上覆和边低水层对甲烷水合物开采影响模拟装置及方法与流程

本发明涉及甲烷水合物开采技术领域，特别是一种研究上覆水层和边低水层对甲烷水合物开采影响的模拟装置及实验方法。

背景技术：

从历次水合物试采的情况来看，甲烷水合物开采过程中，产水量相较于传统油气藏均有大幅度的提高，气水同产成为水合物开采过程中的一个明显的特征。由于水合物的分解，使得含水合物储层的岩石骨架发生了巨大的变化，水的大量产出使得砂粒在近井地带发生运移，导致射孔段出砂严重，甚至发生坍塌，并且进一步损害配套的设备。与此同时，大量产水极易在井底附近形成水锥，导致气体被束缚在储层中，造成试采的时间大大的降低，直接使得水合物的试采情况较差。为此，对于水合物开采来说，有效控制水合物开采过程中的产水对水合物储层实现商业开采具有重要的影响。结合目前现有的认识，水合物开采过程中的产水不仅来自于水合物的分解以及含水合物储层，还来自于上覆水层以及边低水层，这主要是由于水合物储层的埋深较浅，使得岩石的压实作用不强导致的。但目前对于水合物开采过程中的产水规律认识不够，导致缺乏有效的控水的措施来指导水合物的试采。。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前对水合物开采过程中的产水规律认识不够，导致缺乏有效的控水的措施来指导水合物的试采的问题，提供一种上覆和边低水层对甲烷水合物开采影响的模拟装置及模拟实验方法，用于摸索水合物开采过程中的产水规律。

本发明提供的上覆和边低水层对甲烷水合物开采影响的模拟装置，结构如下：该模拟装置包括注气单元、注水单元、储层模拟单元、气液分离单元、数据采集系统。

所述注气单元包括依次连接的甲烷存储罐、气体增压泵、高压气体存储罐，气体增压泵还与空气压缩机连接，高压气体存储罐连接至储层模拟单元。

所述注水单元包括带恒温水浴的去离子水罐、与水罐连接的注水泵，注水泵出口连接至储层模拟单元。

所述储层模拟单元浸没在水浴加热槽内，储层模拟单元包括立方体形状的密封箱体，箱体内腔由水平设置的两个隔板分割为上、中、下三层腔体，上、中、下三层腔体分别作为上覆水层区域、水合物储层区域、边低水层区域，每个区域均设置有注水口、进气口、压力计、温度计。高压气体存储罐的出气口同时连接上覆水层区域、水合物储层区域、边低水层区域的进气口。注水泵出口同时连接上覆水层区域、水合物储层区域、边低水层区域的注水口。每个区域内均填充干燥的多孔介质，多孔介质可以是石英砂或海泥。

所述隔板内部设置层间控制机构，层间控制机构包括在隔板上开设的上下贯通的方形通孔，隔板一侧面开设垂直于隔板侧面的螺纹孔，螺纹孔的中轴线与方形通孔的一条水平方向的中轴线重合，螺纹孔穿过方形通孔并直线延伸至方形通孔的另一侧面内部。螺纹孔内底端设置弹簧，螺杆由箱体外部插入螺纹孔内，位于箱体外部的螺杆前端设有螺栓。螺杆的直径大于方形通孔的宽度，能够将方形通孔完全封堵，且在螺杆上设置有与方形通孔尺寸相同的另一个方形通孔，通过旋转调整螺栓改变螺杆方形通孔与隔板方形通孔的对齐度，实现隔板方形通孔的开启或关闭，以实现上覆水层区域与水合物储层区域之间，水合物储层区域与边低水层区域之间的连通或隔绝。所述隔板的方向通孔上设置防砂布。

所述箱体内设置直立的直井井筒和水平方向的水平井井筒，直井井筒贯穿上覆水层区域、水合物储层区域和边低水层区域，水平井井筒位于水合物储层区域。水平井井筒和直井井筒均用防砂布包裹，且设置有射孔。位于上覆水层区域和边低水层区域的直井井筒上可以射孔，也可以不射孔。直井井筒的生产出口和水平井井筒的生产出口均连接至气液分离单元。且在直井井筒和水平井井筒的生产出口与气液分离单元之间的管路上设有回压阀。

