CN109236243B - 三维综合性储层水合物模拟分析系统及分析方法 - Google Patents

三维综合性储层水合物模拟分析系统及分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维综合性储层水合物模拟分析系统及分析方法，包括：用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的矩形模拟腔；用于测量多孔介质在不同模拟实验中数据的参数测量系统；调整矩形模拟腔在实验时环境温度的恒温系统；提供干净的实验环境的真空系统；向所述矩形模拟腔内注入气体的气体注入系统；向矩形模拟腔内注入指定液体的液体注入系统；对提出气液进行计量的出口计量系统；对实验过程进行数据采集、分析和结果输出的数据采集处理单元。本发明可研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理等，为水合物的开发方案设计提供理论依据。

Description

三维综合性储层水合物模拟分析系统及分析方法
技术领域
本发明涉及地质领域，特别涉及一种能够真实模拟海底水合物储层的三维可视模拟系统，及利用该模拟系统对水合物储层中的各种变化进行全面分析的方法。
背景技术
本世纪以来，全世界都认识到天然气水合物是一种替代常规化石燃料的清洁能源。全球已发现水合物矿藏点超过200处，以目前的能源消费趋势，仅开采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的稳定温压条件，决定了其开采方式的特殊性，另外其开采过程中对与环境的影响还有待进一步的评估。因此，目前对水合物开采的研究除少数国家和地区进行过单井或单一井组的试开采以外，绝大部分研究还处于实验室物理模拟和数值模拟的阶段。
目前为了对这种储量巨大的能源进行开发利用，研究人员提出了很多方法：
①注热法：利用注入热水、蒸汽或者热盐水将水合物加热到平衡温度之上分解；
②降压法：将水合物藏的压力降低到平衡分解压力以下；
③化学剂法：注入化学药剂，比如甲醇或者乙二醇以改变水合物平衡生成条件。
目前国内外在实验内研究热力法开采甲烷水合物的研究仅限于一维长岩心夹持器、二维垂直井模拟。然而水合物开发与常规油气无异，同样是一个三维渗流场压力不断降低的过程。为了更加真实有效的了解掌握水合物的合成、分解以及开采过程中不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数，需要一个多功能三维水合物开采实验模拟，以在三维尺度上全面研究水合物的产生和分解行为。而现在研制领域缺少一种能够全方位加工该套天然气水合物开发模拟实验装置，以对我国陆域冻土区钻探岩心在室内研究合成、分解天然气水合物机理，以及为掌握陆域水合物试采过程中在不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数提供物理模拟方面的支撑。
发明内容
特别地，本发明提供一种能够真实模拟海底水合物储层的三维可视模拟系统，及利用该模拟系统对水合物储层中的各种变化进行全面分析的方法。
具体地，本发明提供的三维综合性储层水合物模拟分析系统，包括：
矩形模拟腔，包括两端开口用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的矩形腔体，分别放置在矩形腔体开口两端且封闭开口端的上盖板和下盖板，以及分别固定上盖板和下盖板的上压板和下压板；其中，上盖板的外径大于矩形腔体的内径且卡在矩形腔体侧边上的台阶凹槽中，下盖板的外径等于矩形腔体的内径且位于矩形腔体内，上压板将上盖板限制在当前位置，下压板在固定过程中对下盖板施加挤压内部多孔介质的挤压力；在下压板和下盖板上均匀分布有多个对应的测量孔，在矩形腔体的两个相对侧边设置有连接外部系统的输入孔和排出实验过程中物质的输出孔；
参数测量系统，包括安装在各所述测量孔中以同时测量多孔介质在不同模拟实验中数据的测量组件，包括同时安装在一个测量孔中或分散安装在不同测量孔中测量压力的囊式测压器、测量温度的温度传感器和测量电阻的电极；
恒温系统，通过套在所述矩形模拟腔外的恒温箱来调整所述矩形模拟腔在实验时的环境温度；
真空系统，通过真空泵对所述矩形模拟腔进行抽真空，以提供干净的实验环境；
气体注入系统，通过气体压缩机向所述矩形模拟腔内注入气体以合成水合物或测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率；
液体注入系统，通过恒速恒压泵向所述矩形模拟腔内注入指定的液体，用于当前多孔介质合成水合物或分析当前多孔介质的液体渗透率；
出口计量系统，包括在所述矩形模拟腔输出压力超出标准时自动泄压的压力调节器，回压容器，回压泵，对输出的水合物进行气液分离的气液分离器，接收分离后气体并通过流量计计量的气罐，称量分离后液体的计重装置；
数据采集处理单元，包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出。
在本发明的一个实施方式中，所述上盖板上均匀分布有与矩形腔体内连通的安装孔，在安装孔内安装有高压玻璃，在高压玻璃的轴向两端分别设置有固定用夹持件，所述夹持件包括平面的环形圈和由环形圈平面一侧轴向凸出的卡环，卡环的内径与高压玻璃的外径相同，安装孔的孔壁上设置有向圆心凸出的环形台，两个夹持件通过卡环分别套在高压玻璃的轴向两端后利用穿过环形圈上通孔的螺栓与环形台固定；在高压玻璃的外圆周与环形台之间设置有密封用四氟垫圈，在夹持件与所述上盖板之间设置有挤压密封的缓冲垫圈；在所述上盖板与安装孔对应的位置设置有倒圆锥形观察孔。
在本发明的一个实施方式中，所述上盖板与所述台阶凹槽接触的侧边处安装有密封压条，所述下盖板与所述矩形腔体接触的侧边设置有容纳密封压条的内缩台阶，在所述上压板和所述下压板上分别安装有顶紧密封压条的压紧螺钉。
在本发明的一个实施方式中，所述上盖板为整块透明的耐高压玻璃板，所述上压板为矩形框或中间带加强杆的矩形框，所述矩形槽以套压方式固定玻璃板的四周。
在本发明的一个实施方式中，所述下盖板在所述下压板的挤压下对多孔介质施加模拟地层压力的围压，所述下盖板的移动距离为0～20mm。
在本发明的一个实施方式中，所述矩形腔体的输入孔和输出孔与多孔介质之间设置有隔离泥沙的过滤器，同时输入孔位于腔体内一侧出口的侧面上设置有将输出的液体分散成面输出的导流槽，所述导流槽包括矩形间隔分布在该端面上的环形槽，和连通轴向通孔与各环形槽的径向槽。
在本发明的一个实施方式中，在所述下盖板内设置有容水的底水腔，底水腔与所述下压板接触的一面上设置有一至四个与所述下压板连通的进水口，与所述矩形空腔内部接触的一面均匀分布设置有多个出水口。
在本发明的一个实施方式中，所述矩形模拟腔安装在角度调整装置上，所述角度调整装置包括水平对称固定在所述矩形腔体两个相对面外侧上的固定柱，其中一根固定柱的端部通过带有轴承的轴承座安装在一个支撑在地面上的支座内，所述轴承座与所述支座为弧形滑动接触；另一根通过轴承与蜗轮升降机构连接，蜗轮升降机构通过控制固定柱实现矩形腔体实现水平旋转和垂直高度上的升降。
在本发明的一个实施方式中，所述下盖板上的测量孔为三段内径逐渐缩小的台阶结构且内径最小的一端靠近矩形腔体；所述下压板上的测量孔内径与所述下盖板上测量孔内径最大的相同，所述测量孔的数量为25～30个。
在本发明的一个实施方式中，所述压力传感器、温度传感器和电极沿所述矩形腔体内的气液流动方向依次分布；一个测量孔中安装一个囊式测压器、一个温度传感器或一个电极，或一个测量孔中同时安装多个囊式测压器、温度传感器和电极。
在本发明的一个实施方式中，所述参数测量系统还包括固定座，限制片和防脱套，所述固定座密封固定在所述测量孔内且内部设置有中心通道，所述限制片为柔性或金属圆片且设置有多个轴向贯穿插孔，其水平安装在固定座的中心通道内，所述防脱套通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端，其前端顶紧所述限制片；所述囊式测压器、温度传感器和电极穿过防脱套和限制片上的插孔后伸入所述矩形腔体内，所述防脱套与所述固定座接触一端的外圆周上设置有密封件，另一端设置有防止信号线缆松动的防转螺栓，所述防转螺栓的径向上设置有通孔，在所述防脱套上设置有对应的限制孔，当防转螺栓转到位后，通过固定螺栓拧入通孔和限制孔避免防转螺栓转动。
在本发明的一个实施方式中，所述限制片安装在所述下盖板上测量孔的中间台阶结构处，所述限制片安装有多个且各所述限制片相互之间间隔或接触安装。
在本发明的一个实施方式中，所述囊式测压器包括测压管，套在测压管外部的引压管，位于引压管端部且密封容纳测压管端部的囊式隔离套，向所述引压管内注入防冻液的注入装置；所述引压管的端部外表面设置有多道径向凸环，所述囊式隔离套为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环对应的凹环，所述囊式隔离套利用凹环与所述引压管上的凸环卡合后连接在一起，在内部形成容纳防冻液的保护空间。
在本发明的一个实施方式中，同一所述测量孔处的所述温度传感器至少设置有4个，且分别位于所述下盖板至所述矩形腔体的水平中心剖切线的1/4、2/4、3/4和水平中心剖切线处。
在本发明的一个实施方式中，所述恒温系统的恒温箱内部为容纳矩形模拟腔的保温空间，在恒温箱的内部相对两面设置有实现内部热风对流的热风机，在恒温箱的侧壁内设置有冷却盘管构成的用于调节箱内温度的制冷系统，恒温箱的内表面铺设有不锈钢镜面板，外表面安装有玻璃纤维形成的保温层，在侧壁上设置有透明观察窗和温度控制面板，在透明观察窗处设置有保持箱内亮度的照明灯。
在本发明的一个实施方式中，所述气体注入系统包括产生压力气体的空气压缩机，对所述空气压缩机产生的气体进行增压的气体增压泵，存储增压后低压气体的低压储罐，存储增压后高压气体的高压储罐，根据实验要求选择低压储罐或高压储罐向所述矩形腔体内输入指定压力的压力调节阀，控制单一气体输出流量大小和控制混合气液流量的流量控制器；在压力调节阀之前的气路上安装有气体润湿装置，所述气体润湿装置为装有液体的耐压容器。
在本发明的一个实施方式中，所述流量控制器包括并联连接输出气体的调节气罐和输出液体的调节液罐，控制调节气罐和调节液罐输出至所述矩形腔体内气液量的控制阀，为调节气罐和调节液罐分别提供气体和液体的储罐和提供压力的压力泵，检测压力的传感器，控制各部件运行的PLC单元；
所述调节气罐内部由滑动活塞间隔成气室A和液室A，所述调节液罐的内部由滑动活塞间隔成气室B和液室B，气室A和液室A分别通过管路与压力调节阀并联连接；气室B和液室B分别通过管路与压力泵并联连接，传感器获取各处的压力并输出至PLC单元，PLC单元根据所述矩形腔体内压力值的变化调整压力调节阀使输入所述矩形腔体内的气液维持稳定。
在本发明的一个实施方式中，所述压力调节阀包括阀体，通过螺栓固定在阀体上的阀盖，在阀盖内设置有一端大一端小的贯穿形漏斗状活塞腔且开口大的一端靠近阀体，活塞腔内安装有同样形状的漏斗形活塞，活塞的轴心线上设置有同轴的双贯穿通道，在阀盖的活塞腔小端出口处安装有带通道的阀帽，在阀帽的通道内活动安装有与活塞的双贯穿通道出口对应的密封圈，在阀帽的侧边设置有与通道相通以对密封圈施压的压力通道，阀盖上设置有与活塞腔相通的溢流通道，在阀体与活塞腔相对的位置处设置有分别与所述调节气罐和所述调节液罐连通的容纳腔，容纳腔的开口直径小于相邻活塞端的直径，在容纳腔内设置有活动封闭开口端的压块，活塞与容纳腔相对的一侧设置有密封片。
