CN109826620A - 多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置及方法，包括可视化多类型样品合成室、多应力应变控制系统、温控系统、数据采集及监测系统。本发明设计合理、功能完善且操作简单，借助本发明提出的方法，可以实现不同类型沉积物模块化的快速搭配组装成多类型储层，并在多应力场作用下生成具有盖层、产层和底层的多类型天然气水合物储层，并通过分解模块的不同布井方式和不同流速控制开展多应力场下多类型天然气水合物储层分解。通过监测系统相应的温度测量、压力测量、应变测量、电阻测量、介电常数测量、核磁共振成像、光透成像、超声成像的监测手段对水合物的生成和分解过程进行监测。

Description

多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置 及方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物生成与分解监测技术，尤其是一种在多应力场下多类型储层中的天然气水合物生成与分解监测装置及方法。

背景技术

天然气水合物是气体和水在高压低温条件下形成的类冰状固体，广泛分布于深海沉积物或陆域冻土中，储量非常巨大，是全球常规燃料总碳量的2倍。然而水合物储层开采过程中水合物分解导致储层力学性质变化较大，且在盖层和底层等多类型应力场作用下，可能导致水合物产层失稳、出砂等问题。因此在天然气水合物勘探开发前需要对多类型储层在多应力场下天然气水合物的生成与分解情况进行监测分析，保证未来安全长期高效开采。

专利CN 101963057B、专利CN 107420069A和专利CN 101376854B分别提出了一种天然气水合物地质分层模拟、一种天然气水合物赋存类型模拟开采实验系统和实验装置模拟三维条件下气体水合物成藏过程的方法及装置，虽然都考虑多类型水合物储层或多层位的天然气水合物生成和分解装置及方法情况，但是装置及方法未考虑多应力场的影响，无法有效模拟实际天然气水合物赋存环境。

天然气水合物沉积层赋存类型主要分为三种类型，其中：Class 1分为两个区域：上层为低渗透率的水合物区，下层为有自由气移动的两相流动区；Class2分为两部分，上层为水合物区，下层为没有自由气的可移动水区；Class 3只有单独的水合物区域，水合物区域不与其他流动区域相连，且三种类型赋存的应力场不同，因此多应力场下多类型储层的水合物生成与分解研究，是水合物开采这个系统工程中很重要的一个环节，对水合物储层安全高效开发具有重要意义。目前天然气水合物试采都是以垂直井为主，未来水平井和定向井技术将有助于提高生产效率，增大靶区甜点的命中率。

发明专利内容

鉴于以上问题，本发明提出一种在多应力场下多类型天然气水合物储层生成与分解监测装置及方法，可以提供含水合物储层损害的室内评价。

为实现以上目的，本发明提出了以下的技术方案：

多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，包括

样品合成室:所述样品合成室上开设有可视化视窗，其内放置有模块化的多类型沉积物，并与外部的液体回路与气体回路连接，通过井筒模块与分解模块相连接；

多应力应变控制系统：包括设置于所述合成室轴向或径向的应力加载系统；为所述样品合成室提供多应力场和孔隙压力的气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块；所述气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块分别通过管路与所述样品合成室连接，还包括用于测量储层应变的应变测量模块，所述应变测量模块安装于所述样品合成室内；

温度控制系统：包括低温水浴组及水浴传输管，通过水浴传输管将所述低温水浴组与所述样品合成室连接，对样品合成室进行多层位的温度控制；

数据采集及监测系统：包括设置于所述样品合成室内的各种物性探头、温度测量模块、压力测量模块、应变测量模块及多物性测量模块组，所述物性探头与多物性测量模块组通过导线连接，所述多物性测量模块组接收并处理所述物性探头采集的信号，所述温度测量模块安装于所述样品合成室内，监测所述样品合成室的温度，所述压力测量模块包括设置于气体回路上的若干个压力传感器，监测整个装置的压力，所述应变测量模块安装于所述样品合成室内，监测所述样品合成室内模块化的多类型沉积物的储层应变。

进一步地，采用高清图像采集器对所述可视化视窗的光透成像进行采集，所述高清图像采集器为高清摄像系统。

进一步地，所述模块化的多类型沉积物是通过将不同类型沉积物装入半透膜密封袋而形成。

进一步地，所述多物性测量模块组包括电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块和超声成像模块，分别通过导线与所述样品合成室内对应的物性探头连接。

