser particle size meter and the wellhead sand concentration measuring instrument, the real-time monitoring of the erosion condition of the sieve tube is realized, and the hydrates can be obtained through the simulation experiment. The erosion failure law under production conditions is used to evaluate the anti erosion adaptability of the sieve tube in the process of hydrate mining, and then provide data support for the design of the guide groove of the outer shield of the sieve tube of the gas hydrate mining well, the selection of the type of sieve tube, the risk prompting of the depressurization control sand control scheme and the storage area.

【技术实现步骤摘要】
水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统
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防砂筛管冲蚀过程仿真、冲蚀参数评价及基于冲蚀仿真结果优选筛管的仿真系统。
技术介绍
天然气水合物是上世纪70年代发现的一种稳定存在了百万年的天然气能源，这种像冰一样的固体含烃化合物赋存与海洋和冻土中。世界各国就天然气水合物的开发展开了竞争，目前全球已进行过数次大型试采，我国也于2017年对南海神狐海域的天然气水合物进行了试采实验，获得了60天30.9万方产气的良好试采效果。本次神狐海域天然气水合物试采过程中，基于三相控制开采理论，对泥砂、气液产出规律进行实时调控，防止了储层失稳和井底筛管的冲蚀，因此出砂控制是保证我国首次海域天然气水合物试采成功的关键之一。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。日本于2013年在NankaiTrough进行了海上天然气水合物试采实验，实验中使用了裸眼管外砾石充填的方法进行防砂。使用这种方法在实验前期(5d)取得了一定的效果。但是，由于水合物本身在地层中占据了一定的体积空间，水合物的分解将导致地层产生一定的亏空，并且由于采用的降压法开采，亏空由井筒逐渐向远处地层进行蔓延，原本充填好的砾石层就会发生移动和沉降，砾石层由此也会产生一定的亏空，导致防砂筛管直接暴露在气、液、砂三相流动的空间中，由于流速较快，在当时环境下很容易就使筛管发生冲蚀，防砂失效。因此，在水合物产业化进程中，井底筛管的腐蚀将是一个不可回避的课题，对防砂筛网的抗冲蚀性能进行检测是优选筛管材质、提前进行产能调控的重要依据，更是保证防砂措施有效期的迫切需求。目前在常规油气行业蒸汽吞吐生产的环境中已有部分关于筛管冲蚀的研究，国内尚不存在专门针对海洋粉砂质天然气水合物生产环境下对筛管的抗冲蚀性能评估相关的研究。机械筛管作为井底控砂技术的关键环节，其中筛网的抗冲蚀能力影响着筛管的挡砂性能，直接关系到防砂有效期和试采周期的长短。在水、气和砂三相流动的冲蚀作用下，筛管的网缝变形、冲蚀破坏规律与常规油气井所面临的筛管冲蚀问题而言，具有其独特性和复杂性。无论采取何种天然气水合物开采方式，都有可能出现筛管直接面对水、气、砂三相流冲击的情况，筛管的抗冲蚀性能直接地影响了挡砂效果。为此，如果能够建立满足模拟实际水合物井筒生产条件的实验装置，对水合物生产井筛管进行冲蚀过程仿真模拟实验，观察不同开采工作制度条件下水合物产出物对筛管筛网的冲蚀破坏过程，初步估计不同防砂筛管的使用寿命，则可为海洋天然气水合物开采井的筛管优选评价提供更全面的支撑，并对实际天然气水合物开采过程中以防冲蚀为目的的产能实时调控提供基础数据支持。基于上述分析，为满足我国粉砂质储层天然气水合物资源产业化开发需求，为我国海域天然气水合物试采工程筛管优选和生产制度调控提供一定的支撑，本技术将提供一种能够进行筛管冲蚀仿真的实验装置。
技术实现思路