在本发明的一个实施方式中，所述控制阀包括阀体，阀杆，手动螺杆，在阀体内设置有输液通道和连通输液通道的阀杆安装槽，阀杆为圆柱形且在一端设置有径向凸出的凸圈，手动螺杆的一端通过螺纹拧在阀杆安装槽的开口端内且在该端设置有活动夹持阀杆凸圈的凹槽，阀杆的凸圈卡入凹槽内且另一端位于输液通道内并可完全封闭输液通道，在阀杆上套有密封圈且密封圈的外径大于凹槽的外径；
所述输液通道包括相互平行的进液通道和排液通道，以及垂直连接进液通道和排液通道一端的封闭通道，阀杆插入封闭通道中。
在本发明的一个实施方式中，活动夹持所述凸圈的结构如下：在所述凹槽内通过螺纹拧有安装套，安装套的内部为与阀杆凸圈一端形状对应的容纳槽，在安装套的圆周上设置有供凸圈一端侧向卡入的卡口；或
在凹槽的侧面设置有与阀杆凸圈一端形状对应的卡口，和通过螺栓与卡口处连接以封闭卡口的封闭块。
在本发明的一个实施方式中，所述液体注入系统的恒速恒压泵为双缸恒速恒压泵，所述双缸恒速恒压泵通过两个缸实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业，以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制；
所述液体注入系统还包括安装在所述双缸恒速恒压泵和所述矩形腔体之间的压力调节活塞，所述压力调节活塞包括两端开口的空心容器，在所述空心容器的两端通过外螺纹分别拧有上盖和下盖，且在所述空心容器的两端口的内部分别安装有密封堵头，在所述密封堵头远离所述空心容器的一面设置有向外凸出的连接台，在所述上盖和所述下盖上设置有供所述连接台穿过的通孔，在所述连接台上设置有轴向贯穿孔；
在空心容器的内部安装有可沿轴向移动并将空心容器内部隔离成两个独立空腔的隔板；其中一个空腔与所述双缸恒速恒压泵连通，另一个空腔与所述负压样品腔连通，与所述负压样品腔连通的空腔内注满满足水合物生成的溶液，其在另一个空腔内蒸馏水或煤油的推动下注入所述负压样品腔内。
在本发明的一个实施方式中，在所述矩形腔体内设置有实现稳态热丝测量的稳态测量装置，所述稳态测量装置包括插装在所述矩形腔体内且位于水平中部的铂材热丝，套在铂材热丝外部的护套，将护套和铂材热丝两端固定在所述矩形腔体两端的封头和固定座；
所述固定座内部设置有轴向通孔，其通过一端的外螺纹与所述矩形腔体侧壁上的安装孔连接，在安装孔内安装有挤压变形的密封压环，在固定座的另一端的外螺纹上拧有拉紧接头，在拉紧接头靠近固定座的一端安装有调节拉紧接头拉紧度的调节螺母，拉紧接头另一端的端头内安装有带开槽的倒锲挤紧环，和将倒锲挤紧环限制在拉紧接头上的收紧压帽。
在本发明的一个实施方式中，还包括对所述矩形腔体内的多孔介质进行加热来模拟改变水合物生成时环境温度的加热系统，所述加热系统包括同时提供蒸汽和热水的防爆型蒸汽发生器，蒸汽发生器包括内部设置有加热腔的加热筒，加热筒的筒壁为双层空心结构，中间为热水空间，在加热腔内设置有环形或多边形直接连通筒壁内热水空间的加热管，在加热管的下方设置有加热器，上方设置有供加热管内生成的蒸汽排出的蒸汽管，在蒸汽管的输出通道上设置有调节输出温度的冷水交换区；
以及检测各处温度的温度探头，检测输入输出压力的压力探头，向热水空间和冷水交换区供水的进水管，输出蒸汽和/或热水的出水管，以及根据指令控制预定蒸汽或热水输出的PLC控制单元，交换区通过带有控制阀的管路与热水空间连通。
在本发明的一个实施方式中，还包括通过储液装置在所述矩形腔体的通孔入口处利用钻井液实现环空循环流动以模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染的钻井液循环系统；所述储液装置包括存储井液的储液罐，控制井液循环流动的循环泵，对循环井液进行加温的温控仪，调节井液循环时压力的调压装置，设置在所述矩形腔体一端的模拟井口环空结构；
所述储液罐的输出口连接循环泵后与模拟井口环空结构的入口连接，模拟井口环空结构的出口与调压装置连接后与储液罐的输入口连接，所述温控仪单独与储液罐连接，所述循环泵的输出端通过支管与储液管连接。
在本发明的一个实施方式中，提供一种前述三维综合性储层水合物模拟分析系统的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，将所有系统通过管路和控制阀与矩形腔体实现相互独立控制连接，由矩形腔体的任意开口端装填湿性多孔介质样品，在矩形腔体的气液输入侧和输出侧放置不影响水气通过但防止样品通过的金属网和滤纸，装填完毕后安装好上盖板和上压板或下盖板和下压板，根据实验要求利用角度调整装置调节好矩形腔体的摆放角度；
步骤200，连接参数测量系统中的各测量组件，通过真空系统对矩形腔体进行抽真空后加环压，启动恒温系统模拟实验所需环境温度，然后根据实验目的启动相应的系统来模拟实际地层环境进行实验，其中实验目的包括：
一、通过气体注入系统对当前样品进行天然气或混合气体或不同相态气体的注入，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
二、通过液体注入系统实现对当前样品注入盐水，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
三、注入液体，再注入一定压力的气体，降低实验温度，实现水合物合成；
四、通过降低系统压力以模拟水合物分解过程；
五、在水合物分解的不同阶段测量储层的渗透率及气水相对渗透率；
六、通过井液循环系统使钻井液与矩形腔体的模拟井口环空结构进行循环流动，同时测量样品受钻井液渗透的影响状态；
七、通过加热系统对样品进行注入热气或热水，以测量水合物在注热开采方式下的分解状态；
步骤300，在各实验过程中，通过测量组件中的囊式测压器测量样品的压差值数据，通过温度传感器测量样品中水合物在生成和分解时的温度变化，通过电极测量样品的电阻率值，上述测量包括对样品水平方向上不同位置及垂直方向上不同深度的测量；
步骤400，在上述实验过程中，由加压系统通过控制矩形腔体输出的压力以调节各实验过程中所需的驱替压力大小，数据采集处理单元控制各实验过程的处理步骤、数据采集和输出分析结果。
在本发明的一个实施方式中，通过电阻率与饱和度之间的关系值获取样品不同区域的饱和度分布情况；通过进出口气体流量计及液体流量计值计算得到当前海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的单相及多相渗透率。
本发明可研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理等；分析减压和热采条件下水合物地层中的水气运移及水合物储层的产气量；通过更换上盖板为单面视窗可模拟水平井开采底水层时水脊脊进过程，以研究水脊形成与发展机理、见水时间和采收率的变化规律；模拟水合物储层中水气运移规律及合理的水合物产气量，为水合物的开发方案设计提供理论依据。
通过研究水合物合成和分解过程中温度场、压力场、饱和度场的空间分布、地层渗透率的变化规律、水合物分解前沿的推进速度，以及控制改变生产井井底压力、注热温度、不同井网模式、不同井网密度等一系列生产数据，为有效掌握和研究水合物的合成与分解机理提供最直观的参考。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的模拟分析系统连接示意图；
图2是本发明一个实施方式的矩形模拟腔结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的气体注入装置连接示意图；
图4是本发明一个实施方式的液体注入装置连接示意图；
图5是本发明一个实施方式的压力调节活塞结构示意图；
图6是本发明一个实施方式的出口计量系统连接示意图；
图7是本发明一个实施方式的上盖板和上压板的结构示意图；
图8是本发明一个实施方式的上压板结构示意图；
图9是本发明一个实施方式的导流槽结构示意图；
图10是本发明一个实施方式的测量组件安装示意图；
图11是本发明一个实施方式的囊式测压器结构示意图；
图12是本发明一个实施方式的流量控制器的结构示意图；
图13是本发明一个实施方式的压力调节阀结构示意图；
图14是本发明一个实施方式的手动控制阀的结构示意图；
图15是本发明一个实施方式的稳态测量装置安装结构示意图；
图16是本发明一个实施方式的钻井液循环系统连接示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，各系统的模拟方式和操作过程都采用已有的方法，各系统内部及与矩形腔体之间都通过带有控制阀的管路连接，除特别说明外，不再一一表明每一个管路和控制阀，而仅以工作过程或实验步骤进行说明。
如图1所示，本发明一个实施方式提供的三维综合性储层水合物模拟分析系统一般性地包括：作为模拟主体的矩形模拟腔1，进行实验过程数据测量的参数测量系统3，控制模拟环境温度的恒温系统2，抽取空气的真空系统，分别注入气体和液体的气体注入系统4和液体注入系统5，分离和计量排出气液的出口计量系统6，对实验过程和结果进行分析的数据采集处理单元7。
如图2所示，该矩形模拟腔1包括两端开口用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的矩形腔体101，活动放置在矩形腔体101开口两端同时封闭开口端的上盖板102和下盖板104，以及分别固定上盖板102和下盖板104的上压板103和下压板105。
矩形模拟腔1的整体外形可以是方形或长方形，而单独的矩形腔体101外形则是长方体结构，内部的样品空间同样为长方体形状；上盖板102和下盖板104、上压板103和下压板105可分别与矩形腔体101安装面的形状对应。
其中，上盖板102作为一个提供观察实验过程的观察板，其外径大于矩形腔体101的内径但小于矩形腔体101的外径，在矩形腔体101的对应安装侧边上设置有可容纳上盖板102的台阶凹槽106，上盖板102放置在台阶凹槽106内后至少不低于该侧的边缘。下盖板104的外径等于矩形腔体101的内径，安装后可在矩形腔体101内部移动以挤压样品。
上压板103将上盖板102限制在当前位置，而下压板105在固定过程中对下盖板104施加挤压内部多孔介质的挤压力，该挤压力等于模拟实验要求的当前地层压力，下盖板104本身起到活塞的作用；当矩形腔体101内填满多孔介质后，下盖板104在下压板105的挤压下相对多孔介质的移动距离为0～20mm。
在下压板104和下盖板105上均匀分布有多个对应的测量孔107，测量孔107提供安装测量组件的位置，测量孔107的数量和分布方式在不影响矩形腔体101的结构下可尽量多设置，然后根据不同的实验要求在相应的测量孔107中安装相应的测量组件，不使用的测量孔107则可以临时封闭；上压板103上设置有配合上盖板102观察的观察结构。上压板104和下压板105可通过螺栓与矩形腔体101的侧边形成固定安装，提高抗压能力。
上盖板102本身可以是耐高压的透明板，如高压玻璃，其通过上压板104上的观察结构可直接或通过仪器观察矩形腔体101内部样品在不同实验时的直观变化。上盖板102还可以是仅局部设置透明材质的结构。
