本发明属于海洋油气开发技术领域，涉及一种水合物钻井井控模拟实验装置，特别是一种水合物钻井溢流模拟监测实验装置，根据超声波多普勒检测仪收集到的水合物生成和分解的数据，确定多普勒信号与截面含气率之间的定量对应关系，实现水合物钻井的溢流早期监测，最终实现对水合物钻井井控的模拟和监测。
背景技术：
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水合物资源储量丰富，具有巨大的资源开发前景，但是天然气水合物开采涉及多相传递和转换，并可能带来一系列地质和环境问题，至今没有成熟的天然气水合物开发技术。在全世界范围内，水合物开采都是一个巨大的难题，特别是水合物钻井井控技术，长久以来没有一种切实可行的方法来解决水合物钻井过程中出现的诸多井控方面问题。
水合物监测是水合物钻井井控技术的一个重要环节，在水合物开发过程中有着极其重大的意义。但是由于井下的情况极其复杂，长时间以来没有一个有效的方法可以准确监测溢流，使水合物在开采过程中产生许多困难。为实现钻井过程中的早期溢流监测，亟需有效的方法准确监测水合物在钻井条件下的分解规律，因此，设计一种水合物钻井溢流模拟监测实验装置，对水合物在钻井条件下的分解规律的研究有着极其重要的现实意义，由此，可以进一步实现对水合物钻井井控的准确模拟和监测。
在水合物钻井过程中，因为不能对环空管路有任何的破坏，基于隔水管完整性的情况，采用非接触测量方法——超声波多普勒测量法，超声波多普勒测量法是根据多普勒原理进行的，它实际测量的对象是流体中的颗粒物或气泡等反射体，发射体的速度代表流体的速度；超声波发射器为一固定声源，固体颗粒随流体一起运动，当超声波发射器所发射的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收器上的超声波频率就会与发射频率之间有一个差值，这个频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移，用超声波多普勒法对钻柱内部环空中的钻井液进行检测时，正常钻进条件下，信号由钻井液中的固相颗粒产生，当发生气侵，气泡会成为多普勒信号的主要来源，此时信号会发生明显变化，利用这种信号变化监测是否出现气泡。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种水合物钻井溢流模拟监测实验装置，根据几何相似性和动力相似性原理设计井筒，钻井液储存罐用来提供实验过程中的流体，储气罐、气体压缩机用来提供实验过程中的气体，钻杆在无加热条件下的搅拌作用加速水合物的生成，打开钻杆上的加热器使水合物发生分解，监测水合物随钻井液在井筒和环空循环流动下的状态，根据收集到的水合物生成和分解的数据，确定多普勒信号与截面含气率之间的定量对应关系，实现水合物钻井的溢流早期监测。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括井筒模拟系统、信号监测系统、钻井液循环系统、水合物生成分解系统和计算机信息处理系统五个功能部分，其中井筒模拟系统包括有机玻璃内管、有机玻璃外管、内旋转电机、钻杆和单向阀，信号监测系统包括多普勒信号发生器、多普勒信号接收器和超声波多普勒检测仪，钻井液循环系统包括钻井液储存罐、柱塞泵、钻井液流量计和钻井液循环管路压力计，水合物生成分解系统包括气瓶、储气罐、气体压缩机、气体流量计、泄压阀、冷水处理系统、注水口、安全阀、反应器、温度计、生成管路压力计、加热器、减压阀、分解管路压力计和集气瓶，计算机信息处理系统包括控制机柜和计算机；有机玻璃内管用于模拟钻柱，有机玻璃外管用于模拟套管，有机玻璃外管套装在有机玻璃内管外侧，有机玻璃内管的上部与单流阀相连接，内旋转电机的上方与单流阀连接，下方与钻杆连接，内旋转电机提供旋转动力带动钻杆转动来模拟井下钻进过程；单向阀控制钻井液只能从上往下流；有机玻璃外管左边的上下部分别安装一个阀门，钻井液通过上部的阀门回到钻井液储存罐；多普勒信号发生器和多普勒信号接收器安装在有机玻璃外管内侧并处在一条延长线上，多普勒信号发生器和多普勒信号接收器的安装角度与井筒呈60°角，多普勒信号接收器与超声波多普勒检测仪相连接；钻井液储存罐分别与有机玻璃外管左边上部的阀门和柱塞泵连接，连接柱塞泵和单流阀之间的管道上安装有钻井液流量计和钻井液循环管路压力计；含有水合物生成气的气瓶依次与储气罐、冷水处理系统、气体流量计、气体压缩机和反应器相连接，储气罐和冷水处理系统的底部均安装泄压阀，反应器的顶部设有注水口，注水口的一侧安装安全阀，另一侧安装温度计和生成管路压力计，反应器与井筒模拟系统的下部管路连通，井筒模拟系统的上部与集气瓶管路连接，井筒模拟系统与集气瓶之间的管路上依次安装减压阀和分解管路压力计，钻杆的下方安装加热器，加热器的数量根据实际实验要求确定，控制机柜分别与钻井液流量计、钻井液循环管路压力计、气体流量计、温度计、生成管路压力计和分解管路压力计连接，计算机与控制机柜连接，控制机柜控制压力计、流量计的大小，计算机实时显示数据。
