CN109162708B - 一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，属于天然气水合物领域，包括反应釜、监测系统、供气系统、控温系统和数据采集系统；本发明一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，可以监测水合物分解时三维空间储层参数变化，即利用实验装置对水合物开采过程的随机特性进行模拟研究，以得到开采点及周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度变化情况。通过统计分析和空间相关性分析之后得到反映全研究区的三维的参数(热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含天然气水合物饱和度)的分布情况，为天然气水合物资源勘探和开采提供必要的参数和依据。

Description

一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置

技术领域

本发明属于天然气水合物领域，具体涉及一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置。

背景技术

天然气水合物是由水和一些相对较小的气体分子(如甲烷气体、二氧化碳等)在理想的温度和压强下结合而成的非计量晶状固体物质。据估计全球天然气水合物中有机碳的含量是现今己探明的化石能源中碳含量的两倍，而且燃烧后几乎不产生任何污染环境的物质。因此，高效、安全地对其进行商业开采已成为热点。自然界发现的水合物大部分存在于海底未固结的松散沉积物中，水合物开采过程的实质就是使水合物分解产生天然气，相应的储层温度、压力、孔隙度和渗透率都会发生变化，因而会有可能引发一系列的地质问题。

松散沉积物中水合物的生成与分解过程的研究有利于揭示沉积物中水合物形成机理、水合物与沉积物颗粒间接触机制。研究分析水合物分解(开采)过程中开采点及其周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度变化情况，对水合物的进一步勘探和开采有重要意义。在现阶段的研究中，一直都是针对水合物进行一维方向上的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度的测量，但是一维方向并不能反映在水合物开采过程中开采点整个区域的状态变化，因此无法预测水合物在开采过程中周围储层参数的变化，也就无法为天然气水合物的大规模勘探和开采提供必要的参数和依据。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，包括反应釜、监测系统、供气系统、控温系统和数据采集系统；

反应釜的表面均匀分布有26根毛细管路，其与反应釜的腔体内部相通；反应釜的顶端设置有直通管，其上部伸出反应釜外一段长度，连接有第一压力表；其内部中空，用于流经气体或液体；其底端深入反应釜的内部至腔体中心处；直通管连接有平流泵，平流泵连接有液体容器；

监测系统，包括27套热—TDR探针、27套温度传感器、27套压力传感器和27套电阻率测量单元；其中，在反应釜的腔体中心处安装1套热—TDR探针、1套温度传感器、1套压力传感器和1套电阻率测量单元；其余26套热—TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元分别安装在26根毛细管路的末端中心轴线处；即总共有27个监测点，对每一根毛细管路按照自上而下，由左向右进行编号，编号为Mi，其中i＝1,2,...,26，反应釜中心检测点标号为C；

供气系统，被配置为用于为水合物形成提供稳定的可计量的气源，包括甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表和单向阀，甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表、单向阀通过管路依次连接，单向阀通过管路分别连接至第一压力表和平流泵；

控温系统，包括步入式自动控温箱，反应釜通过反应釜支架置于步入式自动控温箱中；第一压力表、热—TDR探针、直通管、毛细管路、电阻率测量单元和毛细管路都置于步入式自动控温箱中；

数据采集系统，包括计算机和CR100电子采集仪；计算机，是数据采输的终端，装有CR100电子采集仪控制软件，被配置为用于对CR100电子采集仪的控制和实验数据进行存储和处理；CR100电子采集仪，被配置为用于实时采集数据并将数据传输到计算机；CR100电子采集仪通过线路连接有脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪，脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪分别通过线路与热-TDR探针连接；

优选地，反应釜为圆球状，采用304不锈钢研制而成，内径25cm，耐压20MPa。

优选地，反应釜和毛细管路均填充有沉积物颗粒。

优选地，每一条毛细管路均是任意弧度弯曲而成。

优选地，步入式自动控温箱的工作温度范围为233.15～333.15K，恒温波动度为±0.1K，数字显示设置温度和实际温度，分辨率均为0.1K。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，可以监测水合物分解时三维空间储层参数变化，即利用实验装置对水合物开采过程的随机特性进行模拟研究，以得到开采点及周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度变化情况。通过统计分析和空间相关性分析之后得到反映全研究区的三维的参数(热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含天然气水合物饱和度)的分布情况，为天然气水合物资源勘探和开采提供必要的参数和依据。

