含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及甲烷水合物开采技术领域，特别是一种降压以及辅热联合作用下含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置及实验方法。
背景技术
对于水合物储层来说，尽管降压开采一是以来被认为是最高效的开采方式，但其面临水合物开采率低、开采时间长等方面的挑战，因此降压开采与其他方式(如热激法、注化学剂法等)联合使用逐渐成为一种趋势，而降压+辅热就是典型代表，辅热可以是电磁加热、电阻加热、注热水以及注蒸汽等，均是借助于外界能量的输入来提高水合物开采率的一种方法。在开采过程中，随着水合物的融解，储层的有效渗透率得到大幅度的改善，使得融解产生的甲烷以及水在储层中的流动发生变化，这种变化规律对于实际水合物储层渗流机理、布井参数以及产能预测等方面均具有重要的影响，但目前该部分的研究主要从数值模拟的角度进行阐释，而实际的储层并不能达到数值模拟中使用的理想条件，因此需要从实验的角度对其进行校正，来提高其的预测精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有研究中主要从数值模拟的角度进行阐释，而实际的储层并不能达到数值模拟中使用的理想条件的问题，提供一种含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置及对应的实验方法，用于对降压和辅热联合作用下开采过程中的气水流动进行模拟实验研究。
本发明提供的含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置，主要包括注水单元、注气单元、监测模拟单元、气液分离单元和信号采集单元。
所述检测模拟单元安装在水浴恒温箱内。检测模拟单元包括圆柱形壳体，壳体上端开口并设有顶盖密封。壳体与顶盖之间设有密封圈并通过螺纹连接。壳体内中心轴线上安装直井井筒，直井井筒上设置不同高度位置的方形射孔，射孔上设有防砂网。直径井筒的外壁面均匀缠缚电加热线圈，电加热线圈连接壳体外部的直流电源。井筒内对应不同高度位置的射孔位置均安装有差压测试头。壳体与直井井筒之间的环形空间内，不同高度位置的射孔所在的水平面上安装有多个纵向集成式测试头和多个横向集成式测试头。多个纵向集成式测试头围绕井筒设置，形成以井筒为圆心的第一圆环，多个纵向集成式测试头在第一圆环上等间距分布。多个横向集成式测试头分布在第一圆环的外侧形成以井筒为圆心的第二圆环，多个横向集成式测试头在第二圆环上等间距分布。所述横向集成式测试头和纵向集成式测试头均是集电阻率测试头、差压测试头以及温度探针于一体的集成式测试头。壳体与直井井筒之间的环形空间内填充干燥的多孔介质，例如石英砂。
所述顶盖上设置有压力表，壳体内靠近压力表设置过滤头，过滤头通过压力测试管线与压力表连通。顶盖上还设置注水口，壳体底面设置注气口。注水口连接注水单元，注气口连接注气单元。直井井筒顶端出口连接气液分离单元，且在直井井筒顶端出口与气液分离单元之间的连接管路上安装回压阀。
所述信号采集单元用于采集壳体内的电阻率信号、差压信号、温度信号、压力表信号以及回压阀信号。
所述注水单元包括去离子水罐和注水泵，注水泵进口连接去离子水罐，出口连接检测模拟单元的注水口。
所述注气单元包括甲烷气瓶、气体增压泵、空气压缩机、储气罐，气体增压泵进气口连接甲烷气瓶，出气口连接储气罐，储气罐连接检测模拟单元的注气口。气体增压泵同时与空气压缩机连接。
所述气液分离单元包括气液分离器，直井井筒出口与气液分离器连接，且在两者之间的连接管路上设置回压阀，气液分离器的气体出口连接气体流量计，气液分离器下方设置称量天平用于称量液体重量。
优选的是，所述顶盖上设置至少两个集成板，集成板上设有多个安装口，每个安装口内安装一个纵向外接头，纵向外接头连接纵向集成式测试头。所述壳体外壁面上安装有与每个横向集成式测试头一一对应的外接头，每个外接头连接一个横向集成式测试头。所有外接头均与信号采集单元连接。
