CN108490033A - 裂隙型天然气水合物动态监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述裂隙型天然气水合物动态监测装置及其方法，基于室内实验条件下，针对裂隙型天然气水合物生成、分解过程模拟实时快速测量，以总结出裂隙型天然气水合物成藏规律、并为裂隙型水合物开采过程提供关键控制要点。该装置包括反应釜、高压供气瓶组、气体回收罐、采集与处理系统和低温恒温气浴室。反应釜包括反应釜本体，反应釜本体内腔填充沉积物介质，沉积物介质内设有模拟裂隙层；反应釜本体内腔沿轴向至少设有两组成像测量电极，成像测量电极通过低温电缆与采集与处理系统电连接；成像测量电极对应的反应釜本体外侧设置电极屏蔽筒。

Description

裂隙型天然气水合物动态监测装置及其方法

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物资源勘探开发工程技术领域，具体涉及一种能够在室内试验室条件下实时模拟监测裂隙型水合物生成、分解过程的实验装置，以及应用此类监测装置的测试方法。

背景技术

天然气水合物作为一种清洁型的化石能源，是全球能源竞争的制高点。目前全球水合物研究已经逐渐从勘探阶段整体转入试开采阶段，但距离工业化开采还有很长的路要走。

根据天然气水合物在地层中的基本分布特征，目前通常将天然气水合物储层分为孔隙充填型天然气水合物储层和裂隙型天然气水合物储层。前者主要是指水气在沉积物孔隙空间中形成水合物，水合物的形成占据了原始孔隙中的流体(气体或水)；后者则表现为水合物形成过程中“驱替”原始地层沉积物颗粒，形成层状、脉状或结核状分布的水合物带。

目前对天然气水合物在沉积物中的形成、分解过程的研究主要集中在对孔隙扩散性天然气水合物沉积物的研究方面，其含水合物沉积物形成主要有两种途径：①混合制样；②原位生成。前者主要的做法是先在高压低温容器中形成纯天然水气合物，在低温条件下快速粉碎与沉积物混合，压入相应的反应釜形成含水合物沉积物，然后测量其物性参数及分解过程的变化规律；后者主要的做法是先在高压低温反应釜中填装特定的沉积物湿试样，然后通入甲烷气体降温生成水合物，并实时测量水合物生成过程中物性参数的变化规律。一定时间后天然气水合物合成完毕，转入模拟开采过程，测试水合物分解过程中的天然气水合物沉积物物性参数变化规律。

如2016年5月11日公开的专利技术，公开号为CN105571647A，名称天然气水合物开采多物理场演化模拟测试装置及其方法，测试装置包括反应釜，反应釜设置于温度控制模块内，反应釜分别与液体供给模块、气体供给模块、反压控制模块、围压加载模块和数据测量采集模块相连接。模拟测试方法是采用电阻层析成像技术进行沉积物中物质含量特别是水合物饱和度的实时测量，通过围压液的体积变化进行沉积物体积变化的实时测量，结合温度、孔隙压力和流速(产气以及产水速率)实验数据能够实现水合物降压开采时温度场、流场和位移场演化过程的实验模拟工作。其核心技术方案仍是围绕孔隙充填型天然气水合物储层展开的。

目前尚未见关于裂隙型天然气水合物成藏规律、开采过程模拟相关的室内物理模拟实验研究报道，仅有部分研究者根据历次天然气水合物钻探航测的钻探结果提出了用于裂隙型天然气水合物地球物理评价的理论或半理论模型。由于目前的技术限制和相应的基础实验研究做支撑，国内外普遍认为孔隙分散型砂质水合物储层是最佳的优选试采场地，而裂隙型天然气水合物藏则被认为是不具备可采性。但实际上，裂隙型天然气水合物具有高饱和度特征，就其资源量而言，具有非常可观的开采诱惑力。前期全球天然气水合物勘探在美国的墨西哥湾盆地、日本南海海槽、我国西沙海域、韩国的郁龙盆地的沉积物中均发现了裂隙充填型水合物。因此在室内模拟裂隙型天然气水合物成藏、开采过程，为裂隙型天然气水合物的成藏开采一体化过程提供技术储备，对于从能源资源的角度利用裂隙型天然气水合物资源具有重要意义。