在矩形腔体101的两个相对侧边设置有连接外部系统以供不同介质输入的输入孔108和排出实验过程中物质的输出孔109。
为加强上盖板102和下盖板104与矩形腔体101接触位置的密封，可在上盖板102与台阶凹槽106接触的侧边处安装密封压条，对两者之间的接缝进行封堵密封，同时可在下盖板104与矩形腔体101接触的侧边设置容纳密封压条的内缩台阶110，内缩台阶110可以是下盖板104侧边上切割出的直角台阶。密封压条围绕上盖板102和下盖板104的四周安装，同时为避免密封压条移动，可以在上压板103和下压板105上与密封压条对应的位置处分别安装压紧螺钉111，在上压板103和下压板105固定过程中，通过拧紧压紧螺钉111进入相应的缝隙来挤压密封压条。
本实施方式中的矩形模拟腔101的尺寸为500mm×500mm×100mm，其中厚度可调。最高工作压力25MPa，设计压力30MPa。工作温度：-15～50℃；整体采用2205双相合金不锈钢材料加工而成，该材料具有较高的力学性能，同时材料具有好的耐腐蚀性。
本实施方式中通过各系统和矩形模拟腔的配合可达到下述目的：
研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理等；
通过控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数；
通过对比不同井网模式、井网密度条件下水合物的开采动态特征，优化井网开发方案；
通过更换上压板为单面视窗，可以用来模拟水平井开采底水层时水脊脊进过程,研究水脊形成与发展机理、见水时间和采收率的变化规律。
如图3所示，该参数测量系统3包括安装在各测量孔107中以测量多孔介质在不同模拟实验中数据的测量组件，具体的测量组件可以包括测量压力的囊式测压器306、测量温度的温度传感器307和测量电阻的电极305；其中的囊式测压器306可以防止低温下冻结。囊式测压器306、温度传感器307和电极305在安装时可相互组合，可以在一个测量孔107中同时安装三者或安装多个其中之一，或是一个测量孔107中仅安装三者中的一个。具体的测量组件也可以不局限于上述三种，可根据特定的实验选择相应的测量件。所有的测量组件都与数据采集处理单元7连接，以便随时控制实验过程和分析实验结果。
该恒温系统2利用空气浴进行温度调节，以提供模拟实验过程中的恒温温度，主要通过对矩形模拟腔1进行降温及升温来实现，还提供低温模拟水合物形成环境。恒温箱的温度可控制在-15～60℃，精度±0.5℃。
该恒温箱可采用现有产品或订制，但其基本结构需要满足如下说明：内部的保温空间至少能够容纳矩形模拟腔1，在恒温箱的内部相对两面设置有实现内部热风对流的热风机，热风机的热源可以是电热丝，或是直接利用其它系统产生的热量，如加热系统中的蒸汽。同时为调节内部温度，在恒温箱的侧壁内还设置有由冷却盘管构成的制冷系统，制冷系统通过冷冻液产生冷气，由数据采集处理单元7根据实验确定的温度范围自行控制。
恒温箱的内表面铺设有不锈钢镜面板，可反射热量保持内部湿度平衡，同时方便观察箱内状况，外胆采用A3钢板喷塑，外表面安装有超细玻璃纤维形成的保温层以避免不必要的能量损失，在侧壁上设置有透明观察窗和温度控制面板，在透明观察窗处设置有保持箱内亮度的照明灯。
此外，恒温箱还具备大屏幕触摸面板，直接制订程式，同时作为显示运转曲线的显示屏。其通过RS-485通讯接口与数据采集处理单元7连接，实现远程软件设定温度，监视试验过程并执行自动开关机等功能。
该真空系统通过真空泵对矩形模拟腔1内部进行抽真空，以提供干净的实验环境。真空系统不作为常住系统使用，在抽真空前将真空泵临时接通已有管路，抽真空结束后，再断开连接。
如图3所示，该气体注入系统4通过空气压缩机401向矩形模拟腔1内注入气体以合成水合物，然后测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率，如通过注入等温单相甲烷气并精确测量出口的气体流量，并依据达西定律可测量气体渗透率。
具体组成包括产生压力气体的空气压缩机401，对空气压缩机401产生的气体进行增压的气体增压泵402，存储增压后低压气体的低压储罐403，存储增压后高压气体的高压储罐404，根据实验要求选择低压储罐403或高压储罐404向矩形模拟腔1内输入指定压力的压力调节阀405，控制单一气体输出流量大小和控制混合气液流量的流量控制器406；在压力调节阀405之前的气路上还安装有气体润湿装置407，以输出带有一定湿度的气体，气体润湿装置407可以为装有蒸馏水一类液体的耐压容器。其中气体增压泵402使用的液体为天然气。
上述设备可以通过一个移动型安装支架统一安装，形成一个方便移动的独立充气注入系统，在使用时只需要连通相应的管路即可。
本方案中的空气压缩机401选用一台型号为GCS50的压缩机，其设计压力为1.0MPa，流量为0.465m3/min，空气压缩机401还可用于整个管路系统的清洗扫气。该气体增压泵402可选用一台SITEC气气增压泵，型号为GBD60，增压比60:1，最大出口压力498Bar，最大流量40L/min。低压储罐403主要用于贮存空气压缩机增压后的空气，需要满足如下条件：容积0.1m3，工作压力0.8MPa，设计压力1MPa。高压储罐404需要满足如下：容积2000mL，最大工作压力50MPa。调压阀405除包括手动调压阀外，还有相应的压力指示表，主要用于将增压后的高压气体(天然气)调整到所需的工作压力。其中手动调压阀最大入口压力为50MPa，出口压力在0～40MPa之间可调。流量控制器406采用布朗克高压流量计，用于单一气体定量注入，定量注入流量范围0～1000ml/min，其最大工作压力为40MPa，带通讯接口，可与数据采集处理单元7实现通讯连接。
如图4所示，该液体注入系统5通过恒速恒压泵501向矩形模拟腔1内注入指定的液体，用于当前多孔介质合成水合物或分析当前多孔介质的液体渗透率；液体注入系统1的恒速恒压泵501采用HAS-200HSB型双缸恒速恒压泵，在实现驱替介质定量注入的同时还作为矩形模拟腔的动力源使用，自身具有压力保护及位置上下限保护功能，具体的参数如下：工作压力50MPa，流速0.01～20mL/min，泵头材料采用316L，该泵配置有通讯口与数据采集处理单元连接，其两个缸可实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业。具体以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制。
在双缸恒速恒压泵501和矩形模拟腔1之间并联安装有三台压力调节活塞502，压力调节活塞502的容积为2000mL，工作压力50MPa，材质为316L。压力调节活塞502作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输。在筒体内表面做平滑处理，以减小内壁摩擦力。
如图5所示，每台压力调节活塞502包括两端开口的空心容器5021，在空心容器5021的两端通过外螺纹分别拧装的上盖5022和下盖5023，且在空心容器5021的两端口的内部分别安装有密封堵头5024，在密封堵头5024远离空心容器5021的一面设置有向外凸出的连接台5025，在上盖5022和下盖5023上设置有供连接台5025穿过的通孔5026，在连接台5025上设置有轴向贯穿孔5027；在空心容器5021的内部安装有可沿轴向移动并将空心容器5021内部隔离成两个独立空腔的隔板5028；其中一个空腔与双缸恒速恒压泵501连通，另一个空腔与矩形模拟腔1连通，与矩形模拟腔1连通的空腔内注满水合物生成的溶液，另一个空腔内为蒸馏水或煤油，蒸馏水或煤油在双缸恒速恒压泵501的压力下推动隔板5028移动，以将另一腔体中的溶液注入矩形模拟腔1内。
如图6所示，出口计量系统6包括在矩形模拟腔1输出压力超出标准时自动泄压的加载式加压控制压力调节器601，回压容器602，回压泵603，对输出的水合物进行气液分离的气液分离器604，接收分离后气体并通过流量计605计量的气罐606，称量分离后液体的计重装置607；当矩形模拟腔1的出口压力达到压力调节器601顶部的控制压力时，压力调节器601自动打开泄压，确保出口压力恒定。该连接结构设置有四套，以对应不同的模拟实验。
其中，气液分离器605的容积至少为400mL，耐压满足2MPa；计重装置607由电子天平组成，其最大量程为2200g，精度达到0.01g。气罐607上的流量计604为湿式流量计，量程为5000ml/min，精度达到0.2％，且设计有万分之一的解码器，配有和数据采集处理单元7连接的通讯口。
该数据采集处理单元7包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出，控制系统可以是PC机、工控机等具备数据处理和分析功能的设备，其包括接收并转换数据的数据采集卡、操作数据采集卡的数据采集软件、控制整个实验过程的数据处理系统等组成。
其中，数据采集卡主要用于采集囊式测压器306、温度传感器307、电极305的测量信号，并传递至数据采集软件，其输入端口为8路差动；输入类型为mA，输入范围4～20mA，采样速率每秒15次，分辨率是16位，带宽15.75Hz，精确度±0.02％。
数据采集软件是整个系统的中枢，保证各个系统的测试精度，并实现各个系统的智能化。所有采集的数据以数据库形式记录，程序根据输入的基本参数和实验采集内容进行记录，原始数据存于EXCEL表格中，用户可以通过Excel程序和功能模块对数据进行调出处理，并可根据要求自动生成实验报告。
本实施方式中，矩形模拟腔1、参数测量系统3和数据采集处理单元7构成基本的实验框架，其它各个系统同时通过相应的管路与矩形模拟腔1连通，根据不同的实验要求由人工或数据采集处理单元7进行相应系统的控制，以实现不同的模拟过程，在模拟某个具体过程时，其它不需要参与的系统由相应的控制阀进行隔离。
矩形模拟腔1自身需要满足密封要求，同时出口计量系统6、恒温系统2、真空系统作为常备设备，用于满足不同模拟系统所需求的压力和温度环境要求。
本实施方式将目前单一的各模拟设备统合在一起，通过基本设备和矩形模拟腔可为不同模拟实验提供基础的实验环境，可同时或分别用一套设备实现和控制不同的模拟实验，方便数据的整合和对比，同时能够保证实验条件的唯一性，减少实验误差。
本实施方式可通过换装不同类型沉积物来测定不同多孔介质的渗透率，通过常规的分析方法对各模拟过程中的各种数据进行分析和总结，从而获取选择储层在不同模拟实验中的所有数据信息，为实际开采提供可信的依据。通过精确控制进入矩形模拟腔1的气体及液体注入量，同时精确计量矩形模拟腔出口的气体和液体量，即可推算多孔介质孔隙内的气水饱和度。通过监测矩形模拟腔1中不同位置水合物的生成情况以及注热开采过程中水合物的分解情况，可分析实验过程中多孔介质内温度、压力曲线的变化，以及根据气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的P-T平衡和分解条件。
电极305通过饱和度电性测点来检测不同区域的电阻率值，根据电阻率与饱和度之间的关系值来推算和检测不同区域的饱和度分布情况。电阻是甲烷水合物形成和分解良好的指示性参数，水合物形成时体系电阻快速增大，水合物分解时电阻急剧减小。
