本實用新型屬于石油天然氣技術領域，具體涉及一種天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置。

背景技術：

水合物資源具有資源量大、能源密度高、儲層埋深淺等特點。因此，歐美、日本、印度、韓國、中國等地區(qū)和國家都進行了大量的基礎研究并形成了一些列的水合物資源開采方法。目前形成的天然氣水合物資源開發(fā)方式主要有熱激法開采、減壓開采、化學試劑注入開采、置換開采和固體開采等。從已有的試采經驗和理論研究文獻來看，這些水合物資源開采方法面臨著共同的難題：出砂給水合物的有效開發(fā)帶來嚴重制約。

因此，要實現(xiàn)水合物資源的高效開采，必須攻克出砂問題帶來的困擾。與常規(guī)油氣藏開發(fā)過程中的出砂問題相比，水合物藏開發(fā)過程中存在相變，其出砂與防砂面臨更大的挑戰(zhàn)，因此需要深入分析影響水合物出砂的控制因素和控制機理。目前我國政府對于天然氣水合物的研發(fā)加大投入，并計劃于2017年在南海首次試開采。為此，建立一套能實時監(jiān)測和評價水合物井開采過程中地層砂微粒運移規(guī)律和出砂動態(tài)的實驗裝置，將為天然氣水合物開發(fā)與研究提供技術參數(shù)，是十分必要和迫切的。

目前國內外已有大量的關于水合物資源開發(fā)模擬方面的實驗系統(tǒng)，美國有包括美國能源部下屬的國家能源技術研究室(NETL)、西北太平洋國家實驗室(PNL)、橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、布魯克海文國家實驗室(BNL)、 勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(LLNL)、科羅拉多礦業(yè)學院(Colorado School of Mines)的水合物研究中心和佐治亞理工學院(Georgia Tech)水合物項目組等都建立了各種水合物試驗模擬裝置。另外，英國赫里奧·瓦特大學(Heriot-Watt Uvinersity)水合物研究中心、韓國漢陽大學、日本山口大學、日本產業(yè)技術綜合研究所天然氣水合物研究中心等都建立了水合物模擬實驗裝置。國內方面，水合物開采相關的模擬實驗設備及模擬方法主要有：青島海洋地質研究所天然氣水合物模擬開采實驗裝置(公開號：CN201747338U、CN102052065A)，廣州能源所建立的開采天然氣水合物模擬系統(tǒng)(公開號：CN101761326A、CN101550816、CN101046146)，中國海洋石油總公司天然氣水合物固態(tài)開采實驗模擬裝置(公開號：CN101392638)，中國石油大學(北京)搭建的水合物模擬實驗系統(tǒng)(公開號：CN101575964)，中國石油大學(華東)的水合物開采模擬實驗平臺(公開號：CN103410488A)等，這些實驗系統(tǒng)和測試方法都為水合物資源的開發(fā)提供了有力的支撐。然而，這些實驗裝置大部分集中在水合物基本物理化學性能或開采過程中其他參數(shù)的測試方面，目前這些實驗設備或實驗平臺均不涉及水合物生產井出砂過程的模擬和監(jiān)測實驗。

專利公開號CN202494617U提出了一種縫內液體攜砂模擬實驗裝置，該裝置為具有平行板裂縫的透明平行板裂縫模型，可以模擬支撐劑在裂縫內的沉降過程；公開號CN202900235U公開了一種大斜度井攜砂效果模擬評價裝置，描述井中巖屑顆粒運移規(guī)律的研究模型。由于這些模型都是針對常規(guī)油氣開采過程中的砂粒運移情況設計的，只能模擬純液體攜砂規(guī)律，不能模擬飽和氣的水對地層砂的攜帶規(guī)律，由于水合物分解產出物為水、氣混合物，其液相飽和氣，因此常規(guī)設備無法滿足對水合物地層攜砂規(guī)律的模擬；另外， 目前常規(guī)砂粒運移實驗裝置均為低壓系統(tǒng)，而水合物原位分解過程中地層處于高壓條件下，因此目前常規(guī)設備無法模擬水合物分解條件下的原位砂粒運移過程。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置，能夠模擬飽和砂土在壓差水流作用下的砂土顆粒運移聚集過程，能夠實時監(jiān)測出砂量、出砂速率和出砂粒徑等參數(shù)，實驗結束之后便于測量砂土粒徑級配的變化。本發(fā)明主要用于探究在各種地質、工藝、開采條件下，顆粒運移在軸向的聚集規(guī)律，從而為天然氣水合物開采出砂問題的研究提供一定的實驗基礎。