进一步地，所述气体增压模块包括气体增压泵和真空泵，所述气体增压泵与所述真空泵接入气体回路中，控制所述水合物生成与分解监测装置的气体压力。

进一步地，所述液体增压模块包括水泵、平流泵和手动泵，所述水泵、平流泵和手动泵接入液体回路中，控制所述水合物生成与分解监测装置的液体压力。

进一步地，所述气液增压模块包括缓冲罐和恒速恒压泵，所述缓冲罐与恒速恒压泵均接于气体回路与液体回路的交汇处，控制进入所述样品合成室的气液压力。

进一步地，所述分解模块包括可视化的气液固分离罐和气体质量流量控制计，所述井筒模块包括垂直井模块、水平井模块、定向井模块中的任意一种，或任意两者或三者的组合。

所述储层包括盖层、产层及底层，所述盖层包括低渗非成岩饱气盖层、低渗非成岩饱水盖层、低渗非成岩气水混合盖层、低渗非成岩含水合物气水盖层、低渗成岩盖层，所述产层包括含水合物沉积物气饱和产层，含水合物沉积物水饱和产层，含水合物沉积物气水混合产层，所述底层包括底水盖层、底气盖层和底水气盖层。

同时提供一种对应的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测方法，包括以下步骤：

步骤一：样品生成和分解:样品合成室通过多应力应变控制系统和温度系统对样品合成的温度、应力场和孔隙压力进行控制，多类型沉积物模块按照需求填装样品室，用于合成多种类型的产层(Class 1、Class 2、Class 3和非常规类型的水合物储层和油气储层)、盖层和底层，模拟真实水合物的赋存情况。通过井筒模块(无井筒、垂直井、水平井、定向井)模拟多类型储层的水合物分解过程。

步骤二：数据采集及监测：通过监测系统中的温度测量模块、压力测量模块、应变测量模块、电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块、光透成像模块、超声成像模块对生成和分解过程进行监测,采集仪通过数据传输线对样品合成和分解过程中的数据和图像进行采集(温度测量、压力测量、应变测量、电阻测量、介电常数测量、核磁共振成像、光透成像、超声成像)。电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块和超声成像模块分别通过导线与反应釜内预置的探头连接；在实验过程中，不间断的通过各自的信号发射器发射信号和信号接受器接收信号进行电阻测量、介电常数测量、核磁共振成像和超声成像；采用高清图像采集器对反应釜和气液固分离罐的可视化视窗光透成像进行采集。

步骤三：生成与分解特性分析：通过采集仪采集的数据，结合物性参数和成像变化，综合的对多应力场下多类型储层中的天然气水生成和分解进行分析，阐释不同应力场和不同储层类型对水合物生成和分解的影响。

主要应力场有：轴向应力，径向应力，环向应力和孔隙压力。

主要储层类型有：盖层(低渗非成岩饱气盖层、低渗非成岩饱水盖层、低渗非成岩气水混合盖层、低渗非成岩含水合物气水盖层、低渗成岩盖层等)，产层(含水合物沉积物气饱和产层，含水合物沉积物水饱和产层，含水合物沉积物气水混合产层)，底层(底水盖层、底气盖层和底水气盖层)。

本发明相较于现有技术，具备以下有益效果：

(1)本实验装置能够实现特定水合物储层类型在多应力场下的生成与分解，并监测其物性变化；通过物性测试手段，可以对多类型水合物在多应力场下生成与分解过程中的物料分布和物料量变化进行监测，对物料的力场、温度场、应变、声波、介电常数、核磁成像和光透成像等变化进行表征。

(2)本发明模块化的多类型沉积物，可以实现多类型储层的快速搭配组装，并合成特定水合物储层类型，尤其对多应力场下的、多布井方式下生成和分解水合物特征进行定量的表征观测，弥补纯数值模拟的较大偏差，使室内研究更加贴近现场多应力场下多类型水合物储层的实际情况。

本发明设计合理、功能完善且操作简单，借助本发明提出的方法，可以实现不同类型沉积物模块化的快速搭配组装成多类型储层，并在多应力场作用下生成具有盖层、产层和底层的多类型天然气水合物储层，并通过分解模块的不同布井方式和不同流速控制开展多应力场下多类型天然气水合物储层分解。

附图说明

图1为本发明多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置结构示意图。

图2为本发明多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置工作流程图。

附图标记：

1.水泵；2.平流泵；3.手动泵；4.恒速恒压泵；5.真空泵；6.气体增压泵；7.缓冲罐；8.气源；9.低温水浴组；10.样品合成室；11.合成室釜盖；12.可移动轴向应力加载系统；13.电动阀；14.气体质量流量控制计；15.可视化气液固分离罐；16.摄像系统；17.垂直井模块；18.可视化视窗；19.水平井模块；20.物性测试探头；21.可移动径向应力加载系统；22.多物性测试模块组；V1-14：阀门1-14；P1-7:压力传感器1-7；T：温度传感器组；S：应变传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