一种采用上述气水流动监测模拟装置进行实验的方法，步骤如下：
S1、在监测模拟单元内填充干燥的多孔介质，压实，安装顶盖密封；
S2、将监测模拟单元放入恒温水浴箱中，开启并调节至实验所需温度并恒温；
S3、通过注气单元向监测模拟单元内注入甲烷至20MPa，测试监测模拟单元中的密封性，确保不漏气，继续实验；
S4、将去离子水罐中的水注入到监测模拟单元，直到压力表的压力达到实际储层的压力；
S5、通过注气单元向监测模拟单元注入气体，至压力为25MPa，调节恒温水浴箱的温度至储层的实际温度，水合物开始合成；
S6、打开直井井筒出口，调节回压阀，释放监测模拟单元中的未生成水合物的甲烷，将压力下降到水浴温度所对应的平衡压力；
S7、开启电加热线圈进行加热，使得水合物开始在降压过程中分解；在这过程中，监测差压、温度以及电阻率信号并传输至信号采集单元；
S8、直井井筒出口产生的进入气液分离器，气体通过气体流量计进行计量后外排，分离出的水通过天平称重。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)本发明的监测模拟装置中，井筒射孔位置与差压测试点位于同一位置，方便测试数据对比。
(2)通过在直井井筒外壁面缠绕电加热线圈的方式，实现降压以及辅热联合作用下多孔介质中气水流动进行模拟实验研究。克服了现有的数值模拟方法在实际储层并不能达到数值模拟中使用的理想条件的缺陷，从实验的角度对其进行校正，来提高其的预测精度，为改进相关研究奠定认识基础。而且，采用电阻率、差压以及温度等来监测多孔介质中气水的流动。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明的含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置的工艺流程图。
图2、监测模拟单元的剖面结构图。
图3、监测模拟单元的测试点立体分布示意图。
图中标号：
1、去离子水罐；2、注水泵进口闸阀；3、恒速恒压泵；4、注水泵出口闸阀；5、气瓶；6、气瓶出口阀；7、甲烷增压泵进口闸阀；8、甲烷增压泵；9、甲烷增压泵出口闸阀；10、空气压缩机控制闸阀；11、空气压缩机；12、储气罐进口闸阀；13、储气罐；14、压力表；15、储气罐出口闸阀；16、控制闸阀；17、装置进气闸阀；18、装置进水闸阀；19、恒温水浴箱；20、监测模拟单元；21、横向电阻率测试点；22、横向差压测试点；23、横向温度测试点；24、差压监测仪；25、直井井筒；26、电加热线圈；27、方形射孔；28、压力表；29、直井井筒出口的出口阀；30、电线；31、直流电源；32、回压阀进口控制闸阀；33、回压阀；34、回压阀出口控制闸阀；35、温度信号采集线；36、电阻率信号采集线；37、差压信号采集线；38、压力信号采集线；39、回压阀信号采集线；40、气液分离器；41、气体流量计；42、气体外排口；43、天平；44、信号采集仪；45、计算机；46、井筒内差压测试点；47、纵向电阻率测试点；48、纵向差压测试点；49、纵向温度测试点；50、壳体；51、顶盖；52、密封圈；53、螺纹；54、防砂网；55、上层差压测试头；56、中层差压测试头；57、下层差压测试头；58、纵向集成式测试头；59、横向集成式测试头；60、电阻率测试头；61、差压测试头；62、温度探针；63、过滤头；64、测试管线；65、注水口；66、注气口；67、集成板；68、安装口；69、纵向外接头；70、横向外接头；71、电加热线圈的外接口；72、紧固件；73、安装位点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，本发明提供的含甲烷水合物的多孔介质中气水流动监测模拟装置，主要包括注水单元、注气单元、监测模拟单元20、气液分离单元和信号采集单元。
