一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为及多孔介质形变的实验装置，包括高压反应釜、水合物样品腔、模拟井筒、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元以及数据处理单元。本发明专利技术还公开了一种采用上述实验装置进行实验的方法。本发明专利技术的实验装置及方法能够便捷的测量水合物分解过程中多孔介质的变形情况和模拟井筒内的出砂情况，能够模拟天然气水合物开采过程产沙问题，能够模拟天然气水合物开采过程气液固井内流动问题，可以准确的获得天然气水合物分解过程中的气固液三相实时产出量，操作简单，易于控制，适用于各种大小和各种形状的反应釜，为水合物开采技术提供基础实验数据及理论依据。

An experimental device and method for studying the relationship between sand behavior and radial deformation of porous media during gas hydrate extraction

The invention discloses an experimental device of natural gas hydrate research of sediment behavior in the process of mining and deformation of porous media, including high pressure reactor, hydrate sample chamber, simulation wellbore deformation measurement unit, temperature control unit, control unit, export import control unit and data processing unit. The invention also discloses a method for carrying out the experiment by adopting the experimental device. The experimental device and the method of the invention can measure the deformation of porous media and convenient hydrate decomposition process and Simulation of wellbore sand, can simulate the natural gas hydrate production process of sediment, can simulate the natural gas hydrate production process of gas-liquid flow in cementing, can accurately obtain the gas hydrate in gas liquid solid three-phase real-time the amount of output and the decomposition process is simple, easy to control, the reaction kettle is suitable for various sizes and various shapes, the hydrate mining technology provide the basic experimental data and theoretical basis.

【技术实现步骤摘要】
一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置及方法
本专利技术涉及天然气水合物开采领域，具体涉及一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置及方法。
技术介绍
天然气水合物(Naturalgashydrate，NGH)是一种在低温高压下由天然气和水生成的一种笼形结晶化合物，其外形如冰雪状，遇火既燃，俗称“可燃冰”。自然界的天然气水合物中的天然气成分主要是甲烷(>90％)，在常温常压下1m3的天然气水合物分解释放约160m3天然气，所以天然气水合物具有极高的能量密度。自然界中的天然气水合物主要存在于海洋大陆架的沉积物层和陆地冻土带。1964年，科学家在西伯利亚冻土带首次发现了自然存在的天然气水合物，不久之后，在黑海也发现了赋存于海底沉积物中的天然气水合物。到上世纪90年代，业内学者一致认为，全球天然气水合物所储藏的能量超过所有石油、煤及天然气所储藏能量的总和。在过去的20年中，全球范围内展开包括深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(IODP)，对天然气水合物的矿藏资源进行调研。