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography简称ERT)技术是一种过程参数实时监测技术，是电学层析成像技术的一种，其图像重建过程参考了CT与MRI的数学方法。虽然其测量精度低于CT与MRI测试技术，但是由于其快速、无辐射、成本较低、模拟尺寸大的突出优点，在大尺寸裂隙型天然气水合物合成、分解过程的观测中可能具有较为广阔的应用前景。目前Mike Priegnitz等少部分研究者已经将其用于砂质孔隙充填型天然气水合物分解过程测量，虽然目前显示其应用过程中还存在某些细节问题需要进一步完善，但其在水合物快速测量过程中的应用前景却毋庸置疑。

发明内容

本发明所述裂隙型天然气水合物动态监测装置，在于解决上述现有技术存在问题而基于室内实验条件下，针对裂隙型天然气水合物生成、分解过程模拟实时快速测量，以总结出裂隙型天然气水合物成藏规律、并为裂隙型水合物开采过程提供关键控制要点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：包括反应釜、高压供气瓶组、气体回收罐、采集与处理系统和低温恒温气浴室，反应釜置于低温恒温气浴室内，并分别与高压供气瓶组、气体回收罐连通，反应釜通过低温电缆与采集与处理系统电连接，所述的反应釜包括反应釜本体，反应釜本体内腔填充沉积物介质，沉积物介质内设有模拟裂隙层；反应釜本体的两端分别设有下端盖和上端盖，下端盖上设有与反应釜本体内腔相连通的气体入口，气体入口连接高压供气瓶组，上端盖上设有与反应釜本体内腔相连通的气体出口，气体出口连接气体回收罐；反应釜本体内腔沿轴向至少设有两组成像测量电极，成像测量电极通过低温电缆与采集与处理系统电连接；成像测量电极对应的反应釜本体外侧设置电极屏蔽筒。

针对目前室内测量沉积物中水合物空间分布规律效率低及裂隙型天然气水合物无相应测量手段的不足，提出一种既能控制温度压力条件又能满足裂隙型水合物电阻率层析成像测量的专用实验装置，以达到对于不同裂隙空间分布、裂隙几何尺寸条件下的含裂隙沉积物中水合物合成、分解过程模拟实验要求，最终获取不同裂隙条件、不同气体渗漏条件下水合物的生长规律、分解规律的基础数据，为识别水合物优先生长位置及优先分解位置、以及为裂隙型天然气水合物的成藏、开采过程研究提供有效的探测手段和理论基础。

常规天然气水合物测试高压反应釜都由单一金属材质加工而成。本发明所述的反应釜本体整体采用耐压尼龙材料；或反应釜本体整体采用合金材料，反应釜本体内腔设置内筒，内筒采用耐压尼龙材料，内筒内填充沉积物介质；或反应釜本体由耐压尼龙短节和合金短节连接构成，耐压尼龙短节的两端分别连接合金短节，两个合金短节的另一端分别连接上端盖和下端盖，耐压尼龙短节内填充沉积物介质。本发明通过该结构，巧妙的解决了常规单一金属材质高压反应釜无法绝缘电阻层析成像电极片的缺点，并且能够满足裂隙型水合物模拟过程。

特别地，每组成像测量电极沿反应釜本体同一圆周方向间隔设置，每个成像测量电极的长宽比为(1.5:1)-(2:1)，同组相邻成像测量电极的间距为成像测量电极宽度的2倍。

相邻两组成像测量电极的中间位置设置一个单独的电极片，以作为屏蔽电极；不同组成像测量电极之间的间距至少为成像测量电极长度的2倍以上。

进一步地，在所述上端盖的内壁上，安装有气体稳流器；在所述下端盖的内壁上，安装有气体缓冲器。气体稳流器实现气体通过反应釜本体过程中压力均衡；气体缓冲器为防止水分流入进气管路、以及保证从气体入口流入的气体能均匀的渗入上部沉积物。

为提高密封性能，所述反应釜上、下端盖与反应釜本体之间采用三重密封，即反应釜本体分别与上端盖、下端盖之间，在径向端面上设置有径向密封环，在轴向端面上设置有轴向密封环。

所述电极屏蔽筒上设有成像接线孔，低温电缆通过成像接线孔引入反应釜本体内并连接成像测量电极。

进一步地，所述低温电缆为(n+1)芯，其中n芯连接同组的成像测量电极，1芯为接地线；连接各组成像测量电极的低温电缆，其接地线连接同一个公用的接地电极。微型航空插头在反应釜外围连接低温电缆，微型航空插头和低温电缆采用屏蔽涂层屏蔽，以减小测量过程中不同电极之间的电极干扰。

在反应釜本体内填充有沉积物介质和模拟裂隙层，模拟裂隙层的宽度等于反应釜本体内径，模拟裂隙层的长度不小于电极屏蔽筒的长度，模拟裂隙层的缝宽根据实际地层裂缝宽度确定，位于0.2mm-5mm之间。

