專利名稱：一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置系統(tǒng)，具體的說是用于鉆井液天然氣水合物形成和分解研究的裝置和方法。
背景技術(shù)：
各種低沸點的烴如甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳、硫化氫等存在于天然氣和其他石油流體中，同時水也以不同的量與這些石油流體組分混合。在低溫高壓下，當(dāng)這樣的石油流體成分或其他水合物形成物與水混合時，可以形成氣體水合物，這種氣體水合物是水和輕烴等小分子氣體形成的籠形晶體。在開采和輸送天然氣和其他石油流體過程中這些籠形水合物可能堵塞管路，給石油和天然氣的開采或輸送帶來困難。例如在約IMPa的壓力下，乙烷在低于4°C的溫度下可形成水合物，在3MPa的壓力下乙烷在低于14°C的溫度下可形成水合物。而這些溫度和壓力對于生產(chǎn)和輸送天然氣和其他石油流體的許多操作環(huán)境而言并非不常用。鉆井液是鉆探過程中，孔內(nèi)使用的循環(huán)沖洗介質(zhì)。主要由液相、固相和化學(xué)處理劑組成。當(dāng)鉆頭鉆開地底時，地層壓力被釋放，鉆頭切削地層導(dǎo)致井底溫度升高，使得孔底處水合物穩(wěn)定存在的高壓低溫條件遭到破壞，水合物不可避免地發(fā)生分解。鉆井液在孔底被加熱，溫度升高，在上返過程中也會使井壁處的水合物發(fā)生分解，使井眼增大。水合物分解的氣體進入泥漿，使鉆井液高度氣化。隨著分解產(chǎn)生的氣體不斷進入鉆井液，鉆井液的密度下降，泥漿柱的靜水壓力降低，這會加速水合物的分解，從而產(chǎn)生更多的氣體，這樣就發(fā)展成一個惡性循環(huán)。分解的氣體與鉆井液一起循環(huán)，進入鉆桿柱與井壁或套管之間的環(huán)狀空間。在環(huán)狀空間內(nèi)，由于分解氣體的聚集導(dǎo)致壓力升高，又有可能使這些氣體與鉆井液中的水分相結(jié)合，在井筒、鉆柱、井口管錢或防噴管匯內(nèi)重新生成水合物，造成管路的堵塞，給正常的鉆進和井控工作造成嚴(yán)重影響。此外，由于鉆井液失水，其流變性能惡化，懸浮鉆屑的能力降低，這又會導(dǎo)致縮徑、卡鉆等事故發(fā)生。目前專門用作鉆井液天然氣水合物研究的裝置很少，基本上所有的高壓天然氣水合物研究裝置都不具有針對性，測量手段和方式都不能滿足鉆井液研究的需要。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于完善和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置系統(tǒng)，該裝置能夠針對鉆井液中天然氣水合物的形成和分解進行研究，從而解決鉆井液中天然氣水合物問題。為達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案:一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置，包括依次連接的氣源、增壓泵、緩沖罐、反應(yīng)釜和真空泵，所述氣源和增壓泵之間設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，增壓泵和緩沖罐之間設(shè)閥，緩沖罐與反應(yīng)釜之間有兩條支路連接，支路上分別設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥和閥，兩條支路交接后通過閥與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜輸出端分出兩條支路，其一條支路通過通過閥與真空泵連接，另一條支路上分別設(shè)有閥和背壓閥；在緩沖罐和反應(yīng)釜上分別設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，反應(yīng)釜上還設(shè)有攝像頭放置管、電導(dǎo)率儀、磁力攪拌漿和透明觀測窗，反應(yīng)釜內(nèi)側(cè)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯。本發(fā)明所述方法包括如下步驟:a用去離子水清洗反應(yīng)釜三次，然后在反應(yīng)釜中加入根據(jù)現(xiàn)場條件配置的鉆井液。