本实施方式模拟多孔介质水合物样品的分解过程可实现动态特性测定和静态特征测定，其中动态特征测定可在控制水合物样品降压或注热分解条件下，对水合物分解过程，含沉积物水合物样品的不同部分的气、水渗透率、气水相对渗透率、导热系数的动态变化进行测量和研究。而静态特性测定可在控制水合物样品不分解的条件下，对合成的含沉积物水合物样品的不同部分的气、水渗透率及气水相对渗透率，以及导热系数进行原位测量。
本实施方式的整个系统能够原位对不同类型的海底水合物沉积样品模拟合成，确定合成过程中水合物样品的孔隙率、气-水-水合物饱和度及其分布特征，并对不同气、水饱和度，不同类型沉积物的渗透率及导热系数进行原位测量。
本发明通过控制改变生产井井底压力、注热温度登封生产数据，优化开发参数；通过对比不同井网模式、不同井网密度条件下水合物的开采动态特征，优化井网开发方案；可对含水合物地层的渗流性能进行测试，掌握水合物地层水渗透率和饱和度关系及水合物分解对地层渗透率的影响。能模拟不同条件下钻井液侵入对水合物地层导电特性的影响，为今后水合物地层电阻率测井提供依据。研究减压和热采条件下水合物地层中的水气运移及水合物储层的产气量，可以进行室内水平井出水机理和控水、堵水工艺技术研究，观察水平井开采底水油藏时水脊脊进过程，研究水脊形成与发展机理、见水时间和采收率的变化规律。
以下对前述系统中的具体结构及可选择模拟实验方案作出说明，同时对可增加的实现相应功能的系统进行说明。
如图7所示，在本发明的一个实施方式中，为方便通过上压板103和上盖板102观察矩形模拟腔1内的实验过程，上盖板102的结构可以是在其板面上均匀分布多个与矩形腔体101内连通的安装孔1021，在每个安装孔1021内安装透明的圆柱形高压玻璃1022，每个高压玻璃1022通过设置在其轴向两端的夹持件1023夹持固定在安装孔1022内，夹持件1023为环形结构，包括平板形的环形圈1024和由环形圈1024平面一侧轴向凸出的卡环1025，环形圈1024的内径小于高压玻璃1022的外径但外径大于高压玻璃1022的外径，卡环1025的内径与高压玻璃1022的外径相同但小于或等于安装孔1021的内径，在安装孔1021的孔壁上设置有向圆心方向凸出的环形台1026，两个夹持件1023通过卡环1025分别套在高压玻璃1022的轴向两端后放置在安装孔1021中，两个环形圈1024位于卡环1025外的部分分别搭在环形台1026的两端，再利用穿过环形圈1024上通孔的螺栓1027与环形台1026固定，此时高压玻璃1022即被两个夹持件1023夹持固定在安装孔1021内。
在上盖板102与安装孔1021对应的位置可设置同样直径的倒圆锥形观察孔1031，该结构使上压板103在对上盖板102实现固定的同时，不影响上盖板102的观察效果。采用上盖板102和上压板103分离的方式，可以方便安装和维护高压玻璃1022。当然，在其它的实施方式中，在满足压力和密封的情况下，也可以取消孔结构的上盖板102，而直接将高压玻璃采用同样的结构设置在上压板103上。
为防止高压玻璃1022与安装孔1021之间泄漏，可在高压玻璃1022的外圆周与环形台1026之间设置多个密封用四氟垫圈1028，同时在夹持件1023与上盖板102之间设置柔性挤压密封的缓冲垫圈1029。
如图8所示，在本发明的一个实施方式中，该上盖板102可以为整块透明的耐高压玻璃板，这样的结构相对圆柱形高压玻璃1022的安装方式更加简单。在该结构下，上压板103上可以设置相应的观察孔1031来透过玻璃板进行多孔介质实验过程的观察，此外，上压板103还可以是一个四边设置有按压结构的矩形框1032，按压结构可以是带内直角的框架结构，通过折角将玻璃板的四边按压并固定在当前安装位置，矩形框1032的中部作为观察孔。
进一步的，还可以在矩形框1032的中空处设置连接对应边的加强杆1033，以提高整个矩形框1032的强度，同时又不影响对内部的观察。加强杆1033本身可以作成活动拆卸的结构，在常压时取下，在带压时再通过螺栓固定。
为防止多孔介质随气液的流动而移动，在矩形腔体101设置与各系统连接的输入孔108的内侧面，和设置输出气液的输出孔109的内侧面设置有将多孔介质间隔开的过滤器112，过滤器112可以由金属网和滤网共同组成，过滤器112本身的目数不影响气液的通道，但能够防止多孔介质通过。
如图9所示，为使进入的液体能够以面的形式同时进入与多孔介质接触的面，在矩形腔体101设置输入孔108且位于腔体内一侧出口的侧面上设置将输出的液体分散成面输出的导流槽113，导流槽113为矩形间隔分布在该端面上内凹的环形槽1131，环形槽1131之间通过多个径向槽1132连通。该结构能够使输入孔108排出的气、液先进入导流槽113溢出后再进入相邻的整个多孔介质面，从而可精确模拟实际的地层环境，
在下盖板内还可设置容水的底水腔114，底水腔114为一个面积为矩形腔体101内部面积4/5左右的空心腔体，其与下压板105接触的一面上设置有一至四个与下压板105连通的进水口，与矩形空腔内部接触的一面均匀分布设置有多个出水口。底水腔114可模拟地层水压，采用多孔分布出水的结构可以使整个矩形腔体保持压力平衡。底水腔114对进入的流体产生缓冲，吸收冲击能量保持均衡向前推进，当矩形模拟腔1转到水平位置时，底水腔114可作为边水层，以用来提供边水模拟。
为在不同角度下进行模拟实验，可以安装一个能够任意调整矩形模拟腔摆放角度的角度调整装置115，该角度调整装置115包括水平对称固定在矩形腔体101两个相对面外侧上的固定柱1151，其中一根固定柱1151的端部通过带有轴承的轴承座1152安装在一个支撑在地面上的支座1153内，轴承座1152与支座1153为弧形滑动接触；另一根固定柱1151通过轴承与蜗轮升降机构1154连接，蜗轮升降机构1154通过控制固定柱1151实现矩形腔体101水平旋转和垂直高度上的升降。
本方案中，蜗轮升降机构1154采用现有的蜗轮丝杆升降机，一般包括蜗轮减速机和升降丝杆，其通过蜗杆传动，利用蜗杆带动蜗轮实现减速，蜗轮中心是内螺纹结构，相当于升降丝杆的螺母和升降丝杆相匹配，升降速度等于蜗杆输入转速除以蜗轮蜗杆的减速比，然后乘以丝杆的螺距。其具备高精度的升降功能，同时又不影响矩形模拟腔的径向旋转；使用时，矩形模拟腔1以蜗轮升降机构1154一端作为主动端，而另一端利用弧形滑动作为被动端，可绕轴转到任何倾角，然后再锁紧。同时还可通过蜗轮升降机构1154倾斜一定角度，使得矩形模拟腔1可模拟从垂直到水平的各种情况，又可背斜一定角度，大大扩展了研究范围。
如图10所示，在本发明的一个实施方式中，为方便安装密封件，该下盖板104上的测量孔设置成三段内径逐渐缩小的台阶结构，且内径最小的一端靠近矩形腔体101；下压板105上的测量孔107内径与下盖板104上测量孔107内径最大的相同，测量孔107的具体数量可以设置25～30个。下盖板104上测量孔107的中间段用来安装和限制密封件，直径最小段用于线缆通过，这样的结构可利用直径最大段来提供相应的安装空间，利用中间段形成密封段，最小段则可以减少泄漏。
在本发明的一个实施方式中，为方便固定测量组件，在测量孔107内安装有固定座301，限制片302和防脱套303，下盖板104上的安测量孔107为圆形的通孔，固定座301的内部设置有中心通道，其密封固定在测量孔107内，具体固定方式可以是焊接或是螺纹拧接。
限制片302为柔性圆片或金属垫片且设置有多个轴向贯穿插孔，轴向贯穿插孔用于使各测量组件的线缆通过，其水平安装在中心通道内，限制片302可根据固定处的深度使用一至多个，各个限制片302可相互叠加安装，对穿过的线缆形成弹性固定，同时方便调整相应测量部件的测量位置。
防脱套303同样是一个中间带有供线缆通过的通孔的管形结构，其通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端的内螺纹上，防脱套303的前端可通过拧紧的深度顶紧限制片302以防止限制片302轴向移动。
囊式测压器306、温度传感器307和测量电极305穿过防脱套303和限制片302上的通孔后伸入矩形腔体101内，为提高连接处的耐压性能，防脱套303与固定座301接触一端的外圆周上可设置密封件308；在防脱套的另一端设置有防止信号线路松动的防转螺栓304，该防转螺栓304的径向上设置有通孔，在防脱套303上设置有对应的限制孔，当防转螺栓304转到位后，可通过固定螺栓拧入通孔和限制孔来避免防转螺栓303相对防脱套转动。
如图11所示，本实施方式中的囊式测压器306包括测压管3061，套在测压管3061外部的引压管3062，位于引压管3062端部且密封容纳测压管3061端部的囊式隔离套3063，向引压管3062内注入防冻液的注入装置；测压管3061将接收的插入处多孔介质的压力传递至外部的压力传感器，压力传感器通过自备的数显二次表直接进行显示或传递至数据收集处理单元7处。引压管3062用于保护测压管3061，内部的防冻液可防止测压管3061被多孔介质处的低温冻结。囊式隔离套3063可在测压管3061的端部形成一个充满防冻液的受压腔体3064，以精确传递承受的压力至测压管3061。
在引压管3062的端部外表面设置有多道径向凸环3065，囊式隔离套3063为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环3065对应的凹环3066，囊式隔离套3063利用凹环3066与引压管3062上的凸环3065套插后卡合在一起，在防止脱落的同时可在内部形成容纳防冻液的受压腔体3064。
为测量不同深度的温度，在同一测量孔107处的温度传感器307至少设置有4个，且分别位于下盖板104至矩形腔体101的水平中心剖切线的1/4、2/4、3/4和水平中心剖切线处。同样，囊式隔离套1063和电极305也可以按同样的方式进行安装，从而能够测量到多孔介质轴向上的压差、温差和电阻率值差。而在同一位置则可测量到不同深度的压差、温差和电阻率值差。
天然气水合物具有高的电阻率(大约是水电阻率的50倍以上)，地层的电阻率约为0～15000Ω.m。在本系统中，电极305的电阻率测量范围为0～15000Ω.m，精度1％。为更加精确的测量水合物的分布，电极305采用均匀分散布置的方式，如按13×3的方式布置。
上述结构可以减少布置测量孔107的数量同时增强下压板105的强度，减少泄漏点；采用多层组合式限制片302的结构可在承受压力越大时，限制片302与温度测点贴合越充分，确保测点密封的可靠性。
如图12所示，在本发明的一个实施方式中，气体注入系统4的流量控制器406包括并联连接输出气体的调节气罐4061和输出液体的调节液罐4062，控制调节气罐4061和调节液罐4062输出至矩形模拟腔内气、液量的压力调节阀4063，为调节气罐4061和调节液罐4062分别提供气体和液体的储罐4064和提供压力的压力泵4065，检测压力的传感器，控制各部件运行的PLC单元。
其中，调节气罐4061和调节液罐4062的结构基本相同，只是两者在工作时一个输出气体，一个输出液体。调节气罐4061内部由滑动活塞间隔成气室A和液室A，调节液罐4062的内部由滑动活塞间隔成气室B和液室B，气室A和液室A分别通过管路与压力调节阀4063并联连接；气室B和液室B分别通过管路与压力泵4065并联连接以获取输入压力，传感器获取各处的压力并输出至PLC单元，PLC单元根据矩形模拟腔1内压力值的变化调整压力调节阀4063使输入矩形模拟腔内的气、液量维持稳定，使气量或液量或气液混合量的输入始终维持在一个标准。