针对所述模拟裂隙层的进一步优化方案是，其长度应不小于，沿反应釜本体轴向、相隔最远的两组成像测量电极径向剖面距离与相隔最近的两组成像测量电极剖面距离之和的2倍。

所述模拟裂隙层为石英砂材料铸造的定型磨具，模拟裂隙层表面润湿性与沉积物介质一致，模拟裂隙模型的宽度等于反应釜本体的内径，其长度等于相隔最远的两组成像测量电极之间的距离与相隔最近的两组成像测量电极剖面之间的距离2倍之和，即保证模拟裂隙层的长度范围覆盖所有的电极测量范围的情况下，向电极两端各延伸一个剖面间距。

更进一步地，为了模拟实际地层中不同裂隙中水合物的生长、分解情况，所述的模拟裂隙层可优选弧型等间隙、线型等间隙、纵向变间隙或径向变间隙等具体形状，模拟裂隙层在反应釜中的安装切斜角度可以根据实际所需模拟的裂隙类型选取。

在应用上述裂隙型天然气水合物动态监测装置的基础上，基于相同的设计构思，本技术实现了一种新的裂隙型天然气水合物动态监测方法。其核心是：在室内实验条件下模拟裂隙型天然气水合物动态变化，通过所述成像测量电极进行电阻率场测量，采用相邻电流激励与相邻电压测量模式进行电流激励与电压测量，即有效测量电压值经过转换得到剖面处的电导率场值并经电阻层析成图算法得到该剖面处的电导率场图，不同剖面位置处的电导率场图叠加以得到整个反应釜内部裂隙型沉积物电导率场的三维变化规律，最终实时评价气体渗漏条件下裂隙型天然气水合物的生长分解全过程。

基于上述裂隙型天然气水合物动态监测装置及其专用的图像重建算法，模拟并测量裂隙型天然气水合物动态变化的过程包含如下步骤：

(1)校准成像测量电极测点，校准温度、压力测点；

(2)采用内径比反应釜本体小的硬质塑料桶磨具，填装饱和地层孔隙水沉积物、模拟裂隙层，并冷冻成型；

(3)将冷冻成型的沉积物介质和模拟裂隙层装入反应釜，化冰，压实，补充沉积物使沉积物填满反应釜本体内部空间；

(4)连接反应釜下端盖、气体缓冲器、气体稳流器、反应釜上端盖，将反应釜放置在低温恒温气浴室，降温至预定温度条件；

(5)依次连接高压供气瓶组、反应釜、气体回收罐、采集与处理系统；

(6)调节高压供气瓶组，使甲烷气以恒定的渗流通量进入反应釜本体，控制出气口阀门，使反应釜本体内部压力维持在预定压力条件；

(7)测量当前三维电导率场分布，进行图像重建，作为初始电导率场基准值；

(8)持续步骤(6)至(7)，同时采集电导率场数据，并实时做图像重建，根据图像的变化规律，实时分辨和识别水合物的生成位置、生成量；

(9)当步骤(8)中的电导率场维持不变时，说明水合物合成完毕；

若上述步骤完成后，还需要进行裂隙型天然气水合物分解规律观测，则转入步骤(10)，否则，停止实验；

(10)停止气体通入，关闭气体入口阀门，控制气体出口恒定的压力值，实时采集三维电导率场数据并做图像重建，观察一定压降条件下裂隙型水合物分解阵面的演化规律；

(11)结束实验。

上述基本方案，能够适应于裂隙型天然气水合物生成、分解过程实时监测过程，为了实时判断水合物的空间位置变化情况，本发明一并提供一种电阻层析成图算法。其直观意义是基于若干个成像测量电极四点法测量层析成像结果的图像重建，即采用二次函数近似代替目标函数以求出该二次函数的极小点，作为目标函数的近似解。所述的电阻层析成像算法包含以下实施步骤：

(1)预设初始电阻率分布ρ⁽⁰⁾，进入迭代；

(2)求解正问题获得边界电压计算值假设第k步迭代的电阻率分布估计值为ρ^(k)，计算正问题得到V^(k)，此处假定V^(k)是ρ^(k)的非线性函数；

(3)进行迭代次数判别k≥n，决定是否终止迭代，判别为“是”时，输出ρ^(k)；

(4)判别为“否”时，进行ρ^(k)修正，ρ^(k)→ρ^(k+1)＝ρ^(k)+Δρ^(k+1)，其中Δρ^(k+1)通过用二次函数替代目标函数求解最小值近似获得；二次函数取ρ^(k+1)使其取最小值；对二次函数求导令其为0，得φ'(ρ)＝[f'(ρ)]^T(f(ρ)-V₀)，令φ'(ρ^(k+1))＝0。

