專利名稱：研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
天然氣水合物具有能量密度高、分布廣、儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，是一種很有潛力的新型替代能源。但是至今在水合物勘探與開(kāi)發(fā)應(yīng)用的天空上還存在儲(chǔ)層定量描述不夠，開(kāi)采技術(shù)不過(guò)關(guān)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)不小“三朵烏云”的問(wèn)題。由于含天然氣水合物地層是具有滲透性的多孔介質(zhì)體，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液不可避免地會(huì)與它發(fā)生能量和物質(zhì)交換，從而影響井壁穩(wěn)定、測(cè)井響應(yīng)和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。在過(guò)壓鉆井和鉆井液溫度高于此處水合物相平衡溫度的情況下， 水基鉆井液驅(qū)替侵入含天然氣水合物地層和溫差下熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的天然氣水合物分解是耦合在一起的，其過(guò)程是一個(gè)包含相變的非等溫非穩(wěn)態(tài)滲流擴(kuò)散過(guò)程。僅采用常見(jiàn)的數(shù)值模擬方法存在模型的假設(shè)和簡(jiǎn)化等缺點(diǎn)，無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況，加上野外水合物地層實(shí)際鉆井活動(dòng)少，且操作困難、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，以及實(shí)際鉆井過(guò)程孔內(nèi)情況往往不可見(jiàn)， 采用實(shí)際的測(cè)井方式來(lái)推斷井周儲(chǔ)層情況還存在許多不確定性。因此人們也進(jìn)行了一些室內(nèi)的模擬實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)裝置，建立了一些實(shí)驗(yàn)的方法，比如國(guó)內(nèi)《現(xiàn)代地質(zhì)》 2008年3期“甲烷水合物分解過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)研究”中曾公開(kāi)了采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法進(jìn)行甲烷水合物分解率研究，實(shí)驗(yàn)中采用了等容升溫分解和不同粒徑多孔介質(zhì)體系常壓分解等方法研究水合物的分解特征；國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局在2011年6月公開(kāi)了“一種天然氣水合物三維生成開(kāi)采物性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置”，申請(qǐng)?zhí)枮?01010603251. 0，該裝置可以精確測(cè)量開(kāi)采時(shí)物性變化，能用于綜合研究各種水合物生成和開(kāi)采時(shí)水合物藏內(nèi)部的基礎(chǔ)物性變化。但上述實(shí)驗(yàn)裝置和方法的不足之處在于僅能用于水合物開(kāi)采過(guò)程中的模擬實(shí)驗(yàn)研究，而忽視了水合物勘探與開(kāi)采過(guò)程中的鉆井活動(dòng)及其鉆井液侵入對(duì)水合物地層的影響。因此，研究水合物地層對(duì)鉆井液侵入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)實(shí)現(xiàn)水合物安全高效的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。針對(duì)上述狀況，在水合物地層鉆井前期先進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究是一種合理的選擇，有必要通過(guò)在室內(nèi)建立一種能綜合模擬的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究水合物地層對(duì)鉆井液侵入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為今后水合物的安全高效勘探開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的一是提供一種能綜合研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，二是在提供的研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上提供一套完整的實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，所采取的技術(shù)方案是提供一種研究水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱、氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)和工控機(jī)，還設(shè)有巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)、回壓機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、 出口計(jì)量機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)；
所述的鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)由鉆井液貯罐、溫控儀、鉆井液循環(huán)泵和物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔構(gòu)成，溫控儀控制鉆井液溫度，鉆井液在鉆井液循環(huán)泵作用下在物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔中循環(huán)流動(dòng)滲入到巖芯夾持器內(nèi)的水合物沉積物中；
所述的高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱為一個(gè)工控機(jī)控制的可編程恒溫實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)有物理模型機(jī)構(gòu)，在物理模型機(jī)構(gòu)左端設(shè)有鉆井液井口環(huán)空腔，上部設(shè)有一個(gè)取樣點(diǎn)，紅外相機(jī)安裝在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的滑輪軌道上，與物理模型機(jī)構(gòu)軸線對(duì)準(zhǔn)，且可左右移動(dòng)；在物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有巖芯夾持器，巖芯夾持器左右兩側(cè)設(shè)左端蓋和右端蓋，測(cè)試巖芯放在巖芯夾持器內(nèi)， 在巖芯夾持器的軸向上設(shè)有電阻率、壓力、溫度的測(cè)點(diǎn)；物理模型機(jī)構(gòu)通過(guò)其上部、下部和端部的高壓管線與控制壓力的閥、壓力表與氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)相連；物理模型機(jī)構(gòu)上的十站位測(cè)點(diǎn)處的傳感器分別通過(guò)信號(hào)線和高壓管路與測(cè)量機(jī)構(gòu)相連；轉(zhuǎn)移巖芯夾持器中形成的水合物沉積物巖芯時(shí)，將巖芯夾持器右端與巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)相連實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移；