附图说明

图1为本发明实验监测装置的结构示意图。

图2为毛细管路细节图。

图3为反应釜立体结构图。

图4为反应釜xoy平面图。

图5为反应釜yoz平面图。

图6为反应釜xoz平面图。

其中，1-计算机；2-CR100电子采集仪；3-热脉冲发射系统；4-TDR—100时域反射仪；5-单向阀；6-第二压力表；7-稳压阀；8-甲烷气瓶；9-平流泵；10-液体容器；11-第一压力表；12-热-TDR探针；13-直通管；14-毛细管路；15-反应釜；16-电阻率测量单元；17-步入式自动控温箱；18-反应釜支架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，由沉积物空间水合物生成(分解)反应釜15、监测系统、供气系统、控温系统、数据采集系统等组成。

沉积物水合物生成(分解)反应釜15为圆球状，采用304不锈钢研制而成，内径25cm，耐压20MPa，其顶端设置有一直通管13，管路深入球型反应釜15的内部至腔体中心处，该管路可通气体或液体；球体表面均匀分布有26根毛细管路14与反应釜15的腔体内部相通。反应釜15和毛细管路14均填充沉积物颗粒，反应气体和液体进入反应釜15以后，会自主进入毛细管路14，从而完成沉积物水合物的生成实验。在液体容器10内放置热蒸馏水或高浓度热盐水，通过平流泵9向直通管13输送液体，使液体进入反应釜15的中心处，从而模拟使用注热法进行水合物分解的实验。

反应釜的具体设计为：

球体表面均匀分布连接26根毛细管路14与反应釜15的腔体内部相通。毛细管路14分布如图3、图4、图5、图6所示，设球状反应釜15的半径为R，以球心O为原点建立空间坐标系，这样首先就有xoy平面，xoz平面，yoz平面，在三个二维平面中，每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路14，现球状反应釜15被xoz平面和yoz平面平均分成四瓣，为了使实验数据更加精确，再引入平面a和平面b，将球状反应釜15均匀分割为8瓣，在平面a、b每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路14，所述平面a、b与xoz平面，yoz平面空间夹角为45°。所有点确定以后，表现在球面为26个点，即引出26根毛细管路14。

毛细管路14并非直管路，而是每一条毛细管路均是任意弧度弯曲而成，用以模拟毛细水合物沉积物中空隙走向状态。

直通管13位于球状反应釜15的顶端，上部伸出反应釜15外一段长度，并设有阀门，内部中空，可以流经气体或液体，底端深入反应釜15的腔体中心处。

监测系统：在水合物生成实验和分解实验过程中，反应釜15腔体内各个方向存在不同的实验特征。即采用多种监测手段(热-TDR探针12，温度传感器、压力传感器、电阻率测量单元16)分析26个不同方位的毛细管路14处和反应釜15中心处，共27个监测点处的水合物生长(分解)过程中温度、压力、热导率、饱和度及电阻率的变化规律，然后根据各个方位上毛细管路14的参数变化规律分析以圆球形反应釜区域沉积物水合物在不同方向上的分解特性，可以为沉积物水合物实际开采时提供重要的理论基础。

各种监测技术(热—TDR探针12，温度传感器、压力传感器、电阻率测量单元16)的设计综合考虑了反应釜15腔体的不同方位，获得一个三维立体方向上的热导率、饱和度、温度、压力和电阻率等参数。总的布局原则：由反应釜中心向反应釜表面辐射，反应釜中心安装1套热-TDR探针12、1套温度传感器、1套压力传感器和1套电阻率测量单元16；其余26套热-TDR探针12、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元16分别安装在26根毛细管路14的末端中心轴线处。即总共有27个监测点，分别为26根毛细管末端以及反应釜中心，从而对每一根毛细管路按照自上而下，由左向右进行编号，编号为Mi，其中i＝1,2,...,26，反应釜中心检测点标号为C。

