一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统及方法，其实验系统包括反应釜、气液混合驱替与控制系统、覆压伺服控制系统、气固液分离系统，反应釜包括上法兰盘、下法兰盘、环向金属框架以及覆压活塞、中心井筒，上法兰盘、环向金属框架、下法兰盘通过环向均布的螺杆连接锁紧，覆压活塞为T型，覆压活塞上端设置在反应釜内腔中、下端贯穿下法兰盘，覆压活塞中部设有连通反应釜内外的流体出口，中心井筒安装在流体出口中。通过对反应釜与上述系统的整合应用，探究水合物储层分解区域出砂与改造过程中地层孔隙结构的变化特征以及流体压力的演化规律，最终掌握涉及颗粒流动的运移规律以及流固运移过程中流体‑颗粒间的相互作用机制。

Experimental system and method of sand production and transformation of hydrate reservoir around integrated simulation well

【技术实现步骤摘要】
一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统及方法
本专利技术涉及天然气水合物储层开发过程中开采出砂以及压裂改造联合测量技术与应用
，尤其涉及一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统及方法。
技术介绍
水合物储量大、分布广、能量密度高，是一种极具潜力的可替代能源，且天然气水合物燃烧过程清洁无污染，能有效缓解人类发展所面临的能源与环境这一瓶颈问题。国际社会对这一优质的非常规能源关注广泛，截止目前，美国、日本、加拿大、韩国、印度、德国、俄罗斯和中国等世界主要国家对其进行了大量的现场调查。而以美国、日本和中国为主要代表，均已在陆域和海域成功进行了相关的技术试开采。通过试开采实验，各国研究团队验证了水合物开采技术的可行性，但在此过程中也发现了水合物开采所面临的经济性和安全性等一系列问题。这些问题都严重制约着水合物开采商业化的进程，其中水合物开采出砂影响生产井周区域的安全性，以及水合物多分布在粘土质储层中而难以快速开采影响持续生产的经济性这两方面的难题最为棘手。日本在NankaiTrough的水合物资源多以砂质储层为主，虽然开采过程中的经济性指标较好，但其第一次试采和第二次试采的两个阶段都出现了较为严重的出砂问题。尽管第二次试采在第一次砾石充填防砂的基础上采用了特殊的Geoform材料进行防砂，仍然不可避免地因为持续的开采出砂问题导致生产提前中断。而我国南海海域的水合物资源以粘质储层为主，由于试开采周期相对商业化开采时间短，且随流体运移而产出的固体颗粒较小，在试开采期间并未发生明显的出砂问题而带来安全隐患，但在后续的试开采和进一步地商业化开采过程中仍需对出砂安全问题引起重视。此外，综合我国南海水合物开采过程中的产气和产水等经济性指标的情况分析，粘质水合物储层在现有的降压开采条件下可能不足以支撑商业化开采要求所需的日产气量，必须在原有储层的基础上进行相应的储层改造。在其他能源开采领域广泛应用的压裂增产技术无疑是可以借鉴的手段，有必要针对水合物进行相关的压裂改造增产研究。具体到水合物储层实际开采过程中，由远及近存在着水合物未分解区域，水合物正在分解区域和水合物已经分解区域。由于水合物分解之后的各项性能弱化，井周水合物储层分解区域相比其他区域所面临的出砂问题，以及由此引起的井壁安全等问题更加需要关注。同时，储层改造过程中的压裂技术也决定了压裂材料以及裂缝起裂和扩展等是通过井周区域逐渐向储层内部发展的。因此，从以上角度出发，对水合物储层井周分解区域的流固运移现象进行直观深入的研究，基于掌握水合物储层改造及开采过程中的流固运移(出砂和改造)规律，了解水合物储层流固运移过程中的三相分布特征，进而厘清影响水合物储层流固运移的机理的目标，亟需设计一种能实时可视化观测水合物井周储层分解区域出砂与改造过程的模拟实验系统。
技术实现思路
