一种海洋浅层气放喷模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋油气勘探领域，并且更具体地，涉及一种海洋浅层气放喷模拟实验装置及方法。

背景技术

深水钻井过程中，如果浅部表层井段地层中含有浅气层，由于此时还没有下入表层套管，所以无法安装防喷器系统，钻探遭遇浅气层是在没有防喷器情况下进行的，具有一定的危险性。如果此时发生浅层气井喷，其后果要比陆上井喷严重的多。随着海洋油田开发的不断深入，在海上石油钻井中，浅层气广泛存在，对海洋油气勘探与开发所造成的灾害屡见不鲜，遇到浅层气的一种解决方案为提前放喷，这就要求对浅层气的放喷机理进行深入分析，研究其放喷过程中气柱特征与浅层气压力及气量的关系，以便在海洋钻井的设计与施工过程中制定出有效的方案措施，降低浅层气引发灾害的可能性，确保钻井施工及工作人员的安全。因此确定浅层气的放喷机理是实现浅层钻井安全的重要因素。

目前，现有的石油领域科学实验中，对底层深部岩石(人工岩心)和地层深处地层特征模型(人工地层)研制和实验模拟的研究工作较为充分，也有部分模拟浅层地质灾害地层声学特征的模拟实验装置，尚未有浅层气的模拟放喷模型投入实验，但国内外未见对浅层气放喷特征进行实验研究的模拟装置。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种海洋浅层气放喷模拟实验装置及利用该装置模拟海洋浅层气放喷的方法，通过模拟在水下环境下，不同条件下的浅层气放喷过程，为钻井过程中的浅层气放喷机理研究提供实验基础，大大减少钻井过程中的风险。

第一方面，本申请提供了一种海洋浅层气放喷模拟实验装置，包括：透明箱体，其用于盛装海水以模拟海水环境，在其侧壁上沿着竖直方向和水平方向布置有刻度；模拟土层，其布置于所述透明箱体的底部以模拟浅部地层；模拟井筒，其从下方竖直穿过所述透明箱体的底部并伸出所述模拟土层；注气系统，其与所述模拟井筒连通以通过所述模拟井筒向盛有海水的所述透明箱体内部注入加压的模拟气体；以及信息采集系统。通过该模拟实验装置，能够简单和高效地模拟浅层气的放喷过程，模拟不同浅层气压力、气量、井筒直径与放喷气柱高度、气柱范围以及水面气泡特征之间的关系，同时还可以模拟一定气量条件下的放喷规律，为浅层气放喷机理研究提供实验基础。

在第一方面的一个实施方式中，所述注气系统包括：储气罐；进气管线，其一端连接所述储气罐，另一端连接所述模拟井筒；流速测量元件，其设置于所述进气管线上以用于测量所述模拟气体的注气速度；以及调压元件，其设置于所述进气管线上以用于控制所述模拟气体的注气压力。通过该实施方式，能够根据情况改变注气压力和注气总量，模拟不同注气压力和注气总量对浅层气放喷过程的影响。

在第一方面的一个实施方式中，还包括注水系统，所述注水系统包括：储水罐；注水管线，其一端连接所述储水罐，另一端连接设置在所述透明箱体上的注水口；以及增压泵，其设置于所述注水管线上，以将所述储水罐中盛装的海水经由所述注水口泵入所述透明箱体中。

在第一方面的一个实施方式中，还包括过滤/循环系统，所述过滤/循环系统包括：出水管线，其一端连接所述储水罐，另一端设置在所述所述透明箱体上的排水口；以及过滤元件，其设置于所述出水管线上以对经由所述排水口排出所述透明箱体的海水进行过滤，并重新循环通入所述储水罐中。通过该实施方式，能够在多次试验的间隙对箱体中的海水进行循环过滤，使得每次试验中能够泵入纯净的海水，提高试验准确度。

在第一方面的一个实施方式中，所述模拟气体为甲烷或空气。

在第一方面的一个实施方式中，所述透明箱体的长宽高为8m×5m×5m。

在第一方面的一个实施方式中，所述信息采集系统用于采集目标注气压力、目标井筒直径和目标总注气量，以及相应的气柱高度、气柱范围以及水面气泡特征。

第二方面，本申请还提供了一种利用第一方面及其实施方式的海洋浅层气放喷模拟实验装置进行海洋浅层气放喷过程模拟的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、将目标直径的所述模拟井筒从下方竖直穿过所述透明箱体的底部；步骤2、在所述透明箱体内部铺设所述模拟土层，压实并静置24小时；步骤3、向所述透明箱体内部注入海水至目标高度；步骤4、通过所述注气系统以目标注气压力向所述模拟井筒内注气，观察所述透明箱体内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；以及步骤5、在所述注气系统的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至所述模拟井筒中不再有气体溢出。通过该模拟方法，能够简单和高效地模拟浅层气的放喷过程，为浅层气放喷机理研究提供实验基础。