监测手段的具体实施方案

在直通管13的底部，即反应釜15的球心处，竖直插入1支热—TDR探针12；在26根毛细管路14末端，沿着管路径向轴心安装热-TDR探针12。热-TDR探针12与热脉冲发射系统3和TDR—100时域反射仪4相连接，热脉冲发射系统3和TDR—100时域反射仪4和CR100电子采集仪2连接，从而可以同时监测沉积物中热导率、孔隙含水量，以及水合物饱和度的变化。

在毛细管路14的两端，分别布置正、负电极，利用外加电源和毫伏表等装置，形成一个电阻率测量单元16，该电阻率测量单元16与CR100电子采集仪2连接，再连接到数据采输的终端计算机1，从而可以使用计算机1监测被测点的电阻率的变化。毛细管路14共有26根，在每根毛细管路14均布置一个电阻率测量单元16，即共有26个。为和毛细管路14的水合物状态形成对比，须在反应釜15的中心处再布置一个电阻率测量单元16，用来监测反应釜15中心处的水合物电阻率的变化。

每个监测点均安装了热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元，并尽可能考虑他们之间的干扰。监测点均匀分布于反应釜15的表面周围，打破了常规反应釜只在某单一位置监测的手段，获得数据单一、不全面的缺点，加上反应釜中心监测点，总共27个监测点，形成了一个空间多维的监测点分布，这样可以很好的监测水合物生成、分解过程中的参数变化，并且可以将反应釜中心的水合物参数与周围各个方位上的水合物参数进行相比较，分析周围各个方位上的水合物的热导率、沉积物孔隙含水量、温度、压力和电阻率的变化规律，从而引申得出：在实际水合物开采过程中，开采点及周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度等储层参数的变化是否存在一定的规律性。

供气系统主要用于为水合物形成提供稳定的可计量的气源。包括甲烷气瓶8、稳压阀7、第一压力表6、单向阀5及相应的阀门和管路。实验时按照要求气体首先通过减压阀稳压阀7达到设定的压力要求，经过单向阀5后进入反应釜15，待反应釜15内气体压力达到设定值，关闭阀门，完成充气。

控温系统采用步入式自动控温箱17进行控制温度。恒温箱工作温度范围为233.15～333.15K，恒温波动度为±0.1K。数字显示设置温度和实际温度，分辨率均为0.1K。反应釜15与毛细管路14处于同一个温度场中，即实验时反应釜15与毛细管路14置于步入式自动控温箱17中。

数据采集系统采用CR100电子采集仪2，将电学、TDR信号、压力传感器、温度传感器等通过转换接头与CR100电子采集仪2进行连接，可以测得间隔时间更短的数据，使采得的数据更加准确；计算机1是数据采输的终端，装有CR100电子采集仪控制软件，主要用于对电子采集仪的控制和实验数据的存储和处理。

实验方法

1、水合物的生成

(1)打开计算机1采集系统，准备开始记录反映时间、温度、压力等参数；

(2)先将反应釜15内腔用蒸馏水清理2-3次，然后将沉积物样品装满反应釜15并加入沉积物孔隙水至饱和状态，使用移液器抽走多余液体后将热-TDR探针12插入沉积物中，并使探针位于反应釜15的中心位置；

(3)对反应釜15进行密封，向反应釜15充入少量实验气体，然后通过排气阀进行放空操作，重复上述操作2-3次，目的是排出反应釜15内的空气，消除空气对水合物反应过程的影响；

(4)向反应釜15内充入纯度为99.99％的高压甲烷气体至实验设定压力7.8MPa，将步入式自动控温箱17温度设定至2℃，等待温度稳定，并静置3个小时，确保气体在液相中达到溶解平衡，然后开始水合物合成；当温度和压力长时间不发生变化时，说明反应过程完成。

(5)通过热-TDR探针12、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元16监测水合物反应过程中热导率、沉积物孔隙含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而可以确定水合物诱导期、生成速率、饱和度以及水合物的各向生长分布情况。所有的数据信号通过CR100电子采集仪2，可以实时采集并传输到计算机1。

水合物开始合成时，压力下降，温度由于水合物生成放热而有小幅度的升高，并随着反应的进行温度逐渐下降，当反应结束时，温度和压力不再发生变化，即当温度和压力长时间不发生变化时，则说明反应过程完成。

