钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置及方法

本发明涉及天然气水合物钻井设备及方法，尤其涉及一种钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、天然气水合物是一种高效的清洁能源，常见于深海海底、冻土带等高压低温环境中。在天然气水合物地层钻井过程中，钻井液与天然气水合物的对流换热会破坏天然气水合物稳定存在的压力、温度条件，造成天然气水合物分解，进而降低近井地层稳定性，导致钻井失败，危害钻井安全。因此，厘清钻井液与天然气水合物地层的对流换热规律、摸清天然气水合物的分解速度是保障钻井安全的关键，需要专门的实验装置开展研究。然而，目前欠缺仅考虑钻井液与天然气水合物地层之间对流换热的实验装置。现有的天然气水合物实验装置都先通过控制温度、压力条件，原位生成天然气水合物后，对天然气水合物地层进行后续实验。如果想在模拟地层中保留钻井液流通通道，需要在天然气水合物合成过程中将通道与合成区域物理分隔。待水合物生成后，须先移除物理分隔，保证钻井液与含天然气水合物地层直接接触，再研究二者的对流换热。为了保障含天然气水合物地层钻井安全，需要设计一种模拟钻井液与天然气水合物地层对流换热的实验装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能模拟生成的天然气水合物地层在抽离物理分隔结构并注入钻井液后，实现钻井液在环空中与天然气水合物地层直接接触，研究钻井液与天然气水合物地层的对流换热对天然气水合物影响的钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置。

2、本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

3、本发明提供了一种钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置，包括反应机构、驱动机构、及温度传感机构，所述反应机构包括：

4、反应釜，上端呈敞开设置，所述反应釜的下端的中部形成有第一分隔管口；

5、密封盖，密封盖设在所述反应釜的上端，所述密封盖的中部形成有第二分隔管口，所述密封盖和所述反应釜围绕形成有反应腔，所述反应腔至少用于盛装结构砂、甲烷、及水，所述温度传感机构设置在所述反应腔内；

6、外引导管，自所述密封盖的上端向上延伸形成，所述驱动机构设置在所述外引导管的上端；

7、分隔管，能活动的设置在所述外引导管内，所述分隔管的上端连接在所述驱动机构上，所述驱动机构用于驱动所述分隔管在第一位置和第二位置间移动；

8、其中，在所述分隔管位于所述第一位置时，所述分隔管的下端位于所述第二分隔管口内，所述反应腔与外界相连通；在所述分隔管位于所述第二位置时，所述分隔管的上端位于所述第二分隔管口内，所述分隔管的下端穿过所述第一分隔管口，所述分隔管与所述第一分隔管口及所述第二分隔管口间均密封设置，以使所述反应腔呈密闭设置。

9、在一较佳实施例中，所述反应机构包括：

10、注入结构体，自所述反应釜的下端向下延伸形成，所述注入体内形成有注射腔；

11、内引导管，自所述注入结构体的中部向上延伸形成，所述内引导管穿过所述第一分隔管口及所述第二分隔管口，所述分隔管能活动的套设在所述内引导管上，在所述分隔管位于所述第二位置时，所述分隔管的下端伸入所述注射腔内。

12、在一较佳实施例中，所述外引导管的内壁上形成有第一流体引导部，所述内引导管的外壁上形成有第二流体引导部，所述第一流体引导部的高度和所述第二流体引导部的高度相同，且位于所述密封盖的上方；

13、所述外引导管的侧壁上形成有第一流体出口，所述第一流体出口的高度低于所述第一流体引导部的高度，且高于所述密封盖的高度；

14、所述分隔管上形成有第二流体出口，在所述分隔管位于所述第一位置时，所述第二流体出口的高度低于所述第一流体引导部的高度，且高于所述密封盖的高度，所述反应腔通过所述分隔管与所述内引导管间的间隙、所述第二流体出口、及所述第一流体出口与外界连通，以导出钻井液。

15、在一较佳实施例中，所述外引导管的内壁上形成有第一密封部，所述第一密封部的高度高于所述第一流体引导部；

16、所述反应机构包括多个格莱圈，多个所述格莱圈分别设置在所述第一密封部上、所述密封盖与所述反应釜之间、所述密封盖在所述第二分隔管口处的径向内壁上、及所述反应釜在所述第一分隔管口处的径向内壁上，以保证所述反应腔的密封。

17、在一较佳实施例中，所述温度传感机构包括多个温度传感单元，每个所述温度传感单元均包括多个温度传感器，同一个所述温度传感单元上的多个所述温度传感器沿轴向均匀分布设置在所述反应腔内；其中一半数量的所述温度传感单元沿第一径向均匀分布设置，另一半数量的所述温度传感单元沿第二径向均匀分布设置，所述第一径向和所述第二径向间的夹角为90度。

18、在一较佳实施例中，所述分隔管的上端形成有传动部，所述传动部的上端形成有夹持部，所述夹持部用于吊装工具夹取所述分隔管；

19、所述驱动机构包括：

20、固定壳体，设置在所述外引导管的上端；

21、驱动器，设置在所述固定壳体上；

22、传动盘，能转动的设置在所述固定壳体内，所述传动盘与所述传动部间通过螺纹相传动连接，所述驱动器用于驱动所述传动盘，以驱动所述伸缩杆运动。

23、在一较佳实施例中，所述密封盖上形成有进气口、填砂口、电路口、及压力探测口，所述填砂口用于向所述反应腔内添加结构砂；

24、所述钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置包括：

25、甲烷调压注入装置，用于通过所述进气口向所述反应腔内注入甲烷；

26、航空插头，密封设置在所述电路口上；

27、数据采集装置，与所述航空插头相电连接，用于收集所述温度传感机构的温度信息；

28、压力传感器，密封设置在所述压力探测口上，以探测所述反应腔内的压力。

29、在一较佳实施例中，所述反应釜的侧壁内部形成有水循环腔，所述反应釜的侧壁上形成有水循环口，所述反应釜的底部形成有注水口，所述注入结构体的底部形成有钻井液注入口和氮气注入口；

