天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)裝置，尤其適用于孔內(nèi)溫壓場 對天然氣水合物鉆探取樣過程的影響測試實(shí)驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物燃燒后產(chǎn)生二氧化碳和水，是一種清潔能源，其儲(chǔ)量豐富，在未來成 為煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的替代能源也被人類所共識。天然氣水合物形成和賦存在高 壓低溫的環(huán)境下。根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)壓特性曲線，如果溫度或者壓力條件變化超過平衡 條件，就會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物分解，因此對鉆探取屯、工作提出了很高的要求。目前國內(nèi)外的 天然氣水合物取樣器主要由兩種設(shè)計(jì)思路：一種是保溫保壓取樣器，一種是孔底冷凍取樣 器。保溫保壓取樣器的保壓方法是當(dāng)水合物巖屯、進(jìn)入保壓巖屯、室后，通過球閥關(guān)閉巖屯、管 底部使巖屯、保持初始壓力，并利用壓力補(bǔ)償裝置控制壓力，W確保巖屯、壓力在提離孔底的 整個(gè)過程中保持不變，提到地表后再進(jìn)行冷凍保存；孔內(nèi)巖屯、的保溫方法主要是采用保溫 材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式保溫方法。天然氣水合物孔底冷凍取樣方法通過外部冷源在孔底直接冷凍 天然氣水合物巖屯、，將天然氣水合物巖屯、溫度降低至平衡溫度W下來抑制水合物的分解， 從而獲得水合物保真樣品。由于鉆孔內(nèi)的溫度和壓力不是定值，通常是隨深度的增加而不 同程度地增加的，不同孔深的溫度和壓力作用對于天然氣水合物鉆探取樣過程的影響是不 容忽視的。因此需要研究在鉆孔內(nèi)溫度場、壓力場和鉆井液流場等多場禪合條件和在其作 用下對天然氣水合物鉆探取樣的影響機(jī)理。但目前尚沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種能夠模擬實(shí)際鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)溫度和 壓力的模擬井實(shí)驗(yàn)裝置。通過模擬井試驗(yàn)裝置對井內(nèi)的壓力場、溫度場和鉆井液流場進(jìn)行 控制，并在孔內(nèi)進(jìn)行天然氣水合物鉆探取樣方法測試實(shí)驗(yàn)，研究鉆孔內(nèi)溫壓場對天然氣水 合物鉆探取樣過程影響機(jī)理。
[0004] 本發(fā)明所述的天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)裝置是由地表操作系統(tǒng)、鉆井液 循環(huán)系統(tǒng)、壓力控制及監(jiān)測系統(tǒng)和溫度控制及檢測系統(tǒng)組成，試驗(yàn)井可根據(jù)水合物的不同 賦存條件對井內(nèi)的壓力場、溫度場和鉆井液流場進(jìn)行控制，為實(shí)驗(yàn)設(shè)置初始條件。
[0005] 地表操作系統(tǒng)是由鉆塔、卷揚(yáng)機(jī)、鉆桿、天然氣水合物取樣器和試驗(yàn)孔組成；卷揚(yáng) 機(jī)安裝在鉆塔上部，天然氣水合物取樣器置于試驗(yàn)孔的鉆桿內(nèi)部。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)通過卷揚(yáng) 機(jī)帶動(dòng)鉆桿將天然氣水合物取樣器下放至試驗(yàn)孔內(nèi)，然后開始試驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)再將天 然氣水合物取樣器從試驗(yàn)孔內(nèi)提出。模擬孔最外層為直徑400mm的PVC管，內(nèi)層為直徑 273mm的鋼管，鋼管底部密封，PVC與鋼管之間為己二醇溶液。
[0006] 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)包括有泥漿累、高壓膠管、泥漿池、孔口密封裝置、鉆桿和水龍頭； 泥漿累與高壓膠管通過螺紋連接，高壓膠管與水龍頭連接，水龍頭通過螺紋與鉆桿連接；孔 口密封裝置位于試驗(yàn)孔的孔口通過高壓膠管與壓力控制閥連接，壓力控制閥通過高壓膠管 與泥漿池相連。泥漿累將泥漿從泥漿池內(nèi)抽出，經(jīng)過高壓膠管將泥漿累送至水龍頭；泥漿從 水籠頭經(jīng)過鉆桿進(jìn)入試驗(yàn)孔內(nèi)，泥漿經(jīng)天然氣水合物取樣器與鉆桿之間的間隙流出，并由 鉆桿與273mm鋼管之間的間隙向上流動(dòng)通過井口密封裝置流出試驗(yàn)孔。泥漿流出試驗(yàn)孔通 過壓力控制閥流入泥漿池中，形成鉆井液循環(huán)。
