CN103471976B - 一种测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置。本发明包括稳压供气模块，稳压供液模块，恒温水浴模块，回压控制模块，数据采集和处理模块。反应釜位于恒温水浴中，利用恒温水浴进行温度控制；由稳压供气模块及稳压供液模块向反应釜内精确定量注入气体和液体；通过精确控制注入气体量和液体量可生成不同水合物饱和度沉积物体系；系统压力及差压由特制测压导管测量，测压导管由-20oC以上不结冰的流体介质饱和，并用弹性导压膜密封；回压控制模块控制反应釜压力，注入液体进入釜体之前由冷却盘管充分降温，确保多相流动过程中水合物稳定。本装置可以实验测量冰点以上或以下不同地质构造、不同水合物饱和度下沉积物体系的气、液渗透率，为实际天然气水合物开采提供理论依据。

Description

一种测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置。

背景技术

天然气水合物，又称可燃冰，是天然气和水在一定条件下（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度和pH值等）形成的白色结晶化合物，呈笼形结构。自然界中存在的天然气水合物中主要气体成分为甲烷，所以又常称为甲烷水合物（MethaneHydrates）。天然气水合物作为一种新型的潜在能源，储量巨大，被认为是最有应用前景的能替代石油等化石能源的新能源之一，并且已经被广泛发现存在于海底沉积物和陆地冻土区。

天然气水合物的实地开采商业价值受诸多地质条件影响，其中地层渗透率是影响水合物分解和产气速率的关键因素之一。渗透率反应了多孔介质中流体渗流的能力，影响着孔隙中流体之间的传热和传质，从而约束着多孔介质中水合物分解速率以及产气运移能力。数值模拟结果显示，渗透率过低的地层，分解气运移速率有限，导致其开采价值不理想。此外，随着地层中水合物饱和度的变化，地层有效渗透率随之改变。影响地层渗透率的因素主要包括介质颗粒特性、地层孔隙度、水合物饱和度等。目前关于水合物地层渗流特性的研究主要处于理论研究阶段，且理论模型缺乏足够的实验数据支持和验证，因此含水合物多孔沉积物的渗流机理还不是十分完善，对实际水合物开采尚不能提供可靠的理论指导。

常规石油天然气以及煤炭行业测量多孔介质中的渗透率多基于渗流实验，其实验条件温和，设备简单，易于操作。而对于含水合物多孔沉积物，由于受水合物本身稳定条件的影响（低温，高压），不能用常规渗透率测量仪器进行测量，需研制专门的实验装置。这样的实验装置需满足以下要求：水合物生成过程可控、渗流实验中水合物稳定、实验操作简单等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置，可以用于测量含水合物多孔沉积物的绝对渗透率及相对渗透率，综合研究冰点以上或以下不同水合物饱和度、不同温度压力及沉积物颗粒在不同方向上的渗透率模型。其操作简单，测量准确，安全可控。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置，包括用于水合物生成和渗透率测定的一维高压反应釜，高压反应釜内填有多孔沉积物，用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜气量的稳压供气模块，用于精确控制注入高压反应釜溶液体积的稳压供液模块，用于提供恒定温度环境的恒温水浴模块，调节高压反应釜压力的回压控制模块，以及数据采集和处理模块，数据采集和处理模块包括计算机及各传感器，用于采集高压反应釜、稳压供气模块、稳压供液模块、恒温水浴模块、回压控制模块的温度、压力、差压、注液速率、气液产出速率等参数，并计算体系渗透率。

所述稳压供气模块包括依次连接的高压气源和储气罐，储气罐输出两条支路，其中一条支路与高压反应釜连接，另一条支路与稳压供液模块连接，稳压供液模块包括依次连接的冷却盘管、平流泵、电子天平，电子天平内盛有溶液，高压气源和平流泵各另有一条支路与气液预混罐相连；恒温水浴模块包括恒温水浴，储气罐、气液预混罐和高压反应釜置于恒温水浴中，所述恒温水浴的温度控制范围为-20～30oC，控制精度±0.1℃，所述高压反应釜水平或垂直放置于恒温水浴中，由可旋转不锈钢支架固定，高压反应釜的耐压范围为0～50Mpa；高压反应釜的出口端依次连接有回压阀、气液分离器和液体流量计，所述气液分离器上连接有气体流量计。稳压供气模块和稳压供液模块控制气、液供给速率，反应釜入口端溶液由电子天平测量注入速率，反应釜出口气液混合物由气液分离器分离，并由气体流量计和液体流量计记录瞬时和累积流量，可准确测量不同地质构造、不同水合物饱和度下气相、液相渗透率。回压控制模块可控制反应釜压力，注入溶液可经恒温水浴中冷却盘管装置充分降温，确保多相流动过程中水合物稳定不分解。气液预混罐中的气体和水在高速搅拌器作用下可充分混合。