所述气液分离单元包括气液分离器，气液分离器的气体出口连接气体流量计，气液分离器底部设置天平。

所述数据采集系统与所有压力计、温度计、气体流量计、回压阀连接用于采集压力、温度等数据信息，数据采集系统最终连接至计算机。

优选的是，所述密封箱体由方形的上端开口的第一箱体单元、方形的第二箱体单元、方形的第三箱体单元、方形顶盖四部分拼接构成。其中，第二箱体单元和第三箱体单元结构相同，第二箱体单元的上下两端开口，第二箱体内中部设置与箱体一体成型的隔板将箱体内部空间分为上下两层。述第一箱体单元上端开口位置安装第二箱体单元的下端开口，第二箱体单元的上端开口与第三箱体单元的下端开口连接，第三箱体单元的上端开口连接方形盖板；第一箱体单元与第二箱体单元的连接处、第二箱体单元与第三箱体单元之间的连接处、第三箱体单元与方形盖板之间的连接处均设有密封圈并通过方形卡箍固定连接，最终形成完整的密封箱体。方形盖板中心、第三箱体的隔板中心、第二箱体的隔板中心均设置用于安装直井井筒的安装孔，三个安装孔上下重合对齐，且位于密封箱体的竖直中心线上。所述直井井筒表面设有螺纹，安装孔内壁设置螺纹，通过直井井筒表面的螺纹和安装孔内壁的螺纹配合使用，旋转直井井筒进行安装。方形盖板外侧中心的安装孔位置设置紧固密封件用于紧固直井井筒。

采用上述的模拟装置进行模拟实验的方法，步骤如下：

s1、安装储层模拟单元：依次将边低水层区域、水合物储层区域、上覆水层区域内填充多孔介质，并安装水平井井筒和直井井筒，最后安装方形顶盖密封；

s2、将储层模拟单元放置浸没在水浴加热槽内，并将温度调节到实验温度并恒温；

s3、将去离子水罐中的水注入边低水层区域，打开直井井筒的生产出口排出里面的空气，直到去离子水完全浸没，开始加入示踪剂；然后先后向水合物储层区域和上覆水层区域注入含不同示踪剂的去离子水，三个区域的压力保持与实际地层压力相似，确保含示踪剂的去离子充分与多孔介质接触；

s4、关闭上覆水层区域和边低水层区域的进气口，向水合物储层区域注入甲烷气体；

s5、将水浴加热槽的温度调节至实际储层的温度，关闭水合物储层区域进气口，开始生成水合物；

s6、在水合物生成期间，依次向上覆水层区域和边低水层区域注入含示踪剂的去离子水至水合物生成最终压力；

s7、打开回压阀降压；

s8、根据实验需要，调节位于密封箱体外部的螺栓，改变螺杆的方形通孔与隔板的方向通孔重合对齐程度，以改变三个区域之间相互连通性，验证上覆水层区域和边低水层区域对水合物储层区域开采的影响；

s9、打开直井井筒的生产出口，或水平井井筒的生产出口，开始降压开采；

s10、产出的甲烷和水进入气液分离器进行分离，产出甲烷气体由气体流量计测量，产出水由天平称量；整个实验过程中，压力计和温度计数据通过数据采集系统采集并传输到计算机。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明的模拟装置对上覆水层、水合物储层以及边低水层进行了一体化设计，方便拆卸和安装；并采用层间控制机构实现了三种储层区域的连通。

2、直井井筒采用分段设计，实现不同的射孔在三种储层的不同开采效果，也设计了水平井井筒，用于对比不同井型下的三种储层下的开采效果。并通过不同的射孔段设置以及不同的层间控制机构控制，可实现单一水体对水合物储层开采的影响。

3、通过在不同的注入水中加入不同的示踪剂，可以用来检测上覆水层、边低水层对甲烷水合物开采出的含量，实现对上覆水层以及边低水储层对水合物开采的评价。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、上覆和边低水层对甲烷水合物开采影响模拟工艺流程图。

