專利名稱：含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置及方法
技術領域：
本發明屬于石油鉆探技術領域，涉及一種深水井筒多相流動實驗裝置及實驗方法，特別涉及一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置及實驗方法。
背景技術：
隨著陸地油氣資源的日趨減少，石油和天然氣勘探開發轉向海洋已成必然趨勢。深水油氣鉆采技術的發展使深海油氣鉆采成為可能，深水和超深水海域的油氣鉆采技術正成為各國研究開發的熱點。深水井筒多相流動規律是深水油氣鉆采技術研發的理論基礎。由于深水的特點，導致深水鉆探技術的理論基礎復雜化，其中涉及的理論基礎問題包括井筒內溫度及壓力計算方法、深水鉆井井控計算理論、井筒中天然氣水合物形成機制與抑制技術等，都與深水井 筒多相流動密切相關。當鉆遇深水油氣及天然水合物藏時，儲層中產出的天然氣侵入井筒，使井筒內鉆井液的流動由液、固兩相流動變為復雜的氣、液、固的三相流動。由于深水井筒及管路內的低溫高壓環境，侵入井筒的氣體會容易形成天然氣水合物，生成的水合物隨鉆井液一起上返，在離開其生成區域后，隨著溫度的降低和壓力的升高又會重新分解成氣體。天然氣水合物分解后可以釋放出164倍體積的甲烷氣體，使得深水井筒多相流動更加復雜，給鉆井工藝參數設計、井控、隔水管設計等帶來挑戰。因此，有必要對含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動規律進行深入研究。實驗對多相流的研究具有重要意義，而目前尚未有考慮天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗研究方法見諸報道。
發明內容
為現有技術存在的上述缺陷，本發明提供一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置及實驗方法，能夠模擬含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動，進而研究含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動的規律。本發明所采取的技術方案如下含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置，其特征在于包括深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置、含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置。深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置的作用是進行深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬實驗，獲得所模擬工況下深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度；含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置的作用是根據所獲得的深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度，進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。優選的，上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置，包括高壓甲烷氣瓶、分解氣體采集器、數據采集系統、反應釜、中間容器、第一高壓空氣瓶、真空抽氣裝置；高壓甲烷氣瓶通過進氣管線與反應釜相連；進氣管線上安裝有進氣閥和調壓閥，調壓閥位于進氣閥和反應釜之間；反應釜通過排氣管線與分解氣體采集器相連，排氣管線上安裝有排氣閥和回壓閥，回壓閥位于排氣閥和分解氣體采集器之間；回壓閥通過第一管線與中間容器相連，中間容器通過第二管線與第一高壓空氣瓶相連，第二管線上裝有控制閥，中間容器上裝有第一壓力計；反應釜通過第三管線與真空抽氣裝置相連；反應釜連接恒溫水浴系統；數據采集系統與反應釜、分解氣體采集器相連。優選的，上述含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置，包括第二高壓空氣瓶、可編程控制器、氣泡發生器、水罐、井筒、氣液分離罐、高速攝像機；第二高壓空氣瓶通過注氣管線與可編程控制器相連，注氣管線上安裝有進氣閥；可編程控制器通過第四管線與氣泡發生器相連，可編程控制器通過第五管線與井筒的側壁相連；氣泡發生器通過第六管線與井筒的底部相連，第六管線上安裝有注入閥；氣泡發生器通過注液管線與水罐相連，注液管線上從氣泡發生器端到與水罐端依次安裝有水泵、流量控制器、進液閥；在距井筒底部1/3處安裝有第一空隙率計，在距井筒頂部1/3處安裝有第二空隙率計，在第二空隙率計下方安裝有第三空隙率計；在井筒的側面開有可視窗口，利用高速攝像機通過可視窗口以高頻連續采集流場圖像，然后通過分析和處理圖像來研究井筒多相流動規律；在井筒的側面底部安裝有第一溫度傳感器、第二壓力計，在井筒的側面頂部安裝有第二溫度傳感器、第三壓力計；氣液分離罐通過回流管線與井筒的頂部相連；優選的，氣液分離罐通過第七管線與水罐24相連。