请参阅图1，多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，包括

样品合成室10:所述样品合成室10上开设有可视化视窗18，其内放置有模块化的多类型沉积物，并与外部的液体回路与气体回路连接，通过井筒模块与分解模块相连接，分解模块包括可视化的气液固分离罐15、气体质量流量控制计14，井筒模块包括垂直井模块、水平井模块、定向井模块中的任意一种，或任意两者或三者的组合；此实施例中，井筒模块包括轴向设置的垂直井模块17、径向设置的水平井模块19。

样品合成室10上端设置有可移动轴向应力加载系统12，可移动轴向应力加载系统12上方设置有合成室釜盖11，合成室釜盖11包裹住整个样品合成室10，形成一个空腔。样品合成室10径向上设置有可移动径向应力加载系统21，样品合成室10内部安装有多个物性测试探头20，多个物性测试探头分别与多物性测量模块组22的电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块和超声成像模块通过导线连接，样品合成室10还安装有应变传感器S和温度传感器组T。

合成室釜盖11侧壁的上方与下方分别开设有开孔，通过水管路将合成室釜盖11与样品合成室10之间的空腔和低温水浴组9连接，形成水回路，作为温度控制系统。

还包括为样品合成室10提供多应力场和孔隙压力的气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块，气体增压模块包括气体增压泵6和真空泵5、液体增压模块包括水泵1、平流泵2和手动泵3，气液增压模块包括缓冲罐7和恒速恒压泵4，气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块分别通过管道与样品合成室及井筒模块连接，从而可以控制样品合成室内的压力。

气源8、气体增压泵6、缓冲罐7通过带阀门V10、V4、V5的三段管路与水平井模块的入口连接。通过带阀门V8的管路与样品合成室10的物料入口连接。

水泵1、平流泵2和手动泵3分别通过带阀门V1、V2、V3的管路与水平井模块的入口连接。通过带阀门V7的管路与合成室釜盖11与样品合成室10之间的空腔连接，用于控制作为温度控制系统的水回路的水流量。

真空泵通过带阀门V17的管路与样品合成室10的物料入口连接。

样品合成室10的物料入口处设置有阀门V6，作为入口总阀门。在气体增压模块、液体增压模块与样品合成室10的物料入口交汇处设置有恒速恒压泵，控制进入样品合成室的气液混合物压力。

样品合成室10的反应物出口处通过带电动阀13的管路连接有可视化气液固分离罐15，可视化气液固分离罐15通过带阀门V12的管路设置有出液口，通过带阀门V13的管路连接有气体质量流量控制计14用于控制流体速率，同时，在可视化气液固分离罐15处设置有摄像系统16，用于光透成像。

在液体管路与气体管路上设置有压力传感器P1-P8,监测整个系统的压力变化。

具体操作如下：

(1)样品合成：在样品合成室10中安装井筒模块：如垂直井模块17、水平井模块19、无井筒模块、定向井模块，然后依次下入多类型沉积物模块的底层初始样品、多类型沉积物模块的产层初始样品、多类型沉积物模块的盖层初始样品，实现多类型储层快速搭配组装；关闭合成室釜盖11，通过O型圈和螺栓进行密封，连接应变传感器S，关闭所有阀门；开启阀门V14用真空泵5抽真空，同时打开V7对可移动轴向应力加载系统12和可移动径向应力加载系统21增压，提供轴向应力和径向应力的多应力场作用下压实储层并保持。随后关闭真空泵5和阀门V14，气源8通过缓冲罐7经过恒压恒速泵4经由V4、V5、V6和V8阀门注入样品合成室10，关闭V4进气阀后，启动低温水浴组9流入样品室10的多层水夹套进行多层温度控制，在沉积物中合成水合物，或者通过定水量和定气量的流体通过V6或者V14分别注入多类型储层内，并进行降温合成含水合物沉积物。

(2)样品分解：含水合物样品合成好后，保持可移动轴向应力加载系统12和可移动径向应力加载系统21的多应力场加载，打开电动阀13,通过垂直井模块17的阀门V15或者水平井模块19的阀门V11进行降压分解水合物开采，流体经过可视化气液固分离罐15的分离，气体从气体质量流量控制计14控制流速并产出，液体经过阀门V12产出。