随着高压流体注入矩形模拟腔1中，会带来注入压力的提高，为保证注入矩形模拟腔1内的高压流体为恒定的流量，且高压流体的气液体积比为固定值：而流量控制器406则可实现在不同的压力温度下控制输出量保持稳定。本实施方式中，流量控制器406可以根据不同的实验需要安装多个，其调节的目的包括气-气混合和气-液混合。
高压流体注入矩形模拟腔1内后使得内部压力升高，原来注入流体内的气液体积比可能会改变，流量控制器406此时会提高压力和注入速度，使注入到矩形模拟腔1内的气液比始终维持在预期气液比的状态，即实现恒定的注入流量。
设矩形模拟腔1的进口压力为P1，压力泵4065提供的压力P2，实际进入矩形模拟腔1内的气体流量为Q1，实时变化的流量为Q2，流量控制器406则有：
P1·Q1＝P2·Q2
式中P2为定值，当P1变化时，为保证Q1不变，就要不断改变Q2的流量。本装置通过压力传感器实时采集压力P1的值，由数据采集处理系统7控制压力泵4065的输出压力，随P1的变化而不断改变调节气罐4061和调节液罐4062的排量Q2，确保气、液体流量Q1的恒定输入至矩形模拟腔1内，保证恒定的气液输入比例。
工作过程说明如下：气室A和液室A分别与回压阀4063连接以输出相应的气体和液体，由回压阀4063根据相应的压力变化控制两者输出的混合量，气室B和液室B内充满液体，在压力泵4065的压力下推动活塞挤压气室A和液室A以输出相应的气体量和液体量，压力泵4065的推动压力大小由数据采集处理单元7根据压力传感器回馈信号确定，该值随着矩形模拟腔1内的压力变化逐渐增大。
如图13所示，公开一种压力调节阀405的结构，本发明的模拟分析系统在需要调节输出压力时都可采用该结构的压力调节阀405，压力调节阀405结构如下：包括阀体4051，通过螺栓固定在阀体4051上的阀盖4052，在阀盖4052内设置有一端大一端小的贯穿形漏斗状活塞腔4054且开口大的一端靠近阀体4051，活塞腔4054内活动安装有同样形状的漏斗形活塞4055，活塞4055的轴心线上设置有同轴的双贯穿通道4056，双贯穿通道4056中的一个通道直接穿过轴心，另一个通道以环状围绕在该通道圆周，在阀盖4052的活塞腔4054小端出口处安装有带通道的阀帽4053，在阀帽4053的通道内活动安装有与活塞4055的双贯穿通道4056出口对应的密封圈4057，密封圈4057可以同时封闭两个通道；在阀帽4053的侧边设置有与通道相通以对密封圈4057施压的压力通道4058，阀盖4052上设置有与活塞腔4054相通的溢流通道4059，在阀体4051与活塞腔4054相对的位置处设置有通过支管分别与调节气罐4061和调节液罐4062连通的容纳腔4050，容纳腔4050的开口直径小于相邻活塞端的直径，在容纳腔4050内设置有活动封闭开口端的压块，活塞4055与容纳腔4050相对的一侧设置有密封片。
当调节气罐4061和调节液罐4062的气、液进入容纳腔4050后，分别由双贯穿通道4056输出并推动密封圈4057，密封圈4057施加有由压力通道4058输入的固定压力，当气、液量的压力小于该固定压力时，密封圈4057持续封闭住双贯穿通道4056，当气、液量的压力大于该固定压力时，则顶开密封圈4057由阀帽4053处输出相应的气、液。因此，通过调节固定压力的大小即可控制气、液的输出量。溢流通道4059则可以作为气、液的泄压通道。
进一步，密封圈4057可以采用分开设置的结构以分别封闭相应的通道，而压力通道4058设置两条并分别对应一个密封圈4057，该结构可以通过压力通道4058施加不同的压力，来调节气、液不同的输出量，进一步提高混合精度。
如图14所示，在本发明的一个实施方式中，前述各实施方式中采用的控制阀可以是如下结构的手动控制阀9，该手动控制阀9一般包括作为流通通道的阀体91，关闭流通通道的阀杆92，控制阀杆92移动的手动螺杆93。在阀体91内设置有输液通道94和连通输液通道94的阀杆安装槽95，阀杆92形状与输液通道94的截面形状相同，可为圆柱形或矩形。阀杆92的一端设置有径向凸出的凸圈921或任意凸出阀杆本体的结构，如凸块、凸杆。手动螺杆93的一端通过外螺纹拧在阀杆安装槽95的开口端内，且在该端设置有夹持阀杆凸圈921的凹槽931，阀杆92的升降可由手动螺杆93带动凸圈921实现，两者之间既可以是固定连接结构，也可以是凸圈921相对安装位置能够相互转动的活动卡合结构。
工作时，阀杆92的凸圈921卡入凹槽931内，其另一端根据开关状态位于输液通道94内或位于输液通道94外，当位于输液通道94内时可完全封闭输液通道94。手动螺杆93通过螺纹升降后带动阀杆92升降，实现输液通道94的开关。为提高密封性，可以在阀杆92上的径向圆周套装密封圈96，该密封圈96的外径与阀杆安装槽95的内径相同且至少大于凸圈921的外径，密封圈96能够防止液体或气体由阀杆安装槽95处泄漏，同时可防止气体或液体进入安装凸圈921的凹槽931。
为提高阀杆92的开关效果，该输液通道94可以包括相互平行的进液通道和排液通道，以及垂直连接进液通道和排液通道一端的封闭通道，阀杆92插入封闭通道中。该结构可以增加阀杆92的封闭长度，进而提高封闭效果。
本实施方式中手动螺杆93活动夹持凸圈931的结构如下：在手动螺杆93的凹槽931内通过螺纹拧有一个活动的安装套(图中未示出)，该安装套的内部为与阀杆92的凸圈921一端形状对应的容纳槽，在安装套的圆周上设置有供凸圈921一端侧向卡入的卡口；在使用时将阀杆92的凸圈921一端由卡口处卡入安装套内，再将安装套拧入凹槽931中；该结构可以降低对手动阀杆93的制作工序，方便安装。
此外，在另一个实施方式中，手动螺杆93活动夹持凸圈931的结构还可以是：在凹槽931的侧面设置与阀杆凸圈921一端形状对应的卡口，在卡口处通过螺栓活动安装封闭卡口的封闭块。该结构可以从手动阀体93的侧面进行凹槽931的加工，采用活动的封闭块进行封闭则可以防止和限制安装后的阀杆92径向移动。封闭块的外表面可以制作与手动阀杆93一体的外螺纹。
在本发明的一个实施方式中，在矩形腔体101内设置有实现稳态热丝测量的稳态测量装置116，如图15所示，该稳态测量装置116包括插装在矩形腔体101内且位于水平中部的铂材热丝1161，套在铂材热丝1161外部的护套1162，将护套1162和铂材热丝1161两端固定在矩形腔体101两端的固定座1163。
铂材热丝1061通电后，可由多孔介质中心向两侧传递热量，护套1162能够防止外部的液体或多孔介质与铂材热丝1161直接接触，透过在多孔介质不同位置、不同深度处布置的温度传感器307可测量升温速率，进而测试水合物的导热系数。
具体的固定座1163结构如下：整体为圆柱形结构，内部设置有轴向通孔，两端设置有外螺纹，其通过一端的外螺纹与矩形腔体101侧壁上的安装孔连接，在安装孔内安装有受挤压后变形以增强密封效果的密封压环1164，在固定座1163另一端的外螺纹上拧有拉紧接头1165，在拉紧接头1165靠近固定座1163的一端安装有调节拉紧接头1165拉紧度的调节螺母1166，拉紧接头1165另一端的端头内安装有带开槽的倒锲挤紧环1167，和将倒锲挤紧环1167限制在拉紧接头1165上的收紧压帽1168。
根据矩形腔体101的体积，可并排间隔设置多个稳态测量装置116，通过拉紧接头1165可以调整铂材热丝1161的松紧度，同时不会影响收紧压帽1168的固定效果。
在本发明的一个实施方式中，还包括对矩形模拟腔内的多孔介质进行加热来模拟改变水合物生成时环境温度的加热系统10，该加热系统10包括同时提供蒸汽和热水的防爆型蒸汽发生器，蒸汽发生器包括内部设置有加热腔的加热筒，加热筒的筒壁为双层空心结构，中间为热水空间，在加热腔内设置有环形或多边形直接连通筒壁内热水空间的加热管，在加热管的下方设置有加热器，上方设置有供加热管内生成的蒸汽排出的蒸汽管，在蒸汽管的输出通道上设置有调节输出温度的冷水交换区；冷水交换区通过低温水调节输出的蒸汽温度，这里的低温水既可以某个范围内的水，如10℃水，也可以是进入加热管前的热质，以便提前吸收相应热量而减少后期加温时间。
还安装有检测各处温度的温度探头，检测输入输出压力的压力探头，向热水空间和冷水交换区供水的进水管，输出蒸汽和/或热水的出水管，以及根据指令控制预定蒸汽或热水输出的PLC控制单元，交换区通过带有控制阀的管路与热水空间连通。
如图16所示，在本发明的一个实施方式中，还包括在矩形模拟腔1的输入孔108入口处利用钻井液实现环空循环流动以模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染的钻井液循环系统8；该钻井液循环系统8包括存储井液的储液罐801，控制钻井液循环流动的循环泵802，对循环钻井液进行加温的温控仪803，调节钻井液循环时压力的调压装置804，设置在矩形模拟腔1一端的模拟井口环空结构805；储液罐801的输出口连接循环泵802后与模拟井口环空结构805的入口连接，模拟井口环空结构805的出口与调压装置804连接后与储液罐801的输入口连接，温控仪803单独与储液罐801连接，循环泵802的输出端通过支管与储液管801连接。
储液罐801采用带盖的可拆卸结构，容积为1000mL，最大工作压力25MPa，温控仪803的温度调控范围在室温-50℃左右。循环泵802的注入最大压力25MPa，流量范围控制在0.5～10mL/min。
此外，本发明的三维综合性储层水合物模拟分析系统在用电方面还设置有用电接地保护，断电保护电路，超温保护，超压保护和电子电路安全保护。
其中用电接地保护和断电保护电路可避免突然停电后来电对设备和人体的伤害，每断电必须重新启动总电源，仪器才能通电工作，确保人身安全。
超温保护对加热的一些大功率仪器进行了分相处理，达到基本平衡，保持电路系统稳定，以防止电路中某一相功率过大造成相与相之间不平衡。通过系统设计的PID控制系统，可对恒温控制系统设定温度上下线，当实时温度超过测定温度上限或下限时则报警，提醒操作人员注意，且当系统温度超出设定度时，系统会立即自动停止当前操作，然后关断加热电源并报警。
超压保护处理方式包括选择满足国家《GB/T 1220-2007不锈钢棒》标准的高压材料制作各装置；而压力部件严格按照国家《GB150.1～150.4-2011压力容器》标准进行设计、加工及检验。耐压检验包括液压试验和气压试验，液压试验压力为1.25倍的设计压力，气压试验压力为1.15倍的设计压力；容器及关键压力点均配有相应量程的进口压力传感器，实时监测各压力测点。可以根据试验需要设定最大压力值，当压力测点接近满量程或仪器极限指标时，动力元件停止工作，软件界面提示并声音报警。各系统的泵处装有安全阀，当压力超过极限压力时自动泄压。压力到达规定值后安全阀打开，并发出警报。