所述注水单元包括去离子水罐1和注水泵3，注水泵3进口连接去离子水罐1，出口连接检测模拟单元。注水管路上靠近注水泵的进水口和出水口的位置分别设置进口闸阀2和出口闸阀4，注水泵3出口连接出口闸阀4后，经由装置进水闸阀18连接至检测模拟单元20，向检测模拟单元20注入去离子水。
所述注气单元包括甲烷气瓶5、气体增压泵8、空气压缩机11、储气罐13。甲烷气瓶安装有气瓶出口阀6。气体增压泵8进气口连接甲烷气瓶5，出气口连接储气罐13。储气罐13连接检测模拟单元20向检测模拟单元注入甲烷气体。气体增压泵8同时与空气压缩机11连接。气体增压泵8同时与空气压缩机11连接。具体的连接结构中，在靠近气体增压泵8进气口端和出气口端的管路上分别安装增压泵进口闸阀7和增压泵出口闸阀9。储气罐13的进气口端安装储气罐进口闸阀12，储气罐13的出气口端依次安装压力表14、储气罐出口闸阀15、控制闸阀16、装置进气闸阀17，装置进气闸阀17安装在靠近检测模拟单元20的位置。空气压缩机11与气体增压泵8之间安装有空气压缩机控制闸阀10。
所述检测模拟单元20安装在水浴恒温箱19内。检测模拟单元20包括圆柱形密封壳体，壳体内中心轴线上安装直井井筒25。直井井筒上设置不同高度位置的方形射孔27。直径井筒的外壁面均匀缠缚电加热线圈26，电加热线圈通过电线30连接壳体外部的直流电源31。井筒内对应不同高度位置的射孔位置设置差压测试点46。壳体与直井井筒25之间的环形空间内，与不同高度位置的射孔27对应的高度位置上设置电阻率测试点、差压测试点、温度测试点。不同高度位置的射孔都对应安装多个纵向电阻率测试点47、多个纵向差压测试点48和多个纵向温度测试点49。同一高度位置上的多个纵向电阻率测试点围绕井筒等间距设置以形成圆环形。同样的，同一高度位置上的多个纵向差压测试点围绕井筒等间距设置以形成圆环形。同一高度位置上的多个纵向电阻率测试点围绕井筒等间距设置以形成圆环形。每个纵向电阻率测试点形成的圆环外侧同一水平高度上还设置有多个横向电阻率测试点21。多个横向电阻率测试点21等间距分布形成另一个同心圆环形。每个纵向差压测试点形成的圆环外侧同一水平高度上还设置有多个横向差压测试点22。多个横向差压测试点22等间距分布形成另一个同心圆环形。每个纵向温度测试点形成的圆环外侧同一水平高度还设置有多个横向温度测试点23。多个横向温度测试点等间距分布形成另一个同心圆环形。在各测试点上安装对应的电阻率测试头、差压测试头或温度探针用于测试电阻率、差压和温度等信号。不同高度位置的射孔27对应的高度位置上还安装有差压监测仪24。对于差压的测量，需要两个差压测试头，一个测试头位于电阻率、差压以及温度探针横向集成式测试头和电阻率、差压以及温度探针纵向集成式测试头中，另外一个位于直井井筒中。壳体与直井井筒之间的环形空间内填充干燥的多孔介质，例如石英砂。
所述圆柱形密封壳体顶部设置有测试其内部压力的压力表28。直井井筒顶端出口安装出口阀29，出口阀29连接气液分离单元。所述气液分离单元包括气液分离器40。出口阀29与气液分离器40连接，且在出口阀29与气液分离器40之间的连接管路上设置回压阀进口控制闸阀、回压阀33、回压阀出口控制闸阀34。气液分离器40的气体出口连接气体流量计41，经过气体流量计的气体由气体外排42排出。气液分离器下方设置称量天平43用于称量液体重量。
所述信号采集单元包括信号采集仪44和计算机45。信号采集仪用于采集检测模拟单元内的电阻率信号、差压信号、温度信号、压力表信号以及回压阀信号，并传输给计算机。电阻率测试点通过电阻率信号采集线36，差压测试点通过差压信号采集线37，温度测试点通过温度信号采集线35，传输到信号采集仪44，并在计算机45上显示。
