砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统、数据处理系统及CT扫描系统，所述主体反应系统包括反应釜，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，内部填装模拟地层泥砂层和充填砾石层，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒。本发明专利技术运用CT扫描可得到携砂流体带入的细砂颗粒迁移、堆积规律砂桥的形成以及砾石充填层孔隙度变化情况，不仅能实现识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的定量观测，还能对整体堵塞程度进行评价，从而为砾石充填层参数和降压方案联动设计提供基础思路。

【技术实现步骤摘要】
砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法
本专利技术涉及天然气水合物开采
，具体涉及一种天然气水合物开采过程中地层砂颗粒的运移堆积和水合物生成条件下的砾石充填层堵塞规律及堵塞程度评价的模拟实验装置及实验方法。
技术介绍
天然气水合物被认为是具有良好前景的重要后续能源，具有分布广，资源量大、能量密度大和无污染等优点。如果天然气水合物开采过程中地层产出砂被携砂流体携带进入挡砂介质，地层产出的细砂颗粒在砾石充填层内部孔隙中运移、堆积，使砾石充填层的渗透率降低，造成砾石充填层堵塞，严重影响开采井的产能。尤其是在砾石充填层尺寸设计不合理的情况下，泥质粉砂储层产出的固相颗粒很容易进入砾石充填层但是却无法保证其顺利排出，这种情况下会导致严重的泥质堵塞，引起砾石充填层渗透率进一步降低。专利号CN201711040805.9公开了一种用于评价水合物开采条件下防砂筛管堵塞规律的评价装置，但该装置实际上无法模拟天然气水合物生产井工况，只能以模拟常规油气井中堵塞的方式看，从定性角度对水合物生产井中可能造成的筛管堵塞进行模拟。更进一步的，天然气水合物开采过程中充填砾石层面临的另外一个重要的砾石充填层堵塞风险是砾石充填层中水合物的二次生成堵塞。理论上讲，降压开采条件下从地层中产出的泥砂颗粒表面都含有水合物分解生成的孔隙水，而这部分孔隙水具备天然气水合物生成的记忆效应，记忆效应导致水合物更容易在其表面二次生成。因此一旦井底温压条件达到水合物二次生成条件且泥砂在砾石层中发生沉淀堆积，则一定会加剧天然气水合物的二次生成堵塞风险。这种堵塞风险与泥砂本身的沉淀堆积堵塞风险叠加，使井底砾石充填层面临的工况更加复杂。但目前尚无专门针对该协同效应的相关研究装备与无法定量识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的大小的方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种能够与CT扫描技术联合使用的、用于实现识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的定量观测的模拟实验装置及方法。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统和数据处理系统，所述供气系统和供液系统通过注入系统给主体反应系统供气和供液形成混合流体，温度控制系统用以控制装置内流体温度，分离收集系统用以对主体反应系统流出的流体进行气液分离并收集，数据处理系统用以采集整个装置内的压力及流量数据并分析处理；所述主体反应系统包括反应釜，其上设有流体入口与流体出口，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，两端安装有反应釜端盖，内部流体上游填装模拟地层泥砂层，下游填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒，所述反应釜端盖与模拟地层泥砂层之间安装分流块。还包括CT扫描系统，所述CT扫描系统包括x射线源和探测器，所述x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转。进一步地，所述注入系统，包括搅拌器，通过管线与所述流体入口相连接，在管线上依次安装有恒速泵、三号流量计和一号压力表；所述供气系统，包括气瓶，气瓶通过供气管道与所述搅拌器相连接，在供气管道上设有一号阀门、增压泵和一号流量计；所述供液系统，所述供液系统包括水箱，通过供液管线与所述搅拌器相连接，在供液管道上安装有二号阀门、泵和二号流量计。进一步地，所述温度控制系统，包括温度控制单元以及与其电连接的制冷机、热辐射器、散热风扇以及温度传感器；所述制冷机位于反应釜端盖内部，所述热辐射器和所述散热风扇安装在反应釜端盖外，温度传感器安装在反应釜上，其探头深入反应釜内，温度控制单元根据温度传感器将测得的数据，控制制冷机、热辐射器及散热风扇，进而控制流体入口进入的混合流体的温度以及反应釜内温度。进一步地，所述分离收集系统，包括气液分离器、集气瓶和集液箱，气液分离器的出口分别连接集气瓶和集液箱，入口与反应釜流体出口之间的管线上依次连接二号压力计、单向阀和集砂器。与所述的一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置对应的，本专利技术还提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟方法，包括如下步骤：步骤A、气密性监测：检测实验系统的气密性；步骤B、砾石层装填：用核桃壳或陶粒将砾石层填满；步骤C、安装反应釜的保温层；步骤D、搅拌混合：通过供气系统和供液系统按照一定的比例将甲烷气、水和细砂颗粒加入搅拌器内，搅拌使其混合均匀；步骤E、驱替：将搅拌好的混合液通过恒速泵以一定的速度向反应釜内注入，驱替过程中，记录各参数随时间的变化情况；步骤F、CT扫描：步骤F1、根据五相特征灰度值，统一CT图像质量的扫描曝光时间、切片数目、电流、电压值；步骤F2、对未生成水合物、未发生堵塞条件下的砾石层进行扫描，通过计算未生成水合物、未发生堵塞条件下砾石层的孔隙度验证步骤F1扫描参数设置正确性，如果准确，返回步骤E，否则，返回步骤F1重新设置；步骤F3、开启温度控制系统，降低温度，模拟水合物的生成过程并进行扫描，仿真水合物生成、泥砂堆积对砾石层灰度值的影响。