目前全球天然气水合物总量的估计约1015～1018标准立方米，所以，天然气水合物被认为是21世纪石油天然气最具潜力的替代能源。资源调查显示，我国南海、东海陆坡－冲绳海、青藏高原冻土带都蕴藏着天然气水合物。因此，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。天然气水合物开采技术是实现天然气水合物资源开发利用的关键环节之一。与常规化石能源不同，天然气水合物以固体形态存在于多孔介质中。其开采的基本思路是：通过改变天然气水合物稳定存在的温-压环境，即水合物相平衡条件，造成固体水合物在储层原位分解成天然气和水后再将天然气采出。据此，科学家提出了几种常规开采技术，如：降压法、热激法以及化学试剂法。由于水合物矿藏地质环境复杂，赋存形式多样，并且开采过程包含了复杂的天然气-水-沉积物-水合物-冰组成的多相体系的相变过程及多相渗流过程，水合物开采过程中伴随水合物分解的多孔介质骨架变化是目前水合物开采中所遇到的最大问题之一。由于固态赋存的天然气水合物变为流动的水和气，原先的水合物矿藏地质特性会发生巨大变化，例如渗透率、孔隙度、力学性质和孔隙压力都发生强烈变化，从而导致多孔介质变形，引起气固液三相混合流动场，最终可能导致地层变形。所以研究天然气水合物分解过程中产沙对多孔介质变形的影响，对于水合物开采技术是否能够顺利完成以及水合物开采技术的安全性有着重要的作用。当前世界上较为先进的天然气水合物开采研究，其研究重点在不同的开采方法对水合物相变分解的效果，以及水合物分解过程中热量的消耗传递，对于真实条件下，水合物分解过程的复杂相变渗流机理的认识还处于模糊的状态。在水合物开采模拟实验中几乎全部忽略水合物开采过程中产沙与多孔介质形变之间的关系，在以往的模拟实验中利用大颗粒组成多孔介质(粒径>100um)，令水合物分解过程中的多孔介质骨架无法变化，但实际水合物矿藏中的多孔介质粒径是由0.01um的微颗粒至500um的大颗粒共同组成的，并且在水合物开采过程中产沙和形变是不可避免的。尤其是在井周围的多孔介质径向形变，可能是导致井壁坍塌和产沙的主要因素，而目前缺乏有效的实验手段对水合物分解引起的径向形变进行测量。目前天然气水合物开采实验装置已趋于更精确测量、贴近野外实际的样式发展，但具体工程实施仍面临着巨大的挑战，现有实验室装置研究成果尚不能完全满足安全经济的实地水合物开采技术的需要，需进一步研究开发可实现更精确反演海底实际水合物藏开采变化和开采设备运行情况的先进实验装备和平台，为实现安全可靠开采奠定坚实的基础。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，通过搭载真实尺寸的开采井筒，以及可更换的射孔转接头，真实模拟水合物在开采过程中的产沙行为以及气液固在井筒内的流动行为，获取水合物开采过程中产沙以及多孔介质径向形变数据，从而找出产沙行为与多孔介质径向形变之间的关系，为水合物开采技术提供基础实验数据及理论依据。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，包括高压反应釜、水合物样品腔、模拟井筒、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元以及数据处理单元；所述高压反应釜置于环境温度控制单元中，用于提供模拟实际地质条件的围压，其包括上釜盖、釜体和下釜盖；所述高压反应釜内还设有柔性橡胶套，所述柔性橡胶套、上釜盖和下釜盖围成水合物样品腔，所述水合物样品腔填充有粒径小于100um多孔介质，所述柔性橡胶套、釜体以及上釜盖和下釜盖之间围成围压腔；所述模拟井筒为侧壁设有射孔的中空圆柱结构，其位于水合物样品腔内，用以模拟水合物开采过程的产沙行为；所述形变测量单元包括一组径向形变测量单元，所述径向形变单元包括多个沿柔性橡胶套径向均布的硬连接杆，所述硬连接杆的一端与柔性橡胶套外壁连接，所述硬连接杆的另一端穿出高压反应釜釜体外壁，并与位移传感器连接，所述位移传感器通过测量硬连接杆的移动以获取水合物样品腔中多孔介质的径向变形量；所述环境温度控制单元用于控制高压反应釜中的水合物生成过程、分解过程以及取样过程的温度；所述进口控制单元用于向水合物样品腔中注入水和天然气；所述出口控制单元用于控制水合物开采过程中模拟井筒的出口压力，并进行出口产出物的分离及数据计量；所述高压反应釜、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元的感应元件均通过信号线与数据处理单元电连接，该数据处理单元用以采集和处理各感应元件的感应信号。所述出口控制单元包括依次连通的流固分离器、出口压力控制器和气液分离器，所述流固分离器安装在模拟井筒的出口处。所述径向形变测量单元为多组，且沿柔性橡胶套轴向均布，用于测量多孔介质在轴向方向的径向变形情况。所述模拟井筒的尺寸与实际钻井井筒的尺寸一致，所述模拟井筒的射孔上还设有用于改变射孔大小的转接头，所述转接头可拆卸地安装在射孔上。所述转接头上还设置有用于模拟防沙的防沙网或/和用于模拟堵塞状态的死堵。所述模拟井筒内还设置有传感器和内窥镜，用于直接测量和观察模拟井筒内产沙情况以及井内流动情况。