本實用新型所采用的技術方案是，一種天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置，包括金屬管模塊，金屬管模塊通過導線分別連接有供液模塊、反壓模塊、液固分離模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

進一步地，金屬管模塊由四根金屬管依次首尾連接而成，相鄰的金屬管通過法蘭連接；金屬管沿軸向間隔500mm設置有2個取樣孔，其中一個取樣孔設置于金屬管的底部，另一個取樣孔，設置于金屬管的側面，兩個取樣孔垂直設置；取樣孔處設置有堵頭，取樣孔處設置有數(shù)據(jù)采集模塊，金屬管模塊下方設置有可移動支撐座。

進一步地，供液模塊包括混合液罐和供液泵，金屬管模塊的一端通過管道依次連接有供液泵和混合液罐，混合液罐和供液泵之間以及供液泵和金屬管模塊之間均設置有第一截止閥。

進一步地，供液泵采用精密驅替泵，流量250ml/min。

進一步地，液固分離模塊包括第一固液分離罐、第二固液分離罐、液體 流量計，背壓閥、高速攝像頭，金屬管模塊的另一端通過管道連接有第二截止閥，第二截止閥分別通過管道連接有第一固液分離罐和第二固液分離罐；第一固液分離罐和第二固液分離罐的另一端均與第三截止閥相連接，第三截止閥通過管道依次連接有液體流量計和背壓閥；第一固液分離罐與第二截止閥之間、第一固液分離罐與第三截止閥之間、第二固液分離罐與第二截止閥之間、第二固液分離罐與第三截止閥之間均設置有第四截止閥。

進一步地，反壓模塊包括高壓氮氣瓶，高壓氮氣瓶與背壓閥相連接。

進一步地，數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集箱、激光粒度儀和高速攝像頭，壓力傳感器、激光粒度儀和高速攝像頭均與數(shù)據(jù)采集箱相連接，數(shù)據(jù)采集箱上還分別連接有液體流量計和計算機相連接，壓力傳感器設置于取樣孔處，壓力傳感器與取樣孔一一對應；激光粒度儀設置于金屬管上且靠近第一固液分離罐的一端，高速攝像頭設置于第一固液分離罐和第二固液分離罐處。

本實用新型的有益效果是：本實用新型將建立一種天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬實驗裝置法，特別是針對不同地質、工藝、開采條件下水合物儲層出砂顆粒軸向聚集規(guī)律的一維水平觀測分析設備，能夠模擬飽和砂土在壓差水流作用下的砂土顆粒運移聚集過程，能夠實時監(jiān)測出砂量、出砂速率和出砂粒徑等參數(shù)，實驗結束之后便于測量砂土粒徑級配的變化。本發(fā)明主要用于探究在各種地質、工藝、開采條件下，顆粒運移在軸向的聚集規(guī)律，從而為天然氣水合物開采出砂問題的研究提供一定的實驗基礎。

附圖說明

圖1是本實用新型天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置的結構框圖；

圖2是本實用新型天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置的結構示意圖；

圖3是本實用新型天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬模擬測控流程圖。

圖中，1.金屬管；2.混合液罐；3.供液泵；4.計算機；5.數(shù)據(jù)采集箱；6-1.第一固液分離罐，6-2.第二固液分離罐；7.液體流量計；8.背壓閥；9.高速攝像頭；10.激光粒度儀；11.取樣孔；12.壓力傳感器；13-1.第一截止閥；13-2.第二截止閥；13-3.第三截止閥；13-4.第四截止閥；14.金屬管模塊；15.供液模塊；16.反壓模塊；17.液固分離模塊；18.數(shù)據(jù)采集模塊；19.堵頭；20.可移動支撐座，21.高壓氮氣瓶。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