30、所述钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置包括：

31、注水装置，用于将至少部分的水通过所述注水口注入所述反应腔内；

32、水浴循环恒温装置，所述注水装置用于使其余的水经过所述水浴循环恒温装置加热并通过所述水循环口注入所述水循环腔内，以维持所述反应腔内的温度；

33、钻井液调温调压注入装置，在所述分隔管位于所述第一位置时，所述钻井液调温调压注入装置用于将钻井液通过所述钻井液注入口注入所述注射腔并流过所述反应腔；

34、氮气调压注入装置，在所述分隔管位于所述第一位置时，所述氮气调压注入装置用于通过所述氮气注入口注入所述注射腔并流过所述反应腔。

35、在一较佳实施例中，所述钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置还包括：

36、连通管路，连接在所述第一流体出口处；

37、废气废液收集装置，通过所述连通管路与所述第一流体出口相连通，以收集自所述反应腔流出的钻井液和氮气；

38、除砂装置，设置在所述连通管路上，以清除自所述反应腔内流出的所述钻井液内的结构砂；

39、气液分离器，设置在所述连通管路上，且位于所述除砂装置的后方，以分离所述钻井液和所述氮气；

40、气体流量计，设置在所述连通管路上，用于计算自所述反应腔内流出的所述氮气的体积；

41、液体流量计，设置在所述连通管路上，用于计算自所述反应腔内流出的所述钻井液的体积。

42、本发明的另一个目的是提供一种能模拟生成的天然气水合物地层在抽离物理分隔结构并注入钻井液后，实现钻井液在环空中与天然气水合物地层直接接触，研究钻井液与天然气水合物地层的对流换热对天然气水合物影响的钻井液与天然气水合物地层对流换热模拟实验方法。

43、本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

44、本发明提供了一种钻井液与天然气水合物地层对流换热模拟实验方法，能通过如上述的钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置测试钻井液与天然气水合物地层间的对流换热规律和天然气水合物分解状态，所述方法包含以下步骤：

45、当分隔管位于第二位置时，关闭所有联通阀门，通过填砂口向反应腔内放入干砂；

46、通过开关第五阀门、第七阀门、及第三阀门，对所述反应腔内进行三次甲烷气体净化，以确保所述反应腔内的气体为纯甲烷；

47、关闭所述第七阀门、所述第三阀门，通过所述第五阀门向所述反应腔内注入甲烷至第四压力传感器达到第一预定压力，以保证向所述反应腔内注入预设值的甲烷量，关闭所述第五阀门；

48、通过水浴循环恒温装置注水到水循环腔内，以提高所述反应腔内的温度，保证所述反应腔处于天然气水合物的稳定区之外；

49、待所述反应腔内的压力稳定后，打开第四阀门，向所述反应腔内注入水，直至所述第四压力传感器达到第二预定压力，关闭所述第四阀门；

50、通过所述水浴循环恒温装置调低所述反应腔内的温度至天然气水合物稳定区内，开始生成天然气水合物，通过所述第四压力传感器和温度传感机构判断天然气水合物的生成情况；

51、待所述反应腔内的天然气水合物完成生成，打开第二阀门，注入氮气至第一压力传感器的压力与所述第四压力传感器的压力相同，并保压以使分隔管的内部的压力与所述反应腔内的压力相同；

52、启动驱动机构，带动上提所述分隔管至第一位置，形成钻井液与天然气水合物直接接触条件，以使钻井液与天然气水合物对流换热实验准备完毕；

53、打开第一阀门、第六阀门、及所述第三阀门，通过钻井液调温调压注入装置以恒定流量注入预设温度与第三预设压力的钻井液，通过所述第一压力传感器获得钻井液流入所述反应腔时的压力，通过第一温度传感器获得钻井液流入所述反应腔时的温度，通过第三压力传感器获得钻井液流出所述反应腔时的压力，并通过第二温度传感器获得钻井液流出所述反应腔时的温度，采集到的传感器信号传输到数据采集系统；

54、在钻井液的循环作用下，天然气水合物分解，并有砂粒一同从第一流体出口流出；

55、采集通过温度传感机构测量的温度变化，判断天然气水合物分解边界，监测天然气水合物分解情况；

56、自所述反应腔流出的钻井液、水、以及甲烷经过除砂器与气液分离器处理，液体流量通过液体流量计测量，气体流量通过气体流量计测量；

57、实验完成后，对反应腔内的甲烷、水、钻井液、天然气水合物进行处理，通过打开所述第四阀门注入清洗水，清洗所述反应腔，通过打开第七阀门、第八阀门、所述第三阀门、及第九阀门收集反应腔内的气体和液体。

58、本发明的特点及优点是：

59、本发明提供的钻井液与天然气水合物对流换热模拟实验装置及方法，在分隔管处于第二位置时，通过在反应腔内放入结构砂，并注入甲烷和水，调节反应腔内的温度和压力至天然气水合物形成，能良好的模拟天然气水合物地层。通过驱动结构驱动分隔管向上运动，能有效模拟实际钻井中的环空，通过注入钻井液，能有效探寻钻井液与天然气水合物的对流换热规律，天然气水合物的分解规律，为实际钻井提供指导。通过温度传感机构监测天然气水合物分解情况及形状，并通过液体流量计和气体流量计测量天然气水合物分解出的水与甲烷的质量或流量，定量评价钻井液与天然气水合物的对流换热作用。