一种水合物反应釜实验系统及应用

技术领域

本发明属于石油钻采技术领域，具体涉及一种水合物反应釜实验系统及应用。

背景技术

海洋深水浅层很容易满足天然气水合物形成条件。富集成藏的水合物具有一定的开采价值，不具有开采价值的水合物则被认为是海洋深水油气开采的“三浅”地质灾害之一，有效封固这类天然气水合物层是保证安全钻探及开发海洋深水油气资源的关键技术之一。

水合物赖以稳定存在的必要条件是低温和高压，但是油井水泥候凝过程中水化放热以及钻完井过程中循环的钻井液、水泥浆等浆体的滤液会侵入水合物层，都可能会打破水合物稳定的条件，导致水合物分解。水合物分解之后会产生大量天然气，引起窜流问题，导致水泥环封隔失效，甚至危及整口井的安全。此外，水合物的分解还会造成海床塌陷、海底滑坡等地质灾害，对当地海洋环境造成了灾难性的后果。研究钻完井过程中水合物分解，不仅要考虑固井水泥浆在凝结过程中的水化放热，还要考虑水泥浆滤失，水泥浆滤液中离子及有机成分对水合物相平衡的影响。

因此，需要开发一种水合物反应釜实验系统，首先形成水合物模型，然后通过向水合物模型渗入水泥浆滤液，并测试水泥浆与水合物模型直接接触水化放热的影响，研究水泥浆滤液及水化热对水合物层相平衡稳定的影响，研究合理的水泥浆体系及固井方式，解决水合物层固井难题。

发明内容

为了解决对水合物层有效封固的问题，提供了一种水合物反应釜实验系统及应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了一种水合物反应釜实验系统，包括该系统包括反应釜模块、气体供应模块、等压循环模块、温度控制模块、数据检测模块、气液分离与计量模块、数据采集处理模块、安全环保控制模块；

所述反应釜模块包括釜体，釜体侧壁上设有管口I和管口II，釜体的顶部设有上盖，釜体的底部设有下盖；所述上盖上设有循环流体压力测点和循环流体温度测点，所述下盖上设有管口III和管口IV；所述釜体侧壁上设有温度压力测点和电阻测点；所述釜体外部设有冷却夹套；

所述气体供应模块包括气瓶、中间容器、气体增压泵和气体减压阀；气瓶通过增压泵、减压阀与釜体底部管口III连接；所述中间容器的进口与恒压恒速泵连接，所述中间容器的出口与釜体底部管口IV连接；

所述等压循环模块包括等压循环泵和分离缓冲容器；所述管口II、缓冲容器、等压循环泵、管口I依次循环连接；

所述温度控制模块包括低温恒温水浴槽，所述低温恒温水浴槽与冷却夹套连接；温度调控范围为-20~95℃。

所述数据检测模块包括温度压力传感器、电阻丝、电阻传感器、温度压力采集模块、电阻采集模块；所述温度压力传感器插入釜体侧壁的温度压力测点并且与温度压力采集模块连接；所述电阻传感器插入釜体侧壁的电阻测点并与电阻采集模块连接；相对设置的电阻传感器之间连接电阻丝，所述电阻丝设在釜体腔内；

所述气液分离与计量模块包括回压控制单元、气液分离器、气体质量流量计；所述回压控制单元包括回压阀以及与回压阀依次连接的回压缓冲容器和回压泵；所述回压阀与分离缓冲容器连接；所述回压阀依次与干燥容器、气液分离器、气体质量流量计连接；本申请中回压控制通过回压泵和回压阀实现，从而压缩、拉伸泵腔内的空气形成负压,在抽气口处与外界大气压产生压力差,在压力差的作用下,将气体吸入泵腔,再从排气口排出。

所述数据采集处理模块包括计算机处理器，所述计算机处理器与数据检测模块连接。

所述安全环保控制模块包括危险气体报警器。

所述反应釜模块中的管口I、管口II、管口III、管口IV可以关闭，可以供气体通过也可以供液体通过。

通过控制不同管口的打开与闭合可以实现不同的实验测试，例如，本发明所述的管口I、管口II、管口III、管口IV全部关闭可进行测试包括但不限于纯水水合物合成、含砂水合物合成、相平衡测试；单向关闭管口III、管口IV可形成单向流入通道，进行流体注入测试，注入流体包括但不限于水泥浆、环氧树脂及用于钻完井的可固化放热胶凝材料。