为满足一维流动假设，高压反应釜长度L与内径D比例需满足L/D>10。为避免重力对流体流动的影响，保证渗透率测量的准确性，须将高压反应釜水平放置。

高压反应釜进出口设有两个压力传感器和一个微差压传感器，压力传感器和微差压传感器分别通过测压导管连接在高压反应釜上，测压导管上设置弹性导压膜，弹性导压膜上设有过滤网，压力传感器的精度为±0.1MPa，微差压传感器测压范围为-100～100kPa，精度±0.5%，高压反应釜内壁面上设有三个温度传感器，温度传感器由不锈钢套管封装，不与高压反应釜内部介质或水浴直接接触，高压反应釜两端采用快开结构，方便拆卸与组装，便于水合物沉积物样品的取样分析。高压反应釜进出口设置有过滤网，防止内部多孔沉积物颗粒进入管线造成管路堵塞。适用于在冰点以上或以下精确测量含水合物多孔沉积物的渗透率。差压及压力传感器探头与内径为2mm的不锈钢管测压导管连接，测压导管插入到釜体内部的测压点。测量前每支测压导管充分饱和在-20oC以上不结冰的流体介质（如煤油、酒精和乙二醇等），并用弹性导压膜密封，使测压导管内流体与外界不直接接触。然后将较密的耐压软过滤网固定于测压导管端口处，隔绝弹性导压膜与沉积物颗粒。反应釜内流体通过弹性导压膜和导管内流体进行压力传导，以避免冰点以下导管内溶液结冰或者测量过程中反应釜内部气体和溶液进入导管形成固体水合物，导致釜体内部差压或压力无法传递。

储气罐和气液预混罐出口设置单向阀。可防止气液倒流进入罐中。由稳压供气模块的储气罐向反应釜注入气体，通过储气罐及反应釜的压力温度变化精确计算注入反应釜中的气体量。由稳压供液模块向反应釜精确定量注入溶液。通过精确控制注入气体量和液体量可生成特定水合物饱和度的沉积物体系。气液预混罐内设置高速搅拌器，使气体和溶液充分混合，气体以气泡形式均匀分布在溶液中，两者在平流泵及高压气源压力驱动下同时进入反应釜，进而测量气、液两相渗透率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）水合物生成过程中通过储气罐与平流泵可实时调节与控制反应釜内气液含量，可生成任一水合物饱和度体系；

（2）改变反应釜安置方式（水平或垂直）可测量研究不同方向上渗透率的异同；

（3）结合储气罐、气液预混罐与平流泵可实现含水合物多孔沉积物气、液两相渗透率的精确测量。

（4）可适用于冰点以下含水合物沉积物渗透率测量。

通过本装置系统对含水合物多孔沉积物渗透率的实验测定，可以深入理解水合物藏中多相流体的渗流特性，建立地层渗透率参数与水合物饱和度、介质颗粒特性和孔隙度等参数的内在关系，为实际水合物开采提供可靠的理论指导。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记说明：1、高压反应釜，2、多孔沉积物，3、恒温水浴，4、高压气源，5、减压阀，6、安全阀，7、单向阀，8、热电偶，9、压力传感器，10、储气罐，11、溶液，12、平流泵，13、冷却盘管，14、微差压传感器，15、回压阀，16、气体流量计，17、气液分离器，18、电子天平，19、测压导管，20、弹性导压膜，21、过滤网，22、液体流量计，23、气液预混罐，24、高速搅拌器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一

一种测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置，包括用于水合物生成和渗透率测定的一维高压反应釜1，高压反应釜1内冲入有多孔沉积物2，用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜1气量的稳压供气模块，用于精确控制注入高压反应釜1溶液体积的稳压供液模块，用于提供恒定温度环境的恒温水浴模块，调节高压反应釜1压力的回压控制模块，以及数据采集和处理模块。