综上内容，本发明裂隙型天然气水合物动态监测装置及方法具有以下优点：

1、将电阻层析成像技术应用于岩心尺度的裂隙型天然气水合物生成、分解全过程测量，不仅能够从宏观上观察不同裂隙空间分布条件下水合物成藏过程，而且能为裂隙型天然气水合物的开采过程提供基础数据，为裂隙型天然气水合物地球物理资料解释、试采开发提供前瞻性数据支撑。

2、能够满足大尺寸范围内裂隙型天然气水合物生成、分解过程的演化规律，克服CT、低场核磁等测试样品尺寸小、无法反应宏观变化规律的弱点；

3、测量速度快，成像反演快，克服常规测量手段测试周期长，无法连续记录天然气水合物分解瞬时变化过程的缺陷；

4、图像重建算法克服了常规电阻层析成像的逆问题不适定性和非线性制约造成的图像重建精度低的弱点，有利于精确的观测天然气水合物生成、分解的优先发生未知。

所申请的反应釜能够满足水合物沉积物试样原位形成要求，能够通过控制不同的气体通量、裂隙几何形状及气体渗漏方向与裂隙倾角之间的关系，达到实际地层裂隙型天然气水合物成藏过程、开采过程模拟的有益效果。

附图说明

图1是所述裂隙型天然气水合物动态监测装置的示意图；

图2是实施例一所述反应釜的剖面结构示意图；

图3是成像测量电极布局示意图；

图4是实施例一模拟裂隙层示意图；

图5是实施例二模拟裂隙层示意图；

图6是实施例三模拟裂隙层示意图；

图7是实施例四模拟裂隙层示意图；

图8是所述裂隙型天然气水合物动态监测方法流程图；

图9是图像重建算法流程图；

图10是实施例五所述反应釜的剖面结构示意图；

图11是实施例六所述反应釜的剖面结构示意图；

如图1至图11所示，1-反应釜；2-高压供气瓶组；3-气体回收罐；4-采集与处理系统；5-低温电缆；6-低温恒温气浴室；7-上端盖；8-反应釜本体；8-1-内筒；8-2-耐压尼龙短节；8-3-合金短节；9-电极屏蔽筒；10-1#成像接线孔；11-2#成像接线孔；12-1#成像测量电极，13-2#成像测量电极；14-下端盖；15-气体入口；16-气体缓冲器；17-径向密封环；18-轴向密封环；19-气体稳流器；20-气体出口；21-沉积物介质；22-模拟裂隙层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

所述裂隙型天然气水合物动态监测装置主要包括有：

反应釜1、高压供气瓶组2、气体回收罐3、采集与处理系统4和低温恒温气浴室6，反应釜1置于低温恒温气浴室6内，并分别与高压供气瓶组2、气体回收罐3连通，反应釜1通过低温电缆5与采集与处理系统4电连接，所述的反应釜1包括反应釜本体8，反应釜本体8内腔填充沉积物介质5，沉积物介质5内设有模拟裂隙层22；反应釜本体8的两端分别设有下端盖14和上端盖7，下端盖14上设有与反应釜本体内腔相连通的气体入口15，气体入口15连接高压供气瓶组2，上端盖7上设有与反应釜本体内腔相连通的气体出口20，气体出口20连接气体回收罐3；反应釜本体8内腔沿轴向至少设有两组成像测量电极12，成像测量电极12通过低温电缆5与采集与处理系统4电连接；成像测量电极12对应的反应釜本体外侧设置电极屏蔽筒9。

与反应釜1相连接的常规管线及减压阀、质量流量控制器、高精度压力传感器，实验过程中，通过减压阀和质量流量控制器的配合调节，按照固定的流量和入口压力向反应釜1中供给甲烷气体。

所述气体回收罐3选用大容积活塞容器，通过活塞在回收罐内部的上下移动实现反应釜1出口压力控制，使通过高压供气瓶组2通入反应釜1内的甲烷气体按一定的流速在裂隙型沉积物介质21中形成稳定的气体渗漏条件；气体回收罐3可包含一个液体分离口，当回收罐中液体堆积量达到一定量时，可以通过液体分离口排出，分离后的纯甲烷气体回收利用，避免甲烷排放。