电子电路安全保护采用电接点压力表进行超压保护，电接点压力表由测量系统、指示系统、磁助电接点装置、外壳、调整装置和接线盒(插头座)等组成。一般电接点压力表是用于测量对铜和铜合金不起腐蚀作用的气体、液体介质的正负压力，不锈钢电接点压力表用于测量对不锈钢不起腐蚀作用的气体、液体介质的正负压力并在压力达到预定值时发出信号，接通控制电路，达到自动控制的报警的目的。电接点压力表基于测量系统中的弹簧管在被测介质的压力作用下，迫使弹簧管之末端产生相应的弹性变形一位移，借助拉杆经齿轮传动机构的传动并予放大，由固定齿轮上的指示(连同触头)逐将被测值在度盘上指示出来。与此同时，当其与设定指针上的触头(上限或下限)相接触(动断或动合)的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的。
在本发明的一个实施方式中，提供一种前述三维综合性储层水合物模拟分析系统的实验方法，一般性地包括如下步骤：
步骤100，将所有系统通过管路和控制阀与矩形模拟腔实现相互独立控制连接，由矩形模拟腔的任意开口端装填湿性多孔介质样品，在矩形模拟腔内气液输入侧和输出侧放置不影响水气通过但防止样品通过的金属网和滤纸，装填完毕后安装好上盖板和上压板或下盖板和下压板，根据实验要求利用角度调整装置调节好矩形模拟腔的摆放角度；
这里的相应设备连接既可以是同时连接好所有用于不同模拟效果的系统，然后根据需要打开相应的系统；也可以是仅安装相应需求的系统。连接各系统时需要注意各控制阀的关闭和密封。
步骤200，连接参数测量系统中的各测量组件，通过真空系统对矩形模拟腔进行抽真空后加环压，启动恒温系统模拟实验所需环境温度，然后根据实验目的启动相应的系统来模拟实际地层环境进行实验，其中实验目的包括：
一、通过气体注入系统对当前样品进行天然气或混合气体或不同相态气体的注入，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
二、通过液体注入系统实现对当前样品注入盐水，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
三、注入液体，再注入一定压力的气体，降低实验温度，实现水合物合成；
四、通过降低系统压力以模拟水合物分解过程；
五、在水合物分解的不同阶段测量储层的渗透率及气水相对渗透率；
六、通过井液循环系统使钻井液与矩形腔体的模拟井口环空结构进行循环流动，同时测量样品受钻井液渗透的影响状态；
七、通过加热系统对样品进行注入热气或热水，以测量水合物在注热开采方式下的分解状态；
该步骤中的各个实验目的，不需要同时实现，可根据实验目的分别进行。
步骤300，在各实验过程中，通过测量组件中的囊式测压器测量样品的压差值数据，通过温度传感器测量样品中水合物在生成和分解时的温度变化，通过电极测量样品的电阻率值，上述测量包括对样品水平方向上不同位置及垂直方向上不同深度的测量；
步骤400，在上述实验过程中，由加压系统通过控制矩形腔体输出的压力以调节各实验过程中所需的驱替压力大小，数据采集处理单元控制各实验过程的处理步骤、数据采集和输出分析结果。
在前述步骤中，通过电阻率与饱和度之间的关系值可获取多孔介质样品不同区域的饱和度分布情况；通过进出口气体流量计及液体流量计值计算得到当前海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的单相及多相渗透率。
本方法可通过不同的系统组合或独立实现不同的模拟实验过程，通过换装不同类型沉积物来测定不同多孔介质的渗透率，通过现有的分析方法对各模拟过程中的各种数据进行分析和总结，从而获取选择储层在不同模拟实验中的所有数据信息，为实际开采提供可信的依据。通过精确控制进入矩形模拟腔的气体及液体注入量，同时精确计量矩形模拟腔出口的气体和液体量，即可推算多孔介质孔隙内的气水饱和度。通过监测负压样品腔中不同位置水合物的生成情况以及注热开采过程中水合物的分解情况，可分析实验过程中多孔介质内温度、压力曲线的变化，以及根据气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的P-T平衡和分解条件。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (22)

1.三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，包括：
矩形模拟腔，包括两端开口用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的矩形腔体、分别放置在矩形腔体开口两端且封闭开口端的上盖板和下盖板，以及分别固定上盖板和下盖板的上压板和下压板；其中，上盖板的外径大于矩形腔体的内径且卡在矩形腔体侧边上的台阶凹槽中，下盖板的外径等于矩形腔体的内径且位于矩形腔体内，上压板将上盖板限制在当前位置，下压板在固定过程中对下盖板施加挤压内部多孔介质的挤压力；在下压板和下盖板上均匀分布有多个对应的测量孔，在矩形腔体的两个相对侧边设置有连接外部系统的输入孔和排出实验过程中物质的输出孔；
所述下盖板在所述下压板的挤压下对多孔介质施加模拟地层压力的围压，所述下盖板的移动距离为0~20mm；
在所述下盖板内设置有容水的底水腔，底水腔与所述下压板接触的一面上设置有一至四个与所述下压板连通的进水口，底水腔与所述矩形腔体内部接触的一面均匀分布设置有多个出水口；
所述矩形模拟腔安装在角度调整装置上，所述角度调整装置包括水平对称固定在所述矩形腔体两个相对面外侧上的固定柱，其中一根固定柱的端部通过带有轴承的轴承座安装在一个支撑在地面上的支座内，所述轴承座与所述支座为弧形滑动接触；另一根固定柱通过轴承与蜗轮升降机构连接，蜗轮升降机构通过控制固定柱使矩形腔体实现水平旋转和垂直高度上的升降；
参数测量系统，包括安装在各所述测量孔中以同时测量多孔介质在不同模拟实验中数据的测量组件，测量组件包括同时安装在一个测量孔中或分散安装在不同测量孔中测量压力的囊式测压器、测量温度的温度传感器和测量电阻的电极；
恒温系统，通过套在所述矩形模拟腔外的恒温箱来调整所述矩形模拟腔在实验时的环境温度；
真空系统，通过真空泵对所述矩形模拟腔进行抽真空，以提供干净的实验环境；
气体注入系统，通过气体压缩机向所述矩形模拟腔内注入气体以合成水合物或测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率；
液体注入系统，通过恒速恒压泵向所述矩形模拟腔内注入指定的液体，用于当前多孔介质合成水合物或分析当前多孔介质的液体渗透率；
出口计量系统，包括在所述矩形模拟腔输出压力超出标准时自动泄压的压力调节器、回压容器、回压泵、对输出的水合物进行气液分离的气液分离器、接收分离后气体并通过流量计计量的气罐以及称量分离后液体的计重装置；
数据采集处理单元，包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出；
所述液体注入系统的恒速恒压泵为双缸恒速恒压泵，所述双缸恒速恒压泵通过两个缸实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业，以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制；
所述液体注入系统还包括安装在所述双缸恒速恒压泵和所述矩形腔体之间的压力调节活塞，所述压力调节活塞包括两端开口的空心容器，在所述空心容器的两端通过外螺纹分别拧有上盖和下盖，且在所述空心容器的两端口的内部分别安装有密封堵头，在所述密封堵头远离所述空心容器的一面设置有向外凸出的连接台，在所述上盖和所述下盖上设置有供所述连接台穿过的通孔，在所述连接台上设置有轴向贯穿孔；
在空心容器的内部安装有可沿轴向移动并将空心容器内部隔离成两个独立空腔的隔板；其中一个空腔与所述双缸恒速恒压泵连通，另一个空腔与所述矩形腔体连通，与所述矩形腔体连通的空腔内注满满足水合物生成的溶液，其在另一个空腔内蒸馏水或煤油的推动下注入所述矩形腔体内。
2.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述上盖板上均匀分布有与矩形腔体内连通的安装孔，在安装孔内安装有高压玻璃，在高压玻璃的轴向两端分别设置有固定用夹持件，所述夹持件包括平面的环形圈和由环形圈平面一侧轴向凸出的卡环，卡环的内径与高压玻璃的外径相同，安装孔的孔壁上设置有向圆心凸出的环形台，两个夹持件通过卡环分别套在高压玻璃的轴向两端后利用穿过环形圈上通孔的螺栓与环形台固定；在高压玻璃的外圆周与环形台之间设置有密封用四氟垫圈，在夹持件与所述上盖板之间设置有挤压密封的缓冲垫圈；在所述上盖板与安装孔对应的位置设置有倒圆锥形观察孔。
3.根据权利要求2所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述上盖板与所述台阶凹槽接触的侧边处安装有密封压条，所述下盖板与所述矩形腔体接触的侧边设置有容纳密封压条的内缩台阶，在所述上压板和所述下压板上分别安装有顶紧密封压条的压紧螺钉。
4.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述上盖板为整块透明的耐高压玻璃板，所述上压板为中间带加强杆的矩形框，所述矩形框以套压方式固定耐高压玻璃板的四周。
5.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述矩形腔体的输入孔和输出孔与多孔介质之间设置有隔离泥沙的过滤器，同时输入孔位于矩形腔体内一侧的出口的侧面上设置有将输出的液体分散成面输出的导流槽，所述导流槽包括矩形间隔分布在该侧面上的环形槽，各环形槽之间通过径向槽连通。
6.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述下盖板上的测量孔为三段内径逐渐缩小的台阶结构且内径最小的一端靠近矩形腔体；所述下压板上的测量孔内径与所述下盖板上测量孔内径最大的相同，所述测量孔的数量为25~30个。
7.根据权利要求6所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述囊式测压器、温度传感器和电极沿所述矩形腔体内的气液流动方向依次分布；一个测量孔中安装一个囊式测压器、一个温度传感器或一个电极，或一个测量孔中同时安装多个囊式测压器、温度传感器和电极。
8.根据权利要求7所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述参数测量系统还包括固定座、限制片和防脱套，所述固定座密封固定在所述测量孔内且所述固定座内部设置有中心通道，所述限制片为柔性或金属圆片且设置有多个轴向贯穿插孔，所述限制片水平安装在固定座的中心通道内，所述防脱套通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端，所述防脱套前端顶紧所述限制片；所述囊式测压器、温度传感器和电极穿过防脱套和限制片上的轴向贯穿插孔后伸入所述矩形腔体内，所述防脱套与所述固定座接触一端的外圆周上设置有密封件，所述防脱套的另一端设置有防止信号线缆松动的防转螺栓，所述防转螺栓的径向上设置有通孔，在所述防脱套上设置有对应的限制孔，当防转螺栓转到位后，通过固定螺栓拧入通孔和限制孔避免防转螺栓转动。
9.根据权利要求8所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述限制片安装在所述下盖板上的测量孔的中间台阶结构处，所述限制片安装有多个且各所述限制片相互之间间隔或接触安装。