在第二方面的一个实施方式中，该方法在步骤4和步骤5之间还包括：步骤6、改变所述注气系统的目标注气压力，重复步骤4-5。通过该实施方式，能够模拟不同的浅层气压力对放喷过程的影响。

在第二方面的一个实施方式中，该方法还包括：步骤7、改变所述总注气量阈值，重复步骤4-5。通过该实施方式，能够模拟不同的浅层气含量对放喷过程的影响。

在第二方面的一个实施方式中，该方法还包括：步骤8、改变所述模拟井筒的目标直径，重复步骤1-7。通过该实施方式，能够模拟不同井筒直径对浅层气放喷过程的影响。

在第二方面的一个实施方式中，该方法还包括：步骤9、改变模拟土层的土质，重复步骤1-8。通过该实施方式，能够模拟不同土质层对浅层气放喷过程的影响。

在第二方面的一个实施方式中，所述目标注气压力为0～5MPa。

在第二方面的一个实施方式中，所述模拟井筒的所述目标直径为5～25cm。

本申请相较于现有技术，提供了一种简单高效的模拟浅层气放喷过程的实验装置，其能够对浅层气放喷过程中的气柱现象进行模拟，易于在室内外开展科学实验，从而实现对所需的物理特性(气柱高度、气柱范围等)进行相关的实验测量。该装置能够模拟不同浅层气压力、气量、井筒直径与放喷气柱高度、气柱范围、水面气泡情况之间的关系，同时还可以模拟测试一定气量条件下的喷射规律。为浅层气放喷机理提供实验基础，使得海洋钻遇浅层气时的钻前设计和施工措施的选择和使用更为合理，从而实现更加高安全性的钻井效果。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的海洋浅层气放喷模拟实验装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明实施例的海洋浅层气放喷模拟方法的流程示意图。

附图标记清单：

100-模拟实验装置；110-透明箱体；111-注水口；112-出水口；120-模拟土层；130-模拟井筒；140-注气系统；141-储气罐；142-进气管线；143-流速测量元件；144-调压元件；145-第一增压泵；150-注水系统；151-储水罐；152-注水管线；153-第二增压泵；160-过滤/循环系统；161-出水管线；162-过滤元件。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明提供的海洋浅层气放喷模拟实验装置100的结构示意图。如图1所示，该模拟实验装置100包括透明箱体110、模拟土层120、模拟井筒130、注气系统140以及信息采集系统(未示出)。

其中，该模拟土层120铺设于透明箱体110内部以便模拟实际浅层气所在区域的海底浅部地层(该模拟土层应当与浅层气所在海域土质相近)；在透明水箱110中灌注有海水以模拟海水环境；该模拟井筒130从透明箱体110的底部竖直向上伸入所述透明箱体110内部，并伸出模拟土层120，其位于箱体以外的一端连接注气系统140，注气系统140从而能够通过该模拟井筒130向盛有海水的透明箱体110内部注入加压的模拟气体；信息采集系统与注气系统140通信连接，其可以采集目标注气压力、目标井筒直径和目标总注气量，以及相应的气柱高度、气柱范围以及水面气泡特征等放喷参数，其中，水面气泡特征可以包括气泡数量和相对大小等；其可以与计算机连接，已将上述采集到的信息输入计算机中进行放喷规律的研究。

该透明箱体110为整个装置的基础部分，侧面和顶面都为透明材质，在透明箱体110的侧壁上沿着竖直方向布置有竖直刻度线，沿着水平方向布置有水平刻度线，可通过箱体实时观察测量气柱高度、气柱扩散范围和水面气泡特征(用于模拟实际情况中海面气泡翻涌情况，探究其对钻探平台稳定性的影响)等，其中，气柱的高度可以通过竖直刻度线读取，气柱的扩散范围可以通过水平刻度尺的读取(或者换算为二维平面内的圆形面积)。在优选实施例中，在该透明箱体110的侧壁靠近侧边缘的位置沿着周向分布有多条竖直刻度线，并且在靠近顶部边缘的位置沿着周向分布多条水平刻度线，使得无论从该透明箱体110的任何位置都能够观察到海水中形成的气柱的高度以及气柱范围等。

