天然气水合物微钻实验台设计

天然气水合物微钻实验台设计 Ξ 天然气水合物微钻实验台设计 ΞΞ 窦 斌 蒋国盛 吴 翔 宁伏龙 汤凤林 (() )中国地质大学 武汉 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 摘要 为了更好地掌握天然气水合物钻井过程中温度 、压力以及循环液对水合物分解抑制及 诱发分解机理 , 设计了人工合成天然气水合物微钻实验台 。该设备为科研人员在实验室内进行天 然气水合物形成条件 、模拟自然环境下的天然气水合物钻采以及钻井工艺实验研究提供了良好的 实验基础 。介绍了设备的主要组成 、材料选择及各部件的主要工作机理 、设备可适用的实验内容 等 。该设备将合成装置与微型钻台有机地结合在一起 , 对模拟实际钻井条件 , 进行天然气水合物 的勘探和开发研究具有重要的实际意义和科学意义 。 关键词 天然气水合物 水合物合成 微型钻井 实验研究 水合物最直接的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 虽然已在世界许多地方获得 了水 合 物 的 岩 心 , 例 如 , 布 莱 克 海 岭 、中 美 洲 海 引 言 沟 、秘鲁大陆边缘 、里海等地 。但是 , 为了更好地 ( ) 天然气水 合 物 gas hydrate由 于 其 甲 烷 的 储 掌握天然气水合物钻井过程中温度 、压力以及循环 (量巨大 全球天然气水合物中的甲烷气体相当于 2 液对水合物分解抑制及诱发分解机理 , 笔者设计了 5 ×10亿 t 油当量 , 再加上其下伏的游离气 , 水合 一套人工合成天然气水合物并进行钻井试验的微钻 5 ,6 实验台。 ) 物中甲烷的总量比石油天然气总储量大得多, 被 该微钻实验台在吸收国外天然气水合物实验研 人们誉为 21 世纪洁净的新能源 ; 加之其分解后可 7 ,8 究设 备 先 进 技 术 的 基 础 上, 改 进 其 不 足 , 于 释放出大量的淡水 , 合理利用这部分淡水资源是缓 2003 年 6 月建成并调试 , 预计在 2003 年 9 月通过 解水资源危机的有效途径之一 ; 当然天然气水合物 安全部门的检测后可投入各种试验 。它将合成装置 分解后由于有大量的甲烷释放出来 , 甲烷气体的温 与微型钻台有机地结合在一起 , 对模拟实际钻井条 1 ,4 室效应是 CO的 21 倍 , 所以又是重要的气候致变 2 件 , 进行天然气水合物的勘探和开发研究具有重要 。 因子 天然气水合物是一种受环境约束非常强的物 的实际意义和科学意义 。 质 , 它的形成和稳定需要非常特殊的环境 。只要把 该微钻实验台不仅可以进行纯天然气水合物和 它从这种特殊的环境中移开 , 它将迅速地分离成为 模拟实际矿层天然气水合物合成实验 , 而且可以进 行天然气水合物钻进过程控制实验 ; 可以对天然气 水和甲烷气体 。水合物研究的关键领域是对这些条 水合物开采方法进行研究 ; 可用于对天然气水合物 件的明确描述 , 以便能正确地了解不同区域水合物 地层进行可钻性分级和物理力学性质研究 ; 可以试 的存在及储量 。为 了 掌 握 天 然 气 水 合 物 的 分 布 情 验设计天然气水合物钻采的高保真取样器和取样技 况 , 进行资源及灾害评价 , 需要从天然气水合物层 术 , 具 有 功 能 齐 全 、自 动 化 程 度 高 、研 究 领 域 广 及其上下层采取大量的原状样品 。钻探取样是识别 泛 、代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性强等优点 。 () Ξ 国家自然科学基金项目 “天然气水合物地层钻井的热压力特性研究” 50174049、中国地质调查局地质调查项目 “天然气水合物的钻 探 () 取样技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 研究” 200020160128。 ( ) Ξ Ξ 窦 斌 , 讲师 , 生于 1973 年 , 1997 年毕业于中国地质大学 武汉勘察工程专业 , 现为在读博士生 , 主要从事地质工程及天然气水 () 2显微摄像系统采用自带光源的 Pixera Pro2 fessional CCD 光 学 放 大 成 像 系 统 , 其 工 作 距 离 为 基本组成及主要技术参数 250 mm , 视野范围 1516 ×2018,214 ×312 mm , 显 图 1 所示为全自动天然气水合物合成及微钻实 微放大倍数 20 , 400 倍 。显微摄像系统通过透明 验装 置 的 基 本 组 成 , 包 括 : 供 气 装 置 及 增 压 设 备 观察窗口来观察水合物的合成与分解 , 并将观察到 () 气气高压泵、水合物合成的反应釜 、高低温试验 的情况通过显微摄像放大后直接存储在计算机的硬 (箱 、微钻系统 微型钻机 、高压钻井泵 、钻具和钻 盘内 。 ) 头等、检测系统 、显微摄像系统 、数据采集系统 、 () 3微钻实验装置中 , 钻杆给进时最大承压为 微机数据处理系统 、控制操作系统 、报警装置以及 35 MPa , 钻杆给进最大行程为 100 mm , 钻杆 最 大 狼架等 。检测系统主要有温度传感器 、液体流量传 转速为 500 r/ min , 钻杆最大直径为 25 mm 。冲洗液 感器 、气体流量传感器 、压力传感器 、泵压表 、气 的供给采用最大压力可达 60 MPa 、流量 150 L/ min 瓶可调式安全压力表 、钻压和转速传感器等 。 的高压泵 。 () ( 4制冷系统采用 WD7025 型低温实验箱 卧 ) 式, 该系统采用进口控温仪表 、进口制冷机 , 数 字显示 , 具有超温 、超压 、压缩机过热 、电源缺相 等保护功能 , 采用不锈钢内胆 、外壳冷轧钢板静电 喷涂 、能量调节等新技术 。