所述的氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)含有三套不同滲透壓力的氮?dú)夤苈?，分別測(cè)試高、中、低三種滲透率水合物沉積物的滲透性；所述的水/氣注入機(jī)構(gòu)包括液體水注入機(jī)構(gòu)和天然氣注入機(jī)構(gòu)，液體水注入機(jī)構(gòu)由平流泵和活塞容器組成；天然氣注入機(jī)構(gòu)包括天然氣瓶、減壓閥、氣體增壓泵和氣體流量計(jì)，通過(guò)氣體流量計(jì)控制進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)的天然氣量，實(shí)現(xiàn)巖芯夾持器中不同飽和度水合物沉積物的合成；
所述的環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)由環(huán)壓跟蹤泵和壓力傳感器組成，跟蹤物理模型機(jī)構(gòu)中環(huán)壓腔與巖芯夾持器內(nèi)腔中的壓力差；
所述的回壓機(jī)構(gòu)由回壓閥、回壓緩沖容器和回壓泵組成；所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)含有壓力測(cè)量機(jī)構(gòu)、電阻率測(cè)量機(jī)構(gòu)、流量檢測(cè)、溫度控制與檢測(cè)機(jī)構(gòu)；
所述的出口計(jì)量機(jī)構(gòu)由氣液分離器、氣體質(zhì)量流量計(jì)和電子天平組成；所述的取樣機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)泵和活塞式取樣器，在活塞式取樣器的活塞的左端預(yù)增入一與物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)同等的壓力，再通過(guò)退泵實(shí)現(xiàn)等壓取樣；
所述的工控機(jī)在Windows 2000或XP環(huán)境下運(yùn)行，采用VB編程，適時(shí)對(duì)各種壓力、溫度、電阻率、氣體體積、液體體積數(shù)值的采集和處理，控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，所述的巖芯夾持器在其軸向上均勻布置10站位測(cè)點(diǎn)，分別安裝有10個(gè)壓力傳感器C，10個(gè)溫度傳感器和10個(gè)電阻率傳感器。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，所述的巖芯夾持器規(guī)格為Φ 50mm，長(zhǎng)度1200mm，測(cè)試巖芯 Φ 50mm,長(zhǎng)度500 1200mm，測(cè)試巖芯長(zhǎng)度不足1200mm部分通過(guò)假巖芯補(bǔ)長(zhǎng)，測(cè)試巖芯可采用天然巖芯、人造巖芯或填砂模型。所述的假巖芯補(bǔ)長(zhǎng)是指當(dāng)測(cè)試巖芯長(zhǎng)度不能填滿整個(gè)巖芯夾持器時(shí)，利用假巖芯將巖芯夾持器內(nèi)測(cè)試巖芯補(bǔ)長(zhǎng)至1200mm以填滿整個(gè)巖芯夾持器。所述的假巖芯如不銹鋼材料制的成空心圓筒體假巖芯。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，所述的巖芯保真轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由外腔體、內(nèi)腔體、活塞、手動(dòng)泵、環(huán)狀腔、溫度控制儀、壓力控制儀、封隔板和接頭組成，外腔體內(nèi)含有內(nèi)腔體，內(nèi)腔體一端安裝有活塞，另一端安裝有封隔板，接頭裝在封隔板外側(cè)，壓力控制儀與內(nèi)腔體連接，溫度控制儀與環(huán)狀腔連接。
為了達(dá)到本發(fā)明的第二個(gè)目的，提供一種將所述的實(shí)驗(yàn)裝置用于研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，包含有水合物沉積物氣體滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法；水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移方法；所述的水合物地層氣體滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，分為低、中、高三種不同滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，具體步驟如下
(1)所述的低滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
a.注水液體水儲(chǔ)存容器中的液體水通過(guò)平流泵經(jīng)活塞容器A注入巖芯夾持器中的測(cè)試巖芯內(nèi)；
b.注氣液體水注入結(jié)束后，開(kāi)啟天然氣瓶，CH4氣體經(jīng)過(guò)減壓閥，當(dāng)天然氣壓力低于實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，開(kāi)啟氣體增壓泵增壓，氣體壓力由壓力表D顯示，流經(jīng)閥⑤；
c.選擇低滲透注氣管路，CH4氣體經(jīng)過(guò)閥⑥、閥⑦、低流量計(jì)構(gòu)成的低滲透管路，進(jìn)入巖芯夾持器中測(cè)試巖芯，待測(cè)試巖芯中壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；
d保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成低滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行低滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥①、閥⑦、閥⑥打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，開(kāi)啟氮?dú)馄?A,瓶中氮?dú)饨?jīng)高壓調(diào)壓閥B調(diào)壓至4MPa后進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，氣體滲入壓力由壓力表E顯示，通過(guò)低流量計(jì)測(cè)試低滲透性水合物沉積物的滲透率；
(2)所述的中滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；
c.選擇中滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑧、中流量計(jì)和閥⑨構(gòu)成的中滲透管路，向巖芯夾持器中測(cè)試巖芯注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯中壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3 小時(shí)后停止注氣；
d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成中滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行中滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②、閥③、閥⑧、閥⑨打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽中氣體先經(jīng)高壓調(diào)壓閥A調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A顯示，再經(jīng)中壓調(diào)壓閥調(diào)壓至0. 6MPa，氣體壓力由壓力表B顯示，然后進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，通過(guò)中流量計(jì)測(cè)試中滲透性水合物沉積物的滲透率；
(3)所述的高滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；
