海洋油气固井实验装置及实验方法与流程

本发明涉及油气田开采，尤其涉及一种海洋油气固井实验装置及实验方法。

背景技术：

1、当前海域天然气水合物开采技术基本与海洋油气田开采技术相似，都是通过钻井建立气流通道，并通过注水泥固井以封固套管与地层间的环空，从而封隔不同压力层系，增加井筒安全屏障，进而提高井筒完整性，防止油气通过水泥环与地层胶结面逸出，引发安全与环境事故。

2、但是现有的海洋油气固井技术在固井过程中，水泥水化放热会导致天然气水合物储层段水合物受热分解，使分解气在水泥环与地层胶结面聚集，产生气窜通道，从而破坏井筒完整性，导致后期生产测试过程中海水进入生产井筒，弃井后天然气水合物下伏伴生气泄漏逸出，严重影响了海域天然气水合物的长期开采。而常规石油天然气的固井效果评价方法及实验装置大都未考虑天然气水合物储层段的环境参数，也未考虑固井过程中水泥水化放热对储层段的影响，因此无法模拟海洋油气固井的真实过程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种洋油气固井实验装置及实验方法，能够实现对海域天然气水合物储层段固井的模拟与实验。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、海洋油气固井实验装置，包括：

4、模拟釜，所述模拟釜用于容置中间设有模拟井眼的模拟地层；

5、水合物生成系统，所述水合物生成系统与所述模拟釜连接，所述水合物生成系统用于向所述模拟釜中注入甲烷，以使所述模拟地层中形成天然气水合物；

6、固井系统，所述固井系统包括套管和注入单元，所述套管放置在所述模拟井眼中且所述套管与所述模拟井眼之间形成固井环空；所述套管的底端安装有单流浮箍，当所述单流浮箍开启时，流体能够沿第一方向通过所述单流浮箍进入所述固井环空；

7、钻探系统，所述钻探系统包括钻杆，所述钻杆设置在所述套管中且所述钻杆和所述套管之间形成换热环空，所述注入单元包括水泥浆注入组件和降温液注入组件，所述钻杆能够可选择地与所述水泥浆注入组件或所述降温液注入组件连通；所述钻杆具有固井位置和换热位置，在所述固井位置，所述单流浮箍开启，所述钻杆的一端与所述水泥浆注入组件连通，所述钻杆的另一端通过所述单流浮箍与所述固井环空连通；在所述换热位置，所述单流浮箍关闭，所述钻杆的一端与所述降温液注入组件连通，所述钻杆的另一端与所述换热环空连通；

8、监测系统，所述监测系统用于监测所述模拟地层中不同位置处的所述天然气水合物的温度和压力。

9、作为优选地，所述注入单元还包括工作液注入组件，所述工作液注入组件能够与所述钻杆连通，所述工作液注入组件用于通过所述钻杆向所述固井环空中注入完井液或前置液。

10、作为优选地，所述固井系统还包括第一返出单元，所述第一返出单元包括第一回流管，所述第一回流管与所述固井环空的顶端连通。

11、作为优选地，所述注入单元还包括注入管，所述工作液注入组件通过所述注入管与所述钻杆连通；

12、所述第一返出单元还包括与所述第一回流管连通的第一回流槽，所述第一回流槽用于容置从所述固井环空中返出的所述工作液，所述第一回流槽和所述注入管之间设置有循环管，所述循环管用于回流所述完井液或所述前置液。

13、作为优选地，所述固井系统还包括第二返出单元，所述第二返出单元与所述换热环空的顶端连通，所述第二返出单元用于从所述换热环空中返出降温液。

14、作为优选地，所述钻探系统还包括升降装置，所述升降装置与所述钻杆连接，所述升降装置能够驱动所述钻杆在所述固井位置和所述换热位置之间移动。

15、作为优选地，所述水合物生成系统包括排气组件，所述排气组件与所述模拟釜连通，所述排气组件用于排出所述模拟釜中的所述甲烷。

16、海洋油气固井实验方法，使用上述的海洋油气固井实验装置，包括以下步骤：

17、s1、使用所述水合物生成系统向所述模拟釜中注入甲烷，并调节所述模拟釜所处的环境温度，以使所述模拟地层中形成所述天然气水合物；

18、s2、将所述钻杆移动至所述固井位置，使用所述水泥浆注入组件通过所述钻杆和所述单流浮箍向所述固井环空中注入水泥浆，使用所述监测系统记录所述模拟地层中不同位置处的所述天然气水合物的温度和压力变化；