所述低温恒温气浴室6选用常规低温恒温箱，温度控制范围-10℃～20℃，控温精度±1℃。

所述采集与处理系统4是裂隙型天然气水合物生成、分解过程实时动态监测的处理中心，主要包含低温电缆5、成像测量电极、采集软件、图像重现软件及采集计算机等。低温电缆5是连接反应釜1与采集计算机，并实现电阻率测量和数据通讯的关键部件，耐低温-10℃以下。

在反应釜本体的内壁安装有2组、每组16个均匀分布的成像测量电极；每组成像测量电极12沿反应釜本体同一圆周方向间隔设置，每个成像测量电极的长宽比为2:1，同组相邻成像测量电极的间距为成像测量电极宽度的2倍。

所述成像测量电极采用绝缘耐压瓷性材料固定，紧贴在反应釜本体内壁，各测点之间及测点与反应釜内壁之间绝缘，测量电极测点为长宽比例1:2的长方形铜质电极片，各测点之间的间距为测点宽度的1.5倍；16个电极测点同时测量可以得到电极所在平面内电阻率场的分布。

在反应釜本体8外周设置有环状的电极屏蔽筒9，通过电极屏蔽筒9上的成像接线孔将低温电缆5引入反应釜本体8并连接成像测量电极；所述电极屏蔽筒9为内部安装绝缘材料的环状结构，电极屏蔽筒9的长度保证能够覆盖内部电极测点的测量范围，屏蔽测量过程中周围关键对内部电极测量结果的扰动。

所述低温电缆5为17芯，其中16芯连接同组的成像测量电极，1芯为接地线；连接各组成像测量电极的低温电缆5，其接地线连接同一个公用的接地电极。

在反应釜本体8填充有沉积物介质21和模拟裂隙层22，模拟裂隙层22的宽度等于反应釜本体8内径，模拟裂隙层22的长度不小于电极屏蔽筒9的长度。

反应釜本体8整体采用耐压尼龙材料，耐压15MPa；上、下端盖与反应釜本体之间采用螺栓连接，每个端面采用6个螺栓连接。

所述反应釜上端盖7设置气体出口20，气体出口20连接卡套压帽，通过管线与气体回收罐3连接，反应釜上端盖7内壁安装气体稳流器19；所述气体稳流器19为特制的烧结多孔滤芯，透气不透水，安装气体稳流器19的主要作用是，一方面保证气体向上渗漏过程中不会因为在沉积物介质21中形成某一条气体快速通路而冲垮沉积物介质21，另一方面防止沉积物介质21不会被气体携带出反应釜本体8，保证沉积物介质21的完整性。

所述反应釜下端盖14设置有气体入口15，气体入口15连接卡套压帽，通过管线与高压供气瓶组2连接，反应釜下端盖14内壁安装气体缓冲器16；所述气室缓冲器16的出口，具有半透膜多孔板的气体空腔。半透膜多孔板透气不透水，一方面防止反应釜放置的过程中沉积物介质21中的原有水分流入进气管路，另一方面保证从气体入口15流入的气体能均匀的渗入上部沉积物介质21，以达到模拟实际地层气体渗漏条件的目的。气体缓冲器16内部始终保持一定压力的气体，保证均匀渗漏条件的形成与模拟。

所述的反应釜本体8分别与上端盖7、下端盖14之间，在径向端面上设置有径向密封环17，在轴向端面上设置有轴向密封环18。

在反应釜本体8填充有沉积物介质21和模拟裂隙层22，所述模拟裂隙层22为石英砂材料铸造的定型磨具，模拟裂隙层22表面润湿性与沉积物介质21一致。

模拟裂隙层22的宽度等于反应釜本体8内径，模拟裂隙层22的长度不小于电极屏蔽筒9的长度。

如图4所示，为了模拟实际地层中不同裂隙中水合物的生长、分解情况，所述模拟裂隙层22是弧型等间隙，模拟裂隙层22在反应釜本体8中的安装切斜角度可以根据实际所需模拟的裂隙类型选取。

所述模拟裂隙层22的长度不小于，沿反应釜本体钛合金短节8轴向、相隔最远的两组成像测量电极径向剖面距离与相隔最近的两组成像测量电极剖面距离之和的2倍。即保证模拟裂隙模型的长度范围覆盖所有的电极测量范围的情况下，向电极两端各延伸一个电极剖面间距。以整个反应釜安装两层成像测量电极为例，若两层成像测量电极之间的距离为5cm，则模拟裂隙层的垂向长度应为5+2×5＝15cm，以整个反应釜安装三层成像测量电极为例，若两层成像测量电极之间的距离为4cm，则模拟裂隙层的垂向长度应为8+2×4＝16cm。