所述温度压力测点沿着釜体的轴向布置为两层，每层设有六个沿釜体外壁周向均匀分布的温度压力测点，每个所述温度压力测点内插入两个长短不一的温度压力传感器。采用该结构可以测量反应釜轴向不同位置及反应釜径向不同测点位置的温度和压力，每层可以得到12组温度、压力数据。

所述电阻测点沿着釜体的轴向布置为两层，每层设有四组沿釜体外壁周向均匀分布的电阻测点组，每组电阻测点组包括三个电阻测点，每个电阻测点内设有一个电阻传感器；相对设置的电阻传感器之间连接电阻丝，所述电阻丝设在釜体腔内，用于测量反应釜轴向不同位置及反应釜径向不同测点位置的电阻，每层可以得到9个电阻数据。

所述温度压力测点与电阻传感测点沿着釜体的轴向交替设置，电阻传感测点位于温度压力测点上方。

所述釜体内部分为水合物合成空间和流体循环空间；所述水合物合成空间位于流体循环空间下部；釜体底部向上至没过第一层电阻传感测点的空间为水合物合成空间，其余空间为流体循环空间。

所述反应釜模块釜体与所述上盖、下盖、温度压力测点、电阻测点及管线连接处均采用柔性石墨垫圈密封。

本发明所述的等压循环泵可调节循环流量。

本发明所述的等压循环流体包括但不限于水、钻井液、离子溶液、有机分子溶液、隔离液、冲洗液、水泥浆以及钻完井中过程中使用的、可以向井下泵注的其他工作液。

本发明所述的水合物反应釜实验系统应用于水合物实验中，所述的试验包括但不限于水合物模型制备及相平衡测试实验或流体对水合物模型影响实验。

所述的水合物模型制备及相平衡测试实验，具体步骤为：

（1）组装仪器，在釜体腔体内填入物料和水，压实后将上盖盖紧密封；

（2）从管口III向釜体注气，将釜体温度、压力调节至设定条件，生成水合物；

（3）测试水合物模型不同位置的温度、压力、电阻；

（4）调节温度控制模块，按一定步长升温，使水合物分解，记录每一步水合物达到分解平衡时的温度和压力曲线；当体系压力在4-6h之内增加小于0.01 MPa，则可以认为达到平衡；

（5）采集温度、压力、电阻数据，完成实验。

所述流体对水合物模型影响实验的，具体步骤为：

（1）组装仪器，在反应釜腔体内填入物料和水，压实后将上盖盖紧密封；

（2）从管口III向釜体注气，将釜体温度、压力调节至设定条件，生成水合物；

（3）测试水合物模型不同位置的温度、压力、电阻；

（4）配置模拟用流体；

（5）向等压循环泵内注入模拟用流体，调节压力与釜内相同；

（6）开启釜体管口I、管口II，打开等压循环泵循环流体；

（7）采集温度、压力、电阻数据，完成实验；

（8）打开阀门卸压，待将管路中的压力恢复到与当前大气压相等后，打开阀门，放出循环管及液体中间容器内的模拟流体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了通过实验室条件模拟不同压力、温度、气液比等条件下天然气水合物的生成与分解；通过调整物料和注入气体，模拟不同地层不同类型水合物的形成和分解条件；通过调节温度，研究水合物的相态平衡条件。

本发明所设计的反应釜体分为水合物合成腔、循环流体腔，通过预留釜体空间，实现水合物与流体的直接接触渗入；通过注入流体与水合物直接接触，研究流体中离子、聚合物等材料渗入水合物层对水合物相态稳定的影响；通过注入水泥浆、候凝，与水合物直接接触，模拟固井工程中水合物地层固井情况，研究水泥浆水化放热过程对水合物相态变化的影响。

本发明利用实验装置的压力、温度、电阻采集系统及采出分离计量系统处理软件，实时采集到的模型温度、压力、电阻等数据，可生成原始数据报表、分析报表、釜内温压电阻测试图等，同时生成数据库文件格式，以便用户灵活使用。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明主要模块示意图；

图2是本发明中水合物反应釜模型图；

图3为本发明中每层温度压力传感器的分布结构示意图；

图4为本发明中每层电阻传感器的分布结构示意图。

图中：1釜体，2管口I，3管口II，4上盖，5下盖，6循环流体压力测点，7循环流体温度测点，8管口III，9管口IV，10温度压力测点，11电阻测点，12冷却夹套，13气瓶，14增压泵，15减压阀，16中间容器，17恒速恒压泵，18等压循环泵，19分离缓冲容器，20温度压力传感器，21电阻丝，22电阻传感器，23回压阀，24回压缓冲容器，25液体分离器，26干燥容器，27气体质量流量计，28回压泵，29空压机，30预热器，31阀门，32电子天平。