图2、储层模拟单元的立体结构图。

图3、储层模拟单元的剖面结构示意图。

图4、螺杆的结构示意图。

图中标号：

1、去离子水罐；2、注水泵进口控制阀；3和5、注水泵；4和6、注水泵出口控制阀；7、甲烷存储罐；8、出口控制阀；9、气体增压泵进口控制阀；13、气体增压泵出口控制阀；10、气体增压泵；11、空气压缩机出口控制阀；12、空气压缩机；14、高压气体存储罐进口控制阀；15、压力表；16、高压气体存储罐出口控制阀；17、高压气体存储罐；18、甲烷注入控制总阀；19、水浴加热槽；20-22、注水口控制阀；23-25、进气口控制阀；26-28、压力表；29-36、温度计；37、直井井筒；38、水平井井筒；39、直井井筒生产出口控制阀；40、水平井井筒生产出口控制阀；41、回压阀进口控制阀；42、回压阀；43、回压阀出口控制阀；44、气体分离器；45、天平；46、气体流量计；47、气体外排；48、数据采集系统；49、计算机、50、密封箱体；51、隔板；52、上覆水层区域；53、水合物储层区域；54、边低水层区域；55、上覆水层区域注水口；56、水合物储层区域注水口；57、边低水层区域注水口；58、上覆水层区域进气口；59、水合物储层区域进气口；60、边低水层区域进气口；61、隔板的方形通孔；62、弹簧；63、螺杆；64、螺栓；65、螺杆的方形通孔；66、防砂布；67、射孔；68、第一箱体单元；69、第二箱体单元；70、第三箱体单元；71、方形顶盖；72、密封圈；73、方形卡箍；74、安装孔；75、螺纹；76紧固密封件；77、压力测试管；78、压力测试防砂头；79、层间控制机构；80、单层温度探针分布层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明提供的上覆和边低水层对甲烷水合物开采影响的模拟装置，结构如下：该模拟装置包括注气单元、注水单元、储层模拟单元、气液分离单元、数据采集系统。

其中，所述注水单元包括带恒温水浴的去离子水罐1、与水罐1连接的两个并联的注水泵(注水泵3和注水泵5)。靠近注水泵3和注水泵5进口的管路上设有注水泵进口控制阀2，靠近注水泵3和注水泵5出口的管路上分别设置注水泵出口控制阀4和注水泵出口控制阀6，两个注水泵出口连接至储层模拟单元，向储层模拟单元注入去离子水。

所述注气单元包括依次连接的甲烷存储罐7、气体增压泵10、高压气体存储罐17，气体增压泵还与空气压缩机12连接。甲烷存储罐7的出口位置安装出口控制阀8。气体增压泵10的进口端和出口端分别设置气体增压泵进口控制阀9和气体增压泵出口控制阀13。空气压缩机与气体增压泵之间管路上设置空气压缩机出口控制阀11。高压气体存储罐17的进口端设置高压气体存储罐进口控制阀14。高压气体存储罐17连接至储层模拟单元，向储层模拟单元注入高压甲烷气体。高压气体存储罐17出口端与储层模拟单元之间的管路上依次设置压力表15、高压气体存储罐出口控制阀16和甲烷注入控制总阀18。

所述储层模拟单元浸没在水浴加热槽19内。储层模拟单元包括立方体形状的密封箱体50，箱体内腔由水平设置的两个隔板51分割为上、中、下三层腔体，上、中、下三层腔体分别作为上覆水层区域52、水合物储层区域53、边低水层区域54，每个区域均设置有注水口、进气口、压力计和温度计。其中，注水口包括上覆水层区域注水口55、水合物储层区域注水口56、边低水层区域注水口57。进气口包括上覆水层区域进气口58、水合物储层区域进气口59、边低水层区域进气口60。压力计包括上覆水层区域压力计26、水合物储层区域压力计27、边低水层区域压力计28。压力计还包括位于箱体内部的压力测试管77和压力测试防砂头78。温度计包括上覆水层区域温度计29，水合物储层区域温度计30、31、32、33、34、35，边低水层区域温度计36。水合物储层区域分布有数排温度计，用来监测温度的分布，温度计的排数和分布可以根据实际情况进行。图2的立体图中只给出了单层的温度探针分布，见图中，单层温度探针分布层80。高压气体存储罐的出气口通过使用一个四通接头或两个三通接头同时连接上覆水层区域、水合物储层区域、边低水层区域的进气口。并且在每个进气口的前端安装有进气口控制阀23、24、25。注水泵出口通过使用一个四通接头或两个三通接头同时连接上覆水层区域、水合物储层区域、边低水层区域的注水口。并且在每个进水口的前端安装有进水口控制阀20、21、22。每个区域内均填充干燥的多孔介质(未示出)，多孔介质可以是石英砂或海泥。

