一种天然气水合物开采试验方法及试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种天然气水合物开采试验方法及试验装置，方法包括：根据目标区域水合物储层的压力和环境温度，并基于甲烷水合物相平衡曲线设计不同降压梯度、不同降压速率至目标井底流压的开采方案；采用高压反应釜制备甲烷水合物并以梯级升温的方式从生成温度逐步升至开采温度，开采温度为上述环境温度；待高压反应釜温度平衡后，依次根据预先设计的降压梯度和降压速率控制PID电子控制器的降压步长和控制器的比例、积分和微分，将高压反应釜的开采井口处的压力以恒定降压速率和降压梯度降至目标井底流压，实现可控降压的天然气水合物开采；实时收集开采过程中产出的甲烷气与水，根据气液定量方法计算产液量及水气比提供一种优化的降压开采方案。种优化的降压开采方案。种优化的降压开采方案。

【技术实现步骤摘要】
一种天然气水合物开采试验方法及试验装置


[0001]本专利技术涉及天然气水合物开采
，尤其涉及一种天然气水合物开采试验方法及试验装置。

技术介绍

[0002]天然气水合物是一种固体结晶物质，主要由水分子和甲烷气体分子组成，通常位于低温高压环境的永久冻土层和靠近大陆架的海底。甲烷水合物因其巨大的资源量(3000万亿立方米)和高能量存储能力(170 CH4/H2O)，以及燃烧时只释放H2O和CO2的特点，被认为是未来的主要清洁能源。目前，各国相继开展了甲烷水合物试采工程，开采方法包括降压法、注热法、注抑制剂法和CO2置换法。其中，压降法被认为是甲烷水合物开采最有效的方法，相比于热激法，储层快速压降会比增加热能导致的水合物不稳定区域范围更广。同时，过去在加拿大Mallik、日本Nankai海槽和我国南海神狐海域的现场生产测试已经证明了水合物储层降压开采技术的可行性。
[0003]然而，在实现甲烷水合物长期且经济的生产方面仍存在重大的技术挑战，如产气率低、产水过多、出砂不可控等。这种不良的生产行为则直接与两个关键的工艺变量有关，即压降梯度及速率。它控制水合物的分解速率及多相流体在含水合物沉积物储层中的流动。当前，在大规模生产测试中很难精确控制井底压力，同时，实验室尺度的甲烷水合物降压开采方法及装置仅将井底流压基于单向阀控制在设定压力，井底流压波动较大的问题依然没有得到有效的解决。同时，已有的现场生产测试结果表明，并不是所有生产井的压降速率越快、压降程度越高，产气速率越快。目前仍缺乏降压梯度选择的标准及降压速率对产液特性影响的认识。大多数实验室尺寸研究只关注整体产液量的分析，而对各阶段的产液速率和采收率(即压降阶段和恒定井底流压阶段)了解较少。同时，当前实验室尺度模拟中通常是深且快速的降压，虽然有助于提高水合物分解速率和产气量，但由于水合物藏通常存在于高饱和水环境，当降压速率较大时，会出现大量产水和间歇性出砂现象，将导致井口堵塞，影响流动安全。
[0004]现有技术中缺乏一种可控降压天然气水合物开采及气液产出定量实验方法。
[0005]以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决现有的问题，提供一种天然气水合物开采试验方法及试验装置。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：
[0008]一种天然气水合物开采试验方法，包括如下步骤：S1：根据目标区域含水合物沉积物储层的压力和环境温度，同时基于甲烷水合物的相平衡曲线设计不同降压梯度P
G
、不同降压速率v
G
至目标井底流压P
B
；S2：采用高压反应釜制备甲烷水合物并以梯级升温的方式将
所述甲烷水合物从生成温度T1逐步升至开采温度T
w
，所述开采温度是所述目标区域含水合物沉积物储层的所述环境温度T
w
；S3：待所述高压反应釜温度完全平衡后，依次根据预先设计的所述降压梯度和所述降压速率控制PID电子控制器的降压步长和控制器的比例P、积分I和微分D，将所述高压反应釜的开采井口处的压力以所述降压梯度和所述降压速率降至所述目标井底流压并实时开采；S4：分别收集降压开采过程中产出的甲烷气与水，获取气液产出量及所述高压反应釜内甲烷水合物、水、甲烷气三相的饱和度，确定开采所述目标区域含水合物沉积物储层的所述降压梯度、所述降压速率和所述目标井底流压。
[0009]优选地，根据所述目标区域含水合物沉积物储层距海平面深度计算沉积物孔隙水压P
w
：
[0010]P
w
＝P
atm
+ρ
w
gh
×
10
‑6[0011]其中，P
atm
为大气压力，单位为MPa；ρ
w
为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s2；h为海底沉积物距海平面的深度，单位为m；
[0012]根据所述目标区域含水合物沉积物储层距海平面的深度计算所述环境温度T
w
：
[0013]T
w
＝a
×
h
b
[0014]其中，h为海底沉积物距海平面的深度，单位为m；a和b为目标水合物沉积物储层温度经验参数；
[0015]将所述开采温度稳定于所述环境温度T
w
后，根据甲烷水合物相平衡曲线将所述目标区域含水合物沉积物储层孔隙水压力P
w
从甲烷水合物稳定区按照设计的所述降压梯度P
G
、所述降压速率v
G
降至所述目标井底流压P
B
。
[0016]优选地，所述开采温度为所述目标区域含水合物沉积物储层的所述环境温度T
w
，降压开采前以温度梯度(T
w
‑
T1)/n，分n步将所述甲烷水合物从生成温度T1逐步升至所述开采温度T