b用反應(yīng)氣體吹掃整個體系，然后給整個體系注入低于IMPa的壓力。打開數(shù)據(jù)采集電腦，打開恒溫水浴，將反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度降到實驗溫度。進行下步操作之前確保裝置系統(tǒng)中所有閥門，包含背壓閥均保持關(guān)閉狀態(tài)。以下c步驟或選c-1或選c-2,而c_2中的c-2a或者c-2b任選一種。c-Ι打開閥VI，反應(yīng)氣體經(jīng)過增壓泵增壓，通過閥V3和閥V8進入反應(yīng)釜，待反應(yīng)釜中的壓力達到預(yù)定壓力，關(guān)閉氣瓶和增壓泵，打開磁力攪拌，進行高壓恒溫定容試驗。c-2關(guān)閉閥VI，打開閥V3，氣體經(jīng)過增壓后通過閥V3進入緩沖罐，將緩沖罐用高壓氣體充滿，直到預(yù)設(shè)壓力，關(guān)閉氣瓶和增壓泵。c-2a打開閥VI，關(guān)閉閥V3，打開閥V4，經(jīng)過增壓的氣體進入緩沖罐。設(shè)定調(diào)壓閥，氣體經(jīng)過閥V8進入反應(yīng)釜，打開閥V10，并設(shè)置背壓閥。通過調(diào)壓閥和背壓閥的相互作用，進行恒壓恒溫定容實驗；c-2b打開閥Vl，關(guān)閉閥V3，打開閥V4，經(jīng)過增壓的氣體進入緩沖罐。關(guān)閉閥V5、閥V7和背壓閥，打開閥V6，氣體經(jīng)過閥V8進入反應(yīng)釜。此時可以進行恒溫定容實驗，緩沖罐可以提供一個持續(xù)的聞壓。d當(dāng)反應(yīng)釜中的壓力達到預(yù)定壓力，開動磁力攪拌，采集溫度、壓力、扭力、扭矩和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置攝像頭和透明觀測窗觀察反應(yīng)釜內(nèi)鉆井液天然氣水合物生成和分解情況。e實驗結(jié)束后，除了氣瓶和緩沖罐的氣體外，放空其他回路所有氣體，并根據(jù)試驗需要和計劃決定緩沖罐中氣體是否排除，排除反應(yīng)釜內(nèi)鉆井液，清洗反應(yīng)釜。關(guān)閉數(shù)據(jù)采集和采集電腦。準(zhǔn)備下次實驗。本發(fā)明所述實驗裝置是:一種用于鉆井液天然氣水合物形成和分解研究的裝置系統(tǒng)，承受最大壓力25MPa。裝置系統(tǒng)包含增壓系統(tǒng)、高壓緩沖設(shè)備、反應(yīng)釜和測量系統(tǒng)，能夠進行不同初始條件的鉆井液實驗，滿足各種實際需求。實驗過程中氣體從增壓泵經(jīng)過增壓，可以直接進入反應(yīng)釜，也可以通過緩沖罐后進入反應(yīng)釜。開動磁力攪拌，進入反應(yīng)釜內(nèi)的氣體在反應(yīng)釜內(nèi)和鉆井液充分混合反應(yīng)，通過內(nèi)置攝像頭和可視窗口可以觀察反應(yīng)釜內(nèi)鉆井液水合物生成和分解情況，磁力攪拌的扭力扭矩也可以采集測量。一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置，包括依次連接的氣源、增壓泵、緩沖罐、反應(yīng)釜和真空泵，所述氣源和增壓泵之間設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，增壓泵和緩沖罐之間設(shè)閥，緩沖罐與反應(yīng)釜之間有兩條支路連接，支路上分別設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥和閥，兩條支路交接后通過閥與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜輸出端分出兩條支路，其一條支路通過通過閥與真空泵連接，另一條支路上分別設(shè)有閥和背壓閥；在緩沖罐和反應(yīng)釜上分別設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，反應(yīng)釜上還設(shè)有攝像頭放置管、電導(dǎo)率儀、磁力攪拌漿和透明觀測窗，反應(yīng)釜內(nèi)側(cè)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯；在進行定壓試驗時，壓力調(diào)節(jié)閥和背壓閥同時開啟，且所述壓力調(diào)節(jié)閥處的預(yù)設(shè)壓力大于反應(yīng)釜內(nèi)壓力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢:增壓系統(tǒng)主要有氣源和增壓裝置組成。