一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，利用上述的實驗裝置，其特征在于，步驟如下(I)、利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗；(2)、確定形成的天然氣水合物的量；(3)、利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗；(4)、確定天然氣水合物的分解速度；(5)、利用含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。優選的，利用上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗的具體步驟為關閉進氣閥、排氣閥，開啟恒溫水浴系統，調節其溫度，使反應釜中的溫度達到實驗設定的天然氣水合物生成溫度并保持不變。實驗設定的天然氣水合物生成溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的溫度一致。通過真空抽氣裝置將反應釜內的空間抽為真空，通過反應釜上的注入裝置向反應釜中注入蒸餾水。開啟進氣閥，由高壓甲烷氣瓶向反應釜中充入純甲烷氣體，調節調壓閥，使反應釜中的壓力達到實驗設定的天然氣水合物生成壓力，然后關閉進氣閥。實驗設定的天然氣水合物生成壓力與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的壓力一致。在天然氣水合物的形成過程中利用數據采集系統記錄反應釜中的壓力值，當應釜內的壓力不再降低時，天然氣水合物的生成反應完成。優選的，確定形成的天然氣水合物的量的具體方法為上述天然氣水合物生成反應完成后，根據天然氣水合物形成前后反應釜內的壓力、溫度，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算參與天然氣水合物生成反應的甲烷氣體的量，進而確定生成的天然氣水合物的量。優選的，上述利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗的具體方法為將恒溫水浴系統的溫度調節至實驗預設的天然氣水合物分解溫度，實驗設定的天然氣水合物分解溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的溫度一致；打開控制閥，使第一高壓空氣瓶中的空氣流入中間容器，中間容器中的壓力開始上升，當第一壓力計的讀數達到實驗設定的天然氣水合物分解壓力時，關閉控制閥，打開排氣閥；實驗設定的天然氣水合物分解壓力與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的壓力一致；天然氣水合物分解產生的氣體排氣管線進入分解氣采集器，利用數據采集系統實時記錄分解氣體采集器的壓力，當壓力不再增長并持續穩定時天然氣水合物的分解完成。優選的，上述確定形成的天然氣水合物的量的具體方法為根據天然氣水合物形成前后反應釜內的壓力、溫度，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算參與天然氣水合 物生成反應的甲烷氣體的量，進而確定生成的天然氣水合物的量。優選的，上述利用上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗的具體方法為將恒溫水浴系統的溫度調節至實驗預設的天然氣水合物分解溫度。打開控制閥，使第一高壓空氣瓶中的空氣流入中間容器，中間容器中的壓力開始上升，當第一壓力計的讀數達到實驗設定的天然氣水合物分解壓力時，關閉控制閥，打開排氣閥；實驗設定的天然氣水合物分解壓力和分解溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的溫度、壓力一致；天然氣水合物分解產生的甲烷通過排氣管線進入分解氣采集器，利用數據采集系統實時記錄分解氣體采集器的壓力，當分解氣體采集器的壓力不再增長并持續穩定時天然氣水合物的分解完成。優選的，上述確定天然氣水合物的分解速度的方法為根據實時測得的分解氣體采集器的壓力，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算生成的甲烷的物質的量，從而可以確定甲烷的生成速度，并得到天然氣水合物的分解速度；優選的，上述利用上述含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗的方法為打開進液閥，開啟水泵，使水罐中的水經進液管線注入到氣泡發生器中，利用流量控制器控制注入的水的流量與所模擬工況下的鉆井液排量相等；打開注入閥，使水經第四管線注入到井筒中；打開進氣閥，第二高壓空氣瓶中的空氣經注氣管線進入可編程控制器后分為兩路。