步骤G、砾石层中细砂颗粒的运移堆积规律和砾石层堵塞特性分析。进一步地，所述步骤E中，驱替过程中获得流量、温度和压力随时间的变化。进一步地，所述步骤G中，通过对比不同时刻的砾石层的CT扫描图像建立细砂颗粒在砾石层中的运移堆积过程和近筛网部分砂拱的形成过程，分析特定位置颗粒运移堆积的规律和砂拱变化条件；通过驱替过程中的压力变化计算挡砂介质部分渗透率的变化，结合渗透率变化和颗粒堆积过程，进一步分析地层砂颗粒和水合物的协同作用对砾石充填层的堵塞特性的影响。进一步地，砾石充填层部分的渗透率根据如下公式求得：其中，k为砾石充填层部分的渗透率；Q为通过反应釜的流量；μ为流体的粘度；L为砾石充填层部分的长度；A为反应釜内壁的横截面积；Δp为砾石充填层两端的压力之差。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术提供了一种基于CT的天然气水合物开采过程中地层砂颗粒的运移堆积和水合物生成条件下的砾石充填层堵塞规律及堵塞程度评价的模拟实验装置及实验方法，能够模拟不同生产条件下天然气水合物的生成和地层砂颗粒的运移堆积导致砾石充填层的堵塞，基于CT扫描设备和砾石充填层中渗透率的变化，建立地层砂颗粒的运移堆积过程和砾石充填层的堵塞过程，研究携砂流体性质、砾石层充填参数、地层砂颗粒性质以及天然气水合物的生成等因素对砾石充填层堵塞特性的影响规律，分析天然气水合物的生成与地层砂颗粒的堆积在砾石充填层堵塞过程中的协同效果和其它相互作用，评估天然气水合物的生成对砾石充填层堵塞程度的影响，可为天然气水合物开采过程中砾石充填层堵塞机理分析和水合物的高效持续开采提供参考依据。本专利技术通过CT扫描系统的运用，能够模拟防砂井出砂过程中地层砂颗粒在砾石充填层中的运移过程和砾石充填层的堵塞过程。运用CT扫描可得到携砂流体带入的细砂颗粒迁移、堆积规律砂桥的形成以及砾石充填层孔隙度变化情况，可以直观地分析砾石充填层堵塞特性。本专利技术可分析地层砂颗粒和水合物的生成对砾石充填层堵塞过程中的协同效果和其它相互作用。模拟天然气水合物开采过程中的地层砂颗粒在砾石充填层中的运移堆积以及在井下的温度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统和数据处理系统，所述供气系统和供液系统通过注入系统给主体反应系统供气和供液形成混合流体，温度控制系统用以控制装置内流体温度，分离收集系统用以对主体反应系统流出的流体进行气液分离并收集，数据处理系统用以采集整个装置内的压力及流量数据并分析处理，其特征在于：所述主体反应系统包括反应釜，其上设有流体入口与流体出口，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，两端安装有反应釜端盖，内部流体上游填装模拟地层泥砂层，下游填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒，所述反应釜端盖与模拟地层泥砂层之间安装分流块。还包括CT扫描系统，所述CT扫描系统包括x射线源和探测器，所述x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转。

【技术特征摘要】
1.一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统和数据处理系统，所述供气系统和供液系统通过注入系统给主体反应系统供气和供液形成混合流体，温度控制系统用以控制装置内流体温度，分离收集系统用以对主体反应系统流出的流体进行气液分离并收集，数据处理系统用以采集整个装置内的压力及流量数据并分析处理，其特征在于：所述主体反应系统包括反应釜，其上设有流体入口与流体出口，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，两端安装有反应釜端盖，内部流体上游填装模拟地层泥砂层，下游填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒，所述反应釜端盖与模拟地层泥砂层之间安装分流块。还包括CT扫描系统，所述CT扫描系统包括x射线源和探测器，所述x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转。2.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：所述注入系统，包括搅拌器，通过管线与所述流体入口相连接，在管线上依次安装有恒速泵、三号流量计和一号压力表；所述供气系统，包括气瓶，气瓶通过供气管道与所述搅拌器相连接，在供气管道上设有一号阀门、增压泵和一号流量计；所述供液系统，所述供液系统包括水箱，通过供液管线与所述搅拌器相连接，在供液管道上安装有二号阀门、泵和二号流量计。3.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：所述温度控制系统，包括温度控制单元以及与其电连接的制冷机、热辐射器、散热风扇以及温度传感器；所述制冷机位于反应釜端盖内部，所述热辐射器和所述散热风扇安装在反应釜端盖外，温度传感器安装在反应釜上，其探头深入反应釜内，温度控制单元根据温度传感器测得的数据，控制制冷机、热辐射器及散热风扇，进而控制流体入口进入的混合流体的温度以及反应釜内温度。4.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：所述分离收集系统，包括气液分离器、集气瓶和集液箱，气液分离器的出口分别连接集气瓶和集...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦龙，董林，刘昌岭，陈强，李承峰，孟庆国，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