[0007] 壓力控制和監(jiān)測系統(tǒng)由泥漿累、壓力控制閥、孔口密封裝置和壓力檢測裝置組成， 泥漿累通過高壓膠管將泥漿累送至試驗(yàn)孔內(nèi)，通過調(diào)節(jié)泥漿累的壓力和流量可W控制泥漿 進(jìn)入試驗(yàn)孔時(shí)的初始壓力；孔口密封裝置位于試驗(yàn)孔的孔口位置，通過機(jī)械密封的方式實(shí) 現(xiàn)對試驗(yàn)孔和鉆桿的密封，確保整個(gè)試驗(yàn)孔系統(tǒng)是封閉的；孔口密封裝置通過高壓膠管與 壓力控制閥連接，通過調(diào)節(jié)壓力控制閥可W控制泥漿流出試驗(yàn)孔時(shí)的出口壓力；泥漿累、壓 力控制閥和孔口密封裝置共同實(shí)現(xiàn)對孔內(nèi)壓力的控制。壓力檢測裝置安裝在壓力控制系統(tǒng) 中，能夠?qū)崟r(shí)反映試驗(yàn)孔系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力，通過監(jiān)測試驗(yàn)孔系統(tǒng)的壓力可隨時(shí)對實(shí)驗(yàn)過 程中的壓力進(jìn)行調(diào)整，確?？變?nèi)壓力維持在實(shí)驗(yàn)要求的范圍內(nèi)。
[0008] 溫度控制和監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度控制裝置、溫度檢測裝置、水箱、水累和己二醇腔組 成。其中水箱與試驗(yàn)孔上部通過膠管連接，水箱與水累連接，水累將己二醇溶液從己二醇腔 內(nèi)抽出，己二醇溶液進(jìn)入到水箱內(nèi)；水累與溫度控制裝置相連接，水累將己二醇自水箱內(nèi)抽 出進(jìn)入到溫度控制裝置中，溫度控制裝置可按照實(shí)際要求對己二醇溶液進(jìn)行加熱或冷卻， 使己二醇達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度；通過水累將達(dá)到要求溫度的己二醇溶液累送至試驗(yàn)孔的底 部，使己二醇溶液在273鋼管和PVC管之間的己二醇腔內(nèi)形成循環(huán)，通過己二醇溶液循環(huán)與 孔壁之間進(jìn)行對流換熱和控制沖洗液的溫度實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)溫度控制。
[0009] 溫度監(jiān)測系統(tǒng)可對鉆井液進(jìn)口溫度監(jiān)測點(diǎn)、鉆井液出口溫度監(jiān)測點(diǎn)，己二醇進(jìn)口 溫度監(jiān)測點(diǎn)、己二醇出口溫度監(jiān)測點(diǎn)和取樣過程中各關(guān)鍵點(diǎn)的取樣過程溫度監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)進(jìn) 行監(jiān)測。
[0010] 本發(fā)明所述的天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)方法包括W下步驟： ①安裝好孔口密封裝置，通過鉆塔和卷揚(yáng)機(jī)將繩索取屯、鉆桿放入試驗(yàn)孔內(nèi)。
[0011] @打開水累將己二醇溶液自水箱內(nèi)抽出累送至溫度控制裝置內(nèi)對己二醇溶液控 制在實(shí)驗(yàn)要求的溫度，己二醇溶液進(jìn)入鋼管和PVC管之間與鋼管之間進(jìn)行對流換熱，對試 驗(yàn)孔內(nèi)溫度進(jìn)行控制。
[0012] 運(yùn)1開啟泥漿累將泥漿從泥漿池內(nèi)抽出并注入到試驗(yàn)孔內(nèi)，泥漿經(jīng)壓力控制閥流 出孔外進(jìn)入到泥漿池中，形成泥漿循環(huán)，通過調(diào)節(jié)壓力控制閥和泥漿累的控制壓力使試驗(yàn) 孔內(nèi)壓力保持在實(shí)驗(yàn)要求的值。
[0013] 感當(dāng)壓力檢測裝置和溫度監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)示孔內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫壓 條件后，將天然氣水合物取樣器投入試驗(yàn)孔中，進(jìn)行天然氣水合物取樣模擬實(shí)驗(yàn)。
[0014] i)實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)，隨時(shí)對整個(gè)裝置的溫度和 壓力進(jìn)行調(diào)整；并通過溫度和壓力檢測裝置對天然氣水合物取樣模擬實(shí)驗(yàn)過程中關(guān)鍵技術(shù) 參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。