第一路經第二管線注入到氣泡發生器中，并經第四管線進入井筒，模擬地層氣體侵入井筒，利用可編程控制器控制第一路氣體的流量，使其與所模擬工況下地層氣體的入侵速度相等；第二路經第三管線進入井筒，模擬井筒中天然氣水合物分解產生氣體，利用可編程控制器控制第二路空氣的流量，使其與步驟中得到的天然氣水合物分解產生甲烷的速度相等;注入井筒中的空氣和水流過井筒后經回流管線注入氣液分離罐，氣液分離后，水經第七管線輸送至水罐；實驗過程中，利用第一空隙率計測量地層氣體侵入鉆井液后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計、第三空隙率計測量井筒中天然氣水合物分解產生氣體后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計和第三空隙率計可以測量天然氣水合物分解產生的氣體上升過程中空隙率的變化，測量井筒不同位置的含氣率的目的是計算含氣量，研究天然氣水合物分解對井筒多相流動規律的影響；利用第一溫度傳感器、第二壓力計于測量井筒底部的溫度和壓力，利用第二溫度傳感器、第三壓力計測量井筒頂部的溫度和壓力，測量井筒不同位置的溫度和壓力的目的是進行計算分析，研究井筒多相流動規律；利用高速攝像機通過可視窗口連續采集流場圖像，通過對數據及圖像的分析處理來研究含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動規律。本發明的有益效果是可實現含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動的模擬，具體包括(I)、可以實現深水井筒內天然氣水合物形成的模擬實驗；(2)、可以實現深水井筒內天然氣水合物分解的模擬實驗；(3)、可以實現深水井筒內天然氣水合物分解對井筒多相流動規律影響的模擬實 驗。
圖I是深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置示意圖；圖2是含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置示意圖；圖3是含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法流程示意圖。圖中，I、高壓甲烷氣瓶，2、進氣閥，3、進氣管線，4、調壓閥，5、分解氣體采集器，6、數據采集系統，7、反應釜，8、恒溫水浴系統，9、排氣閥，10、排氣管線，11、回壓閥，12、中間容器，13、第一管線，14、第一高壓空氣瓶，15、控制閥，16、第二管線，17、第一壓力計，18、真空抽氣裝置，19、第三管線，20、水泵，21、流量控制器，22、進液閥，23、注液管線，24、水罐，25、第四管線，26、第五管線，27、第一空隙率計，28、井筒，29、可視窗口，30、第二空隙率計，31、第三空隙率計，32、第一溫度傳感器，33、第二壓力計，34、第三壓力計，35、第二溫度傳感器，36、回流管線，37、氣液分離罐，38、注入閥，39、第六管線，40、高速攝像機，41、第二高壓空氣瓶，42、注氣管線，43、進氣閥，44、可編程控制器，45、氣泡發生器，46、第七管線。
具體實施例方式含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置，包括深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置、含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置；深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置如圖I所示，其作用是進行深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬實驗，獲得所模擬工況下深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度；含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置如圖2所示，其作用是根據所獲得的深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度，進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。如圖I所示，深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置，包括高壓甲烷氣瓶I、分解氣體采集器5、數據采集系統6、反應釜7、中間容器12、第一高壓空氣瓶14、真空抽氣裝置18 ;高壓甲烷氣瓶I通過進氣管線3與反應釜7相連，高壓甲烷氣瓶I提供生成天然氣水合物所需要的甲烷，反應釜7是天然氣水合物生成及分解的反應容器，反應釜7上有注入蒸餾水的注入裝置；進氣管線3上安裝有進氣閥2和調壓閥4，調壓閥4位于進氣閥2和反應釜7之間，調壓閥4用于調節由高壓甲烷氣瓶I向反應釜7注氣過程中反應釜7中的壓力，進氣閥2是高壓甲烷氣瓶I向反應釜7提供甲烷的控制開關；反應釜7通過排氣管線10與分解氣體采集器5相連，分解氣體采集器5用于采集反應釜7內天然氣水合物分解產生的氣體；排氣管線10上安裝有排氣閥9和回壓閥11，回壓閥11位于排氣閥9和分解氣體采集器5之間，排氣閥9是天然氣水合物分解產生的甲烷從反應釜7排出的開關，回壓閥11用于控制天然氣水合物分解過程中反應釜7內的壓力；回壓閥11通過第一管線13與中間容器12相連，中間容器12通過第二管線16與第一高壓空氣瓶14相連，第二管線16上裝有控制閥15，中間容器12上裝有第一壓力計17，第一壓力計17用于測量中間容器12內的壓力，控制閥15是空氣由第一高壓空氣瓶14流向中間容器12的控制開關；第一高壓空氣瓶14通過向中間容器12充入空氣為中間容器12提供壓力，使其壓力達到實驗設定的天然氣水合物分解壓力，中間容器12用于為回壓閥11提供壓力，當天然氣水合物分解產生的氣體使反應釜7內的壓力超過中間容器12內的壓力時，反應釜7內的氣體便通過回壓閥11流入分解氣體采集器5，從而保證反應釜7內的壓力與中間容器12內的壓力保持一致；反 