为了弥补现阶段水合物出砂以及储层改造测试硬件方面的不足，本专利技术提供一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统及方法，既能用于探究含水合物开采过程中出砂所引起的储层和井壁安全稳定性问题，又能用于评价水合物储层压裂技术对储层增产改造的实际效果；针对水合物出砂问题，探讨水合物开采过程中的流固运移及分布情况，产气、产水、出砂规律和井壁区域的变形破坏演化特征；针对水合物压裂改造问题，探讨改造过程中的裂缝起裂及扩展规律；基于直观的可视化图形观测与严谨的参数监测分析，为水合物的实际开采方案提供理论上的参考和借鉴。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，包括反应釜、气液混合驱替与控制系统、覆压伺服控制系统、气固液分离系统；所述反应釜包括上法兰盘、下法兰盘、环向金属框架以及覆压活塞、中心井筒，上法兰盘、环向金属框架、下法兰盘由上至下依次叠加设置并通过环向均布的螺杆连接锁紧，使反应釜整体呈圆盘状且其内部具有圆盘状空腔；所述上法兰盘中镶嵌有耐高压可视化玻璃；所述环向金属框架上环向均布若干连通反应釜内外的流体进口；所述覆压活塞为T型，覆压活塞上端设置在反应釜内腔中、下端贯穿下法兰盘，覆压活塞中部设有连通反应釜内外的流体出口；所述中心井筒安装在流体出口中；所述下法兰盘上设有两连通反应釜内外的覆压进出口；所述气液混合驱替与控制系统与流体进口、中心井筒连通，用于向反应釜提供实验所需水气产出介质或向中心井筒提供实验所需压裂液；所述覆压伺服控制系统与覆压进出口连通，用于对反应釜内的沉积物试样施加上覆地层应力；所述气固液分离系统与中心井筒连通，用于分离出砂实验的产出物。进一步的，所述中心井筒包括出砂井筒和压裂井筒，出砂井筒用于汇集反应釜内模拟开采过程中运移产出的固、液、气产物，压裂井筒用于喷射流体至反应釜内的填充材料中，模拟压裂过程中储层内部的裂缝发展。进一步的，所述覆压活塞沿径向设有若干测压探头，测压探头贯穿覆压活塞插入反应釜内腔中，所述上法兰盘沿径向也设有若干测压探头，测压探头贯穿上法兰盘插入反应釜内腔中。进一步的，所述气液混合驱替与控制系统分为气源供给分路和液相供给分路，气源供给分路包括通过管线依次连通的气瓶、单向减压阀、第一阀门、流量计，气瓶与单向减压阀之间的管线上连接有第一压力计，液相供给分路包括通过管线依次连通的可变频螺杆泵、第二阀门，可变频螺杆泵与第二阀门之间的管线上连接有第二压力计，气源供给分路与液相供给分路汇入混合器，混合器通过管线与每一流体进口和流体出口中的中心井筒均连通，混合器与每一流体进口之间的管线上均设有第三阀门，混合器与中心井筒之间的管线上设有第四阀门。进一步的，所述混合器上连接有带第五阀门的管线，用于排空混合器内的介质，混合器与第五阀门之间的管线上连接有第三压力计。进一步的，所述覆压伺服控制系统分为覆压加载分路和覆压排空分路，覆压加载分路包括通过管线依次连通的伺服泵、第六阀门，覆压排空分路为设有第七阀门的管线，覆压加载分路接入其一覆压进出口，覆压排空分路接入另一覆压进出口，第六阀门与覆压进出口之间连接有第四压力计。进一步的，所述气固液分离系统包括通过管线依次连通的固液分离器、背压阀、气液分离器、气体收集器，气固液分离系统与流体出口中的中心井筒连通，固液分离器与中心井筒之间的管线上连接有第五压力计。进一步的，所述固液分离器上连接有带第八阀门的管线和带第九阀门的管线，分别用于排空固液分离器内的液体和气体；所述气液分离器上连接有带第十阀门的管线，用于排空气液分离器内液体；所述气体收集器上连接有带第十一阀门的管线，用于排空气体收集器内的气体。通过上述实验系统模拟井周水合物储层出砂过程的实验方法，包括以下步骤：S1、将出砂井筒安装在流体出口内；S2、模拟地层骨架材料装填进反应釜之前，先检查整个实验系统的气密性，保证密封部件的密封性能良好，各功能部件安装到位，且工作性能正常；S3、将预先选定的地层骨架材料装填至反应釜内，连接好各路阀门与管线，并采用真空泵对整个反应系统抽真空，保证系统内部环境的纯净，随后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：包括反应釜、气液混合驱替与控制系统、覆压伺服控制系统、气固液分离系统；/n所述反应釜包括上法兰盘、下法兰盘、环向金属框架以及覆压活塞、中心井筒，上法兰盘、环向金属框架、下法兰盘由上至下依次叠加设置并通过环向均布的螺杆连接锁紧，使反应釜整体呈圆盘状且其内部具有圆盘状空腔；/n所述上法兰盘中镶嵌有耐高压可视化玻璃；/n所述环向金属框架上环向均布若干连通反应釜内外的流体进口；/n所述覆压活塞为T型，覆压活塞上端设置在反应釜内腔中、下端贯穿下法兰盘，覆压活塞中部设有连通反应釜内外的流体出口；/n所述中心井筒安装在流体出口中；/n所述下法兰盘上设有两连通反应釜内外的覆压进出口；/n所述气液混合驱替与控制系统与流体进口、中心井筒连通，用于向反应釜提供实验所需水气产出介质或向中心井筒提供实验所需压裂液；/n所述覆压伺服控制系统与覆压进出口连通，用于对反应釜内的沉积物试样施加上覆地层应力；/n所述气固液分离系统与中心井筒连通，用于分离出砂实验的产出物。/n

