测定钻井过程中水合物储层分解速率的装置及方法

摘要

本发明属于天然气开发领域，具体地，涉及一种测定钻井过程中水合物分解速率的装置与方法。测定钻井过程中水合物储层分解速率和水合物分解气量的装置，包括：水合物生成分解单元、辅助单元及测定单元。水合物生成分解单元模拟钻井过程中水合物储层的环境条件，为水合物的生成与分解提供场所；辅助单元为水合物的生成提供气源和液源；测定单元测量水合物储层的分解速率以及分解气量。本发明可以模拟钻进过程中，水合物层储层分解及其分解后产出气情况，用于评价深水钻井安全。

说明书

技术领域

本发明属于天然气开发领域，具体地，涉及一种测定钻井过程中 水合物储层分解速率的装置与方法。

背景技术

作为一种重要的海洋能源，天然气水合物具有储量较大、能量密 度较高、埋藏较浅、分布范围较广等优势，是传统煤炭、石油能源的 理想替代能源。美国、俄罗斯、加拿大、德国、日本和韩国等国家相 继将天然气水合物的开发定位为国家科技战略制高点，投入了大量的 人力与物力，开展了一系列重点研究，并取得了一定的成果。我国也 在上个世纪末对天然气水合物进行了研究，并将高效开采天然气水合 物视为一项长期目标。

在高效开采天然气水合物的过程中，钻井是不可缺失的重要环 节。由于天然气水合物自身具有特殊的相平衡性质，因此与一般油气 地层钻井有很大不同，此类地层钻井将会面临更加复杂的传热传质问 题。比如，在天然气水合物地层钻井过程中，钻井液与储层的传热， 钻头与岩石、井壁以及井底钻具之间的摩擦会提升整个体系的温度； 而随着钻头的不断钻井，地层压力也会波动。温度与压力的变化，可 能会引起天然气水合物的分解。其中，地层中起胶结或骨架支撑作用 的固态水合物分解，分解出来的水分扩散到地层中，容易导致井壁坍 塌。同时，逸出的气体不仅影响了钻井液的比重与流变性，易引发井 喷、井涌等事故，在随钻井液上返至地面的过程中，更存在钻井液循 环管路以及防喷器等处再次形成水合物，影响正常钻进，引发钻井事 故的风险。

为了降低这些风险带来的损失，准确了解钻井过程导致水合物储 层分解的情况，总结出相应的变化规律并评估水合物分解气对于井控 的影响程度，成为了至关重要的环节。传统的数值模拟方法，涉及的 假设较多，和现实情况出入较大，无法真实反映实际的水合物层情况。 近年来，有学者开始着手于设计模拟实验装置，在室内环境下，对水 合物层进行实际监测，但均未模拟出钻井过程中，钻头的研磨以及泥 浆的循环对体系温度和水合物相变的影响，也没有将水合物分解情况 以及分解后产生的气体量进行测量与分析，而这些参数是保证水合物 层钻进的重要的安全参数。

针对上述情况，有必要设计一种装置，来评价钻井条件下水合物 分解情况，计算水合物分解速率和产出气量，为水合物层安全钻井提 供基础条件。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种测定钻井过程中 水合物储层分解速率的装置与方法，为深水安全高效钻穿水合物储层 的理论研究和现场作业提供技术支持。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

测定钻井过程中水合物储层分解速率和水合物分解气量的装置， 包括：水合物生成分解单元、辅助单元及测定单元。水合物生成分解 单元模拟钻井过程中水合物储层的环境条件，为水合物的生成与分解 提供场所；辅助单元为水合物的生成提供气源和液源；测定单元测量 水合物储层的分解速率以及分解气量。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：可以模拟钻井过程中， 水合物层分解及其分解后产出气情况，用于评价深水钻井安全。具体 包括：

1、可以研究不同种类与浓度的溶液对水合物分解的影响规律；

2、可以实现钻井过程中水合物层电阻抗、压力、温度的测量， 估算水合物分解量；

3、可以研究钻井条件下的钻头转动、泥浆循环等对水合物分解 量的影响规律；

4、可以模拟研究水合物储层钻井过程中不同机械钻速度、钻井 液体系对于水合物分解产出气量的影响，保障钻井安全。

附图说明

图1是测定钻井过程中水合物储层分解速率的装置结构示意图；

图中，101、恒温箱，102、反应釜，103、进气孔，104、排气孔， 105、进液孔，106、电阻抗传感器，107、温度传感器，108、钻机， 109、密封装置，110、钻杆，111、钻头，112、支架，113、泥浆泵， 114、流量计，115、单向阀，201、真空泵，202、真空表，203、高 压气瓶，204、恒压恒速泵，205、注液装置，301、调压阀，302、气 液分离器装置，303、密闭排液容器，304、称重装置，401、第一储 液容器，402、第二储液容器，403、第三储液容器，501、第一控制 阀，502、第二控制阀，503、第三控制阀，504、第四控制阀，601、 第一压力传感器，602、第二压力传感器，603、第三压力传感器，604、 第四压力传感器。