應釜7通過第三管線19與真空抽氣裝置18相連，真空抽氣裝置18用于將反應釜7內空間抽為真空；反應釜7連接恒溫水浴系統8，恒溫水浴系統8用于控制反應釜7內的溫度；數據采集系統6與反應釜7、分解氣體采集器5相連，數據采集系統6用于測量反應釜7的溫度、壓力及分解氣體采集器5內的溫度、壓力，并對實驗過程的數據進行記錄。如圖2所示，含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置，包括第二高壓空氣瓶41、可編程控制器44、氣泡發生器45、水罐24、井筒28、氣液分離罐37、高速攝像機40 ;第二高壓空氣瓶41通過注氣管線42與可編程控制器44相連，注氣管線42上安裝有進氣閥43，第二高壓空氣瓶41為實驗提供氣源，進氣閥43是第二高壓空氣瓶41內空氣流出的控制開關；可編程控制器44通過第四管線25與氣泡發生器45相連，可編程控制器44通過第五管線26與井筒28的側壁相連，可編程控制器44用于控制由第二高壓空氣瓶41經第四管線25注入到氣泡發生器45和經第五管線26注入到井筒28中的空氣流量；第二高壓空氣瓶41中的空氣可以經注氣管線42、可編程控制器44、第五管線26注入井筒28中，模擬井筒中天然氣水合物分解產生氣體，第五管線26與井筒28的連接位置與所模擬工況下井筒中天然氣水合物的分解位置一致；氣泡發生器45通過第六管線39與井筒28的底部相連，第六管線39上安裝有注入閥38 ;氣泡發生器45通過注液管線23與水罐24相連，注液管線23上從氣泡發生器45端到與水罐24端依次安裝有水泵20、流量控制器21、進液閥22，流量控制器21用于控制由水罐24注入到氣泡發生器45中的水的流量，進液閥22是水罐24向氣泡發生器45供水的控制開關；氣泡發生器45用于將由第二高壓空氣瓶41經注氣管線42、可編程控制器44、第四管線25注入的空氣和由水罐24經注液管線23注入的水混合后注入通過第六管線39注入井筒28的底部，模擬地層氣體侵入井筒；注入閥38是氣泡發生器45中的氣液混合體注入井筒28的控制開關；在距井筒28底部1/3處安裝有第一空隙率計27，在距井筒28頂部1/3處安裝有第二空隙率計30，在第二空隙率計30下方
O.2米處安裝有第三空隙率計31，第一空隙率計27用于測量地層氣體侵入鉆井液后井筒截面的空隙率，第二空隙率計30和第三空隙率計31用于測量井筒中天然氣水合物分解產生氣體后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計30和第三空隙率計31可以測量天然氣水合物分解產生的氣體上升過程中空隙率的變化，測量井筒不同位置的含氣率的目的是計算含氣量，研究天然氣水合物分解對井筒多相流動規律的影響；在井筒28的側面開有可視窗口29，可利用高速攝像機40通過可視窗口 29以高頻連續采集流場圖像，然后通過分析和處理圖像來研究井筒多相流動規律；在井筒28的側面底部安裝有第一溫度傳感器32、第二壓力計33，第一溫度傳感器32和第二壓力計33用于測量井筒底部的溫度和壓力，在井筒28的側面頂部安裝有第二溫度傳感器35、第三壓力計34，第二溫度傳感器35和第三壓力計34用于測量井筒頂部的溫度和壓力，測量井筒不同位置的溫度和壓力的目的是進行計算分析，研究井筒多相流動規律；氣液分離罐37通過回流管線36與井筒28的頂部相連，氣液分離罐37通過第七管線46與水罐24相連，氣液離罐37用于分離空氣和水，分離得到的水可輸送至水罐24。如圖3所示，含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，包括如下主要步驟I、利用上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗 關閉進氣閥2、排氣閥9，開啟恒溫水浴系統8，調節其溫度，使反應釜7中的溫度達到實驗設定的天然氣水合物生成溫度并保持不變；實驗設定的天然氣水合物生成溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的溫度一致；通過真空抽氣裝置18將反應釜7內的空間抽為真空，通過反應釜7上的注入裝置向反應釜7中注入蒸餾水；開啟進氣閥2，由高壓甲烷氣瓶I向反應釜7中充入純甲烷氣體，調節調壓閥4，使反應釜7中的壓力達到實驗設定的天然氣水合物生成壓力，然后關閉進氣閥2 ;實驗設定的天然氣水合物生成壓力與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的壓力一致；在天然氣水合物的形成過程中利用數據采集系統6記錄反應釜7中的壓力值，當應釜7內的壓力不再降低時，天然氣水合物的生成反應完成；2、確定形成的天然氣水合物的量根據天然氣水合物形成前后反應釜7內的壓力、溫度，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算參與天然氣水合物生成反應的甲烷氣體的量，進而確定生成的天然氣水合物的量;3、利用上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗將恒溫水浴系統8的溫度調節至實驗預設的天然氣水合物分解溫度；打開控制閥15，使第一高壓空氣瓶14中的空氣流入中間容器12，中間容器12中的壓力開始上升，當第一壓力計17的讀數達到實驗設定的天然氣水合物分解壓力時，關閉控制閥15，打開排氣閥9 ;實驗設定的天然氣水合物分解壓力和分解溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的溫度、壓力一致；天然氣水合物分解產生的甲烷通過排氣管線10進入分解氣采集器5，利用數據采集系統6實時記錄分解氣體采集器5的壓力，當分解氣體采集器5的壓力不再增長并持續穩定時天然氣水合物的分解完成；4、確定天然氣水合物的分解速度根據實時測得的分解氣體采集器5的壓力，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算生成的甲烷的物質的量，從而可以確定甲烷的生成速度，并得到天然氣水合物的分解速度；
5、利用上述含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗打開進液閥22，開啟水泵20，使水罐24中的水經進液管線23注入到氣泡發生器45中，利用流量控制器21控制注入的水的流量與所模擬工況下的鉆井液排量相等。打開注入閥38，使水經第四管線39注入到井筒28中；打開進氣閥43，第二高壓空氣瓶41中的空氣經注氣管線42進入可編程控制器44后分為兩路，第一路經第二管線25注入到氣泡發生器45中，并經第四管線39進入井筒28，模擬地層氣體侵入井筒，利用可編程控制器44控制第一路氣體的流量，使其與所模擬工況下地層氣體的入侵速度相等，第二路經第三管線26進入井筒28，模擬井筒中天然氣水合物分解產生氣體，利用可編程控制器44控制第二路空氣的流量，使其與步驟4中得到的天然氣水合物分解產生甲烷的速度相等；注入井筒28中的空氣和水流過井筒28后經回流管線36注入氣液分離罐37，氣液分離后，水經第七管線46輸送至水罐24 ；實驗過程中，利用第一空隙率計27測量地層氣體侵入鉆井液后井筒截面的空隙 率，利用第二空隙率計30、第三空隙率計31測量井筒中天然氣水合物分解產生氣體后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計30和第三空隙率計31可以測量天然氣水合物分解產生的氣體上升過程中空隙率的變化，測量井筒不同位置的含氣率的目的是計算含氣量，研究天然氣水合物分解對井筒多相流動規律的影響；利用第一溫度傳感器32、第二壓力計33于測量井筒底部的溫度和壓力，利用第二溫度傳感器35、第三壓力計34測量井筒頂部的溫度和壓力，測量井筒不同位置的溫度和壓力的目的是進行計算分析，研究井筒多相流動規律；利用高速攝像機40通過可視窗口 29連續采集流場圖像，通過對數據及圖像的分析處理來研究含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動規律。本專利不局限于上述實施方式，任何人應該得知在本發明的啟示下做出的方法變化，凡是與本發明具有相同或相近的技術方案，均落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置，其特征在于包括深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置、含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置；深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置的作用是進行深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬實驗，獲得所模擬工況下深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度；含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置的作用是根據所獲得的深水井筒中天然氣水合物分解產生甲烷的速度，進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。
2.根據權利要求I所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置，其特征在于深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置，包括高壓甲烷氣瓶、分解氣體采集器、數據采集系統、反應釜、中間容器、第一高壓空氣瓶、真空抽氣裝置；高壓甲烷氣瓶通過進氣管線與反應釜相連；進氣管線上安裝有進氣閥和調壓閥；反應釜通過排氣管線與分解氣體采集器相連，排氣管線上安裝有排氣閥和回壓閥；回壓閥通過第一管線與中間容器相連，中間容器通過第二管線與第一高壓空氣瓶相連，第二管線上裝有控制閥，中間容器上裝有第一壓力計；反應釜通過第三管線與真空抽氣裝置相連；反應釜連接恒溫水浴系統；數據采集系統與反應釜、分解氣體采集器相連； 優選的，調壓閥位于進氣閥和反應釜之間； 優選的，回壓閥位于排氣閥和分解氣體采集器之間。