稳压供气模块包括依次连接的高压气源4和储气罐10，高压气源4和储气罐10之间连接有减压阀5，在储气罐10上设有安全阀6、热电偶8和压力传感器9，储气罐10输出两条支路，其中一条支路与高压反应釜1连接，另一条支路与稳压供液模块连接，稳压供液模块包括依次连接的冷却盘管13、平流泵12、电子天平18，电子天平18内盛有溶液11；高压气源4和平流泵12各另有一条支路与气液预混罐23相连，气液预混罐23出口与高压反应釜1连接，在气液预混罐23上设有热电偶8和压力传感器9；恒温水浴模块包括恒温水浴3，储气罐10、气液预混罐23和高压反应釜1置于恒温水浴3中，所述恒温水浴3的温度控制范围为-20～30oC，控制精度±0.1oC，所述高压反应釜1水平或垂直放置于恒温水浴3中，由可旋转不锈钢支架固定，高压反应釜1的耐压范围为0～50Mpa；高压反应釜1的出口端依次连接有回压阀15、气液分离器17和液体流量计22，所述气液分离器17上连接有气体流量计16。

高压反应釜1长度L与内径D比例需满足L/D>10。为避免重力对流体流动的影响，保证渗透率测量的准确性，须将高压反应釜水平放置。

高压反应釜1进出口设有两个压力传感器9和一个微差压传感器14，压力传感器9和微差压传感器14分别通过测压导管19连接在高压反应釜1上，测压导管19上设置弹性导压膜20，弹性导压膜20上设有过滤网21，压力传感器9的精度为±0.1MPa，微差压传感器14测压范围为-100～100kPa，精度±0.5%，高压反应釜1内壁面上设有三个温度传感器，温度传感器由不锈钢套管封装，不与高压反应釜1内部介质或水浴直接接触，高压反应釜1两端采用快开结构，高压反应釜1进出口设置有过滤网21。

储气罐10及气液预混罐23出口设置单向阀7。

不同水合物饱和度体系的制备

含水合物渗透率实验首先需要生成所需类型含水合物沉积物体系。采用图1所示的渗透率装置，可以制备不同水合物饱和度，不同气液比多孔沉积物体系。首先利用注液法精确测定反应釜1和储气罐10的体积，将他们烘干后固定于恒温水浴3，并把干多孔介质填满反应釜1。同样利用注液法测定反应釜1内有效孔隙体积。根据预定生成的水合物体系各组分含量计算初始反应釜1内所需注入的气液量。根据所需气体量计算储气罐10的压力降，然后按照此压力降将储气罐10中气体注入反应釜1中。接着利用平流泵12向反应釜1内缓慢注入溶液11，待釜内压力上升至预定值，停止注水，调节恒温水浴3温度，水合物开始生成。在生成过程中如果希望增加生成结束时刻水合物饱和度，可利用储气罐10和平流泵12再次向反应釜1注入气体和水；如果希望降低水合物饱和度，可调节回压阀15将釜内部分气体放出，以此生成所需类型含水合物沉积物体系。

实施例二

测定液相绝对渗透率

采用图1所示的渗透率装置，首先生成所需水合物饱和度体系。在生成过程中利用平流泵12多次向反应釜1中注入溶液11，使系统内气体基本能够全部转化为水合物，即生成结束时反应釜1内只含水合物相和液相，气相含量可以忽略。待系统压力降低到指定要求，调节回压阀5压力并设定为恒压状态，使之远远高于系统平衡压力，然后打开反应釜1进出口阀门，由平流泵12经冷却盘管13以恒定较小流速注水，防止流量过大冷却盘管13来不及充分冷却注入的溶液11而带入热量使水合物分解。反应釜1内温度、压力、差压、流速等信号由数据采集系统进行存储和处理。

