[发明专利]一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法

说明书

本发明涉及一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法。包括模拟钻井平台运动的平台运动模拟子系统、模拟施加在井口作用载荷的隔水管子系统、水合物井口组合子系统、模拟水合物受热分解的水合物模拟子系统以及用于对上述子系统进行控制和数据采集的数据采集处理及控制子系统；本发明可以模拟不同水合物藏物性、水合物加热分解、钻井平台运动等条件下对井口稳定性的影响，实现深水天然气水合物开采过程中井口力学稳定性的实验模拟。

技术领域

本发明涉及一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法，属于深水天然气水合物开发技术领域。

背景技术

天然气水合物，又称“可燃冰”，在全球分布广泛，被认为是21世纪最有潜力的非常规接替能源之一。深水天然气水合物一般采用降压、注热、CO₂置换等开采技术，深水钻井作业环境复杂，天然气水合物储层多表现为埋藏浅、弱胶结、形态多样、非成岩等特点，开采作业过程中水合物受热易分解导致地层结构发生破坏，海底浅部地层强度降低、海底浅层土下陷，井口作为深水钻井系统的关键装备，其上连防喷器组及隔水管，下接导管，水合物分解易导致井口发生倾斜或下沉，使井口稳定性遭到破坏。

目前，国内外研究多是针对常规深水井口力学稳定性开展的计算机仿真分析和实验模拟，缺乏针对水合物开采井口稳定性的监测实验装置。深水钻井作业风险高，再加上水合物受热分解过程复杂、机理认识不清、开采技术不成熟，井口稳定性依然是水合物开采面临的主要技术难题之一。为满足国内对天然气水合物开采的技术水平要求，提供一套深水天然气水合物开采井口稳定性的实验装置及方法，对于揭示深水天然气水合物开采过程中井口稳定性的变化规律具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置，用以解决目前水合物开采技术不成熟的问题。

本发明还提供一种利用上述天然气水合物井口稳定性实验装置的实验方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种监测深水天然气水合物井口稳定性的实验装置，包括平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物储层模拟子系统以及用于对上述子系统进行控制和数据采集的数据处理及控制子系统；

所述平台运动模拟子系统包括伺服电机、导轨、滑块和张紧器，伺服电机固定在导轨的一端，滑块与导轨之间滑动连接，滑块下端连接张紧器，平台运动模拟子系统底端连接隔水管子系统，平台运动模拟子系统用于水合物开采过程中钻井平台运动的模拟；

所述隔水管子系统包括三分力仪、上部挠性接头、夹具、隔水管、下部挠性接头和防喷器，三分力仪上端连接张紧器，三分力仪下端与上部挠性接头连接，上部挠性接头连接夹具，夹具与隔水管螺栓紧固连接，隔水管底端与防喷器通过下部挠性接头连接，隔水管子系统下端连接井口组合子系统，隔水管子系统用于模拟水合物试采过程中的隔水管系统和施加在井口的作用载荷；

所述井口组合子系统包括井口、导管和筛沙器，防喷器与井口通过螺栓连接，井口下端与导管螺纹连接，筛沙器用于过滤水合物中的泥沙，井口组合子系统放置在水合物模拟子系统中，井口组合系统用于模拟水合物开采过程中的井口和导管，是本发明装置监测的主体；

所述水合物模拟子系统包括实验土箱、土壤、水合物层、循环制冷机、加热器，实验土箱为长方体无盖容器，实验土箱底部放置土壤，实验土箱中部放置模拟水合物层，水合物层的上部均布温度传感器，水合物层的底部布设加热棒，加热棒与加热器连接由加热器进行控制，水合物层的上部放置土壤，导管埋在实验土箱中的上部土壤中，循环制冷机和加热器放置在实验土箱的外侧，水合物储层模拟子系统用于模拟合成的水合物层，并通过加热水合物层模拟水合物受热分解过程；

所述的数据采集处理及控制子系统分别与平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物模拟子系统连接，数据采集处理及控制子系统包括拉线位移传感器、动态倾角仪、光纤光栅应变传感器、温度传感器、循环制冷机和信号采集处理系统。