系统带脚轮和记录仪 , 其工作室容积为 600 mm ×600 mm ×700 mm , 外形 尺寸为 1 160 mm ×1 080 mm ×1 580 mm , 温度范围 - 75, + 130 ?, 温度误差在 ?015 ?以内 。 () 5检测系统主要有温度传感器 、液体流量传 感器 、气体流量传感器 、压力传感器 、泵压表 、气 实验原理和实验方法 瓶可调式安全压力表 、钻压和转速传感器等 。 图 1 天然气水合物合成及微钻实验装置示意图 微钻实验台的工作原理如图 2 所示 。利用该实 1 —多功能数据采集卡 ; 2 —钻压传感器 ; 3 —即时钻速传 验台可进行多种实验研究 。 感器 ; 4 —冲洗液流量传感器 ; 5 —转速传感器 ; 6 —扭矩 传 感器 ;7 —进尺传感器 ;8 —钻杆柱 ;9 —动密封装置 ;10 、 20 、22 —流量传感器 ; 11 —气体出口 ; 12 —箍 ; 13 —钻头 ; 14 —反应 釜 ; 15 、16 —透 明 观 察 窗 ; 17 —气 液 分 离 器 ; 18 —显 微 摄 像 系 统 ; 1 9 —温 度 传 感 器 ; 2 1 —增 压 泵 ; 2 3 — 多功能数据采集卡 ; 24 —真空泵 ; 25 —液体收集容器 ; 26 —计 算 机 控 制 台 ; 2 7 —压 力 传 感 器 ; 2 8 —制 冷 空 气 浴 ; 29 —冲 洗 液 出 口 ; 3 0 —进 气 口 ; V1 、V2 、V3 、V4 —阀 门 可以通过调节控制温度 、压力 、水的化学成分 6 图 2 微钻实验台工作原理示意图 以及在反应釜中模拟海底环境和永冻土层等, 使 11 水合物相平衡测定其在特定的条件下形成水合物 。整个温度压力采用 水合物相平衡的测定主要有观察法和图形法 2 全自动微机控制 , 无级调节 , 自动记录 。 种 。观察法相平衡的判断准则是 : 首先在一定的条 微钻实验台的各个动作 , 包括动力的启动 、停 () 件 压力 、温度下形成水合物 , 然后保持一个参 止 、钻具的升降 、冲洗液压力 、流量等全部实现智 数不变 , 降低压力或升高温度使水合物分解 。当研 能程控 。其主要技术参数如下 : 究体系中仅有极少量的水合物晶体存在时 , 则保持 () 1反应釜由蓝宝石制作的反应釜测试系统 、 反应釜内的条件不变 , 如果反应釜中的水合物能存 在上面对称开有两对透明观察 窗 口 的 密 封 容 器 组 在 3,4 h , 则保持反应釜中的温度不变 , 使压力分 成 , 工作压力 40 MPa ; 温度范围 - 40, + 200 ?; 级降低 0105 MPa , 每降低一级要保持 3,4 h , 由检 夹杂有砂层 、粘土层 、细小岩屑层的模拟地层中钻 测系统自动记录整个系统内的微观变化过程 。直到 进两种 。 , 尽量使反应釜中 在水合物合成实验的基础上 反应釜中的水合物完全溶解 , 则可以测出在该温度 形成尽可能多的水合物 , 维持温度和压力不变 , 开 情况下 , 压力的变化引起水合物的变化情况 。这时 动微型钻机钻进 , 控制钻进速度和压力并进行实时 的温度2压力可看成是该体系在该条件下的相平衡 ( 记录 。然 后 通 过 改 变 不 同 的 钻 进 参 数 温 度 、压 点 。然后改变温度 , 重复上述步骤 , 检测系统自动 ) 力 、转速 、钻压和冲洗液的类型进行钻进实验 , 绘制水合物的温度2压力相平衡曲线 。该实验所用 得出钻进的最优配合 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 。 的实验方法为恒温压力搜索法 。首先确定一个温度 41 水合物微钻进保真取样器设计实验 并保持不变 , 通过改变反应釜供气管道上增压泵压 9 ,10 () 1通过水合物的合成和钻进实验 , 设计具有 力值来调节反应釜中的压力。 21 水合物合成和分解实验耐高压而且可以自动密封的取样系统 。这种系统要 水合物合成和分解试验的主要目的是掌握天然 求在正常钻进的过程中 , 取样器能够自动打开 , 使 气水合物物理化学性质 、形成条件 、成矿及力学特 天然气水合物的岩心进入到取样器内 。当钻具提升 性 , 为天然气水合物钻进过程控制实验积累资料 。 时 , 取样系统能够通过一定的阀门自动关闭 , 将所 实验时可先维持压力 , 通过改变温度来控制水合物 获得的岩心密封在取样器内 , 而且要求具有非常好 的生成与分解 , 也可维持温度不变 , 通过改变压力 的密封性能和耐高压的性能 。这就要求取样器的材 来控制水合物的生成与分解 。实验原理和操作使用 料和密封材料具有足够的强度和气密性 。尽管国际 步骤如下 : 大洋钻探组织已经研制并使用了保压岩心取样系统 () 1将反应釜用蒸馏水或自来水清洗干净 , 注 ( ) PCS 或 PCB和恒温岩心取样器 , 但是效果并不 入占容器体积一半的蒸馏水或自来水 , 再对反应釜 尽人意 , 而很大程度上受到地层条件 、成藏环境 、 和整个高压管路 系 统 抽 真 空 , 直 至 水 中 无 气 泡 为 () 钻进 井过程中各种动作的操作水平 、技术人员 止 。然后用高纯度甲烷气体冲洗反应釜和高压管路 对孔内稳定和压力的掌握程度等多种因素的影响 , 几次 , 目的是尽可能地排除其中的空气 。 且所获得的样品大都以收集到的分解后的甲烷气体 () 2将反应釜和温度传感器组装好后与显微摄 为主 。目前将保压与调温相结合设计的取样系统未 像系统一起通过高低温箱的上盖并密封固定好放入 见报道 , 它的设计生产和应用将对获得保真度较高 高低温箱 。调节好显微摄像的物镜使之对准反应釜 的岩心样品有重要意义 。 上观察窗口并安装好进出气管路系统 。启动高低温 () 2设计自动温度识别和降温系统 。当取样器 实验箱 , 然后调节高低温箱的温度 , 首先将温度调 在孔内提升 , 取样器内的温度升高接近或达到天然 节至 0 ?, 再根据实验需要进行调节 。 (气水合物分解的临界值 在取样器所能承受的最大 () 3在检查各段管线和接头连接好后开动空压 ) 压力下 , 天然气水合物趋于分解的临界温度时 , 机 , 打开气源阀门对反应釜加压 。同时开动微钻对 取样系统的制冷系统自动开始工作 , 使取样器内的 容器进行搅拌 。通过高低温箱的可编程温度控制面 温度维持在一定的范围内 , 从而不至于破坏取样系 板设定实验温度和保温时间 。 统的正常工作状况 。 () 4通过安装在系统中的各类传感器采集各类 () 3设计人工智能系统 。通过设计 , 使取样系 数据 , 包 括 温 度 、压 力 、流 量 、图 象 和 视 频 等 信 统具有自动识别功能 , 包括取样器开启 、密封 、温 结 论 息 , 并在计算机上显示出来 。根据收集的数据程序 度控制以及样品的自动转移都能自动完成 , 而且可 能自动绘出相关曲线并作出适当判断 , 得出水合物 以通过一定的装置 , 使操作人员能在地面清楚地知 () 1水合物合成及微钻实验装置实现了全自动 的相平衡温度和压力 。 道取样系统的工作状况 , 减少人为影响因素 。 化设计 , 测试准确 , 操作简便 , 数据可靠 。实验取 31 水合物微钻进过程控制实验 得的各种成果均采用自动记录存人电脑 , 建立原始 在前部分实验的基础上 , 模拟实际海底或高原 数据库专家系统 , 可供科研人员方便查阅 。 永冻层天然气水合物蕴藏条件并对其进行微型钻进 1The potential of nat2 Holder G D , Kamath V A , Godboles S P2 () 2实验装置的建立 , 为科研人员在实验室模 ural gas hydrate as an energy resource1Ann Energy , 1984 , 9 : 拟自然条件研究水合物的各项物理化学性能提供了 427,445 良好的条件 。微钻 实 验 台 与 水 合 物 合 成 装 置 的 建 3 Friedman I , O’Neil J R11977 Compilation of stable isotope 立 , 在水合物合成后便可以模拟自然状态下实际开 fractionation factors of geochemical interest1Data of Geochem2 采天然气水合物的钻井过程 , 用设计的取样器进行 istry , 6th edition , Geological Survey Professional Paper 440 - KK , 61 实际试验 , 为将来实际生产服务提供指导 。 4 Fry B , Sherr E B11984 13C measurements as indicators of car2 () 3实验装置为水合物研究提供基础数据和有 bon flow in marine and freshwater ecosystems1In : Stable Iso2 利的测试手段 , 可从事研究天然和凝析气的组分分 ( topes in Ecological Research Rundel P W , Ehleringer J R and 析 ; 研究水合物生成的热力学条件 ; 研究影响水合 ) Nagy K ASpringer2Verlag , New York , NY1196,229 5 物生成的因素 , 包括气体组成 、温度压力 、含水饱 Kulm L D , Suess E11990 Relationship between carbonate de2 posits and fluid venting : Oregon accretionary prism1Journal of 和度 、离 子 浓 度 、CO、HS 酸 性 气 体 的 影 响 等 ; 2 2 Geophysical Research , 1995 , 8899,8915 研究水合物形成的动力学条件 ; 还可以研制适合不 6 Orange D , Greene H G , McHugh C , et al11993 Fluid expul2 同条件下抑制水合物分解的抑制剂 ; 研究适合水合 sion along fault zones and mud volcanoes in Monterey Bay1EOS 物钻井的工艺方法等 。 ( ) Transactions , American Geophysical Union, 74 , 242 7 () 4该装置可以研究天然气水合物分解与形成 李 亮 , 陈灵山 , 李维安 1 天然气水合物勘探前景与挑 () 战 1 国外油田工程 , 2001 , 17 1: 32,34 的物理化学平衡方程 , 还可以进行其它气体水合物 8 孙志高 1 天然气水合物形成条件的实验研究与理论预测 1 ) ( CO、HS 等性质的研究 , 将其与天然气水合物 2 2 参 考 文 献 () 西安交通大学学报 , 2002 , 36 1: 16,19 9 进行比较 , 为天然气水合物的勘探提供理论依据 。 王 丽 1 天然气水合物实验装置 1 石油仪器 , 2001 , 15 1 Gerald R D , Prull C K , Wallace P1Direct measurement of () 4: 47,48 10in situ methane quantities in a large gas hydrate reservoir 1 nature , 1997 , 385 : 462,428 蒋国盛 1 天然气水合物的勘探与开发 1 武汉 : 中国地 质大学出版社 , 2002 : 20,35 ( )本文编辑 王志权 下期部分目次预告 不同材质换热管内流体诱导振动阻垢技术研究 ???????????? 张锁龙 肖立川 张锁荣 稀土镧对热浸渗铝钢耐 HS 腐蚀性能的影响 ???????????? 胡鹏飞 文九巴 李全安等 径向2 井钻杆转向阻力建模及实验分析 ???????????????????????? 