一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气勘探开发领域，具体的说，本发明涉及一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的装置及方法。

背景技术

天然气水合物是水分子与碳氢气体分子在低温高压条件下形成的似冰状结晶化合物，又被称作“可燃冰”或“固体瓦斯”，具有能量密度高、分布广、储量大等特点，是一种潜力巨大的新能源和替代能源。

天然气水合物广泛分布于冻土及海洋区域，所储存的天然气远远超过已知的天然气储量。勘探开发天然气水合物离不开钻井，并且在钻井施工过程中为保证储层内水合物不会出现大量分解的情况，通过会采用过平衡钻井的方式。这又不可避免的促使了钻井液侵入储层，而钻井液的侵入又极有可能诱发储层中水合物的分解，进而出现气侵、水合物二次形成、扩径以及井壁垮塌等负面情况。

为了弱化钻井液侵入所引起的水合物分解，水合物钻井施工过程中通常采用低温钻井液体系，但已有研究并没有定量地分析得出何种钻井液侵入温度、钻井液侵入量以及钻井液侵入速率是相对安全的，也就是说不会引起明显的负面情况的；而钻井液侵入温度、侵入量以及侵入速率超出哪一范围会诱发负面情况甚至是安全风险也没有详实的参考数据。因此，鉴于我国乃至全世界均将天然气水合物试开采作为研究的热点，亟需研制出一套模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的实验装置，并开发出相应的实验方法，以为天然气水合物安全钻井提供具有重要价值的参考。

发明内容

目前，国际上模拟钻井液侵入水合物储层的实验装置较少，并且均无法做到定量地评价钻井液侵入储层对水合物分解所产的影响，进而很难对含水合物地层的钻井施工提供具有重要价值的参考。在此情况下，本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的实验装置及方法，针对不同侵入温度、侵入量与侵入速率的钻井液能否引起储层中水合物的分解以及水合物的分解程度进行研究，该实验装置及方法还可用于评价水合物抑制剂抑制水合物分解的能力等，能够为天然气水合物勘探开发提供有力的技术支持。

本发明的一个目的在于提供一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的装置。

本发明的另一目的在于提供一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的方法。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的装置，其中，所述装置包括高压反应釜34、高低温水浴控温系统102、高低温恒温空气浴箱21、钻井液泵入系统104、气体控制系统105、回压卸荷系统106以及数据采集系统107；所述反应釜设置在高低温恒温空气浴箱内，并由高低温水浴控温系统控制反应釜的反应温度，钻井液泵入系统通过管路与反应釜连接，回压卸荷系统和气体控制系统分别通过管路、并通过反应釜上部设置的进/排气孔10与反应釜内部连通，回压卸荷系统用于分别控制反应釜、气体控制系统和外界的压力平衡，所述数据采集系统与反应釜电连接用于收集反应釜的反应数据。