(3)样品监测、数据采集和分析：实验过程中，通过监测系统的温度测量模块T、压力测量模块P1-7、应变测量模块S、多物性测量模块组22(包括电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块和超声成像模块分别通过导线连接各物性测量探头20，在实验过程中各自模块的信号发射器发射信号给发射探头，信号接收探头接收信号传回各测量模块并采集)和可视化视窗18的成像模块(光透成像模块采用高清图像采集器对反应釜和气液固分离罐的可视化视窗进行光透成像的采集)对生成和分解过程进行监测,通过采集仪对样品合成和分解过程中的数据和图像进行采集(温度测量、压力测量、应变测量、电阻测量、介电常数测量、核磁共振成像、光透成像、超声成像)。根据以上数据和图像，综合的对多应力场下多类型储层中天然气水合物的生成和分解情况进行分析。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：包括

样品合成室:所述样品合成室上开设有可视化视窗，其内放置有模块化的多类型沉积物，并与外部的液体回路与气体回路连接，通过井筒模块与分解模块相连接；

多应力应变控制系统：包括设置于所述合成室轴向或径向的应力加载系统；为所述样品合成室提供多应力场和孔隙压力的气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块；所述气体增压模块、液体增压模块、气液增压模块分别通过管路与所述样品合成室连接，还包括用于测量储层应变的应变测量模块，所述应变测量模块安装于所述样品合成室内；

温度控制系统：包括低温水浴组及水浴传输管，通过水浴传输管将所述低温水浴组与所述样品合成室连接，对样品合成室进行多层位的温度控制；

数据采集及监测系统：包括设置于所述样品合成室内的各种物性探头、温度测量模块、压力测量模块、应变测量模块及多物性测量模块组，所述物性探头与多物性测量模块组通过导线连接，所述多物性测量模块组接收并处理所述物性探头采集的信号，所述温度测量模块安装于所述样品合成室内，监测所述样品合成室的温度，所述压力测量模块包括设置于气体回路上的若干个压力传感器，监测整个装置的压力，所述应变测量模块安装于所述样品合成室内，监测所述样品合成室内模块化的多类型沉积物的储层应变。

2.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：采用高清图像采集器对所述可视化视窗的光透成像进行采集，所述高清图像采集器为高清摄像系统。

3.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述模块化的多类型沉积物是通过将不同类型沉积物装入半透膜密封袋而形成。

4.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述多物性测量模块组包括电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块和超声成像模块，分别通过导线与所述样品合成室内对应的物性探头连接。

5.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述气体增压模块包括气体增压泵和真空泵，所述气体增压泵与所述真空泵接入气体回路中，控制所述水合物生成与分解监测装置的气体压力。

6.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述液体增压模块包括水泵、平流泵和手动泵，所述水泵、平流泵和手动泵接入液体回路中，控制所述水合物生成与分解监测装置的液体压力。

7.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述气液增压模块包括缓冲罐和恒速恒压泵，所述缓冲罐与恒速恒压泵均接于气体回路与液体回路的交汇处，控制进入所述样品合成室的流体压力。

8.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述分解模块包括可视化的气液固分离罐和气体质量流量控制计，所述井筒模块包括垂直井模块、水平井模块、定向井模块中的任意一种，或任意两者或三者的组合。

9.根据权利要求1所述的多应力场下多类型储层中天然气水合物生成与分解监测装置，其特征在于：所述储层包括盖层、产层及底层，所述盖层包括低渗非成岩饱气盖层、低渗非成岩饱水盖层、低渗非成岩气水混合盖层、低渗非成岩含水合物气水盖层、低渗成岩盖层，所述产层包括含水合物沉积物气饱和产层，含水合物沉积物水饱和产层，含水合物沉积物气水混合产层，所述底层包括底水盖层、底气盖层和底水气盖层。

10.一种多应力场下多类型储层中水合物生成与分解监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：样品生成和分解:样品合成室通过多应力应变控制系统和温度控制系统对样品合成的温度、应力场和孔隙压力进行控制，多类型沉积物模块按照需求填装样品室，用于合成多种类型的产层、盖层和底层，模拟真实水合物的赋存情况；通过井筒模块模拟多类型储层的水合物分解过程。

步骤二：数据采集及监测：通过温度测量模块、压力测量模块、应变测量模块、电阻测量模块、介电常数测量模块、核磁共振成像模块、光透成像模块、超声成像模块对生成和分解过程进行监测,并采集样品合成和分解过程中的数据和图像。

步骤三：生成与分解特性分析：结合采集的数据，结合物性参数和成像变化，对多应力场下多类型储层中的天然气水生成和分解进行分析，阐释不同应力场和不同储层类型对水合物生成和分解的影响。