王慧艺 论滚道式减速器用于螺杆泵采油系统的可行性 ???????????????? 董海生 李明山 堆焊技术在钢体 PDC 钻头表面硬化中的应用 ????????????????????? 周龙昌 双解封方式的斜井封隔器 ???????????????????? 管延收 祝庆远 迟 鹏等 弹簧复位阀罩导向抽油泵泵阀的设计研究 ?????????????????? 李 巍 曹 刚 滚动轴承寿命计算方法的分析与应用 ???????????????????? 杨 洁 张晓东 旋转导向钻井系统的工作方式分析 ????????????????????? 赵金洲 孙铭新 电磁随钻测量技术现状及关键技术分析 ??????????????????????? 李 林 石油机械制造企业用户满意度指数模型研究 ???????????? 南剑飞 熊志坚 张 鹏等 国产钻机为委内瑞拉钻井服务的设备配套分析 ???????????????????? 纪宏博 ABSTRACTS OF SEL ECTED ARTICL ES ( ) Zhu Xiaoping Xi a’n Shiyou University , Xia’n. Research on 2 signed in order to utilize effectively the hydraulic energy in the botsimulating experimental system for automatic bit feed. CPM , tom hole . The operating principle of the device is explained. By using the downhole annulus fuid , flow self - increasing test and () 2004 , 32 4: 1,3 transient jet pressure test of the hydraulic pressure - increasing de2 In order to make an in - depth study of the performance of the ( ) vice are made . And conclusions are made as follows : 1under automatic bit feed , a simulating experimental system is developed , the experiment condition , the self - increasing flow of the device is which is constructed based on the J Z - 32 rig model . The hardware () up to 20 % ; 2the optimum scheme for hole opening of the de2 and software of the experimental system are described. Normal vice is 8 mm and 8 mm × 2 for single hole and double holes re2 fuzzy controller , self - organizing fuzzy controller and self - regulat2 spectively and the location of the hole is 8 mm. ing fuzzy controller are separately tested. The result shows that , Key words : hydraulic pressure increasing , downhole pressure under constant drill thrust , the simulating experimental system can increasing , pressure increasing device , experimental research stably work with self - organizing fuzzy controller and self - regulat2 ing fuzzy controller , therefore it can meet the demand of simulating ( Mou Changqing The First Machinery Works of North China experiment of automatic bit feed , and the performance of the self - ) Petroleum , Qingxian County , Hebei Province, Chai Zhanwen , regulating fuzzy controller is better. Zhu J unbo , et al . Self - synchronous balanced elliptical shale Key words : drilling rig , automatic bit feed , fuzzy control , () shaker. CPM , 2004 , 32 4: 11,12 simulating experiment A study is made on the newly - developed balanced elliptical ( 2 Dou Bin Faculty of Engineering , China University of Geoshale shaker driven by dual - vibrating