本實用新型公開了一種天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬裝置，如圖1所示，包括金屬管模塊14，金屬管模塊14通過導線分別連接有供液模塊15、反壓模塊16、液固分離模塊17和數(shù)據(jù)采集模塊18。

如圖2所示，金屬管模塊14由四根金屬管1依次首尾連接而成，相鄰的金屬管1通過法蘭連接；所述金屬管1沿軸向間隔500mm設置有2個取樣孔11，其中一個取樣孔11設置于金屬管1的底部，另一個取樣孔11，設置于金屬管1的側面，兩個取樣孔11垂直設置；取樣孔11處設置有堵頭19，取樣孔11處設置有數(shù)據(jù)采集模塊18，金屬管模塊14下方設置有可移動支撐座20。

供液模塊15包括混合液罐2和供液泵3，金屬管模塊14的一端通過管道依次連接有供液泵3和混合液罐2，混合液罐2和供液泵3之間以及供液 泵3和金屬管模塊14之間均設置有截止閥13-1。

供液泵3采用精密驅替泵，流量250ml/min。

反壓模塊16包括高壓氮氣瓶21；主要用于保證實驗過程中回壓可調，保證出口流動狀態(tài)的穩(wěn)定性。通過計算機設定試驗壓力，氮氣自動注入背壓調節(jié)，滿足不同壓力條件下開采水合物需要，解決溫度變化造成的高壓實驗系統(tǒng)出口流動狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。

液固分離模塊17包括第一固液分離罐6-1、第二固液分離罐6-2、液體流量計7，背壓閥8、高速攝像頭9，金屬管模塊14的另一端通過管道連接有第二截止閥13-2，第二截止閥13-2分別通過管道連接有第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2；第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2的另一端均與第三截止閥13-3相連接，第三截止閥13-3通過管道依次連接有液體流量計7和背壓閥8；第一固液分離罐6-1與第二截止閥13-2之間、第一固液分離罐6-1與第三截止閥13-3之間、第二固液分離罐6-2與第二截止閥13-2之間、第二固液分離罐6-2與第三截止閥13-3之間均設置有第四截止閥13-4。

數(shù)據(jù)采集模塊18包括壓力傳感器12、計算機4、數(shù)據(jù)采集箱5、激光粒度儀10和高速攝像頭9，壓力傳感器12、激光粒度儀10和高速攝像頭9均與數(shù)據(jù)采集箱5相連接，數(shù)據(jù)采集箱5上還分別連接有液體流量計7和計算機4相連接，壓力傳感器12設置于取樣孔11處，壓力傳感器12與取樣孔11一一對應；激光粒度儀10設置于設置于金屬管1上且靠近第一固液分離罐6-1的一端，高速攝像頭9設置于第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2處。

本裝置的使用方法如下：如圖3所示。其基本測量原理：將飽和砂土填 裝在主體金屬管內部，用壓實設備將砂土壓實。通過供液模塊向金屬管內部供給飽和了氣體的液體，在金屬管內部壓差的作用下，金屬管內部砂土顆粒運移和聚集。通過流程尾部的固液分離器觀察判斷實驗過程中砂土流出狀況，利用液體流量計計算注入金屬管內部液體的體積。利用反壓控制模塊跟蹤控制金屬管出口的壓力，避免因內部壓力變化過快對金屬管等實驗設備造成的損壞。

具體而言，天然氣水合物井軸向出砂一維物理模擬實施過程如下：

(1)填砂工藝

由于該發(fā)明要求的填砂管是由4根長度為1.5m的金屬管通過法蘭密封連接而成，總長度達到6m，無法實現(xiàn)人工填砂和壓實，因此為了填砂方便，應先分段填砂壓實之后再把四段填砂管密封，連接。分段填砂的操作流程如下：