沿反应釜本体8的轴向，所述成像测量电极安装有2层，则可以测量反应釜内部不同高度剖面处的电阻率场，通过不同高度位置电阻率场的叠加获得电阻率场纵向分布规律，获取沉积物介质21中电阻率场的三维变化结果。

所述成像测量电极在反应釜本体8内部的安装位置能被电极屏蔽筒高度范围覆盖，且尽可能安装于反应釜本体8中部，距离反应釜本体8两端面位置的距离大于不同高度剖面处测量电极之间的距离。

所述成像测量电极采用四点法进行电阻率场测量，采用相邻电流激励与相邻电压测量模式进行电流激励与电压测量，即采用任意两个相邻的电极测点作为激励，同时采集其他14个相邻电极测点之间的电压值，一共得到13个测量电压。然后变换激励电极，一共有8种激励电极排列，因此测量一周总共获得104个有效测量电压值；

上述得到的104个有效测量电压值经过转换，得到剖面处的电导率场值，电导率场值经过一定的图像重建算法，可以得到某一剖面位置的电导率场图。不同剖面位置处的电导率场图叠加，可以得到整个反应釜本体8内部裂隙型沉积物介质21电导率场的三维变化规律，可以利用三维电导率场的变化范围来实时评价气体渗漏条件下裂隙型天然气水合物的生长、分解过程。

基于上述裂隙型天然气水合物动态监测装置的应用，本申请所述动态监测方法是在室内实验条件下模拟裂隙型天然气水合物动态变化，通过所述成像测量电极进行电阻率场测量，采用相邻电流激励与相邻电压测量模式进行电流激励与电压测量，即有效测量电压值经过转换得到剖面处的电导率场值并经电阻层析成图算法得到该剖面处的电导率场图，不同剖面位置处的电导率场图叠加以得到整个反应釜内部裂隙型沉积物电导率场的三维变化规律，最终实时评价气体渗漏条件下裂隙型天然气水合物的生长分解全过程。

如图8和图9所示，基于裂隙型天然气水合物储层、采用电阻层析成像图像重建算法，进行弧型等间隙裂隙存在条件下地层中天然气水合物形成过程的监测方法如下：

(1)检测1#成像测量电极12和2#成像测量电极13与低温电缆5之间的连接，确保线路准确连接，将低温电缆5分别穿过1#成像接线孔10和2#成像接线孔11，用螺栓连接电极屏蔽筒9和反应釜本体8连接；

(2)通过支架调整反应釜本体8的姿态，连接反应釜下端盖14与气体缓冲器16、安装气体入口15与反应釜下端盖14之间的卡套压帽，在反应釜本体端部环形沟槽内安装端部密封环18，在反应釜上下两个端盖侧壁环形沟槽内安装密封环17，然后用螺栓将反应釜本体8与反应釜下端盖14连接并固定；

(3)采用内径比反应釜本体小1.5mm的硬质塑料桶磨具，填装饱和地层孔隙水(盐水)沉积物21、模拟裂隙层22，冷冻成型；

(4)竖立反应釜本体8，使气体入口15置于下端，将冷冻成型的沉积物样品(含模拟裂隙层)转移至反应釜8内部，解冻，待样品融化后压实，用饱和地层孔隙水(盐水)的沉积物介质21补充压实产出的多余空间；

(5)安装上反应釜上端盖7、气体稳流器19及气体出口20，用螺栓连接反应釜本体8与反应釜上端盖7；

(6)连接反应釜1、高压供气瓶组2及气体回收罐3之间的管路，调通管路阀门；通过低温电缆5使反应釜1与采集与处理系统4建立数据通讯，反应釜1置于低温恒温气浴室6，降温至2℃；

(7)调节高压供气瓶组2的减压阀、质量流量控制器，使气体缓慢均匀进入气体缓冲器16，然后沿沉积物介质21向上形成稳定渗漏，记录稳定气体渗漏条件下，形成水合物之前的沉积物电阻成像剖面，基于本文所提出的图像重建算法绘制初始电导率场分布图；

(8)与步骤(7)同时，控制气体出口20的阀门，使沉积物介质21及模拟裂隙模型22内部的气体平均压力在6.5MPa之间；

(9)步骤(8)过程中，每隔1min记录电阻成像剖面变化规律，基于本申请所提出的图像重建算法，绘制初始电导率场分布图，通过电导率场图识别水合物的优先生成位置及生长过程；