具体实施方式

实施例1

一种水合物反应釜实验系统，该系统包括反应釜模块、气体供应模块、等压循环模块、温度控制模块、数据检测模块、气液分离与计量模块、数据采集处理模块、安全环保控制模块；

所述反应釜模块包括釜体，釜体侧壁上设有管口I和管口II，釜体的顶部设有上盖，釜体的底部设有下盖；所述上盖上设有循环流体压力测点和循环流体温度测点，所述下盖上设有管口III和管口IV；所述釜体侧壁上设有温度压力测点和电阻测点；所述釜体外部设有冷却夹套；

所述气体供应模块包括气瓶、中间容器、气体增压泵和气体减压阀；气瓶通过增压泵、减压阀与釜体底部管口III连接；所述中间容器的进口与恒压恒速泵连接，所述中间容器的出口与釜体底部管口IV连接；所述等压循环模块包括等压循环泵和分离缓冲容器；所述管口II、缓冲容器、等压循环泵、管口I依次循环连接；

所述温度控制模块包括低温恒温水浴槽，所述低温恒温水浴槽与冷却夹套连接；

所述数据检测模块包括温度压力传感器、电阻丝、电阻传感器、温度压力采集模块、电阻采集模块；所述温度压力传感器插入釜体侧壁的温度压力测点并且与温度压力采集模块连接；所述电阻传感器插入釜体侧壁的电阻测点并与电阻采集模块连接；相对设置的电阻传感器之间连接电阻丝，所述电阻丝设在釜体腔内；

所述气液分离与计量模块包括回压控制单元、气液分离器、气体质量流量计；所述回压控制单元包括回压阀以及与回压阀依次连接的回压缓冲容器和回压泵；所述回压阀与分离缓冲容器连接；所述回压阀依次与干燥容器、气液分离器、气体质量流量计连接；

所述数据采集处理模块包括计算机处理器，所述计算机处理器与数据检测模块连接；

所述安全环保控制模块包括危险气体报警器。

所述温度压力测点沿着釜体的轴向布置为两层，每层设有六个沿釜体外壁周向均匀分布的温度压力测点，每个所述温度压力测点内插入两个长短不一的温度压力传感器。

所述电阻测点沿着釜体的轴向布置为两层，每层设有四组沿釜体外壁周向均匀分布的电阻测点组，每组电阻测点组包括三个电阻测点，每个电阻测点内设有一个电阻传感器；相对设置的电阻传感器之间连接电阻丝，所述电阻丝设在釜体腔内。

所述温度压力测点与电阻传感测点沿着釜体的轴向交替设置，电阻传感测点位于温度压力测点上方。

所述釜体内部分为水合物合成空间和流体循环空间；所述水合物合成空间位于流体循环空间下部；釜体底部向上至没过第一层电阻传感测点的空间为水合物合成空间，其余空间为流体循环空间。

实施例2

实施例1所述的水合物反应釜实验系统在水合物模型制备及相平衡测试实验中的应用，具体步骤为：

（1）组装仪器，在釜体腔体内填入物料和水，压实后将上盖盖紧密封；

（2）从管口III向釜体注气，将釜体温度、压力调节至设定条件，生成水合物；

（3）测试水合物模型不同位置的温度、压力、电阻；

（4）调节温度控制模块，按一定步长升温，使水合物分解，记录每一步水合物达到分解平衡时的温度和压力曲线；当体系压力在4-6h之内增加小于0.01 MPa，则可以认为达到平衡；

（5）采集温度、压力、电阻数据，完成实验。

实施例3

实施例1所述的水合物反应釜实验系统在流体对水合物模型影响实验中的应用，具体步骤为：

（1）组装仪器，在反应釜腔体内填入物料和水，压实后将上盖盖紧密封；

（2）从管口III向釜体注气，将釜体温度、压力调节至设定条件，生成水合物；

（3）测试水合物模型不同位置的温度、压力、电阻；

（4）配置模拟用流体；

（5）向等压循环泵内注入模拟用流体，调节压力与釜内相同；

（6）开启釜体管口I、管口II，打开等压循环泵循环流体；

（7）采集温度、压力、电阻数据，完成实验；

（8）打开阀门卸压，待将管路中的压力恢复到与当前大气压相等后，打开阀门，放出循环管及液体中间容器内的模拟流体。