监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，包括：井筒‑水合物储层耦合传热传质单元以及钻井液循环单元；井筒‑水合物储层耦合传热传质单元通过填砂压实的方法模拟储层结构，为多孔介质中水合物的生成、分解与再生成提供反应场所，并利用包括温压传感、电阻抗传感、超声波监测、TDR监测以及核磁共振追踪同位素在内的多种监测手段，实时记录储层内不同位置的物性参数变化；钻井液循环单元用于模拟不同钻进参数的钻井液循环；该装置可以模拟不同水深条件下的水合物储层，在钻井液侵入过程中，监测井筒‑储层传热传质时储层内部温度、压力、电阻抗的变化和分解流体、原始固相水合物等物质的迁移规律。

【技术实现步骤摘要】
监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置
本专利技术属于石油天然气开发领域，具体地，涉及一种监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，用于观察和分析不同条件下钻井液侵入水合物储层的内部行为动态变化，从而总结归纳出相应的规律。
技术介绍
水合物是一种笼型结构络合物，通常由小分子烃(如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷等)和水分子组成。其具有储量丰富、分布广泛、能量密度高以及燃烧后污染小等优点，被视为未来能够代替传统化石燃料的清洁能源，受到了世界各国的追捧与关注。许多国家都已先后开展了天然气水合物试采项目，但目前只有前苏联在麦索亚哈气田的试采具有可观的商业效益。自然界中的天然气水合物主要赋存在深水地层以及大陆架冻土层中。极端恶劣的环境给开采工程带来了种种困难，对技术人员和配套设备提出了更高的要求。除了风暴、地震以及风浪流等因素的影响，水合物自身对温度、压力的敏感性也是工程上需要克服的重大难题。水合物的分解与再生成往往会导致地层坍塌、井壁失稳、井涌井喷、管道堵塞等事故，影响正常生产，危害人员与设备的安全。钻井是开采地下能源的必要手段。当钻井液在循环过程中侵入储层时，会与储层发生传热传质。与常规储层不同，水合物储层在吸收一定能量后，温度会逐渐上升直至超过水合物相平衡曲线，分解吸热生成大量的气和水。而生成的流体会在局部压差作用下扩散，阻碍钻井液向储层深处流动，如果有合适的温度压力，还会重新生成水合物固体颗粒，改变储层物性。该过程包含了钻井液与储层之间的相互作用，涉及到了多个变量参数，相对复杂。一旦控制不当，会引发一系列的地质灾难，造成难以挽回的损失。目前，国内外学者在水合物领域的实验研究主要集中在模拟水合物的生成与分解，探究水合物不同环境下的相平衡条件。而水合物储层内传热传质的研究尚不成熟，对钻井液侵入水合物储层后的行为动态规律的认识更是近乎空白。针对上述情况，有必要在室内设计一套能够监测分析深水环境下钻井液侵入过程中水合物储层物性变化的装置，通过改变钻井液温度、井筒压力、储层孔隙度、水合物饱和度等参数获得相应的数据，以总结归纳出相应的规律，从而为深水钻采水合物提供优化方案和预测风险的理论依据，保障现场作业的安全。
技术实现思路
为填补目前技术空白，本专利技术提供一种用于模拟深水环境下钻井液侵入水合物储层，并通过改变钻井液温度、井筒压力、储层孔隙度、水合物饱和度、储层初始温度和压力等参数来分析相关规律的装置，为深水钻采水合物过程中避免钻井液引发大规模水合物分解事故提供优化方案和预测风险的理论依据。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，包括：井筒-水合物储层耦合传热传质单元以及钻井液循环单元；井筒-水合物储层耦合传热传质单元通过填砂压实的方法模拟储层结构，为多孔介质中水合物的生成与钻井液侵入条件下水合物的分解与再生成提供反应场所，并利用包括温度压力传感、电阻抗传感、超声波监测、TDR监测以及核磁共振追踪同位素在内的多种监测手段，实时记录储层内不同位置的物性参数变化；钻井液循环单元用于模拟不同钻进参数的钻井液循环，并利用循环前后流量计之差计量侵入钻井液量；该装置可以模拟不同水深条件下的水合物储层，遭受不同作业参数钻井液侵入的情况，监测井筒-储层传热传质过程中，储层内部温度、压力、电阻抗的变化和分解流体、原始固相水合物等特定物质的迁移规律。