(10)步骤(7)-(9)过程中，始终保持稳定的气体渗漏速率，直到电导率场图基本维持恒定，说明水合物生成完毕。

如图5和图6所示，基于上述天然气水合物形成过程的监测步骤，天然气水合物降压开采、分解过程的监测步骤如下：

停止气体通入，关闭气体入口15的阀门，控制在气体出口20恒定的压力值，实时采集三维电导率场数据并做图像重建，观察一定压降条件下裂隙型水合物分解阵面的演化规律。

所述电阻层析成图算法，是基于若干个成像测量电极四点法测量层析成像结果的图像重建，即采用二次函数近似代替目标函数以求出该二次函数的极小点，作为目标函数的近似解；其包含以下实施步骤，

(1)预设初始电阻率分布ρ⁽⁰⁾，进入迭代；

(2)求解正问题获得边界电压计算值假设第k步迭代的电阻率分布估计值为ρ^(k)，计算正问题得到V^(k)，此处假定V^(k)是ρ^(k)的非线性函数；

(3)进行迭代次数判别k≥n，决定是否终止迭代，判别为“是”时，输出ρ^(k)；

(4)判别为“否”时，进行ρ^(k)修正，ρ^(k)→ρ^(k+1)＝ρ^(k)+Δρ^(k+1)，其中Δρ^(k+1)通过用二次函数替代目标函数求解最小值近似获得。二次函数取ρ^(k+1)使其取最小值。对二次函数求导令其为0，得φ'(ρ)＝[f'(ρ)]^T(f(ρ)-V₀)，令φ'(ρ^(k+1))＝0。

实施例二

如图5所示，为了模拟实际地层中不同裂隙中水合物的生长、分解情况，所述模拟裂隙层22是线型等间隙，模拟裂隙层22在反应釜本体8中的安装切斜角度可以根据实际所需模拟的裂隙类型选取。

其它同实施例一。

实施例三

如图6所示，为了模拟实际地层中不同裂隙中水合物的生长、分解情况，所述模拟裂隙层22是纵向变间隙，模拟裂隙层22在反应釜本体8中的安装切斜角度可以根据实际所需模拟的裂隙类型选取。

其它同实施例一。

实施例四

如图7所示，为了模拟实际地层中不同裂隙中水合物的生长、分解情况，所述模拟裂隙层22是径向变间隙，模拟裂隙层22在反应釜本体8中的安装切斜角度可以根据实际所需模拟的裂隙类型选取。

其它同实施例一。

实施例五

如图10所示，反应釜本体8整体采用合金材料，反应釜本体8内腔设置内筒8-1，内筒8-1采用耐压尼龙材料，内筒8-1内填充沉积物介质5。

其它同实施例一。

实施例六

如图11所示，反应釜本体8由耐压尼龙短节8-2和合金短节8-3连接构成，耐压尼龙短节8-2的两端分别连接合金短节8-3，两个合金短节8-3的另一端分别连接上端盖7和下端盖，耐压尼龙短节8-2内填充沉积物介质5。

其它同实施例一。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (10)

1.一种裂隙型天然气水合物动态监测装置，包括反应釜(1)、高压供气瓶组(2)、气体回收罐(3)、采集与处理系统(4)和低温恒温气浴室(6)，反应釜(1)置于低温恒温气浴室(6)内，并分别与高压供气瓶组(2)、气体回收罐(3)连通，反应釜(1)通过低温电缆(5)与采集与处理系统(4)电连接，其特征在于：所述的反应釜(1)包括反应釜本体(8)，反应釜本体(8)内腔填充沉积物介质(5)，沉积物介质(5)内设有模拟裂隙层(22)；反应釜本体(8)的两端分别设有下端盖(14)和上端盖(7)，下端盖(14)上设有与反应釜本体内腔相连通的气体入口(15)，气体入口(15)连接高压供气瓶组(2)，上端盖(7)上设有与反应釜本体内腔相连通的气体出口(20)，气体出口(20)连接气体回收罐(3)；反应釜本体(8)内腔沿轴向至少设有两组成像测量电极(12)，成像测量电极(12)通过低温电缆(5)与采集与处理系统(4)电连接；成像测量电极(12)对应的反应釜本体外侧设置电极屏蔽筒(9)。

2.根据权利要求1所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，每组成像测量电极(12)沿反应釜本体同一圆周方向间隔设置，同组相邻成像测量电极的间距为成像测量电极宽度的2倍，每个成像测量电极的长宽比为(1.5:1)-(2:1)。