10.根据权利要求8所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述囊式测压器包括测压管、套在测压管外部的引压管、向所述引压管内注入防冻液的注入装置以及位于引压管端部且密封容纳测压管端部的囊式隔离套；所述引压管的端部外表面设置有多道径向凸环，所述囊式隔离套为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环对应的凹环，所述囊式隔离套利用凹环与所述引压管上的凸环卡合后连接在一起，以在所述囊式隔离套的内部形成容纳防冻液的保护空间。
11.根据权利要求7所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
一个测量孔中同时安装多个囊式测压器、温度传感器和电极时，同一所述测量孔处的所述温度传感器至少设置有4个，且分别位于所述下盖板至所述矩形腔体的水平中心剖切线的1/4、2/4、3/4和水平中心剖切线处。
12.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述恒温系统的恒温箱内部为容纳矩形模拟腔的保温空间，在恒温箱的内部相对两面设置有实现内部热风对流的热风机，在恒温箱的侧壁内设置有冷却盘管构成的用于调节箱内温度的制冷系统，恒温箱的内表面铺设有不锈钢镜面板，外表面安装有玻璃纤维形成的保温层，在侧壁上设置有透明观察窗和温度控制面板，在透明观察窗处设置有保持箱内亮度的照明灯。
13.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述气体注入系统包括产生压力气体的空气压缩机、对所述空气压缩机产生的气体进行增压的气体增压泵、存储增压后低压气体的低压储罐、存储增压后高压气体的高压储罐、根据实验要求选择低压储罐或高压储罐向所述矩形腔体内输入指定压力的压力调节阀以及控制单一气体输出流量大小和控制混合气液流量的流量控制器；在压力调节阀之前的气路上安装有气体润湿装置，所述气体润湿装置为装有液体的耐压容器。
14.根据权利要求13所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述流量控制器包括输出气体的调节气罐、输出液体的调节液罐、控制调节气罐和调节液罐输出至所述矩形腔体内的气液量的控制阀、为调节气罐和调节液罐分别提供气体和液体的储罐和提供压力的压力泵、检测压力的传感器以及控制各部件运行的PLC单元，所述调节气罐和调节液罐并联连接；
所述调节气罐内部由滑动活塞间隔成气室A和液室A，所述调节液罐的内部由滑动活塞间隔成气室B和液室B。
15.根据权利要求14所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述压力调节阀包括阀体和通过螺栓固定在阀体上的阀盖，在阀盖内设置有一端大一端小的贯穿形漏斗状活塞腔且开口大的一端靠近阀体，活塞腔内安装有同样形状的漏斗形活塞，漏斗形活塞的轴心线上设置有同轴的双贯穿通道，在阀盖的活塞腔小端出口处安装有带通道的阀帽，在阀帽的通道内活动安装有与漏斗形活塞的双贯穿通道出口对应的密封圈，在阀帽的侧边设置有对密封圈施压的压力通道，阀盖上设置有与活塞腔相通的溢流通道，在阀体与活塞腔相对的位置处设置有分别与所述调节气罐和所述调节液罐连通的容纳腔，容纳腔的开口直径小于相邻活塞端的直径，在容纳腔内设置有活动封闭开口端的压块，漏斗形活塞与容纳腔相对的一侧设置有密封片。
16.根据权利要求14所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
所述控制阀包括阀体、阀杆和手动螺杆，在阀体内设置有输液通道和连通输液通道的阀杆安装槽，阀杆为圆柱形且在一端设置有径向凸出的凸圈，手动螺杆的一端通过螺纹拧在阀杆安装槽的开口端内且在该端设置有活动夹持阀杆的凸圈的凹槽，阀杆的凸圈卡入阀杆安装槽的开口端的凹槽内，且阀杆的另一端位于输液通道内并可完全封闭输液通道，在阀杆上套有密封圈且密封圈的外径大于阀杆安装槽的开口端的凹槽的外径；
所述输液通道包括相互平行的进液通道和排液通道，以及垂直连接进液通道和排液通道一端的封闭通道，阀杆插入封闭通道中。
17. 根据权利要求16所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
活动夹持所述凸圈的结构如下：在所述阀杆安装槽的开口端的凹槽内通过螺纹拧有安装套，安装套的内部为与阀杆的凸圈一端形状对应的容纳槽，在安装套的圆周上设置有供凸圈一端侧向卡入的卡口；或
在阀杆安装槽的开口端的凹槽的侧面设置有与阀杆的凸圈一端形状对应的卡口，和通过螺栓与卡口处连接以封闭卡口的封闭块。
18.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
在所述矩形腔体内设置有实现稳态热丝测量的稳态测量装置，所述稳态测量装置包括插装在所述矩形腔体内且位于所述矩形腔体的水平中部的铂材热丝、套在铂材热丝外部的护套，以及将护套和铂材热丝两端固定在所述矩形腔体两端的封头和固定座；
所述固定座内部设置有轴向通孔，其通过一端的外螺纹与所述矩形腔体侧壁上的安装孔连接，在安装孔内安装有挤压变形的密封压环，在固定座的另一端的外螺纹上拧有拉紧接头，在拉紧接头靠近固定座的一端安装有调节拉紧接头拉紧度的调节螺母，拉紧接头另一端的端头内安装有带开槽的倒锲挤紧环和将倒锲挤紧环限制在拉紧接头上的收紧压帽。
19.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
还包括对所述矩形腔体内的多孔介质进行加热来模拟改变水合物生成时环境温度的加热系统，所述加热系统包括同时提供蒸汽和热水的防爆型蒸汽发生器，蒸汽发生器包括内部设置有加热腔的加热筒，加热筒的筒壁为双层空心结构且中间为热水空间，在加热腔内设置有环形或多边形直接连通筒壁内热水空间的加热管，在加热管的下方设置有加热器，上方设置有供加热管内生成的蒸汽排出的蒸汽管，在蒸汽管的输出通道上设置有调节输出温度的冷水交换区；
还包括检测各处温度的温度探头、检测输入输出压力的压力探头、向热水空间和冷水交换区供水的进水管和输出蒸汽和/或热水的出水管，以及根据指令控制预定蒸汽或热水输出的PLC控制单元，交换区通过带有控制阀的管路与热水空间连通。
20.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析系统，其特征在于，
还包括通过储液装置在所述矩形腔体的输入口处利用钻井液实现环空循环流动以模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染的钻井液循环系统；所述储液装置包括存储井液的储液罐、控制钻井液循环流动的循环泵、对循环钻井液进行加温的温控仪、调节钻井液循环时压力的调压装置以及设置在所述矩形腔体一端的模拟井口环空结构；
所述储液罐的输出口连接循环泵后与模拟井口环空结构的入口连接，模拟井口环空结构的出口与调压装置连接后与储液罐的输入口连接，所述温控仪单独与储液罐连接，所述循环泵的输出端通过支管与储液罐连接。
21.一种应用权利要求1-20任一所述三维综合性储层水合物模拟分析系统的实验方法，其特征在于，所述三维综合性储层水合物模拟分析系统还包括对所述矩形腔体内的多孔介质进行加热来模拟改变水合物生成时环境温度的加热系统，所述三维综合性储层水合物模拟分析系统还包括通过储液装置在所述矩形腔体的输入口处利用钻井液实现环空循环流动以模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染的钻井液循环系统，以及加压系统，包括如下步骤：
步骤100，将所有系统通过管路和控制阀与矩形腔体实现相互独立控制连接，由矩形腔体的任意开口端装填湿性多孔介质样品，在矩形腔体的气液输入侧和输出侧放置不影响水气通过但防止样品通过的金属网和滤纸，装填完毕后安装好上盖板和上压板或安装好下盖板和下压板，根据实验要求利用角度调整装置调节好矩形腔体的摆放角度；
步骤200，连接参数测量系统中的各测量组件，通过真空系统对矩形腔体进行抽真空后加环压，启动恒温系统模拟实验所需环境温度，然后根据实验目的启动相应的系统来模拟实际地层环境进行实验，其中实验目的包括：
一、通过气体注入系统对当前样品进行天然气或混合气体或不同相态气体的注入，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
二、通过液体注入系统实现对当前样品注入盐水，以分析不同压力下不同流量时当前样品的渗透率；
三、注入液体，再注入一定压力的气体，降低实验温度，实现水合物合成；
四、通过降低系统压力以模拟水合物分解过程；
五、在水合物分解的不同阶段测量储层的渗透率及气水相对渗透率；
六、通过钻井液循环系统使钻井液与矩形腔体的模拟井口环空结构进行循环流动，同时测量样品受钻井液渗透的影响状态；
七、通过加热系统对样品进行注入蒸汽或热水，以测量水合物在注热开采方式下的分解状态；
步骤300，在各实验过程中，通过测量组件中的囊式测压器测量样品的压差值数据，通过温度传感器测量样品中水合物在生成和分解时的温度变化，通过电极测量样品的电阻率值，上述测量包括对样品水平方向上不同位置及垂直方向上不同深度的测量；
步骤400，在上述实验过程中，由加压系统通过控制矩形腔体输出的压力以调节各实验过程中所需的驱替压力大小，数据采集处理单元控制各实验过程的处理步骤、数据采集和输出分析结果。
22.根据权利要求21所述的实验方法，其特征在于，
还包括通过电阻率与饱和度之间的关系值获取样品不同区域的饱和度分布情况；通过进出口气体流量计及液体流量计值计算得到当前海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的单相及多相渗透率。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110952958B (zh) * 2019-12-19 2020-11-27 中国科学院广州能源研究所 一种天然气水合物水平井均衡排液测试装置及方法
CN110887776B (zh) * 2019-12-24 2020-12-18 江西省科学院能源研究所 一种测定含水合物储层的水平/垂向渗透率的装置及方法
CN111535795B (zh) * 2020-03-23 2022-08-30 百勤能源科技（惠州）有限公司 一种水下天然气水合物井口装置模拟检测系统
CN111551672B (zh) * 2020-03-26 2022-05-06 广东工业大学 天然气水合物开采甲烷泄漏模拟系统及方法
CN111521685A (zh) * 2020-05-21 2020-08-11 中国地质大学（武汉） 一种天然气水合物带压转移和参数检测系统
CN112083124B (zh) * 2020-08-06 2021-08-17 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物大尺度实验系统中物性表征装置及方法