根据本发明一些具体实施方案，其中，进/排气孔10的进气孔通过管路与气体控制系统105连接；进/排气孔10的排气孔通过管路与回压卸荷系统相连。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述气体控制系统105包括通过高压管路顺序连接的气源储罐1、缓冲罐25和真空泵4，缓冲罐和真空泵分别经由管路与进/排气孔10相连。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述气体控制系统105还包括设置在气源储罐1出口位置的第一压力表2、设置在第一压力表和缓冲罐25之间的管路上的第一针阀3、设置在缓冲罐上的第二压力表5、顺序设置在缓冲罐和高压反应釜34之间的管路上的第二针阀26和第三针阀28、以及第四针阀8，所述真空泵4通过管路顺序经由第四针阀和第三针阀与进/排气孔10连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高低温水浴控温系统102包括恒温液循环泵23、设置在缓冲罐外层的水浴夹套24、水浴槽36、以及水浴槽内设置的冷却液循环泵35，恒温液循环泵通过保温管路与水浴夹套和水浴槽进行连接，高压反应釜34设置在水浴槽内。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述水浴槽36为全透明水浴槽。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述保温管路为保温软管。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液泵入系统104包括通过管路顺序连接的平流泵12和钻井液储罐6，钻井液储罐内设置活塞27，并通过平流泵来控制活塞的往复运动，钻井液储罐经由管路，并通过设置在反应釜34顶部的钻井液浸入孔38与高压反应釜34内部连通。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述浸入孔38为五个。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液泵入系统104还包括设置在钻井液储罐6上的第三压力表7、设置在钻井液储罐和高压反应釜34之间的管路上的液体流量计13。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液泵入系统104还包括第二阀门14，所述第二阀门设置在高压反应釜34和液体流量计13之间的管路上。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述回压卸荷系统106包括通过管路与进/排气孔10连接的回压阀22。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述气体控制系统105包括通过高压管路顺序连接的气源储罐1、缓冲罐25和真空泵4，缓冲罐和真空泵分别经由管路与进/排气孔10连接，所述气体控制系统105还包括设置在气源储罐1出口位置的第一压力表2、设置在第一压力表和缓冲罐25之间的管路上的第一针阀3、设置在缓冲罐上的第二压力表5、顺序设置在缓冲罐和高压反应釜34之间的管路上的第二针阀26和第三针阀28、以及第四针阀8，所述真空泵4通过管路顺序经由第四针阀和第三针阀与进/排气孔连接；所述回压阀22通过管路顺序经由第一阀门11和第三针阀28与进/排气孔连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述数据采集系统107包括设置在高压反应釜34底部的温度传感器39、设置在高压反应釜侧壁的压力传感器9、以及与温度传感器、压力传感器电连接的计算机37。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述温度传感器39为四个。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高压反应釜34底部设置石英砂/泥质岩心盛放槽20。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高压反应釜34侧壁开设1至2个透明观察窗32。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述高压反应釜34侧壁开设2个透明观察窗32。其中一个透明观察窗为主要观察窗口，另一个透明观察窗为辅助观察窗口。

另一方面，本发明还提供了一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)将石英砂或泥质岩心、水和所需气体送入高压反应釜中，调节高压反应釜内压力和温度使水合物在低温、高压环境下形成于石英砂或泥质岩心的孔隙中，得到模拟水合物储层；

(2)将钻井液以定温、定量且定速的形式侵入到高压反应釜内部的模拟水合物储层中；

(3)实时采集高压反应釜内部温度和压力数据，通过温度、压力以及目测观察高压反应釜内实验现象并分析不同钻井液侵入情况对模拟储层中水合物分解所产生的影响。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是使水合物在温度为0-15℃、以及压力为5-20MPa的环境下形成于石英砂或泥质岩心的孔隙中。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)所述所需气体选自天然气、甲烷、氮气或者二氧化碳中的一种或多种的混合。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)是将230℃的钻井液以速度为5-20mL/min的定温定速形式侵入到高压反应釜内部的模拟水合物储层中，钻井液用量为10-200mL。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法是利用本发明任意一项所述的装置进行的，包括：