c.選擇高滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑩、閥 π高流量計(jì)所構(gòu)成的高滲透管路，向巖芯夾持器中測(cè)試巖芯注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯中
壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；
d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成高滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲率進(jìn)行高滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②、閥④、閥⑩、閥 打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽中氣體經(jīng)高壓調(diào)壓閥A調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A顯示，經(jīng)中壓調(diào)壓閥調(diào)壓至 0. 6MPa,氣體壓力由壓力表B顯示，再經(jīng)低壓調(diào)壓閥調(diào)壓至0. 2MPa,氣體滲入壓力由壓力表C顯示，進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，通過(guò)高流量計(jì)測(cè)試高滲透性水合物沉積物的滲透率。本發(fā)明所述的一種鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下
(1)所述的水合物沉積物包括利用測(cè)試巖芯作為骨架材料合成的水合物沉積物，放置在物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)的巖心夾持器中；
(2)鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入鉆井液儲(chǔ)罐中的鉆井液經(jīng)溫控儀調(diào)節(jié)達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求溫度0 50°C后，通過(guò)鉆井液循環(huán)泵進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔，并在其中循環(huán)流動(dòng)，鉆井液逐漸侵入巖芯夾持器內(nèi)水合物沉積物中；
(3)監(jiān)測(cè)侵入過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分別通過(guò)沿巖芯夾持器軸向均布并固定于物理模型結(jié)構(gòu)上部的10個(gè)溫度傳感器和10個(gè)壓力傳感器C來(lái)測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物的溫度和壓力變化；通過(guò)沿巖芯夾持器軸向均布并固定于物理模型機(jī)構(gòu)下部的10個(gè)電阻率傳感器測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物電阻率的變化；
(4)紅外觀測(cè)通過(guò)安裝在滑輪軌道上的紅外相機(jī)掃描觀察物理模型機(jī)構(gòu)中巖芯夾持器內(nèi)水合物沉積物的溫度分布和變化，分析鉆井液動(dòng)態(tài)侵入過(guò)程和水合物分解區(qū)域；
(5)取樣進(jìn)行分析研究取樣操作時(shí)用手搖泵B給活塞容器B左端預(yù)增入一與巖芯夾持器內(nèi)相同的壓力，將活塞容器B的接頭接至物理模型機(jī)構(gòu)的取樣接口，接好后，將手搖泵 B退泵處理，將巖芯夾持器中的樣品吸入活塞容器B中；
(6)應(yīng)用裝置上的工控機(jī)編制的軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，分析并顯示天然氣水合物沉積物對(duì)鉆井液侵入的響應(yīng)特性。本發(fā)明所述的用于研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，所述的水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移方法步驟如下
(1)卸下巖芯夾持器的右端蓋，將巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的接頭與物理模型機(jī)構(gòu)右端連接；
(2)通過(guò)溫度控制儀調(diào)節(jié)巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)外腔體和內(nèi)腔體間環(huán)狀腔中的溫度以降低內(nèi)腔體內(nèi)部的溫度，通過(guò)壓力控制儀調(diào)節(jié)內(nèi)腔體內(nèi)部的壓力；
(3)當(dāng)內(nèi)腔體內(nèi)部溫度、壓力和巖芯夾持器內(nèi)部溫度、壓力相同時(shí)，打開(kāi)封隔板，通過(guò)手動(dòng)泵調(diào)節(jié)活塞使水合物沉積物巖芯在保溫保壓的條件下進(jìn)入巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；
(4)關(guān)閉巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中的封隔板，卸下巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與物理模型機(jī)構(gòu)的鏈接，實(shí)現(xiàn)水合物沉積物的保真轉(zhuǎn)移。本發(fā)明具有以下的有益效果
(1)鑒于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)一套綜合研究水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，本發(fā)明可很好地彌補(bǔ)這方面的不足，利用開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置和方法進(jìn)行水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究，為今后水合物的安全高效勘探開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。(2)本發(fā)明可對(duì)含水合物地層的滲透性能進(jìn)行測(cè)試，掌握水合物地層滲透率和飽和度關(guān)系及水和物分解對(duì)地層滲透率的影響。(3)本發(fā)明在鉆井液侵入過(guò)程中將紅外觀察技術(shù)與物性參數(shù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)水合物沉積物對(duì)鉆井液侵入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。(4)本發(fā)明可利用巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將巖芯夾持器中合成的水合物沉積物轉(zhuǎn)移后處理，進(jìn)行水合物沉積物鉆井液侵入與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)研究。(5)本發(fā)明可用于相關(guān)科研院所的水合物科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究，為野外天然氣水合物勘探和開(kāi)發(fā)提供安全鉆井研究的實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)服務(wù)。