3.根据权利要求2所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，相邻两组成像测量电极的中间位置设置一个单独的电极片，以作为屏蔽电极；不同组成像测量电极之间的间距至少为成像测量电极长度的2倍以上。

4.根据权利要求1所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，在所述上端盖(7)的内壁上，安装有气体稳流器(19)；在所述下端盖(14)的内壁上，安装有气体缓冲器(16)。

5.根据权利要求3或4所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，反应釜本体(8)整体采用耐压尼龙材料；或反应釜本体(8)整体采用合金材料，反应釜本体(8)内腔设置内筒(8-1)，内筒(8-1)采用耐压尼龙材料，内筒(8-1)内填充沉积物介质(5)；或反应釜本体(8)由耐压尼龙短节(8-2)和合金短节(8-3)连接构成，耐压尼龙短节(8-2)的两端分别连接合金短节(8-3)，两个合金短节(8-3)的另一端分别连接上端盖(7)和下端盖(8)，耐压尼龙短节(8-2)内填充沉积物介质(5)。

6.根据权利要求5所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，所述电极屏蔽筒(9)上设有成像接线孔(10)，低温电缆(5)通过成像接线孔(10)引入反应釜本体内并连接成像测量电极(12)。

7.根据权利要求5所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，所述模拟裂隙层(22)在反应釜本体(8)内壁上切斜安装，模拟裂隙层(22)采用弧型等间隙、线型等间隙、纵向变间隙或径向变间隙的结构。

8.根据权利要求5所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置，其特征在于，所述的反应釜本体(8)分别与上端盖(7)、下端盖(14)之间，在径向端面上设置有径向密封环(17)，在轴向端面上设置有轴向密封环(18)。

9.一种应用上述任一权利要求所述的裂隙型天然气水合物动态监测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)校准成像测量电极测点，校准温度、压力测点；

(2)采用内径比反应釜本体小的硬质塑料桶磨具，填装饱和地层孔隙水沉积物介质、模拟裂隙层，并冷冻成型；

(3)将冷冻成型的沉积物介质和模拟裂隙层装入反应釜，化冰，压实，补充沉积物使沉积物填满反应釜本体内部空间；

(4)连接反应釜下端盖、气体缓冲器、气体稳流器、反应釜上端盖，将反应釜放置在低温恒温气浴室，降温至预定温度条件；

(5)依次连接高压供气瓶组、反应釜、气体回收罐、采集与处理系统；

(6)调节高压供气瓶组，使高压供气瓶组内的甲烷气以恒定的渗流通量进入反应釜本体，控制出气口阀门，使反应釜本体内部压力维持在预定压力条件；

(7)通过成像测量电极，测量当前三维电导率场分布，进行图像重建，作为初始电导率场基准值；

(8)持续步骤(6)至(7)，同时采集电导率场数据，并实时做图像重建，根据图像的变化规律，实时分辨和识别水合物的生成位置、生成量；

(9)当步骤(8)中的电导率场维持不变时，说明水合物合成完毕；

若上述步骤完成后，还需要进行裂隙型天然气水合物分解规律观测，则转入步骤(10)，否则，停止实验；

(10)停止气体通入，关闭气体入口阀门，控制气体出口恒定的压力值，实时采集三维电导率场数据并做图像重建，观察一定压降条件下裂隙型水合物分解阵面的演化规律；

(11)结束实验。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)、步骤(8)、步骤(10)中的图像重建采用电阻层析成图算法，其基于若干个成像测量电极四点法测量层析成像结果的图像重建，采用二次函数近似代替目标函数以求出该二次函数的极小点，作为目标函数的近似解，其包含以下实施步骤，

(1)预设初始电阻率分布ρ⁽⁰⁾，进入迭代；

(2)求解正问题获得边界电压计算值假设第k步迭代的电阻率分布估计值为ρ^(k)，计算正问题得到V^(k)，此处假定V^(k)是ρ^(k)的非线性函数；

(3)进行迭代次数判别k≥n，决定是否终止迭代，判别为“是”时，输出ρ^(k)；

(4)判别为“否”时，进行ρ^(k)修正，ρ^(k)→ρ^(k+1)＝ρ^(k)+Δρ^(k+1)，其中Δρ^(k+1)通过用二次函数替代目标函数求解最小值近似获得；二次函数取ρ^(k+1)使其取最小值；对二次函数求导令其为0，得φ'(ρ)＝[f'(ρ)]^T(f(ρ)-V₀)，令φ'(ρ^(k+1))＝0。