一種天然氣水合物開采出砂特性測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開采中出砂特性測試的裝置，尤其是一種在高壓低溫下原位模擬開采出砂特性的裝置。
【背景技術】
[0002]天然氣水合物是一種由氣體(或易揮發的液體)與水在一定溫度壓力條件下形成的冰狀固體，俗稱可燃冰，廣泛分布于凍土帶地表以下200-2100米和大陸邊緣海底之下0-1100米的沉積物中，具有巨大的天然氣儲藏能力，甲烷水合物含有164倍標準狀態下的天然氣。全世界天然氣水合物儲量非常巨大，估計水合物中天然氣資源量為2X1016立方米，相當于2X105億噸油當量，是全球常規燃料總碳量的2倍。天然氣水合物被發達國家列為后石油時代的重要替代能源，我國也將其列入中長期發展規劃，并于十三五期間進行試開米。
[0003]但是，天然氣水合物儲層開采使天然氣水合物大量分解，將導致含水合物地層的力學性質發生變化，可能導致井壁失穩、出砂、地層坍塌、海底滑坡甚至海嘯等工程和地質災害。出砂作為油氣開采過程中由于儲層砂粒隨流體從儲層中運移出來的現象，在天然氣水合物開采過程中亦無法避免。從常規油氣開采出砂來看，出砂機理是井底附近的油氣藏原始壓力平衡被打破，使得油氣藏沉積物發生屈服，導致其原始結構被破壞而引起的。在常規海洋油氣開采中，出砂的危害性主要有以下幾個方面:1.采油采氣設備沖蝕。2.地層和井壁失穩。3.砂堵淤積損壞設備。4.海洋油氣田中，廢棄地層砂的處理會對環境造成污染。
[0004]因此，在進行天然氣水合物開采前，只有準確了解開采井筒出砂性質，才能指導未來天然氣水合物開采的順利進行，降低天然氣水合物開采而導致出砂事故的可能性。然而目前現有的出砂裝置主要是在常溫常壓下設計的，無法滿足天然氣水合物在低溫高壓的條件下進行原位測量。綜上所述，研發天然氣水合物開采出砂特性測試裝置，深入研究天然氣水合物及儲層的出砂特性，探索不同影響因素對水合物開采中出砂特性的響應機制，分析水合物開采過程中的出砂風險，建立評價模型，對天然氣水合物的開發具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開采中出砂特性測試的裝置，尤其是一種在高壓低溫下原位模擬開采出砂特性的裝置，擴展了目前所存在裝置的使用范圍，提高測量精度。
[0006]為實現以上目的，本發明提出了以下的技術方案:
[0007]—種天然氣水合物開采出砂特性測試裝置，其特征在于，其包括:
[0008]模擬出砂系統，所述模擬出砂系統包括反應釜主體、反應釜法蘭蓋以及上覆壓力加載器，所述反應釜法蘭蓋固定安裝于反應釜主體上端面；所述反應釜主體包括開采井筒、防砂機構以及樣品儲層室，所述開采井筒為側壁設有開孔的中空圓柱結構，所述樣品儲層室位于開采井筒的外側，防砂機構位于樣品儲層室和開采井筒之間，所述上覆壓力加載器的下端與樣品儲層室相連通，
[0009]壓力系統，所述壓力包括上覆壓力加載系統、天然氣注氣增壓系統、底部注液系統以及可視化氣液固分離器；其中，所述上覆壓力加載器的上端穿過反應釜法蘭蓋后與一上覆壓力加載系統連通；所述天然氣注氣增壓系統以及底部注液系統均與樣品儲層室相連通，所述可視化氣液固分離器與開采井筒的底部相連通；所述可視化氣液固分離器上設置有出氣口和出液口；
[0010]測量系統，所述測量系統包括數據采集系統、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器以及溫度傳感器；所述第一壓力傳感器安裝于天然氣注氣增壓系統與樣品儲層室之間的管路上，所述溫度傳感器和第二壓力傳感器均安裝于反應釜法蘭蓋上，所述第三壓力傳感器安裝于可視化氣液固分離器與開采井筒之間的管路上，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、溫度傳感器以及上覆壓力加載器自帶的第四壓力傳感器均與數據采集系統相連。
[0011]反應釜主體為特制壓力容器，可以承受高壓低溫不泄漏、不變形，能促使多孔介質、天然氣和水在規定的高壓和低溫范圍下，在壓力室內部合成含水合物多孔介質試樣，使之達到試驗所需要求。
[0012]本發明所述的多孔介質可以為各種類沉積物，例如海底沉積物、湖泊沉積物、凍土等。但是，由于測試過程中要求樣品保真進行模擬開采，然而水合物樣品需要在高壓低溫狀態下才能進行有效測量，因此在現場開采中不僅試驗取樣成本較高且具有較大安全風險，同時大多時候難以獲得保真樣品來測試。因此，本發明選取目標區沉積物后，通過上覆壓力加載器使沉積物圍繞開采井筒制樣。沉積物制樣是測試過程中的重要環節，直接影響測試結果，因此過程必須嚴格按操作規程進行。