本技术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机械筛管冲蚀评价仿真系统，为我国海洋泥质粉砂天然气水合物开采井筛管评价优选及生产制度的实时调控提供新思路。本技术是采用以下的技术方案实现的：水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统，与实际施工工具为1:1对应关系，仿真实验过程中，该系统形成一封闭的高压循环系统，模拟最大压力15MPa，满足实际天然气水合物储层压力条件的模拟，包括井下子系统、地面子系统及数据采集子系统；所述井下子系统的基本构架为一口深度为200m的试验井，能够满足实际天然气水合物开采井筛管工况的全尺寸仿真，包括模拟井筒以及设置在模拟井筒内的模拟油管、机械筛管、机械筛管封堵器、油管穿越封隔器、气液混合器、预置供砂器、气体分离器、气体注入管线、液体注入管线及补液反冲管线；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有气体注入管线接口、液体注入管线接口、气体产出管路接口、水砂产出管路接口和补液反冲管线接口，且各管路接口安装有对应的闸阀；模拟油管的下端与机械筛管相连，机械筛管封堵器安装在机械筛管的底部；油管穿越封隔器设置在模拟井筒与模拟油管所形成的环空中，具有油管穿越功能，气体注入管线和液体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气液混合器相连；预置供砂器设置在机械筛管和气液混合器之间，且位于油管穿越封隔器的下方；气体分离器设置在模拟油管内，位于模拟油管与机械筛管接箍处并与模拟油管密封连接，气体分离器的出口端与模拟井筒和模拟油管所形成的环空连通，且其连通口位于油管穿越封隔器的上方；补液反冲管线设置在模拟油管内，且其出口位于气体分离器的上方；所述地面子系统包括气体供给回收罐组、仿真注水箱及携砂补水箱；气体供给回收罐组的出口端安装有调压阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体注入管线接口相连，气体供给回收罐组的入口端安装有单向阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体产出管路接口相连；仿真注水箱的入口端与数据采集子系统的在线激光粒度仪相连，其出口端与井口防喷闸板上的液体注入管线接口相连接；携砂补水箱的入口端与仿真注水箱通过高压管线相连，且在两者之间的高压管线上设置有背压阀，当仿真注水箱内压力达到特定值时，自动向携砂补水箱排液，实现仿真注水箱与携砂补水箱之间水量的动态可控交换，携砂补水箱的出口端通过高压管线与井口防喷闸板上的补液反冲管线接口相连；气体供给回收罐组可以储存气体，并将气体通过气体注入管线注入气液混合器中，此外，还可以收集从气体分离器中分离的气体，实现循环注入；仿真注水箱通过液体注入管线向气液混合器中注水，携砂补水箱通过补液反冲管线将液体注入气体分离器的上部，将部分发生沉积的砂粒携带通过模拟油管产出；所述数据采集子系统包括数据采集计算机以及与其相连的在线激光粒度仪、井口出砂浓度测量仪、压力传感器和压差传感器，压力传感器和压差传感器均与数据采集计算机相连；其中，在线激光粒度仪和井口出砂浓度测量仪设置在地面上，两者以串联方式连接在水砂产出管路接口与仿真注水箱之间，压力传感器包括分别安装在气液混合器内部和机械筛管封堵器上方的压力传感器P1和压力传感器P2，压差传感器包括分别安装在被测机械筛管的上下两端的压差传感器dP2和压差传感器dP2，以测量冲蚀过程仿真过程中筛管两端内外侧的压力降；所述压力传感器和压差传感器的数据通过数据传输实时传输到地面数据采集计算机，用于观察筛管发生冲蚀破坏的临界条件。进一步的，所述预置供砂器为横截面为圆环状的柱体结构，包括内侧壁、外侧壁以及上顶板和下底板，内侧壁和外侧壁与上顶板和下底板之间形成的环腔中填充有模拟地层砂；且所述内侧壁包括上内侧壁和下内侧壁，外侧壁包括上外侧壁和下外侧壁，下内侧壁和下外侧壁均采用多孔网板形式设计，且下外侧壁的多孔网板的孔径小于下内侧壁的多孔网板的孔径，下内侧壁和下外侧壁组成预置供砂器的下部带孔段，上内侧壁和上外侧壁组成预置供砂器的上部密封段，下内侧壁的孔径较粗，以保证不会对气液携砂冲击筛管过程造成阻挡，而下外侧板较细的孔径则保证预置供砂器中的砂粒不会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统，与实际施工工具为1:1对应关系，其特征在于，包括井下子系统、地面子系统及数据采集子系统；所述井下子系统包括模拟井筒以及设置在模拟井筒内的模拟油管、机械筛管、机械筛管封堵器、油管穿越封隔器、气液混合器、预置供砂器、气体分离器、气体注入管线、液体注入管线及补液反冲管线；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有气体注入管线接口、液体注入管线接口、气体产出管路接口、水砂产出管路接口和补液反冲管线接口，且各管路接口安装有对应的闸阀；模拟油管的下端与机械筛管相