圖1為本發(fā)明研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明巖芯保真轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。上述圖中1-溫控儀、2-鉆井液儲(chǔ)罐、3-閥⑦、4-高壓調(diào)壓閥B、5_閥①、6-氮?dú)馄緼、7-低流量計(jì)、8-壓力表E、9-壓力表A、10-高壓調(diào)壓閥A、ll-閥②、12-氮?dú)馄緽、 13-中壓調(diào)壓閥、14-壓力表B、15-閥③、16-閥④、17-低壓調(diào)壓閥、18-壓力表C、19-閥 ⑥、20-閥⑧、21-氣體增壓泵、22-壓力表D、23-閥⑤、24-天然氣瓶、25-減壓閥、26-閥 ⑩、27-中流量計(jì)、28-高流量計(jì)、29-閥⑨、30-閥 、31-液體水儲(chǔ)存容器、32-平流泵、 33-活塞容器A、34-左端蓋、35-巖芯夾持器、36-環(huán)壓腔、37-測(cè)試巖芯、38-電阻率傳感器、39-壓力傳感器A、40-高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱(簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)箱)、41_環(huán)壓跟蹤泵、42-物理模型機(jī)構(gòu)、43-電子天平、44-右端蓋、45-氣液分離器、46-氣體質(zhì)量流量計(jì)、47-壓力傳感器B、 48-手搖泵A、49-回壓閥、50-回壓緩沖容器、51-壓力表G、52_壓力表F、53_壓力傳感器 C、54-溫度傳感器、55-紅外相機(jī)、56-手搖泵B、57-活塞容器B、58-取樣口、59-井口環(huán)空腔、60-滑輪軌道、61-鉆井液循環(huán)泵、62-外腔體、63-溫度控制儀、64-內(nèi)腔體、65-活塞、 66-手動(dòng)泵、67-環(huán)狀腔、68-壓力控制儀、69-封隔板、70-接頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。實(shí)施例1 本發(fā)明的一種研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1。包括鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)箱、巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)、環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)、回壓機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、出口計(jì)量機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)和工控機(jī)。所述的鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)，包括溫控儀1、鉆井液儲(chǔ)罐2和鉆井液循環(huán)泵61和物理模型機(jī)構(gòu)42的井口環(huán)空腔59，其中鉆井液貯罐2容積IOOOmL,溫度在室溫到_50°C之間可控可調(diào)，鉆井液循環(huán)泵61的注入最大壓力25MPa，流量范圍控制在0. 5 lOml/min。所述的高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱40內(nèi)設(shè)有物理模型機(jī)構(gòu)42、滑輪軌道60和紅外相機(jī) 55 物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有巖芯夾持器35、環(huán)壓腔36、左端蓋34、右端蓋44、井口環(huán)空腔59， 取樣口 58設(shè)在物理模型機(jī)構(gòu)上部；測(cè)試巖芯37放在巖芯夾持器35內(nèi)，巖芯夾持器35長(zhǎng)度為1200mm，可在25MPa下安全工作且耐腐蝕，此外還可方便地取出巖芯。測(cè)試巖芯37采用人造巖芯，規(guī)格Φ 50mm,長(zhǎng)度1200mm ；紅外相機(jī)55安裝在高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱40內(nèi)部滑輪軌道60上，其與物理模型機(jī)構(gòu)軸線對(duì)準(zhǔn)，并可在滑輪軌道上左右移動(dòng)，通過(guò)運(yùn)行安裝于工控機(jī)內(nèi)部的紅外相機(jī)關(guān)聯(lián)程序獲取紅外相機(jī)存儲(chǔ)卡內(nèi)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行分析處理得到溫度分布圖像，評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)水合物地層的動(dòng)態(tài)侵入過(guò)程和水合物分解區(qū)域，將直觀觀察與數(shù)據(jù)測(cè)試相結(jié)合分析含水合物地層對(duì)鉆井液侵入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。所述的氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)，包括氮?dú)馄緼6、氮?dú)馄緽12、高壓調(diào)壓閥B4和高壓調(diào)壓閥 A 10、中壓調(diào)壓閥13、低壓調(diào)壓閥17、低流量計(jì)7、中流量計(jì)27和高流量計(jì)28，以及閥①5、 閥②11、閥③15、閥④16、閥⑤23、閥⑥19、閥⑦3、閥⑧20、閥⑨29、閥⑩26、_ π 30所組成的三種不同滲透壓力的管路，分別測(cè)試高、中、低三種滲透率的測(cè)試巖芯的水合物沉積物滲透性。其中高壓調(diào)壓閥B4和高壓調(diào)壓閥AlO的調(diào)壓范圍10 4MPa，中壓調(diào)壓閥13的調(diào)壓范圍4 0. 6MPa，低壓調(diào)壓閥17的調(diào)壓范圍0. 6 0. 2MPa，低流量計(jì)7的流量范圍 30ml/min,中流量計(jì)27的流量范圍300ml/min，高流量計(jì)28的流量范圍3000ml/min。所述的液體水注入機(jī)構(gòu)和天然氣注入機(jī)構(gòu)，其中液體水注入機(jī)構(gòu)由液體水儲(chǔ)存容器31、平流泵32、活塞容器A33組成，平流泵32的工作壓力40MPa，流量0 20ml/min，活塞容器A33體積1000ml，工作壓力32MPa。天然氣注入機(jī)構(gòu)包括天然氣瓶對(duì)、減壓閥25、氣體增壓泵21和壓力表D22、閥⑤23、閥⑦3、閥⑥19、閥⑧20、閥⑨29、閥⑩26、閥Hl 30、低流量計(jì)7、中流量計(jì)27和高流量計(jì)28構(gòu)成。當(dāng)天然氣瓶M壓力高于實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，天然氣由減壓閥25減壓后注入物理模型機(jī)構(gòu)42，當(dāng)天然氣壓力低于實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，天然氣由氣體增壓泵20增壓后注入物理模型機(jī)構(gòu)，注入氣體壓力由壓力表D22顯示。注入物理模型機(jī)構(gòu)中的天然氣量在不同滲透性測(cè)試巖芯實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別根據(jù)低流量計(jì)7、中流量計(jì)27和高流量計(jì)觀來(lái)確定注入天然氣量。所述的環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)由環(huán)壓跟蹤泵41、壓力傳感器A39組成，環(huán)壓跟蹤泵41缸體容積100ml，流量在0. 01 30ml/min間可調(diào)，最大環(huán)壓32MPa，實(shí)驗(yàn)中可保持環(huán)壓高于巖芯夾持器35內(nèi)部壓力，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試巖芯37始終處于被抱緊狀態(tài)。所述的回壓機(jī)構(gòu)由回壓閥49、回壓緩沖容器50、手搖泵A48和壓力表G51組成，回壓閥49回壓調(diào)節(jié)范圍0 25MPa，控制波動(dòng)幅度在士0. IMPa范圍內(nèi)；回壓緩沖容器50工作壓力16MPa，容積500ml ；手搖泵A48最大工作壓力32MPa。