[0013]所述天然氣注氣增壓系統包括氣源、氣體增減壓栗、緩沖罐，所述氣源依次經氣體增減壓栗和緩沖罐通過氣源管路與樣品儲層室連通，在所述氣源管路上安裝有第一壓力傳感器和安全閥。
[0014]所述天然氣注氣增壓系統與樣品儲層室的側部相連通，所述底部注液系統與樣品儲層室的底部相連通。
[0015]所述防砂機構包括防砂管和防砂網，所述防砂管為多孔中空圓柱結構，開采井筒位于防砂管內，所述防砂網位于開采井筒和防砂管之間。
[0016]所述天然氣水合物開采出砂特性測試裝置進一步包括一溫控系統，所述溫控系統包括恒溫循環水浴、反應釜外水夾套和反應釜內置換熱管，所述反應釜外水夾套位于樣品儲層室的外側且與樣品儲層室貼合，所述反應釜內置換熱管安裝于樣品儲層室內并與反應釜外水夾套，所述恒溫循環水浴通過連接管路與反應釜外水夾套連通。恒溫循環水浴中的液體分別通過連接管道、反應爸內置換熱管和反應爸外水夾套，再通過連接管道流回恒溫浴完成循環，維持反應釜的溫度恒定。
[0017]反應釜法蘭蓋通過反應釜法蘭螺栓與反應釜主體的上端面固定連接，在反應釜法蘭蓋和反應釜主體之間通過密封圈密封。
[0018]數據采集系統采集的數據包括上覆加載壓力、孔壓、溫度、氣體流量。溫度、和壓力通過相應傳感器將信號傳給數據采集和控制系統，由測控采集系統讀取并傳送給計算機進行顯示、記錄及分析數據。其中采出量和出砂量在可視化氣液固分離器進行分離采集，出水出砂量通過稱量氣液固分離器取的，出砂量通過烘干出砂并進行稱量記錄，出氣量通過氣液固分離器后干燥，通過氣體流量計進行測量并記錄。
[0019]本裝置使用步驟如下:
[0020](a)檢查設備的氣密性:連接相應排水排氣管，關閉并密封開采反應釜，溫度常溫，用側部氣管通入氮氣，用洗潔精水沿縫檢測氣密性。氣密性良好進入下一步。
[0021](b)樣品裝填:打開反應釜法蘭蓋，用含水沙填充到儲砂層中壓實，關閉上端法蘭蓋密封。
[0022](c)水合物合成:打開上覆壓力加載系統，加載初始上覆壓力，溫度逐步降至初始溫度(通常在20°C )，注氣增壓系統從側部進氣管供甲烷氣以生成天然氣水合物，充分進氣，等氣壓穩定后24小時穩固。再降溫到所需水合物合成溫度，每10秒記錄一次上覆加載壓力(由上覆壓力加載器自帶的第四壓力傳感器進行測量)、溫度(反應釜主體內溫度，由溫度傳感器進行測量)、孔隙壓力(由第二壓力傳感器進行測量)、進氣量(天然氣注氣增壓系統注入樣品儲層室的天然氣量)和進液量(底部注液系統注入樣品儲層室的水量)。若有氣飽和或者液飽和實驗需求，還需要樣品合成后進行側部注氣或者底部注液進行制樣。
[0023](d)壓力室開采出砂:開采井筒底部開采口以設定的降壓速率/注熱速率等參數進行降壓/注熱開采等，每隔一定時間記錄一次上覆加載壓力、溫度、孔隙壓力、進氣量和進液量，待到可視化氣液固分離器出現固體后或達到某一出砂量或開采結束。其中采出量和出砂量在可視化氣液固分離器進行分離采集，出水出砂量通過稱量氣液固分離器取的，出砂量通過烘干出砂并進行稱量記錄，出氣量通過氣液固分離器后干燥，通過氣體流量計進行測量并記錄。
[0024]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:本發明提供一種在高壓低溫下原位合成并模擬開采出砂特性的裝置，擴展了目前所存在裝置的使用范圍，提高測量精度。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明天然氣水合物開采出砂特性測試裝置的結構框圖；
[0026]圖2為圖1中反應釜法蘭蓋與上覆壓力加載器的配合結構圖；
[0027]圖3為圖1中反應釜主體內部分層圖。
[0028]附圖標記說明:
[0029]1、氣源；2、氣體增減壓栗；3、緩沖罐；4、第一壓力傳感器；5、安全閥；6、反應釜法蘭蓋；7、反應釜主體；8、溫度傳感器；9、第二壓力傳感器；10、減壓閥；11、第三壓力傳感器；12、出氣口 ；13、出液口 ；14、可視化氣液固分離器；15、數據采集器；16、恒溫循環水浴；17、上覆壓力加載器；18、上覆壓力加載系統；19、底部注液系統；20、開米井筒；21、防砂管；22、樣品儲層室；23、反應釜外水夾套；24、反應釜內置換熱管；25、反應釜法蘭螺栓；26、防砂網。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的內容做進一步詳細說明。
[0031]實施例:
[0032]天然氣水合物是氣體或易揮發的液體與水作用，形成的一種包絡狀晶體，天然氣水合物需要在高壓和低溫下才存在，因此需要原位測量其物理性質。
[0033]本發明正是基于以上原理，提供一種在高壓低溫下原位模擬開采出砂特性的裝置，提高測量精度。如圖1所示，一種含天然氣水合物沉積物原位合成及其開采中出砂特性測試的裝置包括壓力系統、模擬出砂系統、測量系統以及控溫