a)將潔凈的金屬管和所需目數(shù)的砂樣放入恒溫干燥箱中處理12—24h，溫度105℃；

b)取出金屬管1和砂樣，自然冷卻至室溫；

c)將金屬管1一端密封固定，同時還需要將金屬管1罐體上所有的取樣孔密封好，防止砂樣從取樣孔漏出；

d)用潔凈的燒杯裝滿石英砂，并用電子天平稱量砂樣質量，緩慢填入到金屬管中，按設計的壓力逐段填滿整個金屬管，然后密封固定；在端部加上一定目數(shù)的濾網(wǎng)，以免沙土流失；

e)用同樣的填砂、壓實方法分別將四段金屬管都裝填好；

f)通過法蘭，將四段填砂管連接，密封。

(2)設備安裝流程

a)安裝混合液罐2，安裝供液泵3(精密驅替泵)；

b)安裝填好砂的金屬管1；

c)安裝壓力傳感器12；

d)安裝可視化高壓液固分離裝置(第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2)；

e)安裝流量計；

f)安裝回壓系統(tǒng)；

g)安裝電子天平；

h)安裝電子控制線路。

(3)實驗檢測過程

a)準備飽和天然氣的鹽水，將飽和好的鹽水泵放入設計好的混合液罐2之中，以備驅替使用；

b)系統(tǒng)檢漏：將填砂管(金屬管1)出口的閥門關閉，向填砂管中注水使其中的壓力達到10MPa，關閉填砂管入口閥門，過12小時之后，如果填砂管中的壓力基本不變，證明系統(tǒng)不漏，否則應立即檢漏。

c)打開精密驅替泵排出系統(tǒng)中的空氣，至出液口流速穩(wěn)定為止，關閉驅替泵，準備實驗；

d)開啟精密驅替泵，將飽和天然氣的鹽水按一定的速率進行驅替；

e)驅替過程中通過取樣孔11中安裝的壓力傳感器12實時監(jiān)測金屬管1內填砂模型的各處的壓力變化；

f)隨著實驗的進行，模擬金屬管可能出砂，按照預定的時間間隔，對分離器(第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2)中分離出來的砂土進行測量和分析，包括用電子天平測量質量，用粒度分析儀分析粒徑等；通過 對高壓多級固液分離器中砂樣的分析和檢測以及金屬管取樣口的取樣分析，總結天然氣水合物水平一維開采的出砂規(guī)律，達到檢測目的。

g)液體流量計7會將測出來的液體流量數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機4終端；

h)驅替完畢之后，泄壓，然后將取樣孔中的壓力傳感器逐個取出，并對取出的樣品進行分析，測量實驗結束，儀器拆卸，清洗，整理：

i)實驗結束后，關好各個閥門，有序的逐個拆卸。拆完之后需要對容器，管匯，閥門，金屬管體等進行清洗和干燥，做好防腐蝕措施以備下次再使用。

其中，本發(fā)明能較準確地模擬飽和砂土在壓差水流作用下的砂土顆粒運移聚集過程；能實時監(jiān)測模型出砂量、出砂速率和出砂粒徑等參數(shù)；取樣孔和壓力傳感器設計為同等規(guī)格，實現(xiàn)“一孔多用”，簡單，高效；配備有可視化高壓多級分離器若干，可實時觀測出口端固液分離情況，并實現(xiàn)連續(xù)在線分析和測量；配備有專門的取砂土工藝，并設計了一整套完善的取砂樣，填砂工藝流程。主要包括五個部分：(1)金屬管模塊；(2)供液模塊；(3)反壓控制模塊；(4)液-固分離模塊；(5)數(shù)據(jù)測量采集模。具體如下：

(1)金屬管模塊

金屬管模塊為水合物軸向出砂一維物理模擬主體模塊，該模塊由4根長度為1.5m，內徑為80mm的金屬管組成，模塊主要特色如下：

金屬管1之間采用法蘭連接，不銹鋼材料，內部打毛，設計壓力達到15MPa，充分滿足使用要求。法蘭連接便于在拆卸過程中將樣品垂直切開，便于觀察管路連接位置砂石運移情況。金屬管尾部采用裝有金屬防砂網(wǎng)的法蘭結構，金屬網(wǎng)便于拆卸；

