一种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置及方法

摘要

公开一种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置，其能够伴随钻探工作动态分离水体(钻井液)中溶解性甲烷，实现与大气中甲烷的对比检测，准确测定天然气水合物分解对大气和水体的响应。其包括：深潜泵、分流装置、流量计、水气平衡器、排水箱、冷凝器、气体检测分析仪；深潜泵放入完钻钻井内，打开深潜泵，让水进入水气平衡器，通过流量计调节分流装置的阀门，分离后产生的水体排进排水箱，分离出的气体经冷凝器后进入气体检测分析仪。还提供了一种天然气水合物钻井液中水气动态分离方法。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气水合物研究的技术领域，具体地涉及一种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置及方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物(Methane Hydrate)。天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1m³的天然气水合物可分解出164m³的甲烷气体和0.8m³的水。而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为2×10¹⁶m³，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。上世纪90年代以来，世界上发达国家和一些发展中国家纷纷制订各自的开发研究计划，对天然气水合物进行全面的、系统的调查和研究。

天然气水合物的地球化学研究对于认识天然气水合物的物质组成、物化性质及其来源、产出条件、形成机制，分布规律、环境效应、资源量评价等具有重要的意义，是天然气水合物探测的最重要的手段之一。国际上对天然气水合物的地球化学研究表明，在天然气水合物富集区，由于水合物形成或分解过程中释放的流体和微渗逸烃可在其上覆海底沉积物及其孔隙水以及底层海水中形成烃类异常和其他地球化学异常效应，这些异常可用于指示天然气水合物的存在。目前，天然气水合物地层孔隙水中Cl^-质量浓度异常和SO₄^2-质量浓度梯度已成为两项重要的地球化学指标，而水体中溶解性甲烷浓度的含量则更直观的指示了天然气水合物的存在和分解变化。

天然气水合物溶解发生在天然气水合物本身稳定但未饱和的水体中，溶解过程与NaCl、CaSO₄·2H₂O在水中溶解相似，主要由于外因(如存在水)不稳定引起，相反过程是天然气水合物在过饱和时析出。水合物溶解度随温度增加而增大，随盐度和压力增加而减小，温度对溶解的影响比压力对溶解的影响敏感。水合物分解成水和甲烷气是水合物自身不稳定引起的，分解过程与冰融化过程相似，可以发生在沉积物中或水体中，与水是否存在无关，但水存在会加快水合物分解速度。水合物分解受温度、压力和甲烷含量影响，相反过程是甲烷气和水结晶成水合物。甲烷气在上升穿越水体的过程中，在气泡和水合物界面处会出现短暂的水合物再形成现象。水合物溶解和分解是两个不同的过程，控制水合物溶解的动力学因素是物质转换，而控制水合物分解的则是热转换。由于热转换速率大于物质转换速率，因此水合物分解过程比溶解过程要快得多。

伴随天然气水合物勘探开发过程，水体中溶解性甲烷浓度的含量对地层中天然气水合物存在状态的指示愈发重要。一方面，可对天然气水合物含量进行评估；另一方面，可对天然气水合物产生的甲烷进行实时监测，以免对环境造成灾害性影响。目前，对冻土区固结岩层内天然气水合物开采过程中，地层水中天然气水合物含量变化的监测已引起广大学者的重视，但监测方法却寥寥无几。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置，其能够伴随钻探工作动态分离水体(钻井液)中溶解性甲烷，实现与大气中甲烷的对比检测，准确测定天然气水合物分解对大气和水体的响应。

本发明的技术解决方案是：这种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置，其包括：深潜泵、分流装置、流量计、水气平衡器、排水箱、冷凝器、气体检测分析仪；

深潜泵放入完钻钻井内，打开深潜泵，让水进入水气平衡器，通过流量计调节分流装置的阀门，分离后产生的水体排进排水箱，分离出的气体经冷凝器后进入气体检测分析仪。

还提供了一种天然气水合物钻井液中水气动态分离方法，其包括以下步骤：

(1)井下水体安装深潜泵；

(2)抽取原位水体后，进行水气分离；

(3)分离后产生水和溶解气体；

(4)对比分析；

(5)通过长期的同步、在线实时监测，进行综合分析研究。

本发明利用钻探过程中，甲烷在水体和空气中的分压，通过水气分压平衡，均匀置换气体，实现水体中溶解甲烷与水体的成功分离，进水与取样一体化测定，有效提高含天然气水合物地层水体中甲烷含量的实时在线监测效率，并可与大气中甲烷含量进行对比检测，为准确测定地层孔隙水中溶解甲烷的含量、探讨天然气水合物分解对环境的响应提供有力工具。

附图说明

图1是根据本发明的天然气水合物钻井液中水气动态分离装置的结构示意图。

图2是根据本发明的天然气水合物钻井液中水气动态分离方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，这种天然气水合物钻井液中水气动态分离装置，其包括：深潜泵1、分流装置2、流量计3、水气平衡器4、排水箱5、冷凝器6、气体检测分析仪7；

深潜泵放入完钻钻井内，打开深潜泵，让水进入水气平衡器，通过流量计调节分流装置的阀门，分离后产生的水体排进排水箱，分离出的气体经冷凝器后进入气体检测分析仪。

另外，所述深潜泵放在至少距离井底0.5m的位置。

另外，所述水气平衡器包括进水口41、螺旋喷头42、硅胶球43、压力平衡口44、水气平衡器主体。

如图2所示，还提供了一种天然气水合物钻井液中水气动态分离方法，其包括以下步骤：

(1)井下水体安装深潜泵；

(2)抽取原位水体后，进行水气分离；

(3)分离后产生水和溶解气体；

(4)对比分析；

(5)通过长期的同步、在线实时监测，进行综合分析研究。

本发明利用钻探过程中，甲烷在水体和空气中的分压，通过水气分压平衡，均匀置换气体，实现水体中溶解甲烷与水体的成功分离，进水与取样一体化测定，有效提高含天然气水合物地层水体中甲烷含量的实时在线监测效率，并可与大气中甲烷含量进行对比检测，为准确测定地层孔隙水中溶解甲烷的含量、探讨天然气水合物分解对环境的响应提供有力工具。

另外，所述步骤(1)中，深潜泵放入完钻钻井内，深度以实际需求进行设置，且深潜泵放在至少距离井底0.5m的位置。

另外，所述步骤(2)中，打开深潜泵，让水进入水气平衡器，然后通过流量计调节分流装置阀门，调整进入水气平衡器中水的流量，确保水流不会太大导致塞满，同时保证水被打的足够散；调节水气平衡器出水口使进入和排出水气平衡器中的水量一致。

另外，所述步骤(3)中，分离后产生的水体，排进排水箱；分离出的气体经冷凝器后进入气体检测分析仪。

另外，所述步骤(4)中，对分离出的溶解气和低空大气中的甲烷、二氧化碳组分进行干燥后，利用激光检测方法进行在线实时对比分析。

另外，所述步骤(5)中，结合长时间的对比监测，分析气体中甲烷组分含量，探讨天然气水合物分解产生甲烷气体的含量及对环境产生的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。