所述的溫度測(cè)量機(jī)構(gòu)和壓力測(cè)量機(jī)構(gòu)，由沿巖芯夾持器35軸向均布并固定于物理模型機(jī)構(gòu)42上部的10個(gè)溫度傳感器54、10個(gè)壓力傳感器C53組成，溫度傳感器精度 0. rc ；壓力傳感器C精度0. 25%F. S。所述的電阻率測(cè)量機(jī)構(gòu)，由沿巖芯夾持器35軸向均布并固定于物理模型機(jī)構(gòu)42 下部的10個(gè)電阻率傳感器38組成，電阻率的測(cè)量范圍為0 15000 Ω ·πι，精度1%。所述的出口計(jì)量機(jī)構(gòu)由壓力傳感器Β47、壓力表F52、氣液分離器45、氣體質(zhì)量流量計(jì)46和電子天平43組成，氣液分離器45用于回壓閥49出口流出的氣、液分離；壓力傳感器Β47和壓力表F52用于監(jiān)測(cè)出口處的壓力；電子天平43用于出口液體體積計(jì)量，量程 4200g,精度0. Olg ；氣體質(zhì)量流量計(jì)46用于出口氣體體積計(jì)量，流量控制范圍0 IOOOml/ min,工作壓力lOMPa，可控制瞬時(shí)流量，顯示累積流量。進(jìn)行取樣操作時(shí)用手搖泵B56將活塞容器B57中的活塞推至盡頭，將活塞容器B57 的接頭接至物理模型機(jī)構(gòu)的取樣接口 58，接好后將手搖泵B56退泵處理，將巖芯夾持器中的樣品吸入活塞容器B57中。參見(jiàn)圖2，所述的巖芯保真轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由外腔體62、溫度控制儀63、內(nèi)腔體64、活塞 65、手動(dòng)泵66、環(huán)狀腔67、壓力控制儀68、封隔板69和接頭70組成。外腔體內(nèi)設(shè)有內(nèi)腔體與環(huán)狀腔，內(nèi)腔體一端安裝有活塞，另一端安裝有封隔板，接頭裝在封隔板外側(cè)，壓力控制儀與內(nèi)腔體連接，溫度控制儀與環(huán)狀腔連接。所述的工控機(jī)是一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，軟件在Windows 2000或XP環(huán)境下運(yùn)行， 通過(guò)工控機(jī)與各個(gè)機(jī)構(gòu)連接，適時(shí)采集壓力、溫度、電阻率、氣體和液體流量等數(shù)值并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，操作人員設(shè)定好參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守， 工控機(jī)自動(dòng)采集所有參數(shù)并自動(dòng)控制裝置的運(yùn)行。工控機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理可生成原始數(shù)據(jù)報(bào)表，分析報(bào)表和曲線圖，同時(shí)生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件格式，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析使用。
實(shí)施例2 本發(fā)明在應(yīng)用上述實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上提出了一套研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，其中的水合物沉積物氣體滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，分為低、中、高三種不同滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，具體操作步驟如下
(1)所述的低滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
a.注水液體水儲(chǔ)存容器31中的液體水通過(guò)平流泵32經(jīng)活塞容器A33注入巖芯夾持器35中的測(cè)試巖芯37內(nèi)；所述測(cè)試巖芯材料采用天然巖心，長(zhǎng)度500mm，另外700mm長(zhǎng)度采用空心的不銹鋼圓筒體作為假巖芯補(bǔ)長(zhǎng)至1200mm，以填滿整個(gè)巖芯夾持器；
b.注氣液體水注入結(jié)束后，開(kāi)啟天然氣瓶24，CH4氣體經(jīng)過(guò)減壓閥25，當(dāng)天然氣壓力低于實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，開(kāi)啟氣體增壓泵21增壓，氣體壓力由壓力表D22顯示，流經(jīng)閥⑤23 ；
c.選擇低滲透注氣管路，CH4氣體經(jīng)過(guò)閥⑥19、閥⑦3、低流量計(jì)7構(gòu)成的低滲透管路， 進(jìn)入巖芯夾持器35中測(cè)試巖芯37，待測(cè)試巖芯37中壓力達(dá)到設(shè)定壓力12MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；
d保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱40的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)42中測(cè)試巖芯37在4°C恒溫條件下靜置20小時(shí)，在巖芯夾持器35中形成低滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行低滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥①5、閥⑦3、閥⑥19打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，開(kāi)啟氮?dú)馄緼6，瓶中氮?dú)饨?jīng)高壓調(diào)壓閥B4調(diào)壓至4MPa后進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)42，氣體滲入壓力由壓力表E8顯示，通過(guò)低流量計(jì)7測(cè)試低滲透性水合物沉積物的滲透率；
(2)所述的中滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；
c.選擇中滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑧20、中流量計(jì)27和閥⑨四構(gòu)成的中滲透管路，向巖芯夾持器35中測(cè)試巖芯37注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯37中壓力達(dá)到設(shè)定壓力 IOMPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；
d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱40的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)42中測(cè)試巖芯37在4°C 恒溫條件下靜置18小時(shí)，在巖芯夾持器35中形成中滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行中滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②11、閥③15、閥⑧20、閥⑨四打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽12中氣體先經(jīng)高壓調(diào)壓閥AlO調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A9顯示，再經(jīng)中壓調(diào)壓閥13調(diào)壓至0. 6MPa,氣體壓力由壓力表B14顯示，然后進(jìn)入巖芯夾持器35內(nèi)測(cè)試巖芯37，通過(guò)中流量計(jì)27測(cè)試中滲透性水合物沉積物的滲透率；
(3)所述的高滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟
步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；
