[发明专利]水合物钻井模拟系统以及模拟方法

说明书

本发明涉及天然气水合物应用领域，公开了一种水合物钻井模拟系统以及模拟方法，该水合物钻井模拟系统包括供应机构、钻井模拟机构、井壁及地层模拟机构和传感分析机构，井壁及地层模拟机构包括井筒腔室和能够连通所述井筒腔室的地层模拟装置，供应机构用于向地层模拟机构供应用于生成水合物的气体和液体以在地层模拟装置中形成水合物，地层模拟装置能够在与井筒腔室连通的连通状态和与井筒腔室分隔的分隔状态之间切换。通过本申请提供的水合物钻井模拟系统，可以研究在钻井过程中地层模拟装置中的水合物的相变规律，以便于为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

技术领域

本发明涉及天然气水合物应用领域，具体地涉及一种水合物钻井模拟系统以及模拟方法。

背景技术

天然气水合物是一种储量丰富的能源，主要存在于高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的深海海底、陆坡、陆基及海沟中。目前水合物的开采方法主要包括热激法、降压法、注化学剂法以及CO2置换法，但尚未实现大规模商业开采的价值。由于水合物对外界温、压场分布较为敏感，在钻采开发过程中，人工作业产生的环境扰动会致使孔隙内的水合物分解或二次生成，引起地层局部能量与压力的骤变，从而破坏原本稳定的地层结构，影响正常生产，甚至引发滑坡、坍塌、井喷等灾害。因此，研究水合物在不同环境条件下的相平衡规律及井筒-含水合物地层之间的传热传质规律，能够为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

目前用于研究水合物相平衡及其在多孔介质内传热传质的实验手段主要集中为宏观装置，能够反映在大尺度环境内各种气体在不同工况下的相变规律，但以填砂模拟储层的方式不能直接获取反应过程中的各项数据，难以解释相关实验现象背后的反应机理。而利用微流控技术研究天然气水合物虽然能直观地观察相变过程，但受到尺寸限制，多用于模拟近似二维的平面多相流/多相渗流，而与现场作业中的井眼等大尺度环境相差较远。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的没有适当的方式对天然气水合物的开采进行研究的问题，提供一种水合物钻井模拟系统

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种水合物钻井模拟系统，该水合物钻井模拟系统包括供应机构、钻井模拟机构、井壁及地层模拟机构和传感分析机构，所述井壁及地层模拟机构包括井筒腔室和能够连通所述井筒腔室的地层模拟装置，所述供应机构用于向所述地层模拟机构供应用于生成水合物的气体和液体以在所述地层模拟装置中形成水合物，所述地层模拟装置能够在与所述井筒腔室连通的连通状态和与所述井筒腔室分隔的分隔状态之间切换，所述钻井模拟机构用于在所述井筒腔室中模拟钻井过程中的泥浆循环和钻头旋转，所述传感分析机构连接所述地层模拟装置以在所述钻井模拟机构运行的过程中对所述地层模拟装置进行监测。

优选地，所述地层模拟装置包括二维地层模拟组件，所述二维地层模拟组件包括透明的刻蚀玻璃片和透明的装载片，所述刻蚀玻璃片的表面上刻蚀有用于模拟容纳水合物的通道的纹路，所述装载片用于设置所述刻蚀玻璃片。

优选地，所述地层模拟装置包括三维地层模拟组件，其中，所述三维地层模拟组件包括刻蚀玻璃块，所述刻蚀玻璃块的内部刻蚀有用于模拟容纳水合物的通道的纹路；或者，三维地层模拟组件(30)包括内部充填有砂砾的容器。

优选地，所述井壁及地层模拟机构包括模拟底盖、模拟上盖和模拟井壁，所述模拟井壁、所述模拟底盖和所述模拟上盖共同限定所述井筒腔室，所述模拟井壁包括内部套筒和套设在所述内部套筒外侧的外部套筒，所述外部套筒上设置有用于设置所述地层模拟装置的插槽，所述内部套筒上设置有通孔以及可移动的滑片，所述插槽的两端贯通且所述通孔对应于所述插槽设置以使得插槽和所述井筒腔室连通，所述滑片能够在封闭所述通孔的位置和开启所述通孔的位置之间移动以使得所述地层模拟装置在所述连通状态和所述分隔状态之间切换。

优选地，所述内部套筒上设置有滑槽，所述滑片能够在所述滑槽上移动以在封闭所述通孔的位置和开启所述通孔的位置之间移动。