3.根據權利要求I或2所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置，其特征在于含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置，包括第二高壓空氣瓶、可編程控制器、氣泡發生器、水罐、井筒、氣液分離罐、高速攝像機；第二高壓空氣瓶通過注氣管線與可編程控制器相連，注氣管線上安裝有進氣閥；可編程控制器通過第四管線與氣泡發生器相連，可編程控制器通過第五管線與井筒的側壁相連；氣泡發生器通過第六管線與井筒的底部相連，第六管線上安裝有注入閥；氣泡發生器通過注液管線與水罐相連，注液管線上從氣泡發生器端到與水罐端依次安裝有水泵、流量控制器、進液閥；在距井筒底部1/3處安裝有第一空隙率計，在距井筒頂部1/3處安裝有第二空隙率計，在第二空隙率計下方安裝有第三空隙率計；在井筒的側面開有可視窗口，利用高速攝像機通過可視窗口以高頻連續采集流場圖像，然后通過分析和處理圖像來研究井筒多相流動規律；在井筒的側面底部安裝有第一溫度傳感器、第二壓力計，在井筒的側面頂部安裝有第二溫度傳感器、第三壓力計；氣液分離罐通過回流管線與井筒的頂部相連； 優選的，在第二空隙率計下方O. 2m處安裝有第三空隙率計； 優選的，氣液分離罐通過第七管線與水罐相連。
4.一種深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置，包括高壓甲烷氣瓶、分解氣體采集器、數據采集系統、反應釜、中間容器、第一高壓空氣瓶、真空抽氣裝置；其特征在于高壓甲烷氣瓶通過進氣管線與反應釜相連；進氣管線上安裝有進氣閥和調壓閥；反應釜通過排氣管線與分解氣體采集器相連，排氣管線上安裝有排氣閥和回壓閥；回壓閥通過第一管線與中間容器相連，中間容器通過第二管線與第一高壓空氣瓶相連，第二管線上裝有控制閥，中間容器上裝有第一壓力計；反應釜通過第三管線與真空抽氣裝置相連；反應釜連接恒溫水浴系統；數據采集系統與反應釜、分解氣體采集器相連； 優選的，調壓閥位于進氣閥和反應釜之間； 優選的，回壓閥位于排氣閥和分解氣體采集器之間。
5.一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置，包括第二高壓空氣瓶、可編程控制器、氣泡發生器、水罐、井筒、氣液分離罐、高速攝像機；第二高壓空氣瓶通過注氣管線與可編程控制器相連，注氣管線上安裝有進氣閥；可編程控制器通過第四管線與氣泡發生器相連，可編程控制器通過第五管線與井筒的側壁相連；氣泡發生器通過第六管線與井筒的底部相連，第六管線上安裝有注入閥；氣泡發生器通過注液管線與水罐相連，注液管線上從氣泡發生器端到與水罐端依次安裝有水泵、流量控制器、進液閥；在距井筒底部1/3處安裝有第一空隙率計，在距井筒頂部1/3處安裝有第二空隙率計，在第二空隙率計下方安裝有第三空隙率計；在 井筒的側面開有可視窗口，利用高速攝像機通過可視窗口以高頻連續采集流場圖像，然后通過分析和處理圖像來研究井筒多相流動規律；在井筒的側面底部安裝有第一溫度傳感器、第二壓力計，在井筒的側面頂部安裝有第二溫度傳感器、第三壓力計；氣液分離罐通過回流管線與井筒的頂部相連； 優選的，在第二空隙率計下方O. 2m處安裝有第三空隙率計； 優選的，氣液分離罐通過第七管線與水罐相連。
6.一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，利用權利要求1-3所述的實驗裝置，其特征在于，步驟如下 (1)、利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗； (2)、確定形成的天然氣水合物的量； (3)、利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗； (4)、確定天然氣水合物的分解速度； (5)、利用含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。
7.根據權利要求6所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，其特征在于，利用上述深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗的具體步驟為 關閉進氣閥、排氣閥，開啟恒溫水浴系統，調節其溫度，使反應釜中的溫度達到實驗設定的天然氣水合物生成溫度并保持不變。實驗設定的天然氣水合物生成溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的溫度一致；通過真空抽氣裝置將反應釜內的空間抽為真空，通過反應釜上的注入裝置向反應釜中注入蒸餾水；開啟進氣閥，由高壓甲烷氣瓶向反應釜中充入純甲烷氣體，調節調壓閥，使反應釜中的壓力達到實驗設定的天然氣水合物生成壓力，然后關閉進氣閥。實驗設定的天然氣水合物生成壓力與所模擬工況下井筒中天然氣水合物生成位置的壓力一致；在天然氣水合物的形成過程中利用數據采集系統記錄反應釜中的壓力值，當應釜內的壓力不再降低時，天然氣水合物的生成反應完成。