所述隔板51具有一定厚度，隔板内部设置层间控制机构79。层间控制机构包括在隔板上开设的上下贯通的方形通孔61。隔板一侧面开设垂直于隔板侧面的螺纹孔，螺纹孔的中轴线与方形通孔的一条水平方向的中轴线重合，螺纹孔穿过方形通孔并直线延伸至方形通孔的另一侧面内部。螺纹孔内底端设置弹簧62，螺杆63由箱体外部插入螺纹孔内，位于箱体外部的螺杆前端设有螺栓64。螺杆63的直径大于方形通孔的宽度，能够将方形通孔61完全封堵，且在螺杆63上设置有与方形通孔尺寸相同的另一个方形通孔65，通过旋转调整螺栓改变螺杆方形通孔65与隔板方形通孔61的对齐度，实现隔板方形通孔的开启或关闭，以实现上覆水层区域与水合物储层区域之间，水合物储层区域与边低水层区域之间的连通或隔绝。所述隔板的方向通孔61上设置防砂布(未示出)。层间控制机构79的目的是根据实际的需要控制上覆水层区域和边低水层区域与水合物储层区域的连通形式。

所述箱体50内设置直立的直井井筒37和水平方向的水平井井筒38，直井井筒贯穿上覆水层区域52、水合物储层区域53、边低水层区域54。水平井井筒位于水合物储层区域53。水平井井筒布置在水合物储层区域的横向中部，而直井井筒纵向布置穿过三个区域，其具有不同的射孔位置。水平井井筒和直井井筒均用防砂布66包裹，且设置有射孔67。射孔的方式可以是方形、圆形射孔等形状，但是射孔的层段应该根据模拟方案。例如，位于上覆水层区域和边低水层区域的直井井筒上可以射孔，也可以不射孔。直井井筒的生产出口和水平井井筒的生产出口均连接至气液分离单元。所述气液分离单元包括气液分离器44，气液分离器的气体出口连接气体流量计46，气液分离器底部设置天平45。直井井筒和水平井井筒的生产出口均与气液分离器44连接。且在直井井筒和水平井井筒的生产出口位置设置直井井筒生产出口控制阀39和水平井井筒生产出口控制阀40。这两个控制阀与气液分离器之间的管路上设有回压阀42，回压阀42的前端和后端分别设置回压阀进口控制阀41和回压阀出口控制阀43。经由气体流量计46的气体由气体外排口47排出。

所述数据采集系统48与所有压力计、温度计、气体流量计、回压阀连接用于采集压力、温度等数据信息，数据采集系统最终连接至计算机49。

另一实施例中，所述密封箱体50由方形的上端开口的第一箱体单元68、方形的第二箱体单元69、方形的第三箱体单元70、方形顶盖71四部分拼接构成。其中，第二箱体单元69和第三箱体单元70结构相同，第二箱体单元69的上下两端开口，第二箱体内中部设置与箱体一体成型的隔板51将箱体内部空间分为上下两层。所述第一箱体单元上端开口位置安装第二箱体单元的下端开口，第二箱体单元的上端开口与第三箱体单元的下端开口连接，第三箱体单元的上端开口连接方形盖板。第一箱体单元与第二箱体单元的连接处、第二箱体单元与第三箱体单元之间的连接处、第三箱体单元与方形盖板之间的连接处均设有密封圈72并通过方形卡箍73固定连接，最终形成完整的密封箱体。方形盖板中心、第三箱体的隔板中心、第二箱体的隔板中心均设置用于安装直井井筒的安装孔74，三个安装孔上下重合对齐，且位于密封箱体的竖直中心线上。所述直井井筒表面设有螺纹，安装孔74内壁设置与直井井筒表面螺纹配合使用的螺纹75，便于直井井筒通过螺纹旋转安装。方形盖板外侧中心的安装孔位置设置紧固密封件76用于紧固直井井筒。同样的，水平井井筒由箱体一侧面的安装孔水平插入水合物储层区域中，并在箱体侧面安装孔位置设置紧固密封件76用于紧固水平井井筒。

