[发明专利]一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于天然气水合物动力学研究的装置系统，具体的说是用于钻井液天然气水合物形成和分解研究的装置和方法。

背景技术

各种低沸点的烃如甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳、硫化氢等存在于天然气和其他石油流体中，同时水也以不同的量与这些石油流体组分混合。在低温高压下，当这样的石油流体成分或其他水合物形成物与水混合时，可以形成气体水合物，这种气体水合物是水和轻烃等小分子气体形成的笼形晶体。在开采和输送天然气和其他石油流体过程中这些笼形水合物可能堵塞管路，给石油和天然气的开采或输送带来困难。例如在约1MPa的压力下，乙烷在低于4℃的温度下可形成水合物，在3MPa的压力下乙烷在低于14℃的温度下可形成水合物。而这些温度和压力对于生产和输送天然气和其他石油流体的许多操作环境而言并非不常用。

钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。主要由液相、固相和化学处理剂组成。

当钻头钻开地底时，地层压力被释放，钻头切削地层导致井底温度升高，使得孔底处水合物稳定存在的高压低温条件遭到破坏，水合物不可避免地发生分解。钻井液在孔底被加热，温度升高，在上返过程中也会使井壁处的水合物发生分解，使井眼增大。水合物分解的气体进入泥浆，使钻井液高度气化。随着分解产生的气体不断进入钻井液，钻井液的密度下降，泥浆柱的静水压力降低，这会加速水合物的分解，从而产生更多的气体，这样就发展成一个恶性循环。

分解的气体与钻井液一起循环，进入钻杆柱与井壁或套管之间的环状空间。在环状空间内，由于分解气体的聚集导致压力升高，又有可能使这些气体与钻井液中的水分相结合，在井筒、钻柱、井口管钱或防喷管汇内重新生成水合物，造成管路的堵塞，给正常的钻进和井控工作造成严重影响。此外，由于钻井液失水，其流变性能恶化，悬浮钻屑的能力降低，这又会导致缩径、卡钻等事故发生。

目前专门用作钻井液天然气水合物研究的装置很少，基本上所有的高压天然气水合物研究装置都不具有针对性，测量手段和方式都不能满足钻井液研究的需要。

因此，现有技术有待于完善和发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置系统，该装置能够针对钻井液中天然气水合物的形成和分解进行研究，从而解决钻井液中天然气水合物问题。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置，包括依次连接的气源、增压泵、缓冲罐、反应釜和真空泵，所述气源和增压泵之间设压力调节阀，增压泵和缓冲罐之间设阀，缓冲罐与反应釜之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀和阀，两条支路交接后通过阀与反应釜连接，反应釜输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀与真空泵连接，另一条支路上分别设有阀和背压阀；在缓冲罐和反应釜上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜上还设有摄像头放置管、电导率仪、磁力搅拌浆和透明观测窗，反应釜内侧设有不锈钢内衬。

本发明所述方法包括如下步骤：

a用去离子水清洗反应釜三次，然后在反应釜中加入根据现场条件配置的钻井液。

b用反应气体吹扫整个体系，然后给整个体系注入低于1MPa的压力。打开数据采集电脑，打开恒温水浴，将反应釜内液体温度降到实验温度。

进行下步操作之前确保装置系统中所有阀门，包含背压阀均保持关闭状态。以下c步骤或选c-1或选c-2，而c-2中的c-2a或者c-2b任选一种。

c-1打开阀V1，反应气体经过增压泵增压，通过阀V3和阀V8进入反应釜，待反应釜中的压力达到预定压力，关闭气瓶和增压泵，打开磁力搅拌，进行高压恒温定容试验。

c-2关闭阀V1，打开阀V3，气体经过增压后通过阀V3进入缓冲罐，将缓冲罐用高压气体充满，直到预设压力，关闭气瓶和增压泵。

c-2a打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐。设定调压阀，气体经过阀V8进入反应釜，打开阀V10，并设置背压阀。通过调压阀和背压阀的相互作用，进行恒压恒温定容实验；

c-2b打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐。关闭阀V5、阀V7和背压阀，打开阀V6，气体经过阀V8进入反应釜。此时可以进行恒温定容实验，缓冲罐可以提供一个持续的高压。

d当反应釜中的压力达到预定压力，开动磁力搅拌，采集温度、压力、扭力、扭矩和电导率数据，并根据内置摄像头和透明观测窗观察反应釜内钻井液天然气水合物生成和分解情况。