CN104458527A - 一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，尤其涉及一种天然气水合物分解过程中天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置。其特征在于天然气水合物试样密封于柔性可缩套中，然后将二者一起放置于夹持釜中，夹持釜预留与试验机压力室相通的通道以及传递压力的活塞。该发明包括施压活塞、夹持釜、柔性可缩密封套。本发明可以实时测定天然气水合物分解过程中的孔隙率及渗透系数的变化。

Description

一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置

技术领域

本发明涉及了一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，尤其涉及一种天然气水合物分解过程中天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置。 

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压和低温条件下形成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。天然气水合物是一种洁净的能源，被誉称为21世纪新能源。其中，甲烷的能源密度（在标准状况下每单位岩石体积中的甲烷体积）很大，是煤和黑色页岩的10倍，天然气的2.5倍。 

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。天然气水合物的形成条件：低温，温度一般低于10℃；高压，压力一般高于10MPa；充足的天然气（烃类，以甲烷为主）气体来源；有利的水合物赋存空间。天然气水合物形成的气体来源主要是：存在于深部的有机质受热解作用所产生的气体并向上运移；微生物降解沉积物中有机质而产生的气体；火山作用产生的气体；大气溶解。根据对以上条件的分析和探测，天然气水合物主要分布于高纬度陆地（冻土带)和海底。据统计，90％海域均含有天然气水合物，分布于各大洋边缘海域的陆坡、陆隆以及盆地与部分内陆海，在特殊环境中，则可以在海底表面富集。 

从天然气水合物沉积层中采收天然气会使海底沉积层强度降低，增加海床的不稳定性，可能引起地质塌陷，海底滑坡等灾害。如何经济高效，安全的开采天然气水合物，同时又不会引起海底滑坡与沉积层坍塌等地质灾害，需要深入研究水合物沉积物的力学特性，特别是研究水合物储层在开采过程中及开采后孔隙率及渗透率的变化。 

发明内容

本发明的目的是提出一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，操作简单，能实时、快速、准确的测定天然气水合物分解过程中孔隙率及渗透率的变化，所测得的数据为以后研究天然气水合物开采后海底的稳定性及海底地质灾害的防治等问题提供基础数据。 

本发明提供的一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置它包括由夹持釜上部和夹持釜下部组成的夹持釜、施压活塞 、柔性可缩密封套、进气（水）孔、排水（水）孔、围压孔；所述的夹持釜上部和下部通过密封圈密封连接；所述施压活塞中心位置设有进气（水）孔12；所述夹持釜上部设置有连通柔性密封套和夹持釜的排气（水）孔9；所述夹持釜底部设置有连通柔性密封套和夹持釜的进气（水）孔6；所述夹持釜底部设置有连通柔性密封套和夹持釜的排气（水）孔7；所述夹持釜底部设置有围压施加孔5；所述围压施加孔、排气（水）孔7、9均设置有电磁阀控制其开闭。 

本发明提供的一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置具有以下优点：将天然气水合物三轴试验压力室与天然气水合物反应釜有机的组合在一起，避免了水合物试样在制作、装样过程中的分解，实现了天然气水合物沉积物样品孔隙率和渗透率实时测量，填补了国内水合物沉积物孔隙率和渗透率实时测量设备的空白。 

附图说明

图1是本发明天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置的示意图。 

图2是本发明天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置的装置试验组装示意图。 

图中各标记如下：1施压活塞承压板、2夹持釜上部、3密封圈、4夹持釜下部、5围压施加孔、6下部进气（水）孔、7下部排气（水）孔、8柔性可缩密封套、9上部排气（水）孔、10活塞、11活塞腔、12上部进气（水）孔、13上部进气（水）嘴、14上部压力砧、15下部进气（水）嘴、16下部压力砧。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明： 

一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置具体实施步骤如下：

1）、制作具有制定孔隙率的天然气水合物试样。将按照一定孔隙率 制作的天然气水合物丕样套入柔性可缩密封套中（其中丕样的制作方法已在同一发明人的其他专利中详细提到），装入夹持釜中；然后将夹持釜放到试验机压力室内，此时应注意将夹持釜上下进气（水）孔与试验机上下压力砧上的孔对正；密封压力室，连接围压施加孔5电磁阀；坯样的上下两个端面通具有一定压差的实验气体，同时，通过控制试样局部温度 使制作好的坯样中的冰粉刚好完全融化，动态的试样局部温度使试样温度维持在；待气体在坯样中充分溶解，调节温度和压力，根据实验要求设置此时的实验条件位于相平衡曲线的水合物稳定存在区域生成水合物，关闭13上部进气（水）嘴和15下部进气（水）嘴，保持温度压力条件稳定，完成试样的制作；