【技术特征摘要】
1.一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：包括反应釜、气液混合驱替与控制系统、覆压伺服控制系统、气固液分离系统；
所述反应釜包括上法兰盘、下法兰盘、环向金属框架以及覆压活塞、中心井筒，上法兰盘、环向金属框架、下法兰盘由上至下依次叠加设置并通过环向均布的螺杆连接锁紧，使反应釜整体呈圆盘状且其内部具有圆盘状空腔；
所述上法兰盘中镶嵌有耐高压可视化玻璃；
所述环向金属框架上环向均布若干连通反应釜内外的流体进口；
所述覆压活塞为T型，覆压活塞上端设置在反应釜内腔中、下端贯穿下法兰盘，覆压活塞中部设有连通反应釜内外的流体出口；
所述中心井筒安装在流体出口中；
所述下法兰盘上设有两连通反应釜内外的覆压进出口；
所述气液混合驱替与控制系统与流体进口、中心井筒连通，用于向反应釜提供实验所需水气产出介质或向中心井筒提供实验所需压裂液；
所述覆压伺服控制系统与覆压进出口连通，用于对反应釜内的沉积物试样施加上覆地层应力；
所述气固液分离系统与中心井筒连通，用于分离出砂实验的产出物。


2.根据权利要求1所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：所述中心井筒包括出砂井筒和压裂井筒，出砂井筒用于汇集反应釜内模拟开采过程中运移产出的固、液、气产物，压裂井筒用于喷射流体至反应釜内的填充材料中，模拟压裂过程中储层内部的裂缝发展。


3.根据权利要求2所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：所述覆压活塞沿径向设有若干测压探头，测压探头贯穿覆压活塞插入反应釜内腔中，所述上法兰盘沿径向也设有若干测压探头，测压探头贯穿上法兰盘插入反应釜内腔中。


4.根据权利要求3所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：所述气液混合驱替与控制系统分为气源供给分路和液相供给分路，气源供给分路包括通过管线依次连通的气瓶、单向减压阀、第一阀门、流量计，气瓶与单向减压阀之间的管线上连接有第一压力计，液相供给分路包括通过管线依次连通的可变频螺杆泵、第二阀门，可变频螺杆泵与第二阀门之间的管线上连接有第二压力计，气源供给分路与液相供给分路汇入混合器，混合器通过管线与每一流体进口和流体出口中的中心井筒均连通，混合器与每一流体进口之间的管线上均设有第三阀门，混合器与中心井筒之间的管线上设有第四阀门。


5.根据权利要求4所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：所述混合器上连接有带第五阀门的管线，用于排空混合器内的介质，混合器与第五阀门之间的管线上连接有第三压力计。


6.根据权利要求5所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造的实验系统，其特征在于：所述覆压伺服控制系统分为覆压加载分路和覆压排空分路，覆压加载分路包括通过管线依次连通的伺服泵、第六阀门，覆压排空分路为设有第七阀门的管线，覆压加载分路接入其一覆压进出口，覆压排空分路接入另一覆压进出口，第六阀门与覆压进出口之间连接有第四压力计。


7.根据权利要求6所述的一体化模拟井周水合物储层出砂与改造...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁伏龙，刘志超，程万，孙嘉鑫，欧文佳，刘天乐，张凌，贺仲金，赵颖杰，窦晓峰，罗强，胡维，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42