本发明对水合物钻井溢流模拟监测的具体过程为：
(1)打开内旋转电机带动钻杆进行旋转，接着打开钻井液储存罐，调节钻井液流量使其数值稳定并让钻井液循环管路压力计保持在6ma～8ma之间，然后打开柱塞泵并调节流速为1m/s向井筒模拟系统中注入钻井液开始循环；
(2)当循环开始后，气瓶中含有水合物生成气，打开气瓶，使水合物生成气进入储气罐后再进入冷水处理系统进行冷却，使其温度控制为1～5℃；然后打开气体流量计的开关调节气体气量，打开气体压缩机，调节生成管路压力计使其数值稳定；冷却后的水合物生成气经过气体压缩机进入反应器；
(3)打开反应器上部的注水口向反应器中注水，并打开温度计和生成管路压力计监测反应进行；经过反应器生成的水合物随水经管路进入井筒模拟系统，经过钻杆的搅拌作用，加速水合物的生成，并让水合物随钻井液进入有机玻璃内管与有机玻璃外管之间循环；超声波多普勒检测仪实时监测水合物的生成过程，并收集相关数据信号，在水合物生成过程中，水合物生成气的含量不断减少，超声波多普勒检测仪监测到的信号强度也随之减小；当通入的水合物生成气反应完毕后，打开钻杆上的加热器使水合物发生分解，超声波多普勒检测仪实时监测水合物的分解过程，并收集相关数据信号，在水合物分解过程中，气体的含量不断增加，超声波多普勒检测仪监测到的信号强度也随之增大；
(4)水合物分解产生的气体进入减压阀、分解管路压力计和集气瓶组成的导出系统，并在集气瓶中收集水合物分解产生的气体，减压阀和分解管路压力计监测气体收集的过程，有机玻璃内管与有机玻璃外管之间的钻井液通过有机玻璃外管上部的阀门重新回到钻井液储存罐进行下一次循环；
(5)在有机玻璃外管上安装多组多普勒信号发生器和多普勒信号接收器的组合，使每组多普勒信号发生器和多普勒信号接收器处在一条延长线上，并调整安装角度使它们与井筒呈60°角，普勒信号发生器和多普勒信号接收器的组合组数根据实际需要确定；普勒信号发生器和多普勒信号接收器均与超声波多普勒检测仪相连接，监测结果在超声波多普勒检测仪屏幕上显示，在钻井液循环过程中实时监测水合物生成和分解的过程，得到水合物生成和分解的数据信号；
(6)通过计算机对水合物的水合物生成和分解的数据进行分析，得到水合物的生成规律和钻井条件下的分解规律，确定多普勒信号与截面含气率之间的对应关系，实现水合物钻井的溢流早期监测。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是实现了在模拟水合物钻井钻进的情况下，一边让水合物发生分解，一边让超声波多普勒检测仪实时检测分解气量的大小，监测水合物在钻井液流动状态下的分解过程，研究钻井条件下水合物的分解规律，而且在装置循环过程中水合物的生成和分解一体化，从而简化了实验步骤，便于实验过程中的操作；二是装置结构简单，易于组装，整个循环过程清晰，便于实验操作的进行；三是借助计算机能清晰显示各个计量仪器的大小，进而控制整个循环过程，然后根据超声波多普勒检测仪对安装在环空管壁上的探头接收到的信号的分析结果，确定多普勒信号与截面含气率之间的定量对应关系，从而实现对水合物钻井的溢流早期监测；四是采用超声波多普勒测量法，超声波在钻柱内部环空进行检测时，正常情况下，信号由钻井液中的固相颗粒产生，但是一旦发生气侵，气泡将变成多普勒信号的主要来源，此时信号将发生明显的变化，利用这种信号变化监测是否出现气泡，发射声波与接收声波之间存在频率差，含气率不同则频率差不同，由此进一步监测含气率。
说明书附图：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述多普勒信号发生器和多普勒信号接收器安装结构原理示意图。
图3为本发明所述井筒模拟系统的剖视图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括井筒模拟系统、信号监测系统、钻井液循环系统、水合物生成分解系统和计算机信息处理系统五个功能部分，其中井筒模拟系统包括有机玻璃内管1、有机玻璃外管2、内旋转电机4、钻杆5和单向阀3，信号监测系统包括多普勒信号发生器25、多普勒信号接收器26和超声波多普勒检测仪29，钻井液循环系统包括钻井液储存罐6、柱塞泵7、钻井液流量计8和钻井液循环管路压力计9，水合物生成分解系统包括气瓶10、储气罐12、气体压缩机15、气体流量计14、泄压阀11、冷水处理系统13、注水口19、安全阀20、反应器16、温度计18、生成管路压力计17、