热-TDR探针12引导传输过来的电磁波在反应釜15含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜15内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化。水合物合成过程将部分孔隙水由液态转化为固态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈下降趋势；水合物生长并非匀速进行，在反应开始后的第1个小时水合物增长速度较慢，饱和度增加至d₁，在第2个小时表现出快速大量生成的特征，饱和度增加至d₂，而在最后两个小时则是缓慢生长阶段，水合物饱和度增加至d₃，并最终稳定在d₃(d₁＜d₂＜d₃)。

热-TDR探针12向沉积物发送热脉冲。热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化可以通过CR100电子采集仪2准确获得，然后根据瞬态热传导方程，可以计算出热导率，在整个合成过程中，热导率的值呈下降趋势。在水合物开始合成阶段，体系热导率出现小范围的增高；随后在水合物快速大量生产阶段，热导率也相应快速降低；而当水合物生长反应结束阶段，热导率也以较小速率逐渐降低并稳定。

27套电阻率测量单元16与CR100电子采集仪2连接，再连接到数据采输的终端计算机1，从而可以使用计算机1监测被测点的电阻率的变化。电阻率变化能够指示水合物反应过程，其变化特征是反应不同阶段排盐效应、孔隙含水量和孔隙填充方式等多种影响因素共同作用的结果。电阻率的值总体上随着水合物的生成而升高。在水合物刚开始生成的阶段，电阻率会出现降低的趋势或者是缓慢升高的趋势(不同的水合物类型电阻率变化不同)；水合物大量生成后，水合物晶体经过积累和聚集，占据了大量的沉积物孔隙，堵塞了电极间导电液体的流通通道，使得电阻率大幅度升高，并在反应结束后稳定在一定值。

2、水合物的分解

气体水合物分解动力学的研究方法主要有两种：注热法和降压法，其中注热法又分为注热水法和注高浓度热盐水法两种。实验室中进行的气体水合物分解实验，因为要考虑分解过程的易于控制和模型化，一般采用恒压加热法，然而降压法对于工业规模的气体水合物来说更具有技术经济的优势。

降压法：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜15内压力稳定为P₀，此时打开反应釜15的放气阀开始放气，使气压缓慢降低1MPa，此时压力降为P₁，P₁＝P₀-1，然后维持P₁不变，当温度、沉积物孔隙含水量等参数保持不变时，则说明分解过程结束；

(2)通过热-TDR探针12、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元16监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而可以确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况。所有的数据信号通过CR100电子采集仪2，可以实时采集并传输到计算机1。

由于孔隙压力降低导致水合物分解，水合物分解过程中吸热导致其温度降低，当水合物分解完毕后，由于周围传热原因，温度会有略微回升，最后保持不变。

热-TDR探针12引导传输过来的电磁波在反应釜15含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜15内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化。由于水合物不断地分解，沉积物孔隙水由固态转化为液态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈上升趋势，即分解过程中水合物的饱和度不断下降，直至水合物完全分解。

热-TDR探针12向沉积物发送热脉冲。热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化可以通过CR100电子采集仪2准确获得，然后根据瞬态热传导方程，可以计算出热导率。随着水合物的分解，沉积物中孔隙水的含量增加，有效降低了接触热阻，增强了有效导热率。即在水合物分解过程中，热导率的变化趋势应该是上升的，直至分解结束后稳定。

27套电阻率测量单元16与CR100电子采集仪2连接，再连接到数据采输的终端计算机1，从而可以使用计算机1监测被测点的电阻率的变化。电阻率变化能够指示水合物分解过程，其变化特征是分解过程中沉积物孔隙含水量和孔隙填充方式等多种影响因素共同作用的结果。电阻率的值总体上随着水合物的分解而降低。在降压分解过程中，由于水合物分解导致电阻率缓缓下降，但是可能会出现电阻下降不明显的现象，这主要是由于降压分解降低水合物饱和度，但是并未降低至可以明显影响电阻率的水合物饱和度值，所以下降并不明显。