所述高压反应釜的上釜盖和下釜盖与釜体均采用卡箍固定结构，通过橡胶圈密封使得高压反应釜可提供最高25Mpa的围压。本专利技术的另一目的在于提供一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验方法，通过真实模拟水合物在开采过程中的产沙行为以及气液固在井筒内的流动行为，获取水合物开采过程中产沙以及多孔介质径向形变数据，从而找出产沙行为与多孔介质径向形变之间的关系，为水合物开采技术提供基础实验数据及理论依据，该实验方法包括以下步骤：S1、将高压反应釜置于环境温度控制单元中，将模拟井筒置于水合物样品腔中，在水合物样品腔内填充粒径小于100um的多孔介质；S2、设定实验环境温度，设定高压反应釜的实验围压，通过进口控制单元向水合物样品腔中注入水和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，其特征在于，包括高压反应釜、水合物样品腔、模拟井筒、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元以及数据处理单元；所述高压反应釜置于环境温度控制单元中，用于提供模拟实际地质条件的围压，其包括上釜盖、釜体和下釜盖；所述高压反应釜内还设有柔性橡胶套，所述柔性橡胶套、上釜盖和下釜盖围成水合物样品腔，所述水合物样品腔填充有粒径小于100um多孔介质，所述柔性橡胶套、釜体以及上釜盖和下釜盖之间围成围压腔；所述模拟井筒为侧壁设有射孔的中空圆柱结构，其位于水合物样品腔内，用以模拟水合物开采过程的产沙行为；所述形变测量单元包括一组径向形变测量单元，所述径向形变单元包括多个沿柔性橡胶套径向均布的硬连接杆，所述硬连接杆的一端与柔性橡胶套外壁连接，所述硬连接杆的另一端穿出高压反应釜釜体外壁，并与位移传感器连接，所述位移传感器通过测量硬连接杆的移动以获取水合物样品腔中多孔介质的径向变形量；所述环境温度控制单元用于控制高压反应釜中的水合物生成过程、分解过程以及取样过程的温度；所述进口控制单元用于向水合物样品腔中注入水和天然气；所述出口控制单元用于控制水合物开采过程中模拟井筒的出口压力，并进行出口产出物的分离及数据计量；所述高压反应釜、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元的感应元件均通过信号线与数据处理单元电连接，该数据处理单元用以采集和处理各感应元件的感应信号。...

【技术特征摘要】
1.一种研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，其特征在于，包括高压反应釜、水合物样品腔、模拟井筒、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元以及数据处理单元；所述高压反应釜置于环境温度控制单元中，用于提供模拟实际地质条件的围压，其包括上釜盖、釜体和下釜盖；所述高压反应釜内还设有柔性橡胶套，所述柔性橡胶套、上釜盖和下釜盖围成水合物样品腔，所述水合物样品腔填充有粒径小于100um多孔介质，所述柔性橡胶套、釜体以及上釜盖和下釜盖之间围成围压腔；所述模拟井筒为侧壁设有射孔的中空圆柱结构，其位于水合物样品腔内，用以模拟水合物开采过程的产沙行为；所述形变测量单元包括一组径向形变测量单元，所述径向形变单元包括多个沿柔性橡胶套径向均布的硬连接杆，所述硬连接杆的一端与柔性橡胶套外壁连接，所述硬连接杆的另一端穿出高压反应釜釜体外壁，并与位移传感器连接，所述位移传感器通过测量硬连接杆的移动以获取水合物样品腔中多孔介质的径向变形量；所述环境温度控制单元用于控制高压反应釜中的水合物生成过程、分解过程以及取样过程的温度；所述进口控制单元用于向水合物样品腔中注入水和天然气；所述出口控制单元用于控制水合物开采过程中模拟井筒的出口压力，并进行出口产出物的分离及数据计量；所述高压反应釜、形变测量单元、环境温度控制单元、出口控制单元、进口控制单元的感应元件均通过信号线与数据处理单元电连接，该数据处理单元用以采集和处理各感应元件的感应信号。2.根据权利要求1所述的研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，其特征在于，所述出口控制单元包括依次连通的流固分离器、出口压力控制器和气液分离器，所述流固分离器安装在模拟井筒的出口处。3.根据权利要求2所述的研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，其特征在于，所述径向形变测量单元为多组，且沿柔性橡胶套轴向均布，用于测量多孔介质在轴向方向的径向变形情况。4.根据权利要求3所述的研究天然气水合物开采过程中产沙行为与多孔介质径向形变的关系的实验装置，其特征在于，所述模拟井筒的尺寸与实际钻井井筒的尺寸一致，所述模拟井筒的射孔上还设有用于改变射孔大小的转接头，所述转接头可拆卸地安装在射孔上。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小森，王屹，黄宁生，李刚，张郁，陈朝阳，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44