如图2和3所示，在一优选的实施例中，所述检测模拟单元20包括圆柱形壳体50，壳体上端开口并设有顶盖51密封。壳体与顶盖之间设有密封圈52并通过螺纹53连接，对壳体内的流体进行密封。壳体内中心轴线上安装直井井筒25，直井井筒上设置不同高度位置的方形射孔27，例如图2和3中显示的3个不同高度位置的方形射孔。每个方形射孔上设有防砂网54。直径井筒25的外壁面均匀缠缚电加热线圈26，电加热线圈连接壳体外部的直流电源31。提高直流电，为模拟水合物储层提供热量。直井井筒25内对应不同高度位置的射孔位置均安装有差压测试头。例如图2中的上层差压测试头55、中层差压测试头56、下层差压测试头57。由于在每层的差压的测试中，纵向和横向测试头均位于同一径向上，因此采用同一个压力测试口，方便径向上的差压对比，同时为了确保测试的成功，射孔的位置在径向上与测试头的位置保持一致。射孔壳体与直井井筒之间的环形空间内，3个不同高度位置的射孔所在的水平面上安装有8个纵向集成式测试头58和8个横向集成式测试头59。8个纵向集成式测试头围绕井筒设置，形成以井筒为圆心的第一圆环；8个纵向集成式测试头在第一圆环上等间距分布。8个横向集成式测试头分布在第一圆环的外侧形成以井筒为圆心的第二圆环，8个横向集成式测试头在第二圆环上等间距分布。所有集成式测试头的安装位点的分布如图3所示。安装位点73均匀分布在圆周和半径两个方向对称分布，且分为三层。所述横向集成式测试头和纵向集成式测试头均是集电阻率测试头60、差压测试头61以及温度探针62于一体的集成式测试头。壳体与直井井筒之间的环形空间内填充干燥的多孔介质，例如石英砂。
所述顶盖51上设置有压力表28，壳体内靠近压力表设置过滤头63，过滤头通过压力测试管线64与压力表28连通。顶盖上还设置注水口65，壳体底面设置注气口66。注水口65连接注水单元，注气口66连接注气单元。用于供给水和气生成水合物。
所述顶盖51上设置两个圆形集成板67，集成板上设有3个均匀分别的安装口68，每个安装口内安装一个纵向外接头69，纵向外接头69与纵向集成式测试头连接。所述壳体外壁面上安装有与每个横向集成式测试头一一对应的横向外接头70，每个横向外接头70连接一个横向集成式测试头。所有横向外接头和纵向外接头均与信号采集单元连接。顶盖上还设置电加热线圈的外接口71。顶盖中心设置安装固定直井井筒的密封紧固件72。在单个剖面上(图2)，六个横向外接头70等间距分布在圆柱形壳体3的外壁面，六个纵向外接头69被安装在位于顶盖51上的两个圆形集成板67上。实现对水合物储层在降压以及辅热联合作用下的电阻率、差压以及温度变化的流动监测。
一种采用上述气水流动监测模拟装置进行实验的方法，步骤如下：
(1)在监测模拟单元20中填满干燥后的石英砂，作为模拟多孔介质，并压实，安装顶盖密封。
(2)将监测模拟单元20放入恒温水浴箱19，开启并调节温度至实验所需温度恒温。
(3)打开进气闸阀17和控制闸阀16，开启空气压缩机控制闸阀10以及甲烷增压泵8，将气瓶5中的甲烷，增压并储存，通过储气罐13，向监测模拟单元20注入甲烷至20MPa，测试监测模拟单元20中的密闭性，直到不再漏气，方能继续实验。
(4)打开进水闸阀18，注水泵进口闸阀2和注水泵出口闸阀4，开启注水泵3，将去离子水罐1中的水注入到监测模拟单元20，直到压力表28的压力达到实际储层的压力。
(5)打开进气闸阀17，从储气罐13中释放甲烷，继续使得监测模拟单元20的压力提高到25MPa，并调节恒温水浴箱19的温度至储层的实际温度，水合物开始合成。
(6)打开直井井筒出口阀29，回压阀进口控制闸阀32，调节回压阀33至一定的数值，开启回压阀出口控制闸阀34，释放监测模拟单元20中的尚未生成水合物的甲烷，下降到水浴温度所对应的平衡压力附近。
(7)打开直流电源31，通过加热线圈电线30，向加热线圈26提供热量，使得水合物开始在降压过程中分解。在这个过程中，监测整个过程的差压、温度以及电阻率信号，传输到信号采集仪44，并在计算机45上显示。
(8)直井井筒生产出的气体进入气液分离器40，气体通过气体湿式流量计41进行计量并由气体外排口42排出，而分离出的水通过天平43称重。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