(3)在保证制备相同样品的前提下，改变降压幅度为2MPa，4MPa，然后重复上述实验。

实验编号	1	2	3	4
					降压幅度(MPa)	1	2	4	6

注热水法：

水合物合成阶段结束后，反应釜15内压力稳定为p₀，将准备好的温度为20℃的蒸馏水放置于液体容器10中，打开平流泵9，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管13注入到反应釜15的中心位置。待温度压力等参数稳定之后，即代表分解过程结束。

(2)通过热-TDR探针12、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元16监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而可以确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况。所有的数据信号通过CR100电子采集仪2，可以实时采集并传输到计算机1。

随着热水的注入，各测点温度依次升高；靠近注入端的测点处温度较高，且温度上升较快；同一时刻，由注入端至出口端温度逐渐降低，基本成指数规律衰减；随着热水的注入，温度增加幅度越来越小，这说明注入的热量的利用率越来越低。

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26。在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快。

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，可以大致得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢。

同理，其他参数，如热导率，饱和度和电阻率，均可使用以上思路进行比较分析。

热-TDR探针12引导传输过来的电磁波在反应釜15含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜15内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化。由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解。

热-TDR探针12向沉积物发送热脉冲。热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化可以通过CR100电子采集仪2准确获得，然后根据瞬态热传导方程，可以计算出热导率。随着水合物的分解，沉积物中孔隙水的含量增加，有效降低了接触热阻，增强了有效导热率。即在水合物分解过程中，热导率的变化趋势应该是上升的，直至分解结束后稳定。

27套电阻率测量单元16与CR100电子采集仪2连接，再连接到数据采输的终端计算机1，从而可以使用计算机1监测被测点的电阻率的变化。电阻率变化能够指示水合物分解过程，其变化特征是分解过程中沉积物孔隙含水量和孔隙填充方式等多种影响因素共同作用的结果。电阻率的值总体上随着水合物的分解而降低。由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，且分解为吸热过程，因此，分解界面处电阻率明显升高；当水合物分解完成后，成为热水驱替CH₄气体的过程，孔隙流体连通性变好且温度升高，因此电阻率又降低，受温度升高的影响，电阻率低于水合物分解之前的电阻率。

(3)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，改变蒸馏水的温度，然后重复上述实验过程。

实验方案：

实验编号	1	2	3	4
					蒸馏水温度(℃)	20	40	60	80

注热盐水法

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜15内压力稳定为p₀，将准备好的质量浓度为4％的温度为20℃盐水放置于液体容器10中，打开平流泵9，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管13注入到反应釜15的中心位置。待温度压力等参数稳定之后，即代表分解过程结束。

(2)通过热-TDR探针12、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元16监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而可以确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况。所有的数据信号通过CR100电子采集仪2，可以实时采集并传输到计算机1。

注入热盐水之后，系统各测点温度依次开始升高，但由于存在沿程热损失，毛细管路14从入口到出口各测点温度最大值依次减小。在注热盐水的过程中，热水前缘传到测点之前，测点温度保持不变，热水一旦波及到某个位置，该处温度升高，靠近注入点的测点处温度较高，且温度上升较快，当温度高于该压力下的相平衡温度时，水合物开始分解。随着热水的注入，温度增加幅度越来越小，水合物分解的速率液越来越慢。

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26。在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快。

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，可以大致得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢。

同理，其他参数，如热导率，饱和度和电阻率，均可使用以上思路进行比较分析。

热-TDR探针12引导传输过来的电磁波在反应釜15含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜15内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化。由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解。

热－TDR探针12向沉积物发送热脉冲。热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化可以通过CR100电子采集仪2准确获得，然后根据瞬态热传导方程，可以计算出热导率。随着水合物的分解，沉积物中孔隙水的含量增加，有效降低了接触热阻，增强了有效导热率。即在水合物分解过程中，热导率的变化趋势应该是上升的，直至分解结束后稳定。