c.選擇高滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑩沈、閥 30、高流量計(jì)觀所構(gòu)成的高滲透管路，向巖芯夾持器35中測(cè)試巖芯37注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯37中壓力達(dá)到設(shè)定壓力 8MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；
d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱40的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)42中測(cè)試巖芯37在4°C 恒溫條件下靜置16小時(shí)，在巖芯夾持器35中形成高滲透性的水合物沉積物；
e.氣測(cè)滲率進(jìn)行高滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②11、閥④16、閥⑩沈、閥 30打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽12中氣體經(jīng)高壓調(diào)壓閥AlO調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A9顯示，經(jīng)中壓調(diào)壓閥13調(diào)壓至0. 6MPa，氣體壓力由壓力表B14顯示，再經(jīng)低壓調(diào)壓閥17調(diào)壓至0. 2MPa，氣體滲入壓力由壓力表C18顯示，進(jìn)入測(cè)試巖芯37，通過(guò)高流量計(jì)28測(cè)試高滲透性水合物沉積物的滲透率。實(shí)施例3 在應(yīng)用上述實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，其中鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下
(1)水合物沉積物合成巖芯夾持器35長(zhǎng)度1200mm，預(yù)先做好填砂模型放置在巖芯夾持器35內(nèi)，以填滿巖芯夾持器，采用實(shí)施例2低滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法中的步驟a、b合成水合物沉積物；
(2)鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入鉆井液儲(chǔ)罐2中的鉆井液經(jīng)溫控儀1調(diào)節(jié)達(dá)到 30°C后，通過(guò)鉆井液循環(huán)泵61進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)42的井口環(huán)空腔59，并在其中循環(huán)流動(dòng)， 鉆井液逐漸侵入巖芯夾持器35內(nèi)水合物沉積物中；
(3)監(jiān)測(cè)侵入過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分別通過(guò)沿巖芯夾持器35軸向均布并固定于物理模型結(jié)構(gòu)42上部的10個(gè)溫度傳感器M和10個(gè)壓力傳感器C53來(lái)測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物的溫度和壓力變化；通過(guò)沿巖芯夾持器35軸向均布并固定于物理模型機(jī)構(gòu)42下部的 10個(gè)電阻率傳感器38測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物電阻率的變化；
(4)紅外觀測(cè)通過(guò)安裝在滑輪軌道60上的紅外相機(jī)55掃描觀察物理模型機(jī)構(gòu)42中巖芯夾持器內(nèi)水合物沉積物的溫度分布和變化，分析鉆井液動(dòng)態(tài)侵入過(guò)程和水合物分解區(qū)域；
(5)取樣進(jìn)行分析研究取樣操作時(shí)用手搖泵B56給活塞容器B57左端預(yù)增入一與巖芯夾持器35內(nèi)相同的壓力，將活塞容器B57的接頭接至物理模型機(jī)構(gòu)42的取樣接口 58，接好后，將手搖泵B56退泵處理，將巖芯夾持器35中的樣品吸入活塞容器B57中；
(6)應(yīng)用裝置工控機(jī)上安裝的軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，分析并顯示天然氣水合物沉積物對(duì)鉆井液侵入的響應(yīng)特性。實(shí)施例4 將實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移的方法，具體操作步驟如下
(1)卸下物理模型機(jī)構(gòu)42的右端蓋44，將巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的接頭70與物理模型機(jī)構(gòu)42 右端連接；
(2)通過(guò)溫度控制儀63調(diào)節(jié)巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)外腔體62和內(nèi)腔體64間環(huán)狀腔67中的溫度以降低內(nèi)腔體64內(nèi)部的溫度，通過(guò)壓力控制儀68調(diào)節(jié)內(nèi)腔體64內(nèi)部的壓力；
(3)當(dāng)內(nèi)腔體64內(nèi)部溫度、壓力和巖芯夾持器35內(nèi)部溫度、壓力相同時(shí)，打開(kāi)封隔板 69，通過(guò)手動(dòng)泵66調(diào)節(jié)活塞65使水合物沉積物在保溫保壓的條件下進(jìn)入巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；
(4)關(guān)閉巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中的封隔板69，卸下巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與物理模型機(jī)構(gòu)42的鏈接， 即實(shí)現(xiàn)了水合物沉積物的保真轉(zhuǎn)移。
權(quán)利要求
1.一種研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱、氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)和工控機(jī)，其特征在于還設(shè)有巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)、回壓機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、出口計(jì)量機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)；所述的鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)由鉆井液貯罐、溫控儀、鉆井液循環(huán)泵和物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔構(gòu)成，溫控儀控制鉆井液溫度，鉆井液在鉆井液循環(huán)泵作用下在物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔中循環(huán)流動(dòng)滲入到巖芯夾持器內(nèi)的水合物沉積物中；所述的高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱為一個(gè)工控機(jī)控制的可編程恒溫實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)有物理模型機(jī)構(gòu)，在物理模型機(jī)構(gòu)左端設(shè)有鉆井液井口環(huán)空腔，上部設(shè)有一個(gè)取樣點(diǎn)，紅外相機(jī)安裝在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的滑輪軌道上，與物理模型機(jī)構(gòu)軸線對(duì)準(zhǔn)，且可左右移動(dòng)；在物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有巖芯夾持器，巖芯夾持器左右兩側(cè)設(shè)左端蓋和右端蓋，測(cè)試巖芯放在巖芯夾持器內(nèi)， 