19、s3、将所述钻杆移动至所述换热位置，使用所述降温液注入组件通过所述钻杆向所述换热环空中注入降温液，使用所述监测系统记录所述模拟地层中不同位置处的所述天然气水合物的温度和压力变化；

20、s4、清洗所述模拟釜、所述固井系统以及所述钻探系统，并根据步骤s2和步骤s3中所记录的温度值和压力值，判断所述天然气水合物是否发生分解；

21、s5、若所述天然气水合物出现分解，调整所述水泥浆的配方或改变所述降温液的流量，并重复步骤s1～s4，直至所述天然气水合物不发生分解。

22、作为优选地，步骤s2中使用所述水泥浆注入组件通过所述钻杆和所述单流浮箍向所述固井环空中注入水泥浆之前还包括：

23、将所述钻杆与工作液注入组件连通，使用所述工作液注入组件通过所述钻杆和所述单流浮箍向所述固井环空中注入工作液。

24、作为优选地，使用所述工作液注入组件通过所述钻杆和所述单流浮箍向所述固井环空中注入工作液包括：

25、将含有天然气水合物分解抑制剂的完井液注入所述钻杆进行循环；

26、之后将所述完井液替换为含有阻热颗粒的前置液，并将所述前置液注入所述钻杆进行循环。

27、本发明的有益效果在于：

28、本发明提供的海洋油气固井实验装置，通过设置有与模拟釜连接的水合物生成系统，水合物生成系统能够向模拟釜中注入甲烷、以在模拟釜的模拟地层中生成天然气水合物，并调整模拟釜所处的环境温度，以模拟真实海底地层中的天然气水合物储层段，为后续的实验提供了先决条件；由于注入单元包括水泥浆注入组件和降温液注入组件，当钻杆位于固井位置时，水泥浆注入组件能够通过钻杆向固井环空中注入水泥浆，从而封固套管并封隔不同压力层系，以实现固井作业；当钻杆位于换热位置时，降温液注入组件能够通过钻杆向换热环空中注入降温液，从而通过套管壁与水泥浆进行换热，以吸收固井环空中水泥浆水化放出的热量；由于套管的底端安装有单流浮箍，当单流浮箍开启时，流体能够沿第一方向通过单流浮箍而无法逆向通过单流浮箍，因此在保证水泥浆顺利通过单流浮箍注入到固井环空中的同时，能够防止固井环空中的水泥浆倒灌返回到钻杆中；当单流浮箍关闭时，流体沿第一方向的正向或逆向均无法通过单流浮箍，套管的底端与固井环空隔断，因此降温液能够在套管和钻杆之间的换热环空中流动以进行换热，避免流入到套管与模拟井眼之间的固井环空中；由于该海洋油气固井实验装置还设置有监测系统，监测系统能够对模拟地层中的天然气水合物的温度和压力进行实时监测，因此通过对整个固井过程中天然气水合物的温度和压力变化情况，即可判断模拟地层中的天然气水合物是否发生了分解，从而为实际固井作业的水泥浆和降温液设计提供了数据支撑和选择依据。该海洋油气固井实验装置能够对真实情况下海底地层的情况进行模拟，并将水泥浆水化放热对天然气水合物的影响考虑在内，通过设置降温液注入组件向换热环空中注入降温液以与水泥浆进行换热，实现了对海域天然气水合物储层段固井的模拟与实验，为海洋油气固井中水泥浆和降温液的设计以及水泥环密封完整性的评价提供了依据。

29、使用该海洋油气固井实验方法，通过向模拟釜中注入甲烷以模拟真实海底地层中的天然气水合物储层段，并将水泥浆水化放热对天然气水合物的影响考虑在内，通过设置降温液注入组件向换热环空中注入降温液以与水泥浆进行换热，实现了真实情况下海域天然气水合物储层段固井的模拟与实验；使用该方法能够开展固井工作液以及水泥浆性能评价，从而为优选固井工艺参数提供依据。