w
；其中，n为正整数且取值范围为2
‑
5。
[0017]优选地，控制PID电子控制器的降压步长和控制器的比例P、积分I和微分D，通过下式实现将所述高压反应釜的开采井口处的压力以所述降压梯度和所述降压速率降至所述目标井底流压：
[0018][0019]其中，K
p
为比例系数，T
i
为积分时间常数，T
d
为微分时间常数，e(t)为所述目标井底流压与所述高压反应釜的开采井口处的压力的偏差值；K
i
＝K
p
/T
i
为积分系数，K
d
＝K
d
/T
d
为微分系数；
[0020]K
p
e(t)为比例项，即成比例地调节所述高压反应釜的开采井口处的压力与所述目标井底流压的偏差值；
[0021]为积分项，利用积分对所述高压反应釜的开采井口处的压力与所述目标井底流压的稳态误差进行累加，增大偏差值，进而消除稳态误差；
[0022]为微分项，反映为偏差信号的变化速率，用于减少由积分增大偏差值导致的所述高压反应釜的开采井口处的压力低于所述目标井底流压的情况。
[0023]优选地，用气体储气罐收集的所述甲烷气；
[0024]收集所述甲烷气体体积表示为：V
GR
＝V
17
+V
18
‑
V
w
[0025]其中，V
17
为气水分离器体积，V
18
为气体储气罐体积，V
w
为产水量，表示为m
wG
/ρ
w...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气水合物开采试验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据目标区域含水合物沉积物储层的压力和环境温度，同时基于甲烷水合物的相平衡曲线设计不同降压梯度P
G
、不同降压速率v
G
至目标井底流压P
B
；S2：采用高压反应釜制备甲烷水合物并以梯级升温的方式将所述甲烷水合物从生成温度T1逐步升至开采温度T
w
，所述开采温度是所述目标区域含水合物沉积物储层的所述环境温度T
w
；S3：待所述高压反应釜温度完全平衡后，依次根据预先设计的所述降压梯度和所述降压速率控制PID电子控制器的降压步长和控制器的比例P、积分I和微分D，将所述高压反应釜的开采井口处的压力以所述降压梯度和所述降压速率降至所述目标井底流压并实时开采；S4：分别收集降压开采过程中产出的甲烷气与水，获取气液产出量及所述高压反应釜内甲烷水合物、水、甲烷气三相的饱和度，确定开采所述目标区域含水合物沉积物储层的所述降压梯度、所述降压速率和所述目标井底流压。2.如权利要求1所述的天然气水合物开采试验方法，其特征在于，根据所述目标区域含水合物沉积物储层距海平面深度计算沉积物孔隙水压P
w
：P
w
＝P
atm
+ρ
w
gh
×
10
‑6其中，P
atm
为大气压力，单位为MPa；ρ
w
为海水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s2；h为海底沉积物距海平面的深度，单位为m；根据所述目标区域含水合物沉积物储层距海平面的深度计算所述环境温度T
w
：T
w
＝a
×
h
b
其中，h为海底沉积物距海平面的深度，单位为m；a和b为目标水合物沉积物储层温度经验参数；将所述开采温度稳定于所述环境温度T
w
后，根据甲烷水合物相平衡曲线将所述目标区域含水合物沉积物储层孔隙水压力P
w
从甲烷水合物稳定区按照设计的所述降压梯度P
G
、所述降压速率v
G
降至所述目标井底流压P
B
。3.如权利要求2所述的天然气水合物开采试验方法，其特征在于，所述开采温度为所述目标区域含水合物沉积物储层的所述环境温度T
w
，降压开采前以温度梯度(T
w
‑
T1)/n，分n步将所述甲烷水合物从生成温度T1逐步升至所述开采温度T
w
；其中，n为正整数且取值范围为2
‑
5。4.如权利要求3所述的天然气水合物开采试验方法，其特征在于，控制PID电子控制器的降压步长和控制器的比例P、积分I和微分D，通过下式实现将所述高压反应釜的开采井口处的压力以所述降压速率和所述降压梯度降至所述目标井底流压：其中，K
p
为比例系数，T
i
为积分时间常数，T
d
为微分时间常数，e(t)为所述目标井底流压与所述高压反应釜的开采井口处的压力的偏差值；K
i
＝K
p
/T
i
为积分系数，K
d
＝K
d
/T
d
为微分系数；K
p
e(t)为比例项，即成比例地调节所述高压反应釜的开采井口处的压力与所述目标井
底流压的偏差值；为积分项，利用积分对所述高压反应釜的开采井口处的压力与所述目标井底流压的稳态误差进行累加，增大偏差值，进而消除稳态误差；为微分项，反映为偏差信号的变化速率，用于减少由积分增大偏差值导致的所述高压反应釜的开采井口处的压力低于所述目标井底流压的情况。5.如权利要求4所述的天然气水合物开采试验方法，其特征在于，采用气水分离器收集所述产出的水，采用电子秤测量收集的所述水的重量；采用气体储气罐收集的所述甲烷气；收集所述甲烷气体体积表示为：V
GR
＝V
17
+V
18
‑
V
w
其中，V
17
为气水分离器体积，V
18
为气体储气罐体积，V
w
为产水量，表示为m
wG
/ρ
w
，m
wG
为产水质量，由电子秤测量得到，ρ
w
为水的密度，1g/cm3；收集所述甲烷气的摩尔量表示为：n
GR
＝P
GR
V
GR
/Z
GR

【专利技术属性】
技术研发人员：殷振元，张吉东，刘晓惠，陈道毅，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：