氣瓶作為氣源使用，氣體從氣瓶出來后進入增壓系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)保證氣體達到后續(xù)過程中所需壓力。高壓緩沖設(shè)備核心部分是一個2升的緩沖罐，配有溫度、壓力測量裝置和一個壓力調(diào)節(jié)閥。緩沖罐承受壓力30MPa，可以給反應(yīng)釜提供長時間的高壓和充足的反應(yīng)氣體。精密調(diào)壓閥成本高，精度和成本不匹配，所以自制聯(lián)合普通調(diào)壓閥和背壓閥，能夠準(zhǔn)確進行定壓定容實驗，這在目前現(xiàn)有的裝置中很難實現(xiàn)的。反應(yīng)釜設(shè)計壓力25MPa，內(nèi)置攝像頭，反應(yīng)釜兩側(cè)有透明藍寶石視窗配有磁力攪拌裝置，可以方便拍攝和觀察釜內(nèi)鉆井液由液體到水合物的轉(zhuǎn)變過程；釜內(nèi)配置磁力攪拌裝置，能夠測量扭力和扭矩，可以表征反應(yīng)釜內(nèi)液體阻力隨反應(yīng)時間的變化；釜上有溫度壓力和電導(dǎo)率測量裝置，以測量反應(yīng)釜內(nèi)溫度壓力和水合物電導(dǎo)率隨時間的變化；反應(yīng)釜中下部開始附有內(nèi)襯，和反應(yīng)釜內(nèi)壁緊密接觸，不需要時可以卸除，內(nèi)襯底部為孔徑范圍1000-12000目的不銹鋼篩網(wǎng)，可以根據(jù)需要更換，添加內(nèi)襯可以在鉆井液有泥漿或其他固態(tài)介質(zhì)的時候有效保護反應(yīng)釜內(nèi)壁以及反應(yīng)釜底部的閥門，避免內(nèi)部不光滑導(dǎo)致的實驗不準(zhǔn)確以及漏氣情況出現(xiàn)。測量系統(tǒng)可以檢測反應(yīng)釜和釜外管線以及緩沖罐的壓力、釜內(nèi)溫度、反應(yīng)釜內(nèi)流體電導(dǎo)率以及扭力扭矩，記錄反應(yīng)釜內(nèi)水合物生成形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明所述實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記說明:T-溫度傳感器；Ρ-壓力傳感器；R_電導(dǎo)率儀，1-氣源；2_增壓泵；3-緩沖罐；4_反應(yīng)釜；5_攝像頭放置管；6_磁力攪拌漿；7_透明觀測窗；8_真空泵；9_不銹鋼內(nèi)襯；VI，V5-壓力調(diào)節(jié)閥;V2，V7-安全閥；V3, V4, V6，V8-V12-閥;V13_背壓閥。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。實施例:如圖1所示，一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置，包括依次連接的氣源1、增壓泵2、緩沖罐3、反應(yīng)釜4和真空泵8，氣源I和增壓泵2之間設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥VI，增壓泵2和緩沖罐3之間設(shè)閥V3，緩沖罐3與反應(yīng)釜4之間有兩條支路連接，支路上分別設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥V5和閥V6，兩條支路交接后通過閥V8與反應(yīng)釜4連接，反應(yīng)釜4輸出端分出兩條支路，其一條支路通過通過閥門Vll與真空泵8連接，另一條支路上分別設(shè)有閥VlO和背壓閥V13 ;在緩沖罐3和反應(yīng)釜4上分別設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，反應(yīng)釜4上還設(shè)有攝像頭放置管5、電導(dǎo)率儀R、磁力攪拌漿6和透明觀測窗7，反應(yīng)釜4內(nèi)側(cè)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯9，在進行定壓試驗時，壓力調(diào)節(jié)閥V5和背壓閥V13同時開啟，且所述壓力調(diào)節(jié)閥V5處的預(yù)設(shè)壓力大于反應(yīng)釜4內(nèi)壓力。