a.安装装置并检查装置的气密性；

b.将石英砂或泥质岩心、水和所需气体送入高压反应釜34中，将高压反应釜抽真空；

c.利用高低温水浴控温系统102和高低温恒温空气浴箱21将高压反应釜内的温度调整为设定温度，通过数据采集系统107监测记录高压反应釜内的温度和压力；

d.利用气体控制系统105将所需气体注入高压反应釜内，并通过监测和分析高压反应釜内的温度、压力变化情况判定水合物是否完全形成；

e.利用钻井液泵入系统104将钻井液以定温、定量且定速的形式侵入到高压反应釜内部的模拟水合物储层中；

f.实时采集高压反应釜内部温度和压力数据，通过温度、压力以及目测观察高压反应釜内实验现象并分析不同钻井液侵入情况对模拟储层中水合物分解所产生的影响。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述气体控制系统105包括通过高压管路顺序连接的气源储罐1、缓冲罐25和真空泵4，缓冲罐和真空泵分别经由管路与进/排气孔10相连，所述气体控制系统105还包括设置在气源储罐1出口位置的第一压力表2、设置在第一压力表和缓冲罐25之间的管路上的第一针阀3、设置在缓冲罐上的第二压力表5、顺序设置在缓冲罐和高压反应釜34之间的管路上的第二针阀26和第三针阀28、以及第四针阀8，所述真空泵4通过管路顺序经由第四针阀和第三针阀与进/排气孔10连接；所述高低温水浴控温系统102包括恒温液循环泵23、设置在缓冲罐外层的水浴夹套24、水浴槽36、以及水浴槽内设置的冷却液循环泵35，恒温液循环泵通过保温管路与水浴夹套和水浴槽进行连接，高压反应釜34设置在水浴槽内；所述钻井液泵入系统104包括通过管路顺序连接的平流泵12和钻井液储罐6，钻井液储罐内设置活塞27，并通过平流泵来控制活塞的往复运动，钻井液储罐经由管路，并通过设置在反应釜34顶部的钻井液浸入孔38与高压反应釜34内部连通，所述钻井液泵入系统104还包括设置在钻井液储罐6上的第三压力表7、设置在钻井液储罐和高压反应釜34之间的管路上的液体流量计13、以及第二阀门14，所述第二阀门设置在高压反应釜34和液体流量计13之间的管路上；所述回压卸荷系统106包括通过管路与进/排气孔10连接的回压阀22，所述回压阀22通过管路顺序经由第一阀门11和第三针阀28与进/排气孔连接；所述高压反应釜34底部设置石英砂/泥质岩心盛放槽20，所述高压反应釜34侧壁开设1至2个透明观察窗32；

所述方法包括如下步骤：

a.安装装置并检查装置的气密性：关闭第一阀门11，打开气源储罐1向高压反应釜34内通入所需气体并增压至15MPa后，保压观察12小时，检查所有针阀、阀门、管路和高压反应釜的气密性，检查实验装置有无泄露；

b.对管路、缓冲罐25和高压反应釜进行抽真空：检查实验装置无泄露后，在高压反应釜内的石英砂/泥质岩心盛放槽20中装入石英砂或泥质岩心以及水；打开第一阀门11与第一针阀3、第二针阀26、第三针阀28以及第四针阀8，随后打开真空泵4对高压管路、缓冲罐和高压反应釜进行30min抽真空处理，以确保管路、缓冲罐和高压反应釜内没有其它气体；然后关闭实验系统中的所有阀门；

c.实验开始前的准备：打开第一针阀，向缓冲罐内通入所需气体并使其压力达到一定值，然后关闭气源储罐及第一针阀；将钻井液存储罐中注满钻井液；启动高低温恒温空气浴箱21、恒温水浴循环泵23以及冷却液循环泵35并设定降温温度，开始降温；待高压反应釜内部温度、缓冲罐内气体和钻井液存储罐内钻井液的温度均降至目的温度并保持平衡后，打开计算机37，通过压力传感器9、温度传感器39监测记录高压反应釜内的温度和压力；

d.打开第二针阀和第三针阀，使缓冲罐内的气体进入高压反应釜内，气体和水于高压反应釜内在恒压条件下形成水合物，并通过监测和分析高压反应釜内的温度、压力变化情况判定水合物是否完全形成；待反高压应釜内水合物完全形成后，关闭第二针阀以及第三针阀；

e.利用平流泵12推动活塞27使钻井液储罐中压力略高于高压反应釜内的压力；打开第二阀门14使定温钻井液以定速形式经过液体流量计13定量地侵入高压反应釜内的模拟水合物储层中；

f.通过监测高压反应釜内压力和温度的变化情况以及透过高压反应釜上的透明观察窗32观察高压反应釜内实验现象，进而分析不同钻井液侵入情况对储层内水合物分解所产生的影响。

综上所述，本发明提供了一种模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的装置及方法。本发明的装置和方法具有如下优点：

1、本发明可对侵入水合物储层钻井液的温度、量与速率做定量的模拟。并通过高压反应釜内温压的条件变化以及高压反应釜内的实验现象分析、评价不同钻井液侵入情况能否引起水合物分解，或者储层中水合物的分解程度，从而得出钻井液侵入水合物储层的安全及非安全情况；

2、通过空气浴与水浴温控装置的配合，可使钻井液和水合物储层处于不同温度场中，再通过气体控压装置、平流泵以及活塞压力容器，可使钻井液和水合物储层处于不同压力场中，在实验装置各部分的配合下，模拟钻井液不同情况下对水合物储层的侵入，该实验装置主要特点之一是能定量控制钻井液侵入的温度、量以及速率；之二是实验装置的不同部分可处于不同温度和压力场条件下，与实际水合物钻井施工情况相符，并且温度和压力控制方便；之三是系统结构简单可靠，操作方便，实验可重复性强；