27套电阻率测量单元16与CR100电子采集仪2连接，再连接到数据采输的终端计算机1，从而可以使用计算机1监测被测点的电阻率的变化。电阻率变化能够指示水合物分解过程，其变化特征是分解过程中沉积物孔隙含水量和孔隙填充方式等多种影响因素共同作用的结果。电阻率的值总体上随着水合物的分解而降低。由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，且分解为吸热过程，因此，分解界面处电阻率明显升高；当水合物分解完成后，成为热盐水驱替CH₄气体的过程，孔隙流体连通性变好且温度升高，因此电阻率又降低，受温度升高及注热盐水中离子浓度的影响，电阻率低于水合物分解之前的电阻率。

(4)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，保持盐水的质量浓度而改变盐水温度，或保持盐水的温度改变盐水的质量浓度，然后重复上述实验过程。

实验方案

例：第一组实验，采用4％wt的盐水

实验编号	1	2	3	4
					液体温度(℃)	20	40	60	80

第二组实验，采用6％wt的盐水

实验编号	1	2	3	4
					液体温度(℃)	20	40	60	80

第三组实验，采用8％wt的盐水

实验编号	1	2	3	4
					液体温度(℃)	20	40	60	80

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，其特征在于：包括反应釜、监测系统、供气系统、控温系统和数据采集系统；

反应釜的表面均匀分布有26根毛细管路，其与反应釜的腔体内部相通；反应釜的顶端设置有直通管，其上部伸出反应釜外一段长度，连接有第一压力表；其内部中空，用于流经气体或液体；其底端深入反应釜的内部至腔体中心处；直通管连接有平流泵，平流泵连接有液体容器；

监测系统，包括27套热—TDR探针、27套温度传感器、27套压力传感器和27套电阻率测量单元；其中，在反应釜的腔体中心处安装1套热—TDR探针、1套温度传感器、1套压力传感器和1套电阻率测量单元；其余26套热—TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元分别安装在26根毛细管路的末端中心轴线处；即总共有27个监测点，对每一根毛细管路按照自上而下，由左向右进行编号，编号为Mi，其中i＝1,2,...,26，反应釜中心检测点标号为C；

供气系统，被配置为用于为水合物形成提供稳定的可计量的气源，包括甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表和单向阀，甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表、单向阀通过管路依次连接，单向阀通过管路分别连接至第一压力表和平流泵；

控温系统，包括步入式自动控温箱，反应釜通过反应釜支架置于步入式自动控温箱中；第一压力表、热—TDR探针、直通管、毛细管路、电阻率测量单元和毛细管路都置于步入式自动控温箱中；

数据采集系统，包括计算机和CR100电子采集仪；计算机，是数据采输的终端，装有CR100电子采集仪控制软件，被配置为用于对CR100电子采集仪的控制和实验数据进行存储和处理；CR100电子采集仪，被配置为用于实时采集数据并将数据传输到计算机；CR100电子采集仪通过线路连接有脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪，脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪分别通过线路与热-TDR探针连接；

反应釜为圆球状，采用304不锈钢研制而成，内径25cm，耐压20MPa；

反应釜和毛细管路均填充有沉积物颗粒；

每一条毛细管路均是任意弧度弯曲而成；

步入式自动控温箱的工作温度范围为233.15～333.15K，恒温波动度为±0.1K，数字显示设置温度和实际温度，分辨率均为0.1K；

反应釜的具体设计为：

设球状反应釜的半径为R，以球心O为原点建立空间坐标系，这样首先就有xoy平面，xoz平面，yoz平面，在三个二维平面中，每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路，现球状反应釜被xoz平面和yoz平面平均分成四瓣，再引入平面a和平面b，将球状反应釜均匀分割为8瓣，在平面a、b每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路，平面a、b与xoz平面，yoz平面空间夹角为45°；所有点确定以后，表现在球面为26个点，即引出26根毛细管路14；

监测手段的具体实施方案：

在毛细管路的两端，分别布置正、负电极，利用外加电源和毫伏表装置，形成一个电阻率测量单元，该电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，使用计算机监测被测点的电阻率的变化；毛细管路共有26根，在每根毛细管路均布置一个电阻率测量单元，即共有26个；为和毛细管路的水合物状态形成对比，须在反应釜的中心处再布置一个电阻率测量单元，用来监测反应釜中心处的水合物电阻率的变化；