具体实施方式

如图1所示，测定钻井过程中水合物储层分解速率和水合物分解 气量的装置，包括：水合物生成分解单元、辅助单元及测定单元。水 合物生成分解单元模拟钻井过程中水合物储层的环境条件，为水合物 的生成与分解提供场所；辅助单元为水合物的生成提供气源和液源； 测定单元测量储层中水合物的分解速率以及分解气量。

水合物生成分解单元，包括：恒温箱101、反应釜102、钻机108、 第一储液容器401；恒温箱101内放置有反应釜102，恒温箱101顶 部固定有支架112，支架112上放置有钻机108，钻机108下端连接 有钻杆110，钻杆110下端安装钻头111，钻杆110顶端外部环有密 封装置109；钻机108钻速可调，为模拟钻井过程提供动力，钻杆110 和钻头111用于模拟钻井过程，密封装置109保证钻井过程中的密封 性。

第一储液容器401通过输送管线穿过密封装置109与钻杆110顶 端相连，输送管线上自第一储液容器401至钻杆110方向依次设有泥 浆泵113、流量计114和单向阀115；第一储液容器401盛装泥浆钻 井液，泥浆钻井液由泥浆泵113抽取经过流量计114计量实际流量进 入到钻杆110，单向阀115控制泥浆钻井液的流动方向。

反应釜102内按设定的比例和分布放置定量的沙、石，反应釜 102为水合物的生成与分解模拟储层环境，恒温箱101控制反应体系 的温度；反应釜102顶端设有进气孔103、进液孔105、排气孔104， 排气孔104居中，钻杆110通过排气孔104下入反应釜内，进气孔 103和进液孔105位于排气孔104两侧。

反应釜102设有第三压力传感器603、电阻抗传感器106、温度 传感器107，第三压力传感器603、电阻抗传感器106、温度传感器 107均与计算机数据处理系统相连；第三压力传感器603测量反应釜 102内实时压力，电阻抗传感器106测量反应釜102内实时电阻抗， 温度传感器107测量反应釜102内实时温度，计算机数据处理系统用 于采集、储存并分析实时的压力、温度、电阻抗数据，利用电阻抗数 据判断水合物生成分解情况，利用压力、温度数据计算钻井过程中水 合物的分解速率。

辅助单元，包括：真空泵201、真空表202、高压气瓶203、恒 压恒速泵204、注液装置205；真空泵201通过输送管线与进气孔103 相连，输送管线上自真空泵201至进气孔103方向依次设有第一控制 阀501和真空表202；真空泵201用于将反应釜102内抽真空，利用 第一控制阀501控制气体的流动，真空表202测量反应釜102内抽真 空的情况。

高压气瓶203通过输送管线与进气孔103相连，输送管线上自高 压气瓶203至进气孔103方向依次设有恒压恒速泵204、第三控制阀 503、第二压力传感器602；高压气瓶203中存有所需高压气体，如 甲烷，为水合物生成分解单元提供气源，通过恒压恒速泵204将气体 增压至预设值输入反应釜102中，利用第三控制阀503控制气体的流 动，第二压力传感器602测量气体的实际压力。

注液装置205通过输送管线与反应釜102上的进液孔105相连， 输送管线上自注液装置205至进液孔105方向依次设有第一压力传感 器601、第二控制阀502；注液装置205由液体连通器和手动泵构成， 液体连通器盛装所需的配置溶液，通过手动泵将配置溶液注入到反应 釜102中；利用第二控制阀502控制注入溶液的流动，第一压力传感 器601测量注入溶液的实时压力。

测定单元，包括：调压阀301、气液分离器装置302、密闭排液 容器303、称重装置304、第三储液容器403。

排气孔104通过输送管线与气液分离器装置302相连，输送管线 上自排气孔104至气液分离器装置302方向依次设有第四压力传感器 604、调压阀301和第四控制阀504；第四压力传感器604测量反应 釜102内实时的压力，调节调压阀301将反应釜102内的实时压力维 持在所需的固定值，第四控制阀504控制排出气体的流动，通过气液 分离器装置302将排出的流体进行气液分离。