3、研究对水合物钻井液预冷却处理具有重要参考价值，为冻土及海洋区域水合物安全钻井提供更为可靠的保障，并且对于我国天然气水合物勘探开发具有重要的经济效益和社会效益；

4、研究还可用于相关科研院所的水合物科学实验与研究，以及为石油钻井和地质勘探相关企业与科研院所提供钻井液测试的装置和技术服务。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置的各系统连接简要示意图；

图2为本发明实施例1的装置的具体结构连接示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

如图1和图2所示，本发明实施例所述的模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的实验装置，包括提供钻井液与天然气进行反应形成水合物的高压反应釜34，提供模拟水合物储层温度环境的恒温液循环泵23、全透明水浴槽36和冷却液循环泵35，提供模拟钻井液温度环境的高低温恒温空气浴箱21，以及钻井液侵入系统、气体控制系统、回压卸荷系统和数据采集系统，其中：高压反应釜34放置于全透明水浴槽36中，高压反应釜34两侧安装有第一(二)透明窗口32，其中第一透明窗口为主要观察窗口，第二透明窗口为辅助观察窗口；高压反应釜34内腔放置一个开有四个圆孔的石英砂/泥质岩心盛放槽20；

高压反应釜34上部设置有一个进/排气孔并通过高压管路与气体控制系统和回压卸荷系统相连，数据采集系统包括第一温度传感器29、第二温度传感器30、第三温度传感器31、第四温度传感器33和压力传感器9、数据采集信号线以及计算机37，第一温度传感器29、第二温度传感器30、第三温度传感器31和第四温度传感器33安装于高压反应釜34底部并穿过石英砂/泥质岩心盛放槽20上的四个圆孔，压力传感器9安装于高压反应釜34上部，第一温度传感器29、第二温度传感器30、第三温度传感器31、第四温度传感器33以及压力传感器12通过数据采集信号线与计算机37相连。

气体控制系统包括气源1、包裹有水浴夹套24的缓冲罐25、真空泵4、第一压力表2、第二压力表5、第一针阀3、第二针阀26、第三针阀28、第四针阀8以及高压管路，其中气源1通过高压管路依次经过第一压力表2与第一针阀3接入缓冲罐25，缓冲罐15再通过高压管路依次经过第二压力表5、第二针阀26、第三针阀28接入高压反应釜34上部的进/排气孔10；真空泵4通过高压管路经过第四针阀8同样接入高压反应釜34上部的进/排气孔10。气源1中的气体依次经过第一压力表2与第一针阀3进入缓冲罐25中，而后气体再依次经过第二压力表5、第二针阀26、第三针阀28以及高压反应釜34上部的进/排气孔10进入高压反应釜34内；常压条件下高压反应釜34内部的空气经过高压反应釜34上部的进/排气孔10、第三针阀28和第四针阀8被真空泵4抽取出来。

钻井液侵入系统包括平流泵12、钻井液存储罐6、活塞27、第三压力表7、液体流量计13、第一钻井液侵入孔15、第二钻井液侵入孔16、第三钻井液侵入孔17、第四钻井液侵入孔18、第五钻井液侵入孔19、阀门14和高压管路，其中平流泵12通过高压管路接入钻井液存储罐6并控制活塞27，钻井液存储罐6通过高压管路依此经过第三压力表7、阀门14、液体流量计13接入安装于反应釜顶部的第一钻井液侵入孔15、第二钻井液侵入孔16、第三钻井液侵入孔17、第四钻井液侵入孔18和第五钻井液侵入孔19。钻井液存储罐6中的钻井液依次经过第三压力表7、阀门14、液体流量计13以及高压反应釜34顶部的第一钻井液侵入孔15、第二钻井液侵入孔16、第三钻井液侵入孔17、第四钻井液侵入孔18和第五钻井液侵入孔19进入高压反应釜34中。

回压卸荷系统包括与高压反应釜34上部的进/排气孔10相连的排气管路、阀门11以及回压阀22，阀门11以及回压阀22设置在排气管路上。回压卸荷时，高压反应釜34内气体依次经过高压反应釜34上部的进/排气孔10、排气管路、阀门11以及回压阀22排出实验装置。