定壓實驗時壓力調(diào)節(jié)閥V5和背壓閥V13的共同作用:首先保持閥10開啟，壓力調(diào)節(jié)閥V5到反應(yīng)釜4內(nèi)設(shè)壓力(例如8MPa)高0.1MPa,背壓閥V13調(diào)節(jié)到反應(yīng)釜4內(nèi)預(yù)設(shè)壓力(8MPa)。壓力調(diào)節(jié)閥V5不能精確控制進氣，會在壓力調(diào)節(jié)閥V5預(yù)設(shè)壓力(8.1MPa)上下波動，所以壓力調(diào)節(jié)閥V5預(yù)設(shè)壓力要稍大于反應(yīng)釜4內(nèi)壓力，氣體進入反應(yīng)釜4后，多于的氣體經(jīng)過背壓閥V13排除體系，確保反應(yīng)釜4內(nèi)壓力精確控制在預(yù)定壓力(8MPa)。一種鉆井液天然氣水合物形成和分解研究的裝置系統(tǒng)，承受壓力25MPa。實驗前用去離子水清洗反應(yīng)釜三次，然后在反應(yīng)釜中加入根據(jù)現(xiàn)場條件配置的鉆井液。用反應(yīng)氣體吹掃整個體系，然后給整個體系低于IMPa的壓力。打開數(shù)據(jù)采集電腦，打開恒溫水浴，將反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度降到實驗溫度。進行下步操作之前確保裝置系統(tǒng)中所有閥門，包含背壓閥均保持關(guān)閉狀態(tài)。氣源通過減壓閥進入增壓泵。1、恒溫恒壓實驗關(guān)閉普通閥門V3和V6，增壓后的氣體注入緩沖罐3，當(dāng)壓力升高的預(yù)定壓力，此壓力比反應(yīng)釜內(nèi)4預(yù)定壓力要高。打開壓力調(diào)節(jié)閥5，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥到反應(yīng)釜4所需的預(yù)設(shè)壓力，但是調(diào)壓閥是不能準(zhǔn)確控制氣體壓力的，氣體進入反應(yīng)釜4后，到達預(yù)設(shè)壓力后開啟磁力攪拌漿6，反應(yīng)開始。隨即打開安全閥V7和背壓閥V8到V12，將壓力設(shè)定為反應(yīng)釜所需的預(yù)設(shè)壓力，這個反應(yīng)過程中調(diào)壓閥壓力偏高，多于的氣體從背壓閥V13放出，保證反應(yīng)釜4內(nèi)的壓力準(zhǔn)確控制在所需壓力。采集實驗數(shù)據(jù)，觀察實驗過程。2、恒溫實驗關(guān)閉閥V4，氣體經(jīng)過閥V3、閥V8直接進入反應(yīng)釜，到達預(yù)定壓力后關(guān)閉起源和停止增壓，開啟磁力攪拌，進行試驗。當(dāng)釜內(nèi)鉆井液較多，生成的水合物含氣量高時，可以預(yù)先增壓緩沖罐，實驗時保持緩沖罐和反應(yīng)釜相同，以滿足實驗用氣。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置，其特征在于:包括依次連接的氣源(I)、增壓泵(2)、緩沖罐(3)、反應(yīng)釜(4)和真空泵(8)，所述氣源(I)和增壓泵(2)之間設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥(VI)，增壓泵(2)和緩沖罐(3)之間設(shè)閥(V3)，緩沖罐(3)與反應(yīng)釜(4)之間有兩條支路連接，支路上分別設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥(V5)和閥(V6)，兩條支路交接后通過閥(V8)與反應(yīng)釜(4)連接，反應(yīng)釜(4)輸出端分出兩條支路，其一條支路通過通過閥(Vll)與真空泵(8)連接，另一條支路上分別設(shè)有閥(VlO)和背壓閥(V13);在緩沖罐(3)和反應(yīng)釜(4)上分別設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，反應(yīng)釜(4)上還設(shè)有攝像頭放置管(5)、電導(dǎo)率儀(R)、磁力攪拌漿(6)和透明觀測窗(7)，反應(yīng)釜(4)內(nèi)側(cè)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯(9);在進行定壓試驗時，壓力調(diào)節(jié)閥(V5)和背壓閥(V13)同時開啟，且所述壓力調(diào)節(jié)閥(V5)處的預(yù)設(shè)壓力大于反應(yīng)釜(4)內(nèi)壓力。
