海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法及装置

摘要

本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种基于一维气水两相渗流装置的海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法及装置。所述包括填砂管模型，其入口端安装有分流槽，出口端安装有挡砂介质，一侧等间距布局至少3对测压孔，另一侧布局与测压孔位置相对应的取样孔，分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计。可方便有效地测量水合物降压开采诱发砂粒运移过程中砂粒级配的变化情况以及评价砂粒微观运移过程对近井地层附加表皮的影响程度。所述方法能够为水合物降压开采诱发砂粒运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。

说明书

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种基于一维气水两相渗流装置的海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法及装置。

背景技术

天然气水合物资源具有分布广、能源密度高等特点，是一种潜在的能源，水合物资源开采研究已成为国际热点问题。然而目前全球水合物资源开发仍处于部分区域的试开采阶段，距离工业化开采还有很长的路要走。加拿大2007～2008项目和日本南开海槽天然气水合物资源试开采经历均表明，出砂现象是制约天然气水合物资源长效开采的关键因素。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克出砂问题带来的困扰。

降压开采被认为是目前最具潜力的水合物开采方法。随着降压过程的进行，水合物不断分解，近井地层水合物分解区内的砂粒将首先随流体运移产出。因此近井地层的游离砂是造成降压开采水合物生产井出砂的主要因素，这就需要首先对水合物分解产出过程中近井储层的砂粒微观运移规律和运移机理进行深入的研究。

另外，由于水合物对储层骨架结构的胶结作用，水合物未分解区的储层强度参数大于已分解区的储层强度参数。特别是对于浅层极弱胶结或未固结储层而言，当水合物完全分解后，储层砂粒处于松散堆积状态，分解区砂粒在上部地层的压实作用下可能被直接“挤”入井筒，也可能被水流、气流携带进入井筒，造成出砂。其中后者是造成出砂的主要因素。

在储层砂粒运移规律室内试验方面，目前仅Papamichos等基于水单相渗流试验进行了较为系统的砂粒运移规律室内模拟，尚无针对水合物储层的砂粒微观运移室内实验方法，导致Uchida等人在建立含水合物储层出砂规律数值模型的时候，只能选择忽略气相和水合物分解的影响，对模型进行简化的验证。目前已有的关于水合物储层出砂规律的数值模型也均缺乏实际室内数据的验证和支持，其对实际天然气水合物资源试采的指导意义受到限制。

为此，建立一套实验测试方法，通过模拟实验研究水合物分解区的砂粒在实际储层气液混合渗流条件下的运移速率和运移量，对于认识水合物储层的出砂机理、验证建立的出砂规律数值分析模型都十分重要，其实验结果可为后续防砂设计及生产制度的确定提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋天然气水合物储层水合物分解区内的砂粒微观运移过程室内实验监测方法及装置，该方法基于气、水两相一维渗流过程中对砂粒的拖曳携带作用提出，需要配合出砂模拟设备实现，通过砂粒的微观运移规律来评价砂粒运移过程对近井表皮系数的影响程度。

本发明采用如下技术方案：

一种海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法，包括以下步骤：

(1)在室内填砂管模型一侧等间距布局至少3对测压孔，另一侧布局与测压孔位置相对应的取样孔；

(2)分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计，用于测量渗流过程中流动压降的规律，进而换算流动压降梯度值；

(3)利用激光粒度仪测定填装砂样驱替之前的实际粒度分布规律，然后按照实际储层压实程度将已知粒度分布规律的储层沉积物装入填砂管模型，其入口端安装分流槽，保证注入流体能均匀深入填砂管模型端面；

(4)填砂管模型出口端安装有挡砂介质，模拟其对近井砂粒微观运移过程的影响；

(5)利用恒流泵从入口端向填砂管模型中注入饱和甲烷气的水，在分流槽的作用下均匀渗入沉积物内部；

(6)连续记录高精度差压计的数据变化规律，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间；

(7)释放压力，记录出口产出砂粒径和产出砂量；

(8)从取样口中分别取样，用激光粒度仪进行粒度分析，对比不同取样口处砂样的粒度分布规律之间的差异，并与原始砂样的粒度分析曲线作对比；

(9)应用水合物储层渗流数学模型，分别计算相邻两个测压孔之间的渗透率变化规律；

(10)利用步骤(7)、(8)获得的数据，分析一定流体渗流速度、一定挡砂介质挡砂精度条件下水合物分解区域内的砂粒微观运移规律；

(11)应用步骤(9)、(10)获得的数据，分析砂粒微观运移过程对水合物分解区内附加表皮系数的影响过程和影响规律；

(12)更换挡砂介质，重复步骤(4)～(11)，纵向对比其类型或目数对水合物分解区内砂粒微观运移过程的影响规律。

所述挡砂介质为不同目数的防砂筛网或不同粒径、不同厚度的防砂砾石层。

一种实现所述海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法的装置，包括填砂管模型，其入口端安装有分流槽，出口端安装有挡砂介质，一侧等间距布局至少3对测压孔，另一侧布局与测压孔位置相对应的取样孔，分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计。

本发明的工作原理如下：

(1)在恒定流速条件下，水合物分解区内沉积物中粒径较小的砂粒将优先“启动”运移，在井筒挡砂介质的作用下，部分细小砂粒可能直接产出到井筒内部造成出砂，也有部分细砂可能会在挡砂介质外部的近井地层沉降堆积；