每根金屬管沿軸向間隔500mm布置取樣孔11兩個，為保證取樣的完整性，布置了水平和豎直兩個取樣孔，充分測試砂土在差壓條件下的運移情況；

金屬管配有取樣孔11，便于實驗結束后對砂土樣品的截取，便于樣品取出后對樣品整體進行觀察及取樣測試，便于在特定位置選取樣品進行測量。具有刻度尺，便于計算取樣量。

取樣孔11處安裝堵頭19，避免在砂土填裝過程中在取樣口處砂土填裝不致密的情況；

為實現(xiàn)壓力的在線觀測，在每個取樣口處安裝壓力傳感器12，實現(xiàn)管道內部壓力的實時監(jiān)測。壓力傳感器12部分為避免壓力傳感器管道堵塞，在堵頭位置安裝雙層過濾網(wǎng)結構；

密封位置采用O型圈設計，以保證管路的密封性能。

采用可移動支撐座20對金屬管模塊14進行支撐，便于管線的拆裝及移動。

(2)供液模塊

該模塊由混合液罐2、供液泵3、第一截止閥13-1組成?；旌弦汗?內部安裝有攪拌容器，攪拌使氣液充分混合，從混合液罐2到主體金屬管的整個管線連接均為高壓管線。

所述的攪拌容器容積20L，能夠制備飽和氣的水，能夠承受15MPa壓力，工作溫度-10/100℃；下部安裝多孔板，便于下部氣體均勻進入容器與水充分混合。具有攪拌裝置，便于氣體充分混入水中。上下部開有供氣體循環(huán)的接口，下部開有液體取樣口，便于供液泵吸取液體。

供液泵采用精密驅替泵3，流量250ml/min。

(3)反壓模塊16

所述的反壓控制模塊16主要用于保證實驗過程中回壓可調，保證出口流動狀態(tài)的穩(wěn)定性。通過計算機設定試驗壓力，氮氣自動注入背壓調節(jié)， 滿足不同壓力條件下開采水合物需要，解決溫度變化造成的高壓實驗系統(tǒng)出口流動狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。

(4)液固分離模塊17

所述的固液分離模塊17采用全可視化透明耐壓玻璃作為主體，兩套分離罐串聯(lián)使用，耐壓11MPa，容積300ml，金屬管模塊14與第一固液分離罐6-1和第二固液分離罐6-2的中間接口連接，砂土利用重力沉降作用沉積在容器底部，利用球閥導出，液體在上部出口流出。為避免砂土在水流作用下隨水流出，固液分離主體筒中間安裝過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)通過連桿與上部端蓋連接。背壓閥8為全自動回壓控制閥，采用精密反壓閥，精確度為±0.1MPa，最大量程為15MPa。

(5)數(shù)據(jù)采集模塊18

所述測控系統(tǒng)中，采用液體流量計7進行出口液體的計量，采用傳感器12測量金屬管內部壓力，實時檢測并記錄實驗過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，并顯示在計算機4上。

所述的硬件設備具有如下獨特特點：壓力傳感器12采用輸出電流型傳感器，量程在15MPa以上，金屬管1的測壓點設計為8個；兩個兩相(液相、固相)分離器之間安裝一個高速攝像頭9能夠實時監(jiān)控出砂量；兩相(液相、固相)分離器的進、出口端分別安裝兩個三通閥，可以使分離器交替使用；分離器之后有一個數(shù)顯液體流量計7，可以實時顯示瞬時流量變化，量程為250mL/min；電子天平用于測量采出砂土的質量，量程為2000g，精度為0.1g；激光粒度儀用于分析砂土粒徑的變化。采集箱尺寸為：450mm×350mm×100mm，前面板設計一個電源開關，后面板設計2個16針腳即插即拔接頭，一個電源線孔。

所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用2個電流模擬量輸入類型的采集卡，實現(xiàn)和硬件的更好的兼容；為能夠實現(xiàn)三通閥的切換，數(shù)據(jù)采集模塊中設計了1個8路繼電模塊。攝像機通過雙絞線和電腦連接，數(shù)據(jù)采集模塊都能夠支持RS854通信，最長通信距離為100米。

上面結合附圖對本實用新型的實施方式作了詳細說明，但本實用新型并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以對其作出種種變化。