连，机械筛管封堵器安装在机械筛管的底部；油管穿越封隔器设置在模拟井筒与模拟油管所形成的环空中，气体注入管线和液体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气液混合器相连；预置供砂器设置在机械筛管和气液混合器之间，且位于油管穿越封隔器的下方；气体分离器设置在模拟油管内，位于模拟油管与机械筛管接箍处并与模拟油管密封连接，气体分离器的出口端与模拟井筒和模拟油管所形成的环空连通；补液反冲管线设置在模拟油管内，且其出口位于气体分离器的上方；所述地面子系统包括气体供给回收罐组、仿真注水箱及携砂补水箱；气体供给回收罐组的出口端安装有调压阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体注入管线接口相连，气体供给回收罐组的入口端安装有单向阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体产出管路接口相连；仿真注水箱的入口端与数据采集子系统的在线激光粒度仪相连，其出口端与井口防喷闸板上的液体注入管线接口相连接；携砂补水箱的入口端与仿真注水箱通过高压管线相连，且在两者之间的高压管线上设置有背压阀，携砂补水箱的出口端通过高压管线与井口防喷闸板上的补液反冲管线接口相连；仿真注水箱通过液体注入管线向气液混合器中注水，携砂补水箱通过补液反冲管线将液体注入气体分离器的上部，将部分发生沉积的砂粒通过模拟油管产出；所述数据采集子系统包括数据采集计算机以及与其相连的在线激光粒度仪、井口出砂浓度测量仪、压力传感器和压差传感器，压力传感器和压差传感器均与数据采集计算机相连；其中，在线激光粒度仪和井口出砂浓度测量仪设置在地面上，两者以串联方式连接在水砂产出管路接口与仿真注水箱之间，压力传感器包括分别安装在气液混合器内部和机械筛管封堵器上方的压力传感器P1和压力传感器P2，压差传感器包括分别安装在被测机械筛管的上下两端的压差传感器dP2和压差传感器dP2。...

【技术特征摘要】
1.水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统，与实际施工工具为1:1对应关系，其特征在于，包括井下子系统、地面子系统及数据采集子系统；所述井下子系统包括模拟井筒以及设置在模拟井筒内的模拟油管、机械筛管、机械筛管封堵器、油管穿越封隔器、气液混合器、预置供砂器、气体分离器、气体注入管线、液体注入管线及补液反冲管线；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有气体注入管线接口、液体注入管线接口、气体产出管路接口、水砂产出管路接口和补液反冲管线接口，且各管路接口安装有对应的闸阀；模拟油管的下端与机械筛管相连，机械筛管封堵器安装在机械筛管的底部；油管穿越封隔器设置在模拟井筒与模拟油管所形成的环空中，气体注入管线和液体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气液混合器相连；预置供砂器设置在机械筛管和气液混合器之间，且位于油管穿越封隔器的下方；气体分离器设置在模拟油管内，位于模拟油管与机械筛管接箍处并与模拟油管密封连接，气体分离器的出口端与模拟井筒和模拟油管所形成的环空连通；补液反冲管线设置在模拟油管内，且其出口位于气体分离器的上方；所述地面子系统包括气体供给回收罐组、仿真注水箱及携砂补水箱；气体供给回收罐组的出口端安装有调压阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体注入管线接口相连，气体供给回收罐组的入口端安装有单向阀，并通过管线与井口防喷闸板上的气体产出管路接口相连；仿真注水箱的入口端与数据采集子系统的在线激光粒度仪相连，其出口端与井口防喷闸板上的液体注入管线接口相连接；携砂补水箱的入口端与仿真注水箱通过高压管线相连，且在两者之间的高压管线上设置有背压阀，携砂补水箱的出口端通过高压管线与井口防喷闸板上的补液反冲管线接口相连；仿真注水箱通过液体注入管线向气液混合器中注水，携砂补水箱通过补液反冲管线将液体注入气体分离器的上部，将部分发生沉积的砂粒通过模拟油管产出；所述数据采集子系统包括数据采集计算机以及与其相连的在线激光粒度仪、井口出砂浓度测量仪、压力传感器和压差传感器，压力传感器和压差传感器均与数据采集计算机相连；其中，在线激光粒度仪和井口出砂浓度测量仪设置在地面上，两者以串联方式连接在水砂产出管路接口与仿真注水箱之间，压力传感器包括分别安装在气液混合器内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩伽，李彦龙，胡高伟，刘昌岭，万义钊，吴能友，陈强，黄丽，
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