[发明专利]天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法，包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，供液装置包括水箱、加热器、水泵、节流阀和涡轮流量计；供气装置包括空压机、可编程控制器、涡街流量计和气液混合器；反循环模拟装置包括动力机、投料漏斗、螺旋加料器、反循环实验台和反循环井筒；多相流观测装置包括计算机、温度传感器、电阻探针、压差变速器、压力传感器、负压传感器、可视窗和摄像机；循环装置包括：混合出料管、滤式固液分离器、岩屑箱和旋流气液分离器。本发明用于模拟天然气水合物固体颗粒和气液混合物反循环输运的物理过程，测试气液固三相流动特征和相变规律，为水合物的开采提供科学依据和技术支持。

技术领域

本发明属于石油天然气钻采技术领域，涉及一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种由甲烷为主的气体与水分子组成的冰雪状晶体物质，它形成与储藏在低温高压的环境中，被认为是21世纪最有远景的新能源，世界上绝大部分天然气水合物蕴藏在特定的海底沉积物中。由于海洋天然气水合物物理性质的特殊性及其海底成藏环境的复杂性，钻井和开采的难度更大，是一项高难度、高技术和高风险的综合性工程。

目前，国际上天然气水合物的研究热点已由资源调查转为开发利用。现有开采方法多基于水合物的热力学平衡原理，破坏水合物稳定存在的温度压力条件使其分解，包括降压法、加热法、注入抑制剂法、置换法等方法；另一类则是固态流化开采法和海水提升法，也具备技术上的可行性。反循环钻井技术是当今国际上一种先进的钻进工艺方法，具有钻进效率高、携岩效果好、钻进成本低、有效避免井壁漏失等特点，已成功应用于干热岩开发、水井钻凿、油气勘探等领域。如将其用于天然气水合物地层的钻井，有望解决深水钻井技术瓶颈和水合物开采面临的地层漏失和效率低等难题。但无论采用何种开采方法，固体水合物颗粒通过管路输送到开采平台的过程中，井筒内的水合物会发生相变，导致多相流动极为复杂，这是一种包含相变、传热传质、多相流动、流型转换的新型科学问题，因而有必要采用相关实验装置和方法开展深入研究。

CN103185772A公开了一种含水合物相变的固-液-气多相流动实验装置与测试方法，可以模拟水合物沉积物固体颗粒和热水的混合物在管路向上输运的物理过程，测试水合物相变规律、气液固流动特性和多相组分分离参数；CN102865066A公开了一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验设置及实验方法，可完成深水井筒天然气水合物形成模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解对井筒多相流流动规律影响的模拟实验。以上专利主要是研究常规钻井方法钻进过程中，井筒内的水合物相变规律和多相流动机理。

发明内容

本发明结合反循环钻井技术特点，提出一种能够模拟水合物反循环输运过程中井筒内的多相流模拟实验装置及方法。通过模拟实验台对井筒内的压力场、温度场和流场进行控制，并进行固体颗粒的运移规律、多相流流型转换和水合物相变过程的测试实验。

为了解决上述问题，本发明提供一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，其中：

所述供液装置是由水箱通过进水管与加热器和水泵相通，水泵通过注液管路与气液混合器相连；注液管路上安装有节流阀和涡轮流量计，涡轮流量计位于节流阀与气液混合器之间；所述与气液混合器为三通式结构，三个通道分别是进液口，进气口和出液口，其中进液口与水泵相通。

所述供气装置是由空压机通过注气管路向气液混合器进气口注入一定质量流量的气体，通过注气管路上依次安装有可编程控制器和涡街流量计，涡街流量计位于可编程控制器与气液混合器之间。

所述反循环输送装置是利用动力机驱动螺旋加料器，螺旋加料器上端与投料漏斗连通，出口端通过进料管与反循环实验台相通，反循环井筒安装在所述实验台的上端，构成气液固多相流的运移通道。