每个监测点均安装了热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元，监测点均匀分布于反应釜的表面周围，总共27个监测点，形成了一个空间多维的监测点分布，用于监测水合物生成、分解过程中的参数变化，并且能够将反应釜中心的水合物参数与周围各个方位上的水合物参数进行相比较，分析周围各个方位上的水合物的热导率、沉积物孔隙含水量、温度、压力和电阻率的变化规律；

该装置能够监测水合物分解时三维空间储层参数变化，即利用实验装置对水合物开采过程的随机特性进行模拟研究，以得到开采点及周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度变化情况；通过统计分析和空间相关性分析之后得到反映全研究区的包括热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含天然气水合物饱和度在内的三维的参数分布情况，为天然气水合物资源勘探和开采提供必要的参数和依据；

水合物的生成方法包括如下步骤：

(1)打开计算机采集系统，准备开始记录反映时间、温度、压力参数；

(2)先将反应釜内腔用蒸馏水清理2-3次，然后将沉积物样品装满反应釜并加入沉积物孔隙水至饱和状态，使用移液器抽走多余液体后将热-TDR探针插入沉积物中，并使探针位于反应釜的中心位置；

(3)对反应釜进行密封，向反应釜充入少量实验气体，然后通过排气阀进行放空操作，重复上述操作2-3次，目的是排出反应釜内的空气，消除空气对水合物反应过程的影响；

(4)向反应釜内充入纯度为99.99％的高压甲烷气体至实验设定压力7.8MPa，将步入式自动控温箱温度设定至2℃，等待温度稳定，并静置3个小时，确保气体在液相中达到溶解平衡，然后开始水合物合成；当温度和压力长时间不发生变化时，说明反应过程完成；

(5)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物孔隙含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物诱导期、生成速率、饱和度以及水合物的各向生长分布情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

水合物开始合成时，压力下降，温度由于水合物生成放热而有小幅度的升高，并随着反应的进行温度逐渐下降，当反应结束时，温度和压力不再发生变化，即当温度和压力长时间不发生变化时，则说明反应过程完成；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；水合物合成过程将部分孔隙水由液态转化为固态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈下降趋势；水合物生长并非匀速进行，在反应开始后的第1个小时水合物增长速度较慢，饱和度增加至d₁，在第2个小时表现出快速大量生成的特征，饱和度增加至d₂，而在最后两个小时则是缓慢生长阶段，水合物饱和度增加至d₃，并最终稳定在d₃，d₁＜d₂＜d₃；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

水合物的分解方法：

气体水合物分解动力学的研究方法主要有两种：注热法和降压法，其中注热法又分为注热水法和注高浓度热盐水法两种；

降压法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为P₀，此时打开反应釜的放气阀开始放气，使气压缓慢降低1MPa，此时压力降为P₁，P₁＝P₀-1，然后维持P₁不变，当温度、沉积物孔隙含水量参数保持不变时，则说明分解过程结束；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物不断地分解，沉积物孔隙水由固态转化为液态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈上升趋势，即分解过程中水合物的饱和度不断下降，直至水合物完全分解；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲；热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

注热水法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为p₀，将准备好的温度为20℃的蒸馏水放置于液体容器中，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管注入到反应釜的中心位置，待温度压力参数稳定之后，即代表分解过程结；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

随着热水的注入，各测点温度依次升高；靠近注入端的测点处温度较高，且温度上升较快；同一时刻，由注入端至出口端温度逐渐降低，基本成指数规律衰减；随着热水的注入，温度增加幅度越来越小，这说明注入的热量的利用率越来越低；

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26；在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快；

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

27套电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，使用计算机监测被测点的电阻率的变化；

(3)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，改变蒸馏水的温度，然后重复上述实验过程；

注热盐水法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为p₀，将准备好的质量浓度为4％的温度为20℃盐水放置于液体容器中，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管注入到反应釜的中心位置；待温度压力参数稳定之后，即代表分解过程结束；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况，所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26；在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快；

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解；

热－TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

27套电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，从而使用计算机1监测被测点的电阻率的变化；

(3)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，保持盐水的质量浓度而改变盐水温度，或保持盐水的温度改变盐水的质量浓度，然后重复上述实验过程。

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