加热器21、减压阀22、分解管路压力计23和集气瓶24，计算机信息处理系统包括控制机柜27和计算机28；有机玻璃内管1用于模拟钻柱，有机玻璃外管2用于模拟套管，有机玻璃外管2套装在有机玻璃内管1外侧，有机玻璃内管1的上部与单流阀3相连接，内旋转电机4的上方与单流阀3连接，下方与钻杆5连接，内旋转电机4提供旋转动力带动钻杆5转动来模拟井下钻进过程；单向阀3控制钻井液只能从上往下流；有机玻璃外管2左边的上下部分别安装一个阀门，钻井液通过上部的阀门回到钻井液储存罐6；多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26安装在有机玻璃外管2内侧并处在一条延长线上，多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的安装角度与井筒呈60°角，多普勒信号接收器26与超声波多普勒检测仪29相连接；钻井液储存罐6分别与有机玻璃外管2左边上部的阀门和柱塞泵7连接，连接柱塞泵7和单流阀3之间的管道上安装有钻井液流量计8和钻井液循环管路压力计9；含有水合物生成气的气瓶10依次与储气罐12、冷水处理系统13、气体流量计14、气体压缩机15和反应器16相连接，储气罐12和冷水处理系统13的底部均安装泄压阀11，反应器16的顶部设有注水口19，注水口19的一侧安装安全阀20，另一侧安装温度计18和生成管路压力计17，反应器16与井筒模拟系统的下部管路连通，井筒模拟系统的上部与集气瓶24管路连接，井筒模拟系统与集气瓶24之间的管路上依次安装减压阀22和分解管路压力计23，钻杆5的下方安装加热器21，加热器21的数量根据实际实验要求确定，控制机柜28分别与钻井液流量计8、钻井液循环管路压力计9、气体流量计14、温度计18、生成管路压力计17和分解管路压力计23连接，计算机27与控制机柜28连接，控制机柜28控制压力计、流量计的大小，计算机27实时显示数据。
本实施例对水合物钻井溢流模拟监测的具体过程为：
(1)打开内旋转电机4带动钻杆5进行旋转，接着打开钻井液储存罐，调节钻井液流量8使其数值稳定并让钻井液循环管路压力计9保持在6ma～8ma之间，然后打开柱塞泵7并调节流速为1m/s向井筒模拟系统中注入钻井液开始循环；
(2)当循环开始后，气瓶10中含有水合物生成气，打开气瓶10，使水合物生成气进入储气罐12后再进入冷水处理系统13进行冷却，使其温度控制为1～5℃；然后打开气体流量计14的开关调节气体气量，打开气体压缩机15，调节生成管路压力计17使其数值稳定；冷却后的水合物生成气经过气体压缩机15进入反应器16；
(3)打开反应器16上部的注水口19向反应器中注水，并打开温度计18和生成管路压力计17监测反应进行；经过反应器16生成的水合物随水经管路进入井筒模拟系统，经过钻杆5的搅拌作用，加速水合物的生成，并让水合物随钻井液进入有机玻璃内管1与有机玻璃外管2之间循环；超声波多普勒检测仪29实时监测水合物的生成过程，并收集相关数据信号，在水合物生成过程中，水合物生成气的含量不断减少，超声波多普勒检测仪29监测到的信号强度也随之减小；当通入的水合物生成气反应完毕后，打开钻杆5上的加热器21使水合物发生分解，超声波多普勒检测仪29实时监测水合物的分解过程，并收集相关数据信号，在水合物分解过程中，气体的含量不断增加，超声波多普勒检测仪29监测到的信号强度也随之增大；
(4)水合物分解产生的气体进入减压阀22、分解管路压力计23和集气瓶24组成的导出系统，并在集气瓶24中收集水合物分解产生的气体，减压阀22和分解管路压力计23监测气体收集的过程，有机玻璃内管1与有机玻璃外管2之间的钻井液通过有机玻璃外管2上部的阀门重新回到钻井液储存罐6进行下一次循环；
(5)在有机玻璃外管2上安装多组多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的组合，使每组多普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26处在一条延长线上，并调整安装角度使它们与井筒呈60°角，普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26的组合组数根据实际需要确定；普勒信号发生器25和多普勒信号接收器26均与超声波多普勒检测仪29相连接，监测结果在超声波多普勒检测仪29屏幕上显示，在钻井液循环过程中实时监测水合物生成和分解的过程，得到水合物生成和分解的数据信号；
(6)通过计算机27对水合物的水合物生成和分解的数据进行分析，得到水合物的生成规律和钻井条件下的分解规律，确定多普勒信号与截面含气率之间的对应关系，实现水合物钻井的溢流早期监测。