CN111963118B (zh) * 2020-08-25 2022-10-11 中海石油（中国）有限公司天津分公司 一种模拟水平井开采的二维可视化填砂实验模型
CN112282705B (zh) * 2020-10-13 2022-09-09 中国石油大学(华东) 一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置及实验方法
CN112683750A (zh) * 2020-12-24 2021-04-20 广州海洋地质调查局 一种天然气水合物两相渗流模拟装置
CN113216932B (zh) * 2021-05-12 2022-10-18 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统及方法
CN113944462B (zh) * 2021-12-20 2022-03-01 中国石油大学(华东) 一种弱胶结水合物层固化改造模拟实验系统及方法

Citations (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101046146A (zh) * 2007-04-06 2007-10-03 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物二维开采模拟实验装置
CN101550816A (zh) * 2009-05-20 2009-10-07 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物三维开采模拟实验装置
CN101575964A (zh) * 2009-06-05 2009-11-11 中国石油大学(北京) 模拟天然气水合物开采的实验方法及装置
CN102052065A (zh) * 2010-07-01 2011-05-11 青岛海洋地质研究所 天然气水合物模拟开采实验装置
CN102094610A (zh) * 2010-12-24 2011-06-15 中国科学院广州能源研究所 一种co2开采天然气水合物的实验模拟系统
CN102305052A (zh) * 2011-09-05 2012-01-04 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法
CN102323394A (zh) * 2011-08-23 2012-01-18 中国地质大学（武汉） 研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法
CN102678090A (zh) * 2011-03-16 2012-09-19 中国海洋石油总公司 天然气水合物三维合成与开采模拟装置
CN103217345A (zh) * 2013-03-27 2013-07-24 山东大学 用于测量岩土工程试块真三轴蠕变的装置及其方法
CN103927921A (zh) * 2014-04-15 2014-07-16 吉林大学 微生物作用下的水合物多功能模拟实验系统
CN103980970A (zh) * 2014-05-28 2014-08-13 山东科技大学 一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置及其使用方法
CN104088612A (zh) * 2014-06-20 2014-10-08 华南理工大学 一种开采天然气水合物的实验模拟装置及方法
CN104100257A (zh) * 2014-06-04 2014-10-15 西南石油大学 高温高压微观可视化地层渗流模拟实验装置及方法
CN104359802A (zh) * 2014-11-20 2015-02-18 中国地质大学（武汉） 基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪
CN104453794A (zh) * 2014-11-20 2015-03-25 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法
CN105738214A (zh) * 2016-03-01 2016-07-06 龙岩学院 一种矿井顶板材加固料的性能测试装置及其使用方法
WO2017088226A1 (zh) * 2015-11-25 2017-06-01 中国科学院广州能源研究所 模拟天然气水合物开采过程地层形变的实验装置和方法
CN107288630A (zh) * 2017-07-28 2017-10-24 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的控制系统
CN107355201A (zh) * 2017-07-28 2017-11-17 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的使用方法
CN107514243A (zh) * 2017-07-28 2017-12-26 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置
CN107687337A (zh) * 2017-07-28 2018-02-13 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的三维模型系统
CN107894383A (zh) * 2017-11-03 2018-04-10 青岛海洋地质研究所 三轴应力条件下含水合物沉积物渗透率测量装置及其方法
CN209398398U (zh) * 2018-11-02 2019-09-17 广州海洋地质调查局 三维综合性储层水合物模拟分析系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104405345B (zh) * 2014-10-20 2017-01-18 中国科学院广州能源研究所 一种可渗透边界层天然气水合物开采模拟实验装置
WO2017050142A1 (zh) * 2015-09-23 2017-03-30 中国石油大学(华东) 一种多孔介质中气水合物模拟实验测试系统及测试方法

Patent Citations (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101046146A (zh) * 2007-04-06 2007-10-03 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物二维开采模拟实验装置
CN101550816A (zh) * 2009-05-20 2009-10-07 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物三维开采模拟实验装置
CN101575964A (zh) * 2009-06-05 2009-11-11 中国石油大学(北京) 模拟天然气水合物开采的实验方法及装置
CN102052065A (zh) * 2010-07-01 2011-05-11 青岛海洋地质研究所 天然气水合物模拟开采实验装置
CN102094610A (zh) * 2010-12-24 2011-06-15 中国科学院广州能源研究所 一种co2开采天然气水合物的实验模拟系统
CN102678090A (zh) * 2011-03-16 2012-09-19 中国海洋石油总公司 天然气水合物三维合成与开采模拟装置
CN102323394A (zh) * 2011-08-23 2012-01-18 中国地质大学（武汉） 研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法
CN102305052A (zh) * 2011-09-05 2012-01-04 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法
CN103217345A (zh) * 2013-03-27 2013-07-24 山东大学 用于测量岩土工程试块真三轴蠕变的装置及其方法
CN103927921A (zh) * 2014-04-15 2014-07-16 吉林大学 微生物作用下的水合物多功能模拟实验系统
CN103980970A (zh) * 2014-05-28 2014-08-13 山东科技大学 一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置及其使用方法
CN104100257A (zh) * 2014-06-04 2014-10-15 西南石油大学 高温高压微观可视化地层渗流模拟实验装置及方法
CN104088612A (zh) * 2014-06-20 2014-10-08 华南理工大学 一种开采天然气水合物的实验模拟装置及方法
CN104359802A (zh) * 2014-11-20 2015-02-18 中国地质大学（武汉） 基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪
CN104453794A (zh) * 2014-11-20 2015-03-25 中国科学院广州能源研究所 天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法
WO2017088226A1 (zh) * 2015-11-25 2017-06-01 中国科学院广州能源研究所 模拟天然气水合物开采过程地层形变的实验装置和方法
CN105738214A (zh) * 2016-03-01 2016-07-06 龙岩学院 一种矿井顶板材加固料的性能测试装置及其使用方法
CN107288630A (zh) * 2017-07-28 2017-10-24 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的控制系统
CN107355201A (zh) * 2017-07-28 2017-11-17 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的使用方法
CN107514243A (zh) * 2017-07-28 2017-12-26 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置
CN107687337A (zh) * 2017-07-28 2018-02-13 中国地质调查局油气资源调查中心 一种天然气水合物开发模拟实验装置的三维模型系统
CN107894383A (zh) * 2017-11-03 2018-04-10 青岛海洋地质研究所 三轴应力条件下含水合物沉积物渗透率测量装置及其方法
CN209398398U (zh) * 2018-11-02 2019-09-17 广州海洋地质调查局 三维综合性储层水合物模拟分析系统

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