8.根據權利要求6-7所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，其特征在于，確定形成的天然氣水合物的量的具體方法為天然氣水合物生成反應完成后，根據天然氣水合物形成前后反應釜內的壓力、溫度，通過PVT方程計算參與天然氣水合物生成反應的甲烷氣體的量，進而確定生成的天然氣水合物的量。
9.根據權利要求6-8所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，其特征在于，利用深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗的具體方法為將恒溫水浴系統的溫度調節至實驗預設的天然氣水合物分解溫度，實驗設定的天然氣水合物分解溫度與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的溫度一致；打開控制閥，使第一高壓空氣瓶中的空氣流入中間容器，中間容器中的壓力開始上升，當第一壓力計的讀數達到實驗設定的天然氣水合物分解壓力時，關閉控制閥，打開排氣閥；實驗設定的天然氣水合物分解壓力與所模擬工況下井筒中天然氣水合物分解位置的壓力一致；天然氣水合物分解產生的氣體排氣管線進入分解氣采集器，利用數據采集系統實時記錄分解氣體采集器的壓力，當壓力不再增長并持續穩定時天然氣水合物的分解完成。
10.根據權利要求6-9所述的含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗方法，其特征在于， 優選的，確定天然氣水合物的分解速度的方法為根據實時測得的分解氣體采集器的壓力，通過PVT方程(氣體狀態方程)計算生成的甲烷的物質的量，從而可以確定甲烷的生成速度，并得到天然氣水合物的分解速度； 優選的，利用上述含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗的方法為打開進液閥，開啟水泵，使水罐中的水經進液管線注入到氣泡發生器中，利用流量控制器控制注入的水的流量與所模擬工況下的鉆井液排量相等；打開注入閥，使水經第四管線注入到井筒中； 打開進氣閥，第二高壓空氣瓶中的空氣經注氣管線進入可編程控制器后分為兩路第一路經第二管線注入到氣泡發生器中，并經第四管線進入井筒，模擬地層氣體侵入井筒，利用可編程控制器控制第一路氣體的流量，使其與所模擬工況下地層氣體的入侵速度相等；第二路經第三管線進入井筒，模擬井筒中天然氣水合物分解產生氣體，利用可編程控制器控制第二路空氣的流量，使其與步驟中得到的天然氣水合物分解產生甲烷的速度相等；注入井筒中的空氣和水流過井筒后經回流管線注入氣液分離罐，氣液分離后，水經第七管線輸送至水罐； 實驗過程中，利用第一空隙率計測量地層氣體侵入鉆井液后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計、第三空隙率計測量井筒中天然氣水合物分解產生氣體后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率計和第三空隙率計可以測量天然氣水合物分解產生的氣體上升過程中空隙率的變化，測量井筒不同位置的含氣率的目的是計算含氣量，研究天然氣水合物分解對井筒多相流動規律的影響；利用第一溫度傳感器、第二壓力計于測量井筒底部的溫度和壓力，利用第二溫度傳感器、第三壓力計測量井筒頂部的溫度和壓力，測量井筒不同位置的溫度和壓力的目的是進行計算分析，研究井筒多相流動規律；利用高速攝像機通過可視窗口連續采集流場圖像，通過對數據及圖像的分析處理來研究含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動規律。
全文摘要
本發明涉及一種含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動實驗裝置及實驗方法，實驗裝置包括深水井筒天然氣水合物形成及分解模擬裝置、含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬裝置；實驗方法的具體步驟為進行深水井筒天然氣水合物形成模擬實驗；確定形成的天然氣水合物的量；進行深水井筒天然氣水合物分解模擬實驗；確定天然氣水合物的分解速度；進行含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬實驗。本發明的有益效果是可實現含天然氣水合物相變的深水井筒多相流動模擬，包括深水井筒內天然氣水合物形成模擬實驗、深水井筒內天然氣水合物分解模擬實驗、深水井筒內天然氣水合物分解對井筒多相流動規律影響的模擬實驗。
文檔編號E21B47/002GK102865066SQ201210389769
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者孫寶江, 孫文超, 高永海 申請人:中國石油大學(華東)