实施例三

测定气相绝对渗透率

采用图1所示的渗透率装置，初始时刻增大气水比，或在生成过程中多次向反应釜1补充气体量，使反应釜1中的水能完全转化为水合物。待水合物生成完毕后，调节减压阀5，利用高压气源4向储气罐10注入一定压力甲烷气。然后关闭减压阀5，打开反应釜1进口阀门，使反应釜1与储气罐10相连通，反应釜1、储气罐10二者压力逐渐达到平衡，接着打开出口阀门，缓慢降低回压阀15压力，利用釜内过量气体驱替出反应釜1内残余自由水。如此反复若干次，直到反应釜1出口基本无自由水流出，此过程中回压阀15压力均高于釜体相平衡压力。然后打开减压阀5并设定至高于体系相平衡压力状态，微调回压阀5压力，使储气罐10中气体经反应釜1能保持稳定流出，储气罐10压力由高压气源4经减压阀5维持恒定，单向阀7可防止釜内残余水倒流进入储气罐10。釜内气体经流量计计量并排出，反应釜1内温度、压力、差压、流速等信号由数据采集系统进行存储和处理。

实施例四

测定气、液两相相对渗透率

采用图1所示的渗透率装置，先按照测定液相绝对渗透率的方法生成含水合物体系，生成后体系中基本无自由气。然后将回压阀15压力上升到略高于反应釜1相平衡压力。打开气液预混罐23出口阀门和反应釜1进出口阀门，同时将设定好注水速率的平流泵12打开，设置高速搅拌器24转速，使气液预混罐23中气液充分混合，微调减压阀5背压和回压阀15出口压力，使气液预混罐23中的预混溶液能共同进入反应釜1并由出口流出，反应釜1内温度、压力、差压、流速等信号由数据采集系统进行存储和处理。根据气液两相流动速率及釜体两端差压可计算两相有效渗透率，然后在已测得绝对渗透率的情况下可计算气液两相相对渗透率。

本发明可以实现含水合物多孔沉积物气、液渗透率的实验和测定，使介质颗粒特性、地层孔隙度以及水合物饱和度等与渗透率关系的实验研究成为可能。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置，包括用于水合物生成和渗透率测定的一维高压反应釜(1)，高压反应釜(1)内填有多孔沉积物(2)，用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜(1)气量的稳压供气模块，用于精确控制注入高压反应釜(1)溶液体积的稳压供液模块，用于提供恒定温度环境的恒温水浴模块，调节高压反应釜(1)压力的回压控制模块，以及用于采集高压反应釜(1)、稳压供气模块、稳压供液模块、恒温水浴模块、回压控制模块的温度、压力、差压、注液速率、气液产出速率参数并计算体系渗透率的数据采集和处理模块；

其特征在于：所述稳压供气模块包括依次连接的高压气源(4)和储气罐(10)，储气罐(10)输出两条支路，其中一条支路与高压反应釜(1)连接，另一条支路与稳压供液模块连接，稳压供液模块包括依次连接的冷却盘管(13)、平流泵(12)、电子天平(18)，电子天平(18)内盛有溶液(11)；恒温水浴模块包括恒温水浴(3)，储气罐(10)、气液预混罐(23)和高压反应釜(1)置于恒温水浴(3)中，所述恒温水浴(3)的温度控制范围为-20～30℃，控制精度±0.1℃，所述高压反应釜(1)水平或垂直放置于恒温水浴(3)中，由可旋转不锈钢支架固定，高压反应釜(1)的耐压范围为0～50Mpa；高压反应釜(1)的出口端依次连接有回压阀(15)、气液分离器(17)和液体流量计(22)，所述气液分离器(17)上连接有气体流量计(16)；

高压反应釜(1)长度L与内径D比例需满足L/D>10；

高压反应釜(1)进出口设有两个压力传感器(9)和一个微差压传感器(14)，压力传感器(9)和微差压传感器(14)分别通过测压导管(19)连接在高压反应釜(1)上，测压导管(19)上设置弹性导压膜(20)，弹性导压膜(20)上设有过滤网(21)，压力传感器(9)的精度为±0.1MPa，微差压传感器(14)测压范围为-100～100kPa，精度±0.5％，高压反应釜(1)内壁面上设有三个温度传感器，温度传感器由不锈钢套管封装，不与高压反应釜(1)内部介质或水浴直接接触，高压反应釜(1)两端采用快开结构，高压反应釜(1)进出口设置有过滤网(21)。

2.如权利要求1所述的测量含水合物多孔沉积物渗透率的装置，其特征在于：储气罐(10)和气液预混罐(23)出口设置单向阀(7)。