(2)以井筒(填砂管出口端)为中心，过程(1)将导致水合物分解区地层由远及近的砂粒粒度分布规律发生改变。远井部位砂粒可能由于细砂被运移带走，整体粒径“粗化”，近井地层砂粒则可能发生“细化”过程；

(3)过程(2)将导致水合物分解区到井筒之间的渗流压降梯度发生改变，水合物分解前缘位置处由于地层砂粒的“粗化”，渗流压降梯度可能会降低，整体渗透率提高；而近井部位地层砂由于“细化”作用，可能会导致渗流压降梯度的上升。水合物分解区的储层相对渗透率用下式计算：

$k_w^r=\frac{q_w{\mu }_w}{K_h}\frac{1}{▿P_w-{\rho }_{w}g}$

$k_g^r=\frac{q_g{\mu }_g}{K_h}\frac{1}{▿P_g-{\rho }_{g}g}$

其中，下标w、g分别表示水、气；μ为粘度，K_h是地层绝对渗透率，此处可以认为是沉积物的起始绝对渗透率，k^r是相对渗透率系数，P为压力，ρ为密度，g为重力加速度，q为恒速泵排量，可根据甲烷气在一定压力条件下的溶解度计算相应的水排量和气体排量。

(4)原理(3)所述当井筒(填砂管出口端)附近地层渗透率发生变化时，会导致附加表皮系数的变化，对水合物地层气体的产出造成影响。可根据相应的一维气、水两相渗流表皮系数计算方法确定砂粒运移过程对表皮系数的影响程度。

(5)不同类型不同目数的挡砂介质对砂粒的通过能力不同，导致从水合物分解前缘到井底范围内地层砂的微观运移、堆积过程不同，导致步骤(2)、(3)中的参数发生变化。

本发明按照实际储层压实程度，用已知粒度分布规律的储层沉积物填装填砂管模型，在模拟海洋天然气水合物降压分解区内气、水两相渗流条件下，在填砂管内部形成稳定的气、水混合渗流，稳定驱替一段时间后观察渗流压降梯度的变化规律。其有益效果是：方便有效地测量水合物降压开采诱发砂粒运移过程中砂粒级配的变化情况以及评价砂粒微观运移过程对近井地层附加表皮的影响程度。该方法能够为水合物降压开采诱发砂粒运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。

通过上述实验方法，本发明能够实现以下功能：

(1)观察水合物分解区内地层砂粒运移量随流体渗流速率的变化规律；

(2)观察水合物分解区内地层砂粒运移量随时间的变化规律；

(3)观察一定挡砂精度条件下近井地层的砂粒运移堆积过程；

(4)观察一定挡砂精度条件下砂粒运移对近井地层表皮系数的影响规律；

(5)判断砂粒运移过程对井筒附加表皮系数的影响规律。

附图说明

图1为水合物分解区砂粒微观运移过程测量原理图；

图中，1——填砂管模型；2——分流槽；3——砂样；4——挡砂介质；C1～C6——取样孔；B1～B6——测压孔；P1——测压孔B1、B2之间的压降值；P2——测压孔B2、B3之间的压降值；P3——测压孔B3、B4之间的压降值；P4——测压孔B4、B5之间的压降值；P5——测压孔B5、B6之间的压降值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法，包括以下步骤：

(1)在长度为1.8m的填砂管模型1上等间距布置6个测压孔B1～B6，测压孔间距0.25m，在填砂管模型1另一侧布局与测压孔位置相对应的取样孔C1～C6；

(2)分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计，用于测量渗流过程中流动压降的规律，进而换算流动压降梯度值；

(3)利用激光粒度仪测定填装砂样3驱替之前的实际粒度分布规律，然后按照实际储层压实程度将已知粒度分布规律的储层沉积物装入填砂管模型1，其入口端装分流槽2，保证注入流体能均匀深入填砂管模型端面；

(4)填砂管出口端安装有不同目数的防砂筛网或不同粒径、不同厚度的防砂砾石层，根据研究目的不同，装入一定已知目数的筛网(或填砂烧结滤芯)；

(5)利用恒流泵从入口端向填砂管模型中注入饱和甲烷气的水，在分流槽2的作用下均匀渗入沉积物内部；

(6)连续记录P1、P2、P3、P4、P5的数据变化规律，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间；

(7)释放压力，记录出口产出砂粒径和产出砂量；

(8)从取样口C1、C2、C3、C4、C5、C6中分别取样，用激光粒度仪进行粒度分析，对比不同取样口处砂样的粒度分布规律之间的差异，并与原始砂样的粒度分析曲线作对比；

(9)应用水合物储层渗流数学模型(假设气水流动服从达西定律)，分别计算B1～B2、B2～B3、B3～B4、B4～B5、B5～B6之间的渗透率变化规律；

(10)利用步骤(7)、(8)获得的数据，分析一定流体渗流速度、一定挡砂介质挡砂精度条件下水合物分解区域内的砂粒微观运移规律；

(11)应用步骤(9)、(10)获得的数据，分析砂粒微观运移过程对水合物分解区内附加表皮系数的影响过程和影响规律；

(12)更换挡砂介质4的目数或类型，重复步骤(4)～(11)，纵向对比不同目数的挡砂介质或相同目数不同类型的挡砂介质对水合物分解区内砂粒微观运移过程的影响规律。

如图1所示，一种实现所述海洋天然气水合物分解区砂粒微观运移过程室内试验方法的装置，包括填砂管模型1，其入口端安装有分流槽2，出口端安装有挡砂介质4，一侧等间距布局6个测压孔B1～B6，另一侧布局与测压孔位置相对应的取样孔C1～C6，分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。