进一步优选的是，层间控制机构79的结构也可以是：每个隔板上可以开设一个、两个或多个方形通孔，多个方形通孔在隔板上等间距分布，每个方形通孔上设置防砂布。方形通孔的数目可以根据实际的需要进行安排分布。在隔板侧面上开设多个垂直于隔板侧面的螺纹孔，每个螺纹孔与每个方形通孔一一对应，每个方形通孔都配套设有对应的带有螺杆和螺栓，螺杆上开设与隔板的方向通孔尺寸相同的另一个方形通孔，螺纹孔的中轴线与方形通孔的一条水平方向的中轴线重合，螺纹孔穿过方形通孔并直线延伸至方形通孔的另一侧面内部。螺纹孔内底端设置弹簧62，螺杆63由箱体外部插入螺纹孔内，位于箱体外部的螺杆前端设有螺栓64。螺杆63的直径大于方形通孔的宽度，能够将方形通孔61完全封堵，且在螺杆63上设置有与方形通孔尺寸相同的另一个方形通孔65(见图4)。通过旋转调整螺栓改变螺杆方形通孔65与隔板方形通孔61的对齐度，实现隔板方形通孔的开启或关闭，以实现上覆水层区域与水合物储层区域之间，水合物储层区域与边低水层区域之间的连通或隔绝。所述隔板的方向通孔61上设置防砂布(未示出)。

采用上述的模拟装置进行实验的方法，步骤如下：

(1)充填干燥的多孔介质，如石英砂、海泥等。首先，在边低水层区域，安装相应的直井井筒，并充填多孔介质，压实之后，安装方形卡箍73和弹性密封圈72；其次是安装水合物储层区域的水平井筒以及直井井筒，充填相应的多孔介质，并安装方形卡箍73和弹性密封圈72；最后是安装上覆水层区域的直井井筒，并充填安装多孔介质，压实，安装上方形顶盖71、方形卡箍73以及弹性密封圈72，完整储层模拟单元的安装。

(2)将步骤1安装好的储层模拟单元沉入浸没在水浴加热槽19内，并将温度调节到实验所需温度恒温。

(3)打开注水泵出口控制阀4和6，先打开边低水层区域注水进口控制阀22，开启注水泵3或者5，将去离子水从带恒温水浴的去离子水罐，注入到边低水层区域内，打开直井井筒生产出口控制阀39，排出里面的空气，直到去离子水完全浸没，开始加入示踪剂；采用相同的措施，依次打开水合物储层区域注水进口控制阀21、上覆水层区域注水进口控制阀20，向水合物储层区域以及上覆水层区域注入还有不同示踪剂的去离子水，三个区域最终保持一定的压力(与实际的地层压力相似)，确保含示踪剂的去离子充分与多孔介质接触。

(4)关闭上覆水层区域注气进口控制阀25和边低水层区域注气进口控制阀，打开水合物储层区域注气进口控制阀24。打开气体增压泵的进出口控制阀4和6，开启空气压缩机以及气体增压泵10，打开高压气体存储罐进口控制阀14，开启甲烷气罐出口控制阀8，向高压气体存储罐注入甲烷至25mpa。开启甲烷注入控制总阀18，通过高压气体存储罐控制阀16，向水合物储层区域注入甲烷至一定的压力。

(5)将水浴加热槽19的温度调节至实际储层的温度，关闭水合物储层区域注气进口控制阀24，开始生成水合物。

(6)在水合物生成期间，依次打开上覆水层区域注水进口控制阀20和边低水层区域注水进口控制阀22，向对应的区域注入含示踪剂的去离子水到水合物生成最终的压力。

(7)打开回压阀进口控制阀41和回压阀出口控制阀43，调节回压阀42到一定的压力到需求的降压压力数值。

(8)根据实验需要，调整密封箱体外部的螺栓，使得螺杆的方形通孔与隔板的方向通孔重合对齐，使得各区域之间相互连通，可以使得水合物储层区域与上覆水层区域之间连通，或水合物储层区域与边低水层区域之间连通、或者是三个区域之间均连通，验证不同水层对水合物储层开采的影响。

(9)打开直井井筒生产出口39控制阀或者是水平井井筒生产出口控制阀40，开始降压开采。

(10)产出的甲烷和水进入气液分离器44进行分离，气液分离器44的气体出口连接气体流量计46，甲烷气体有气体外排口47排出；而产出的水通过天平45进行计量；整个实验过程中，压力表26、27、28的数据以及温度计29-36通过数据采集系统采集，并传输到计算机49。

综上所述，本发明的模拟装置对上覆水层、水合物储层以及边低水层进行了一体化设计，方便拆卸和安装；并采用层间控制机构实现了三种储层区域的连通，能够用于研究上覆水层区域和边低水层区域对水合物储层区域开采的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。