气液分离器装置302下部设有液孔，液孔通过输送管线与第二储 液容器402相连；第二储液容器402盛装分离出的液体。

气液分离器装置302上端开有气孔，气孔通过输送管线与密闭排 液容器303的顶端相连。

密闭排液容器303通过输送管线与第三储液容器403相连，输送 管线伸入密闭排液容器303内腔且靠近底部，第三储液容器403置于 称重装置304上，称重装置304与计算机数据处理系统相连；密闭排 液容器303通过排水法测量气液分离后气体的体积，第三储液容器 403用于盛装排水法排出的水，称重装置304测量排出水的质量，计 算机数据处理系统用于采集、储存并分析实时的质量数据。

测定钻井过程中水合物储层分解速率和水合物分解气量的方法， 采用上述测定钻井过程中水合物储层分解速率和水合物分解气量的 装置，具体步骤如下：

1、调整装置的温度、压力，模拟水合物生成

在反应釜102中按设定的比例和分布放置定量的沙、石，以模拟 相应的储层环境，关闭整个装置的所有阀门；

打开第一控制阀501，打开真空泵201，抽出反应釜102内的气 体，直至真空表202读数为负；

关闭真空泵201，关闭第一控制阀501；

配置指定浓度的离子溶液，放入注液装置205的液体连通器内；

打开第二控制阀502，转动注液装置205中的手动泵将配置溶液 注入到反应釜102内，注入过程中通过观察第一压力传感器601压力 读数来调整手动泵的转速，观察并记录液体连通器上的体积读数，直 至第一压力传感器601压力读数和液体连通器上的体积读数达到预 设值，停止转动手动泵，关闭第二控制阀502；

将恒温箱101的温度调整至预设值，对反应釜102加热，直至恒 温箱101实际温度读数变化小于±0.01℃；

打开第三控制阀503，打开恒压恒速泵204，设置指定压力，将 高压气瓶203内气体输送进反应釜102中，观察并记录第二压力传感 器602、第三压力传感器603、电阻抗传感器106、温度传感器107 实时读数，持续注气，直至第二压力传感器602、第三压力传感器603 读数达到预设值，且电阻抗传感器106、温度传感器107读数趋于稳 定，即反应釜102内水合物在预设压力下生成完全后，关闭第三控制 阀503，关闭恒压恒速泵204；

2、模拟钻井过程，采集水合物分解时的参数数据

配置泥浆并放入第一储液容器401，打开泥浆泵113，向钻杆110 内部注入循环泥浆，利用流量计114和单向阀115监测控制泥浆流量 和流向；

打开称重装置304，并进行归零处理；

打开第四控制阀504，通过调整调压阀301，使第四压力传感器 604的读数维持为固定值P不变，并利用排水法收集气液分离后排出 的气体，直至称重装置304上读数不再变化，即水合物分解完全，关 闭第四控制阀504；

设定极小时间间隔0.001～0.002s为dt，记录称重装置304在每 段极小时间间隔dt内的读数m₁；

打开钻机108电源，调整钻速至设定值，带动钻杆110及钻头 111，从而模拟钻井过程；

3、计算不同条件下水合物的实时分解速率

记录称重装置304在每段极小时间间隔dt内的读数m₁，可通过 以下公式换算成排水法排出液体的体积：

$V_1=\frac{m_1}{{\rho }_1}$

式中，V₁——排出液体的体积；

m₁——排出液体的质量；

ρ₁——排出液体的密度；

分离后排出气体的体积为：

V₂＝V₁

式中，V₁——排出液体的体积；

V₂——分离后排出气体的体积；

分离后排出气体的物质的量由以下公式计算：

$n_2=\frac{V_2·{\rho }_2}{M_2}$

式中，V₂——分离后排出气体的体积；n₂——分离后排出气体物 质的量；ρ₂——分离后排出气体的密度；M₂——分离后排出气体的 分子质量。

设dt时间内排出气体物质的量的改变量为dn₂，则水合物的实时 分解速率可由以下公式计算：

$u_2=\frac{{\mathrm{dn}}_2}{dt}$

式中，u₂——水合物的实时分解速率；

dt——设定极小时间间隔0.001～0.002s；

dn₂——在dt时间内排出气体物质的量的改变量。

通过调节恒温箱101，改变反应体系的温度，进行多次操作，研 究温度对水合物分解的影响。

通过调节恒压恒速泵204，改变反应体系的压力，进行多次操作， 研究压力对水合物分解的影响。

通过调节钻机108，改变钻头111的转速，进行多次操作，研究 钻头转速对水合物分解的影响。

通过调节泥浆泵113的泵速，进行多次操作，研究排量对水合物 分解的影响。

通过调节第一储液容器401内的温度，进行多次操作，研究泥浆 钻井液注入温度对水合物分解的影响。

通过改变注入装置205中液体连通器内配制溶液的浓度，进行多 次11操作，研究溶液浓度对水合物分解的影响。

通过改变注入装置205中液体连通器内配制溶液的离子种类，进 行多次操作，研究溶液离子种类对水合物分解的影响。