[0015] 本發(fā)明的有益效果： 通過模擬井試驗(yàn)裝置對井內(nèi)的壓力場、溫度場和鉆井液流場進(jìn)行控制，并在孔內(nèi)進(jìn)行 天然氣水合物取樣方法實(shí)驗(yàn)，研究鉆孔內(nèi)溫度和壓力對天然氣水合物取樣的影響機(jī)理，減 少了野外試驗(yàn)的工作量；避免了野外試驗(yàn)中由于試驗(yàn)參數(shù)的不可控性對實(shí)驗(yàn)的影響，可實(shí) 現(xiàn)對個(gè)數(shù)據(jù)的定量和定性的分析；更有利于分析鉆孔內(nèi)溫壓場對天然氣水合物取樣過程的 影響機(jī)理。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
[0017] 其中；1.鉆塔，2.卷揚(yáng)機(jī)，3.水龍頭，4.鉆化5.孔口密封裝置，6.孔底冷凍取樣 器，7.試驗(yàn)孔，8.。273鋼管，9.己二醇腔，10.PVC管，11.壓力控制閥，12.泥漿池，13.泥漿 累，14.高壓膠管，15.壓力監(jiān)測系統(tǒng)，16.水箱，17.水累，18.溫度監(jiān)測系統(tǒng)，19.溫度控制 系統(tǒng)，20.膠管。
[0018] a.鉆井液進(jìn)口溫度監(jiān)測點(diǎn)，b.鉆井液出口溫度監(jiān)測點(diǎn)，C.己二醇進(jìn)口溫度監(jiān)測 點(diǎn)，d.己二醇出口溫度監(jiān)測點(diǎn)，e.取樣過程溫度監(jiān)測點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明所述的天然氣水合物鉆探取樣模擬井實(shí)驗(yàn)裝置是由地表操作 系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、壓力控制及監(jiān)測系統(tǒng)和溫度控制及檢測系統(tǒng)組成，試驗(yàn)井可根據(jù)水 合物的不同賦存條件對井內(nèi)的壓力場、溫度場和鉆井液流場進(jìn)行控制，為實(shí)驗(yàn)設(shè)置初始條 件。
[0020] 地表操作系統(tǒng)是由鉆塔（1)、卷揚(yáng)機(jī)（2 )、水龍頭（3 )、鉆桿（4 )、孔口密封裝置（5 )、 天然氣水合物取樣器（6)和試驗(yàn)孔（7)組成；卷揚(yáng)機(jī)（2)安裝在鉆塔（1)上部，天然氣水合 物取樣器（6 )置于試驗(yàn)孔（7 )的鉆桿（4 )內(nèi)部。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)通過卷揚(yáng)機(jī)（2 )帶動(dòng)鉆桿（4 ) 將天然氣水合物取樣器（6 )下放至試驗(yàn)孔（7 )內(nèi)，然后開始試驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)再將天然氣 水合物取樣器（6)從試驗(yàn)孔（7)內(nèi)提出。孔口密封裝置（5)安裝在試驗(yàn)孔（7)的上部使試 驗(yàn)孔內(nèi)部是密封的。試驗(yàn)孔（7)最外層為直徑400mm的PVC管（10)，內(nèi)層為直徑273mm的 鋼管（8)，鋼管（8)底部密封，PVC管（10)與鋼管（8)之間為己二醇腔（9)，腔內(nèi)充滿己二醇 溶液。
[0021] 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)包括由水龍頭（3)、鉆桿（4)、孔口密封裝置（5)、泥漿池（12)、泥 漿累（13)和高壓膠管（14);泥漿累（13)與高壓膠管（14)通過螺紋連接，高壓膠管（14)與 水龍頭（3)連接，水龍頭（3)通過螺紋與鉆桿（4)連接；孔口密封裝置（5)位于試驗(yàn)孔（7) 的孔口通過高壓膠管（14)與壓力控制閥（11)連接，壓力控制閥（11)通過高壓膠管（14)與 泥漿池（12)相連。泥漿累（13)將泥漿從泥漿池（12)內(nèi)抽出，經(jīng)過高壓膠管（14)將泥漿送 至水龍頭；泥漿從水籠頭（3)經(jīng)過鉆桿（4)進(jìn)入試驗(yàn)孔（7)內(nèi)，泥漿經(jīng)天然氣水合物取樣器 (6) 與鉆桿（4)之間的間隙流出，并由鉆桿（4)與273mm鋼管（8)之間的間隙向上流動(dòng)通過 井口密封裝置（5 )流出試驗(yàn)孔（7 )。泥漿流出試驗(yàn)孔（7 )通過壓力控制閥（11)流入泥漿池 中，形成鉆井液循環(huán)。
[0022] 壓力控制和監(jiān)測系統(tǒng)由孔口密封裝置（5)、壓力控制閥（11 )、泥漿累（13)、高壓膠 管（14)和壓力檢測裝置（15)組成，泥漿累（13)通過高壓膠管