相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：1、可以通过温度、压力、声波、电磁波、电阻抗多种手段来监测储层内不同位置的物性参数随钻井液侵入的变化，相互验证，提高数据准确率与可靠性，从而分析相应的行为动态规律；2、可以通过改变填充砂石的粒径和注入砂石的气液比例来改变模拟储层的孔隙度和水合物的饱和度，分析其对钻井液侵入储层行为动态规律的影响；3、可以通过改变钻井液的盐度、温度、循环排量与井筒压力，来分析其对钻井液侵入储层行为动态规律的影响；4、可以通过改变注入气体和液体中的标记元素，包括H3、C14、O20在内的碳氢氧放射性同位素，追踪钻井液侵入储层过程中，不同水合物的分解情况以及分解流体的扩散情况；5、可以通过改变实验系统的环境温度和环境压力，模拟不同水深条件下钻井液侵入水合物储层的情况；6、在钻井液循环之前可以将井筒部分与储层部分绝热绝缘隔离，避免相互影响，与现场实际情况更相近。附图说明图1是监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化装置的示意图；图2是同一组综合传感器在竖直截面上的分布示意图；图3是绝热绝缘闸板与水平直筒管柱之间连接示意图；图中：101、竖直直筒管柱，102、水平直筒管柱，103、水平直筒管柱盖塞，201、综合传感器，202、核磁共振系统，203、超声波雾化探头，204、同轴型TDR探针，301、第一流量计，302、第二流量计，303、第一压力表，304、第二压力表，305、第三压力表，306、第一温度表，307、第二温度表，308、第三温度表，401、泥浆池，402、可控加热器，403、高压往复循环泵，404、回压阀，501、可控伸缩管，502、绝热绝缘闸板，503、气液混合供给模块。具体实施方式如图1所示，监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，包括：井筒-水合物储层耦合传热传质单元以及钻井液循环单元；井筒-水合物储层耦合传热传质单元通过填砂压实的方法模拟储层结构，为多孔介质中水合物的生成与钻井液侵入条件下水合物的分解与再生成提供反应场所，并利用包括温度压力传感、电阻抗传感、超声波监测、TDR监测以及核磁共振追踪同位素在内的多种监测手段，实时记录储层内不同位置的物性参数变化；钻井液循环单元用于模拟不同钻进参数的钻井液循环，并利用循环前后流量计之差计量侵入钻井液量；该装置可以模拟不同水深条件下的水合物储层，遭受不同作业参数钻井液侵入的情况，监测井筒-储层传热传质过程中，储层内部温度、压力、电阻抗的变化和分解流体、原始固相水合物等特定物质的迁移规律。井筒-水合物储层耦合传热传质单元，包括：竖直直筒管柱101、水平直筒管柱102、水平直筒管柱盖塞103；其中，竖直直筒管柱101采用圆形管柱、竖直放置，水平直筒管柱102采用圆形管柱、水平放置，竖直直筒管柱101、水平直筒管柱102固定连接，竖直直筒管柱101与水平直筒管柱102之间呈90°夹角，竖直直筒管柱101被水平直筒管柱102分为上下两截；水平直筒管柱102采用压实法填砂，通过调整砂石粒径来改变储层孔隙度，用于模拟与井筒接触的径向一维水合物储层,其一端与竖直直筒管柱101中部连通，另一端被水平直筒管柱盖塞103封堵，水平直筒管柱102长为L，内径为D，竖直直筒管柱101用于模拟钻井液循环过程中与储层接触的井筒。水平直筒管柱102沿水平轴线方向等间距均匀安装共20组综合传感器201，每组综合传感器201包含位于同一竖直平面的4根探针，每根探针均沿径向设置，每组4根探针相互呈90°分布在水平直筒管柱102竖直截面内，两根竖直设置、两根水平设置；每根探针上携带2组探头，2组探头分别距离水平直筒管柱102内管壁D/5、2D/5，每组探头监测所处位置的温度、压力、电阻抗；综合传感器201外端设有核磁共振系统202，围绕在水平直筒管柱102周身外，用于追踪特定同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，包括：井筒‑水合物储层耦合传热传质单元以及钻井液循环单元；其特征在于，井筒‑水合物储层耦合传热传质单元通过填砂压实的方法模拟储层结构，为多孔介质中水合物的生成与钻井液侵入条件下水合物的分解与再生成提供反应场所，并利用包括温度压力传感、电阻抗传感、超声波监测、TDR监测以及核磁共振追踪同位素在内的多种监测手段，实时记录储层内不同位置的物性参数变化；钻井液循环单元用于模拟不同钻进参数的钻井液循环，并利用循环前后流量计之差计量侵入钻井液量。

【技术特征摘要】