在巖芯夾持器的軸向上設(shè)有電阻率、壓力、溫度的測(cè)點(diǎn)；物理模型機(jī)構(gòu)通過(guò)其上部、下部和端部的高壓管線與控制壓力的閥、壓力表與氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)相連；物理模型機(jī)構(gòu)上的十站位測(cè)點(diǎn)處的傳感器分別通過(guò)信號(hào)線和高壓管路與測(cè)量機(jī)構(gòu)相連；轉(zhuǎn)移巖芯夾持器中形成的水合物沉積物巖芯時(shí)，將巖芯夾持器右端與巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)相連實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移；所述的氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)含有三套不同滲透壓力的氮?dú)夤苈?，分別測(cè)試高、中、低三種滲透率水合物沉積物的滲透性；所述的水/氣注入機(jī)構(gòu)包括液體水注入機(jī)構(gòu)和天然氣注入機(jī)構(gòu)，液體水注入機(jī)構(gòu)由平流泵和活塞容器組成；天然氣注入機(jī)構(gòu)包括天然氣瓶、減壓閥、氣體增壓泵和氣體流量計(jì)，通過(guò)氣體流量計(jì)控制進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)的天然氣量，實(shí)現(xiàn)巖芯夾持器中不同飽和度水合物沉積物的合成；所述的環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)由環(huán)壓跟蹤泵和壓力傳感器組成，跟蹤物理模型機(jī)構(gòu)中環(huán)壓腔與巖芯夾持器內(nèi)腔中的壓力差；所述的回壓機(jī)構(gòu)由回壓閥、回壓緩沖容器和回壓泵組成；所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)含有壓力測(cè)量機(jī)構(gòu)、電阻率測(cè)量機(jī)構(gòu)、流量檢測(cè)、溫度控制與檢測(cè)機(jī)構(gòu)；所述的出口計(jì)量機(jī)構(gòu)由氣液分離器、氣體質(zhì)量流量計(jì)和電子天平組成；所述的取樣機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)泵和活塞式取樣器，在活塞式取樣器的活塞的左端預(yù)增入一與物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)同等的壓力，再通過(guò)退泵實(shí)現(xiàn)等壓取樣；所述的工控機(jī)在Windows 2000或XP環(huán)境下運(yùn)行，采用VB編程，適時(shí)對(duì)各種壓力、溫度、電阻率、氣體體積、液體體積數(shù)值的采集和處理，控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征在于所述的巖芯夾持器在其軸向上均勻布置10站位測(cè)點(diǎn)，分別安裝有10個(gè)壓力傳感器C，10個(gè)溫度傳感器和10個(gè)電阻率傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的巖芯夾持器規(guī)格為Φ 50mm,長(zhǎng)度1200mm，測(cè)試巖芯Φ 50mm,長(zhǎng)度 500 1200mm，測(cè)試巖芯長(zhǎng)度不足1200mm部分通過(guò)假巖芯補(bǔ)長(zhǎng)，測(cè)試巖芯采用天然巖芯、人造巖芯或填砂模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征在于所述的巖芯保真轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由外腔體、內(nèi)腔體、活塞、手動(dòng)泵、環(huán)狀腔、溫度控制儀、壓力控制儀、封隔板和接頭組成，外腔體內(nèi)含有內(nèi)腔體，內(nèi)腔體一端安裝有活塞，另一端安裝有封隔板，接頭裝在封隔板外側(cè)，壓力控制儀與內(nèi)腔體連接，溫度控制儀與環(huán)狀腔連接。
5. 一種將權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置用于研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，包含有水合物沉積物氣體滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法；水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移方法；其特征在于所述的水合物沉積物氣體滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，分為低、中、高三種不同滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法，具體步驟如下(1)所述的低滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟a.注水液體水儲(chǔ)存容器中的液體水通過(guò)平流泵經(jīng)活塞容器A注入巖芯夾持器中的測(cè)試巖芯內(nèi)；b.注氣液體水注入結(jié)束后，開(kāi)啟天然氣瓶，CH4氣體經(jīng)過(guò)減壓閥，當(dāng)天然氣壓力低于實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，開(kāi)啟氣體增壓泵增壓，氣體壓力由壓力表D顯示，流經(jīng)閥⑤；c.選擇低滲透注氣管路，CH4氣體經(jīng)過(guò)閥⑥、閥⑦、低流量計(jì)構(gòu)成的低滲透管路，進(jìn)入巖芯夾持器中測(cè)試巖芯，待測(cè)試巖芯中壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；d保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成低滲透性的水合物沉積物；e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行低滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥①、閥⑦、閥⑥打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，開(kāi)啟氮?dú)馄?A,瓶中氮?dú)饨?jīng)高壓調(diào)壓閥B調(diào)壓至4MPa后進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，氣體滲入壓力由壓力表E顯示，通過(guò)低流量計(jì)測(cè)試低滲透性水合物沉積物的滲透率；(2)所述的中滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；c.選擇中滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑧、中流量計(jì)和閥⑨構(gòu)成的中滲透管路，向巖芯夾持器中測(cè)試巖芯注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯中壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3 小時(shí)后停止注氣；d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成中滲透性的水合物沉積物；e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行中滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②、閥③、閥⑧、閥⑨打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽中氣體先經(jīng)高壓調(diào)壓閥A調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A顯示，再經(jīng)中壓調(diào)壓閥調(diào)壓至0. 