如图1所示，在一个实施例中，该注气系统140可以包括如下部件：

储气罐141，其用于储藏高压条件下的液态模拟气体，其中，该模拟气体优选地可以为甲烷或空气；

进气管线142，其一端连接储气罐141，另一端连接该模拟井筒130；

调压元件144，其设置于进气管线142上，用于控制模拟气体的注气压力；该调压原件144可选地为调压阀，如图1所示；

流速测量元件143，其设置于进气管线142上流速测量元件143用于测量模拟气体的注气速度，从而控制总注气量。具体地，可以通过读取的注气速度与时间的乘积获取该时间段内的总注气量；该流速测量原件143可选地为流量计，如图1所示。

优选地，该注气系统140还可以包括第一增压泵145，其设置于进气管线142上，以将来自于储气罐141中的高压气体进一步增压，使其能够达到模拟浅层气放喷过程的压力水平。

凭借该模拟实验装置100，注气系统140以一定的目标注气压力向模拟井筒130中注入气体，以模拟海洋浅层气的放喷，观察在透明箱体110的海水中形成的气柱的高度、范围以及在水面气泡的翻涌情况等，信息采集系统采集上述放喷参数，并形成浅层气放喷的规律。

应当理解，本申请中向箱体中灌注海水可以通过手动或自动方式进行。在自动方式中，该模拟实验装置100可以包括注水系统150，其包括：

储水罐151，其用于存储来自于浅层气所在地层或者与浅层气所在地层附近相关的海水，二者应当具有相同的密度等特性；

注水管线152，其一端连接到该储水罐151，另一端连接到设置在该透明箱体110上的注水口111(优选地，在注水管线152上设置有阀门，以控制海水从储水罐151灌注到透明箱体110中的开启或关闭)；以及

第二增压泵153，其设置在注水管线152上，以将储水罐151中盛装的海水经由注水口111泵入到透明箱体110中。

为了更加高效地进行模拟，该模拟实验装置100还包括过滤/循环系统160，其包括；

出水管线161，其一端连接所述储水罐151，另一端设置在所述透明箱体110上的排水口112(应理解，排水口112应当位于模拟土层120上方并靠近模拟土层120上表面，并且在出水管线161上应当设置有阀门，以控制海水从箱体中排出的打开或关闭)；以及

过滤元件162，其设置于所述出水管线161上以对经由所述排水口112排出所述透明箱体110的海水进行过滤，并重新循环通入所述储水罐151中。

通过该过滤/循环系统160，能够在需要更换模拟土层120或者不同直径的模拟井筒130的情况下，将箱体中的海水抽出并经由过滤元件162过滤，将过滤后的纯净海水馈入储水罐151中用作下一次实验中待泵入到透明箱体110中的海水。

在优选实施例中，该过滤元件162为过滤器。

在优选实施例中，该模拟实验装置100的信息采集系统还可以与上文的注水系统150通信连接，以控制注水系统150的注水量，即控制每次向透明箱体110中中注入等体积的海水，使其到达同一液面高度，以确保模拟的海水环境与实际浅层气所在浅部地层的海水环境相近，并且确保每次模拟实验中海水因素的影响降低到最小。

在开展模拟实验前期，应当根据实际浅层气浅部地层的特征，确定模拟实验装置100的相关参数，以使得本申请提供的模拟实验装置100及对应的模拟方法能够尽可能真实地模拟实际浅部地层的环境特征和放喷过程。在该实施例1中，确定该透明箱体110的长宽高尺寸为8m×5m×5m，注气系统的注气压力为0～5MPa，且井筒直径为5～25cm，总注气量阈值为5～10m

与上文描述的模拟实验装置100的结构相对应地，如图2所示，在本申请提供的模拟浅层气放喷过程的方法200中，该方法200包括：S210，将目标直径的模拟井筒130从下方竖直穿过透明箱体110的底部；S220，在透明箱体110内部铺设模拟土层，压实并静置24小时；S230，向透明箱体110内部注入海水至目标高度；S240，通过注气系统140以目标注气压力向模拟井筒130内注气，观察透明箱体110内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；以及S250，在注气系统140的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至模拟井筒130中不再有气体溢出。

