CN109236244B - 三维综合性储层水合物模拟分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维综合性储层水合物模拟分析装置，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；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装置

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装置。

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装置。

具体地，本发明提供的三维综合性储层水合物模拟分析装置，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；

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处和水平中心剖切线处。

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。

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矩形模拟腔结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的测量组件安装示意图；

图3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4是本发明一个实施方式的上压板结构示意图；

图5是本发明一个实施方式的导流槽结构示意图；

图6是本发明一个实施方式中测量组件的固定结构示意图；

图7是本发明一个实施方式的囊式测压器结构示意图；

图8是本发明一个实施方式的稳态测量装置安装结构示意图。

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公开一种三维综合性储层水合物模拟分析装置，其一般性地包括：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，对实验过程和结果进行分析的数据采集处理单元。

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2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连接，以便随时控制实验过程和分析实验结果。

该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，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。

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3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4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5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6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7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。

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8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。

此外，本发明的三维综合性储层水合物模拟分析装置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。

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 (14)

1.三维综合性储层水合物模拟分析装置，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；

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，所述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；

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;

所述参数测量系统还包括第一固定座，限制片和防脱套，所述第一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，其水平安装在第一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，所述防脱套与所述第一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。

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装置，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装置，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装置，其特征在于，

所述上盖板为整块透明的耐高压玻璃板，所述上压板为矩形框，所述矩形框以套压方式固定玻璃板的四周。

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装置，其特征在于，

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。

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装置，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腔体间隔分布在该侧面上的环形槽，和连通轴向通孔与各环形槽的径向槽。

7.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，其特征在于，

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，与所述矩形腔体内部接触的一面均匀分布设置有多个出水口。

8.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，其特征在于，

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。

9.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，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。

10.根据权利要求9所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，其特征在于，

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。

11.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，其特征在于，

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。

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装置，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，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。

13.根据权利要求10所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，其特征在于，

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处和水平中心剖切线处。

14.根据权利要求1所述的三维综合性储层水合物模拟分析装置，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第二固定座；

所述第二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，在第二固定座的另一端的外螺纹上拧有拉紧接头，在拉紧接头靠近第二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。