6MPa，氣體壓力由壓力表B顯示，然后進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，通過(guò)中流量計(jì)測(cè)試中滲透性水合物沉積物的滲透率；(3)所述的高滲透性水合物沉積物滲透性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的步驟步驟a、b與低滲透性水合物沉積物實(shí)驗(yàn)方法相同；c.選擇高滲透注氣管路，天然氣經(jīng)過(guò)閥⑩、閥 、高流量計(jì)所構(gòu)成的高滲透管路，向巖芯夾持器中測(cè)試巖芯注入CH4氣體，待測(cè)試巖芯中壓力達(dá)到設(shè)定壓力8 12MPa并保持2 3小時(shí)后停止注氣；d.保溫調(diào)節(jié)高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度，使物理模型機(jī)構(gòu)中測(cè)試巖芯在4°C恒溫條件下靜置12 20小時(shí)，在巖芯夾持器中形成高滲透性的水合物沉積物；e.氣測(cè)滲透率進(jìn)行高滲實(shí)驗(yàn)，此時(shí)閥②、閥④、閥⑩、閥 打開(kāi)，其它閥門(mén)關(guān)閉，氮?dú)馄緽中氣體經(jīng)高壓調(diào)壓閥A調(diào)壓至4MPa，氣體壓力由壓力表A顯示，經(jīng)中壓調(diào)壓閥調(diào)壓至 0. 6MPa,氣體壓力由壓力表B顯示，再經(jīng)低壓調(diào)壓閥調(diào)壓至0. 2MPa,氣體滲入壓力由壓力表 C顯示，進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)，通過(guò)高流量計(jì)測(cè)試高滲透性水合物沉積物的滲透率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于所述的鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下(1)所述的水合物沉積物包括利用測(cè)試巖芯作為骨架材料合成的水合物沉積物，放置在物理模型機(jī)構(gòu)內(nèi)的巖心夾持器中；(2)鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入鉆井液儲(chǔ)罐中的鉆井液經(jīng)溫控儀調(diào)節(jié)達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求溫度0 50°C后，通過(guò)鉆井液循環(huán)泵進(jìn)入物理模型機(jī)構(gòu)的井口環(huán)空腔，并在其中循環(huán)流動(dòng)，鉆井液逐漸侵入巖芯夾持器內(nèi)水合物沉積物中；(3)監(jiān)測(cè)侵入過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分別通過(guò)沿巖芯夾持器軸向均布并固定于物理模型結(jié)構(gòu)上部的10個(gè)溫度傳感器和10個(gè)壓力傳感器C來(lái)測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物的溫度和壓力變化；通過(guò)沿巖芯夾持器軸向均布并固定于物理模型機(jī)構(gòu)下部的10個(gè)電阻率傳感器測(cè)試侵入過(guò)程中水合物沉積物電阻率的變化；(4)紅外觀測(cè)通過(guò)安裝在滑輪軌道上的紅外相機(jī)掃描觀察物理模型機(jī)構(gòu)中巖芯夾持器內(nèi)水合物沉積物的溫度分布和變化，分析鉆井液動(dòng)態(tài)侵入過(guò)程和水合物分解區(qū)域；(5)取樣進(jìn)行分析研究取樣操作時(shí)用手搖泵B給活塞容器B左端預(yù)增入一與巖芯夾持器內(nèi)相同的壓力，將活塞容器B的接頭接至物理模型機(jī)構(gòu)的取樣接口，接好后，將手搖泵 B退泵處理，將巖芯夾持器中的樣品吸入活塞容器B中；(6)應(yīng)用裝置上的工控機(jī)編制的軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，分析并顯示天然氣水合物沉積物對(duì)鉆井液侵入的響應(yīng)特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于所述的水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移方法步驟如下(1)卸下巖芯夾持器的右端蓋，將巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的接頭與物理模型機(jī)構(gòu)右端連接；(2)通過(guò)溫度控制儀調(diào)節(jié)巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)外腔體和內(nèi)腔體間環(huán)狀腔中的溫度以降低內(nèi)腔體內(nèi)部的溫度，通過(guò)壓力控制儀調(diào)節(jié)內(nèi)腔體內(nèi)部的壓力；(3)當(dāng)內(nèi)腔體內(nèi)部溫度、壓力和巖芯夾持器內(nèi)部溫度、壓力相同時(shí)，打開(kāi)封隔板，通過(guò)手動(dòng)泵調(diào)節(jié)活塞使水合物沉積物巖芯在保溫保壓的條件下進(jìn)入巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；(4)關(guān)閉巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中的封隔板，卸下巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與物理模型機(jī)構(gòu)的鏈接，實(shí)現(xiàn)水合物沉積物的保真轉(zhuǎn)移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種研究天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，裝置包括鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱、氣測(cè)滲透率機(jī)構(gòu)、水/氣注入機(jī)構(gòu)、環(huán)壓跟蹤機(jī)構(gòu)、回壓機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、出口計(jì)量機(jī)構(gòu)、巖芯轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)和工控機(jī)；實(shí)驗(yàn)方法在裝置上完成，有水合物沉積物氣體滲透率實(shí)驗(yàn)的方法，鉆井液對(duì)水合物沉積物的侵入及侵入過(guò)程中水合物沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法；水合物沉積物巖芯保真轉(zhuǎn)移方法。本發(fā)明提供了前期室內(nèi)天然氣水合物地層對(duì)鉆井液侵入響應(yīng)特性研究，可掌握鉆井液侵入對(duì)水合物地層物性的影響規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)模擬含水合物沉積物樣品的保真轉(zhuǎn)移，為今后水合物地層開(kāi)發(fā)鉆井安全和測(cè)井準(zhǔn)確解釋提供依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102323394SQ20111024253
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者余義兵, 劉力, 寧伏龍, 張凌, 王躍偉, 蔣國(guó)盛 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)