高压反应釜34主要包括反应釜体、反应釜上端盖、第一(二)透明窗口32，其中反应釜上端盖通过密封圈与螺栓实现和反应釜体顶部的端面压实密封连接。

高压反应釜34底部设有四个小孔，第一温度传感器29、第二温度传感器30、第三温度传感器31和第四温度传感器33分别插入这几个小孔中。

高低温恒温空气浴箱21两侧为安装有透明窗口的可开式侧门，以便观察高压反应釜34内部的实验现象。

通过上述实验装置模拟钻井液侵入储层诱发水合物分解的方法，包括如下步骤：

(1)将装有石英砂或泥质岩心的盛放槽20、水和所需气体送入高压反应釜34中，调节高压反应釜34内压力和温度使水合物在低温、高压环境下形成于石英砂或泥质岩心的孔隙中，以模拟水合物储层；

(2)通过调节钻井液泵入系统，使钻井液以定温、定量且定速的形式侵入到高压反应釜34内部的模拟水合物储层中；

(3)实时采集高压反应釜34内部温度和压力数据，通过温度、压力以及高压反应釜34上的第一(二)透明窗口32观察高压反应釜34内实验现象并分析不同钻井液侵入情况对模拟储层中水合物分解所产生的影响。

步骤(3)中模拟钻井液侵入储层并分析其对水合物分解所产生影响的具体步骤如下：

a.实验装置的安装和气密性检测：关闭回压卸荷系统上的阀门11，打开气源1向高压反应釜34内通入所需气体并增压至15MPa后，保压观察12小时，检查所有针阀、阀门、气体管路和高压反应釜34的气密性，检查实验装置有无泄露；

b.对管路、缓冲罐和高压反应釜进行抽真空：检查实验装置无泄露后，在高压反应釜34内石英砂/泥质岩心盛放槽20中装入石英砂或泥质岩心以及水；打开回压卸荷系统的阀门11与气体控制系统的第一针阀3、第二针阀26、第三针阀28以及第四针阀8，随后打开真空泵4对高压管路、缓冲罐25和高压反应釜34进行30min抽真空处理，以确保管路、缓冲罐25和高压反应釜34内没有其它气体；然后关闭实验系统中的所有阀门；

c.实验开始前的准备：打开第一针阀3，向缓冲罐25内通入气体并使其压力达到一定值，然后关闭气源1及第一针阀3；将钻井液存储罐6中注满钻井液；启动高低温恒温空气浴箱21、恒温水浴循环泵23以及冷却液循环泵35并设定降温温度，开始降温；待高压反应釜34内部温度、缓冲罐25内气体和钻井液存储罐6内钻井液的温度均降至目的温度并保持平衡后，打开计算机37，通过压力传感器9、第一温度传感器29、第二温度传感器30、第三温度传感器31和第四温度传感器33监测记录高压反应釜34内的温度和压力；

d.完成上述工作后，打开第二针阀26和第三针阀28，使缓冲罐25内的气体进入高压反应釜34内，气体和水于高压反应釜34内在恒压条件下形成水合物，并通过监测和分析高压反应釜34内的温度、压力变化情况判定水合物是否完全形成；待反高压应釜34内水合物完全形成后，关闭第二针阀26以及第三针阀28；

e.利用平流泵12推动活塞27使钻井液存储罐6中压力略高于高压反应釜34内的压力；打开钻井液泵入系统的阀门14使定温钻井液以定速形式经过液体流量计13定量地侵入高压反应釜34内的模拟水合物储层中；通过监测高压反应釜34内压力和温度的变化情况以及透过高压反应釜上的第一(二)透明窗口32观察高压反应釜34内实验现象，进而分析不同钻井液侵入情况对储层内水合物分解所产生的影响。

实验结束后，打开与高压反应釜34上部进/排气孔10相连的回压卸荷系统中排气管路上的阀门11与回压阀22对实验装置进行卸压，直至实验装置压力降至大气压；通过平流泵12控制活塞27，使钻井液存储罐6内的压力同样降至大气压。

重复上述操作，可观测不同温度、量以及速率的钻井液侵入水合物储层中对水合物能够分解和分解程度所产生的影响，研究所得成果对水合物勘探开发极具参考、借鉴价值。