2）、通过试样上部排气接口9和试样下部排水接口7连接外部排气、排水收集设备；

3）、连通7、9各通气孔电磁阀；

4）、选择实验方法模拟水合物开采并采集记录实验数据。

（a）减压法模拟水合物开采时，根据模拟的天然气水合物储层所处的深度，在夹持釜上部活塞承压板上施加压力 (即对试样施加垂直压力)。保持试样周围的温度不变，通过改变试样所处的环境的围压来模拟减压法开采水合物，根据实验精度的需要设置合适的压降梯度，逐级降压，同时保持试样所受的垂直力不变。调试完成试样所处的温度压力环境开始模拟减压开采的同时打开7、9两通气孔的电磁阀，记录模拟减压开采过程中活塞10的位移，假设混合物的初始高度为 ，受压后的混合物的高度为 ，则 ，为压力 作用下混合物的压缩量。根据土力学中孔隙比的定义以及混合物体积不会变化，且令，同时混合物受压前后横截面积不变，从而得到： 

所以得到实验所需的孔隙比：或在已知实验所需孔隙比条件下混合物所需要压缩的高度。试样力学参数等实验数据实时的传输到外部的工控机等数据处理设备，试样减压分解产生的气体和水通过排气和排水接口连接到外部的收集设备可以分别得到实验过程中的产气和产水数据。

当需要测定试样分解过程中的渗透率时，上述过程中开启7排气（水）孔和13上部进气（水）嘴，关闭9上部排气（水）孔。13上部进气嘴（水）通入一定压力的气水混合流且压力保持不变，测量排出的气体和水的体积得出气体流量和水的流量值，即可根据下面的公式得到气相和水的有效渗透率。 

式中 : 为气流量 ,mL/s ; 为水流量 , mL/s；为气体粘度 ,； 为水的粘度 , ； L为煤样长度，cm；A为煤样截面积cm2, 、 分别为进出口压力 , MPa ；  为大气压力,MPa。 

（b）热激法模拟水合物开采时，根据模拟的天然气水合物储层所处的深度，在夹持釜上部活塞承压板上施加压力 (即对试样施加垂直压力)。保持试样周围的围压不变，通过8柔性可缩密封套中的（超）导磁体温度控制器实现，导磁体能够控制磁通的密度和方向，改变感应器中的电流分布，达到所需要的各种加热要求。设置实验所需温度输入控制器即可模拟水合物热激法开采，同时还可以实现分段升温控制，实现模拟实际开采中多次注热的效果。加热的同时保持试样所受的垂直力不变。调试完成试样所处的温度压力环境开始模拟加热开采的同时打开7、9两通气孔的电磁阀，记录模拟减压开采过程中活塞10的位移。假设试样的初始高度为 ，受压后的混合物的高度为 ，则 ，为压力 作用下混合物的压缩量。根据土力学中孔隙比的定义以及混合物体积不会变化，且令，同时混合物受压前后横截面积不变，从而得到： 

所以得到实验所需的孔隙比：或在已知实验所需孔隙比条件下混合物所需要压缩的高度。试样力学参数等实验数据实时的传输到外部的工控机等数据处理设备，试样加热分解产生的气体和水通过排气和排水接口连接到外部的收集设备可以分别得到实验过程中的产气和产水数据。

当需要测定试样分解过程中的渗透率时，上述过程中开启7排气（水）孔和13上部进气（水）嘴，关闭9上部排气（水）孔。13上部进气嘴（水）通入一定压力的气水混合流且压力保持不变，测量排出的气体和水的体积得出气体流量和水的流量值，即可根据下面的公式得到气相和水的有效渗透率。 

式中 : 为气流量 ,mL/s ; 为水流量 , mL/s；为气体粘度 ,； 为水的粘度 , ； L为煤样长度，cm；A为煤样截面积cm2, 、 分别为进出口压力 , MPa ；  为大气压力,MPa。 

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：它包括由夹持釜上部和夹持釜下部组成的夹持釜、施压活塞 、柔性可缩密封套、进气（水）孔、排水（水）孔、围压孔。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述的夹持釜上部和下部通过密封圈密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述施压活塞中心位置设有进气（水）孔12。

4.根据权利要求1-3所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述夹持釜上部设置有连通柔性密封套和夹持釜的排气（水）孔9。

5.根据权利要求1-4所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述夹持釜底部设置有连通柔性密封套和夹持釜的进气（水）孔6。

6.根据权利要求1-5所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述夹持釜底部设置有连通柔性密封套和夹持釜的排气（水）孔7。

7.根据权利要求1-6所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述夹持釜底部设置有围压施加孔5。

8.根据权利要求1-7所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述围压施加孔、排气（水）孔7、9均设置有电磁阀控制其开闭。

9.根据权利要求1-8所述的天然气水合物孔隙率及渗透系数测定装置，其特征在于：所述柔性可缩密封套由超磁导体组件，能调节水合物所处环境的温度。