该方法200可以包括如下步骤：S210，将目标直径的模拟井筒130从下方竖直穿过透明箱体110的底部；S220，在透明箱体110内部铺设模拟土层，压实并静置24小时；S230，向透明箱体110内部注入海水至目标高度；S240，通过注气系统140以目标注气压力向模拟井筒130内注气，观察透明箱体110内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；S260，改变注气系统140的目标注气压力，并重复S240-S250；以及S250，在注气系统140的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至模拟井筒130中不再有气体溢出。

在S260中，可以通过调压元件144调节注气压力，该注气压力可以为0～5MPa的范围内(调节步幅例如为0.5MPa)，在某一注气压力下保持几分钟(例如5分钟)，观察并记录在箱体的海水中形成的气柱的气柱高度、气柱范围以及水面气泡特征等(即S240)；然后继续调节调压元件144调节注气压力，继续重复步骤S240，获得多个注气压力值下的浅层气放喷参数，将注气压力值以及对应的放喷参数输入信息采集系统中，研究注气压力对浅层气放喷过程的影响。

该方法200可以包括如下步骤：S210，将目标直径的模拟井筒130从下方竖直穿过透明箱体110的底部；S220，在透明箱体110内部铺设模拟土层，压实并静置24小时；S230，向透明箱体110内部注入海水至目标高度；S240，通过注气系统140以目标注气压力向模拟井筒130内注气，观察透明箱体110内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；S250，在注气系统140的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至模拟井筒130中不再有气体溢出；以及S270，改变所述总注气量阈值，并重复S240～S250。

在S270中，该总注气量阈值可以为5～10m

该方法200可以包括如下步骤：S210，将目标直径的模拟井筒130从下方竖直穿过透明箱体110的底部；S220，在透明箱体110内部铺设模拟土层，压实并静置24小时；S230，向透明箱体110内部注入海水至目标高度；S240，通过注气系统140以目标注气压力向模拟井筒130内注气，观察透明箱体110内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；S260，改变注气系统140的目标注气压力，并重复S240；S250，在注气系统140的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至模拟井筒130中不再有气体溢出；S270，改变所述总注气量阈值，并重复S240～S260；以及S280，改变模拟井筒130的目标直径，并重复S210～S270。

在S280中，在某一目标直径的目标井筒130的放喷模拟结束以后，更换不同直径的目标井筒130，其中，目标井筒130在5～25cm的范围内，调节步幅例如为5cm，通过注水系统150以及过滤/循环系统160完成对透明箱体110和模拟土层120的更换，避免对下次实验的干扰，重复S210～S270，获取不同井筒直径条件下，不同注气压力以及不同总注气量阈值下的放喷参数，将其分别输入信息采集系统中，研究不同井筒直径对浅层气放喷过程的影响。

该方法200可以包括如下步骤：S210，将目标直径的模拟井筒130从下方竖直穿过透明箱体110的底部；S220，在透明箱体110内部铺设模拟土层，压实并静置24小时；S230，向透明箱体110内部注入海水至目标高度；S240，通过注气系统140以目标注气压力向模拟井筒130内注气，观察透明箱体110内部海水中形成的气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征；S260，改变注气系统140的目标注气压力，并重复S240；S250，在注气系统140的总注气量达到预设的总注气量阈值时，逐步降低注气压力，继续观察气柱的高度、扩散范围以及水面气泡特征，直至模拟井筒130中不再有气体溢出；S270，改变总注气量阈值，并重复S240～S260；S280，改变模拟井筒130的目标直径，并重复S210～S270；以及S290，改变模拟土层120的土质，重复步骤S210～S280。

在S290中，在某一土质的模拟土层条件下，获取不同注气压力、总注气量阈值、井筒直径下的放喷参数之后，更换新的土质的模拟土层120，重复步骤S210～270，获取不同土质的模拟土层条件下，不同注气压力、总注气量阈值、井筒直径下的放喷参数，将其分别输入信息采集系统，研究不同土质对浅层气放喷模拟过程的影响。

本发明能够简单高效的模拟浅层气放喷过程，能够模拟不同浅层气压力、气量、井筒直径与放喷气柱高度、气柱范围、放喷时间之间的关系，同时还可以模拟测试一定气量条件下的喷射规律，为浅层气放喷机理提供实验基础，使得海洋钻遇浅层气时的钻前设计和施工措施的选择和使用更为合理，从而实现更加高安全性的钻井效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。