2.一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的方法，其特征在于，包括如下步驟， 步驟一:清洗反應(yīng)釜，在反應(yīng)釜中加入根據(jù)預(yù)定條件配置的鉆井液； 步驟二:用反應(yīng)氣體吹掃整個體系，然后給整個體系注入低于IMPa的壓力，將反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度降到實驗溫度； 步驟三:進行下步操作之前關(guān)閉所有閥門，以下c-1或選c-2，而c-2中的c_2a或者c_2b任選一種； c-1，打開閥VI，反應(yīng)氣體經(jīng)過增壓泵增壓，通過閥V3和閥V8進入反應(yīng)釜，待反應(yīng)釜中的壓力達到預(yù)定壓力，關(guān)閉氣瓶和增壓泵，打開磁力攪拌，進行高壓恒溫定容試驗； c-2，關(guān)閉閥VI，打開閥V3，氣體經(jīng)過增壓后通過閥V3進入緩沖罐，將緩沖罐用高壓氣體充滿，直到預(yù)設(shè)壓力，關(guān)閉氣瓶和增壓泵。
c-2a,打開閥VI，關(guān)閉閥V3，打開閥V4，經(jīng)過增壓的氣體進入緩沖罐，設(shè)定調(diào)壓閥，氣體經(jīng)過閥V8進入反應(yīng)釜，打開閥V10，并設(shè)置背壓閥，進行恒壓恒溫定容實驗； c-2b，打開閥VI，關(guān)閉閥V3，打開閥V4，經(jīng)過增壓的氣體進入緩沖罐，關(guān)閉閥V5、閥V7和背壓閥，打開閥V6，氣體經(jīng)過閥V8進入反應(yīng)釜，進行恒溫定容實驗； 步驟四:當(dāng)反應(yīng)釜中的壓力達到預(yù)定壓力，開動磁力攪拌，采集溫度、壓力、扭力、扭矩和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置攝像頭和透明觀測窗觀察反應(yīng)釜內(nèi)鉆井液天然氣水合物生成和分解情況。
步驟五:除了氣瓶和緩沖罐的氣體外,放空其他回路所有氣體,并根據(jù)試驗需要和計劃決定緩沖罐中氣體是否排除，排除反應(yīng)釜內(nèi)鉆井液，清洗反應(yīng)釜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鉆井液天然氣水合物動力學(xué)研究的裝置和方法，包括依次連接的氣源、增壓泵、緩沖罐、反應(yīng)釜和真空泵，所述氣源和增壓泵之間設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，增壓泵和緩沖罐之間設(shè)閥，緩沖罐與反應(yīng)釜之間有兩條支路連接，支路上分別設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥和閥，兩條支路交接后通過閥與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜輸出端分出兩條支路，其一條支路通過通過閥與真空泵連接，另一條支路上分別設(shè)有閥和背壓閥；在緩沖罐和反應(yīng)釜上分別設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器，反應(yīng)釜上還設(shè)有攝像頭放置管、電導(dǎo)率儀、磁力攪拌漿和透明觀測窗，反應(yīng)釜內(nèi)側(cè)設(shè)有不銹鋼內(nèi)襯?？梢苑奖闩臄z和觀察釜內(nèi)鉆井液由液體到水合物的轉(zhuǎn)變過程；可以表征反應(yīng)釜內(nèi)液體阻力隨反應(yīng)時間的變化。
文檔編號G01N33/00GK103105466SQ201310003049
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者唐翠萍, 梁德青, 李棟梁 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所