1.一种监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，包括：井筒-水合物储层耦合传热传质单元以及钻井液循环单元；其特征在于，井筒-水合物储层耦合传热传质单元通过填砂压实的方法模拟储层结构，为多孔介质中水合物的生成与钻井液侵入条件下水合物的分解与再生成提供反应场所，并利用包括温度压力传感、电阻抗传感、超声波监测、TDR监测以及核磁共振追踪同位素在内的多种监测手段，实时记录储层内不同位置的物性参数变化；钻井液循环单元用于模拟不同钻进参数的钻井液循环，并利用循环前后流量计之差计量侵入钻井液量。2.根据权利要求1所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，井筒-水合物储层耦合传热传质单元，包括：竖直直筒管柱、水平直筒管柱、水平直筒管柱盖塞；其中，竖直直筒管柱采用圆形管柱、竖直放置，水平直筒管柱采用圆形管柱、水平放置，竖直直筒管柱、水平直筒管柱固定连接，竖直直筒管柱被水平直筒管柱分为上下两截；水平直筒管柱采用压实法填砂，通过调整砂石粒径来改变储层孔隙度，用于模拟与井筒接触的径向一维水合物储层,其一端与竖直直筒管柱中部连通，另一端被水平直筒管柱盖塞封堵，水平直筒管柱长为L，内径为D，竖直直筒管柱用于模拟钻井液循环过程中与储层接触的井筒。3.根据权利要求1-2所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，水平直筒管柱沿水平轴线方向等间距均匀安装共20组综合传感器，每组综合传感器包含位于同一竖直平面的4根探针，每根探针均沿径向设置，每组4根探针相互呈90°分布在水平直筒管柱竖直截面内，两根竖直设置、两根水平设置；每根探针上携带2组探头，2组探头分别距离水平直筒管柱内管壁D/5、2D/5，每组探头监测所处位置的温度、压力、电阻抗；综合传感器外端设有核磁共振系统，围绕在水平直筒管柱周身外，用于追踪特定同位素在储层内的扩散规律。4.根据权利要求1-3所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，水平直筒管柱上贴近竖直直筒管柱位置竖直设长于水平直筒管柱内径的滑道，滑道内设置可控伸缩管与绝热绝缘闸板；其中可控伸缩管与绝热绝缘闸板刚性连接，可控伸缩管驱动绝热绝缘闸板来完成对竖直直筒管柱和水平直筒管柱之间的封割；绝热绝缘闸板位于滑道内部，采用绝热绝缘硬质材料，与可控伸缩管连接部位呈T字形，与滑道形成动密封。5.根据权利要求1-4所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，水平直筒管柱盖塞采用耐高压圆柱体，其同一直径上距离圆心D/6处设有两处流动端口，用于为水平直筒管柱提供流体出入通道；两处流动端口上分别安装有第三压力表和第三温度表，分别测量出入水平直筒管柱流体的温度与压力；两处流动端口通过第一绝热管线与气液混合供给单元相连，用于为水平直筒管柱提供充足的气液混合流体以生成水合物。6.根据权利要求1-5所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，水平直筒管柱盖塞内端圆心处设有同轴TDR传感座，传感座上安装有五组同轴TDR探针，五组同轴TDR探针分别长L/6、2L/6、3L/6、4L/6、5L/6，五组同轴TDR探针水平固定在中线上，将水平直筒管柱等距分割为六部分，用于测试不同区域内水合物饱和度与含水率的变化，分析钻井液侵入状态；水平直筒管柱盖塞靠近圆心处安装有超声波雾化探头，用于测试水平直筒管柱内水合物饱和度与含水率的变化。7.根据权利要求1-6所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，钻井液循环单元，包括：泥浆池、高压往复循环泵、可控加热器和回压阀；泥浆池通过第一绝热输送管线与竖直直筒管柱上端口相连，第一绝热输送管线上自泥浆池至竖直直筒管柱上端口依次装有第一流量计、高压往复循环泵、可控加热器、第一压力表、第一温度表；竖直直筒管柱下端口通过第二绝热输送管线与泥浆池相连，第二绝热输送管线上自竖直直筒管柱下端口至泥浆池依次装有回压阀、第二压力表、第二温度表、第二流量计；泥浆池盛有足量的指定离子种类与浓度的钻井液。8.根据权利要求1-7所述的监测深水钻井液侵入过程水合物储层物性变化的装置，其特征在于，同轴型TDR探针外部热敷了一层绝缘材料。9.一种监测深水钻井液侵入过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈野，孙宝江，高永海，李昊，刘凯，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37