motors. The mechanical ) sciences , Wuhan, Jiang Guosheng , Wu Xiang , et al . Design of model for the self - synchronous balanced elliptical shale shaker is () test table for gas hydrate micro - drilling. CPM , 2004 , 324: 4 established. By means of the dynamics analysis , the center of the ,7 vibrating force of the shaker is determined , which is proved exclu2 To find out the mechanism of decomposition of gas hydrate in sive. By adjusting the inclination between the upper and lower ec2 the course of drilling , a test table for micro - drilling of artificially centric blocks , the force center of the shaker can be coincided with - synthesized gas hydrate is developed. The test table can be used the mass center of the screen box , thereby the shaker will move in for the investigation in the generation conditions of gas hydrate and a translation elliptical vibration trajectory. its drilling and production in simulated natural environment and for Key words : balanced elliptical shale shaker , center of vibrat2 gas hydrate drilling technology test . The components and their ma2 ing force , dynamics analysis , vibration trajectory terial selection and operating criteria are introduced. Combining the (Zhang Qing Material College , Henan University of Science & gas hydrate synthesis device with the micro - drilling table , the test ) 2 Technology , Luoyang City , Henan Province, Li Quanan , Wen Jitable is of great importance to the research of the gas hydrate explo2 uba , et al . Effect of COpartial pressure on corrosion scales of 2 ration and development . () tubular steels. CPM , 2004 , 32 4: 13,14 , 36 Key words : gas hydrate , gas hydrate synthesis , miro - drilling , experimental research COcorrosion test on three kinds of tubular steels , N80 and 2 P110 and J 55 , is made by means of an autoclave . The effect of ( Wang Xiyong Petroleum Engineering School of Southwest pressure on scale thickness and grain size is investigated by using ) 2 Petroleum Institute , Chengdu, Xiong Jiyou , Zhou Wei . Experi( ) scanning electron microscope SEM. The result shows that , the mental research of new downhole hydraulic pressure increasing de2 corrosion scales of these steels are all double - layered under the () vice . CPM , 2004 , 32 4: 8,10 , 25 test condition , and the thickness of the scales vary with COpartial 2 pressure in the same pattern. The maximum thickness of the scales A new downhole hydraulic pressure increasing device is de2 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56