CN110146345A - 一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统及实验方法 - Google Patents

一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统及实验方法 Download PDF

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Abstract

一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统，由载模拟取样系统、气体收集系统、数据采集系统、温度控制系统和供气系统组成，反应釜固定于加载架上，柱状水合物样品置于反应釜内，第一微型振动器固定在支撑座上，支撑座下端的第一传动轴将载荷通过加载配合面传递给下方的第二传动轴，第二传动轴连接模拟取样钻具；压力体积控制器与反应釜底部的进液通道相连，通过控制注入液体的压力控制反应内釜的环境压力；反应釜的排气管道经气液分离器和第一气体流量计后，连接到气体收集模块。本发明可实现压实制样、水合物合成、水合物分解、恒力加载、循环加载等多个功能，从制样到加载取样试验过程中无需样品转移，提高了实验数据的精度。

Description

一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统及实验 方法
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物加载实验系统，具体涉及一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统及实验方法。
背景技术
天然气水合物具有燃烧热值高、清洁无污染、资源储量大等优点，倍受各国关注。单位体积固体甲烷水合物热效率是常规化石能源的2倍，海底分布范围约占海洋总面积的百分之十，其中可作为资源开发利用的资源量约为2000×1012～5000×1012m3，可满足世界100多年的能源需求，极具开发潜力。
原位取样是直接获取天然气水合物储层信息、验证和刻度测井结果、评价天然气水合物资源量的重要途径。已有水合物取样器的取样方式按照加载方式的不同可分为基于静载荷的压入式取样和基于动载荷的冲击式取样。静力压入式取样受“桩效应”影响取样长度往往较短。以高频率、低载荷为特征的冲击式(或振动式)取样，能够使接触岩心管管壁极小范围内的沉积物共振液化，降低侧摩擦阻力，是降低取样时“桩效应”影响、增加临界填充高度的有效手段。为进一步明确不同类型的取样方式对水合物影响的差异性，亟待设计可用于相关研究的实验系统。
发明内容
本发明的目的是设计一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统及实验方法，以满足对不同取样方式下储层中水合物稳定性的研究。
本发明采用如下的技术方案：
一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统，由模拟取样系统、气体收集系统、数据采集系统、温度控制系统和供气系统组成，其中模拟取样系统由柱状水合物样品、反应釜、加载架、第一微型振动器、第二微型振动器、砝码、第一气泵、第二气泵、支撑座、第一传动轴、第二传动轴和模拟取样钻具组成，反应釜固定于加载架上，柱状水合物样品置于反应釜内，第一微型振动器固定在支撑座上，支撑座下端的第一传动轴将载荷通过加载配合面传递给下方的第二传动轴，第二传动轴连接模拟取样钻具，模拟取样钻具钻入柱状水合物样品进行模拟取样；第一、第二气泵分别与第一、第二微型振动器相连并作为各自振动器的动力源，第二微型振动器固定于加载架上，将振动载荷经由加载架传递到反应釜内部。
压力体积控制器与反应釜底部的进液通道相连，通过控制注入液体的压力控制反应内釜的环境压力。
气体收集系统包括气液分离器、第一气体流量计和气体收集模块。反应釜的排气管道依次与气液分离器、第一气体流量计和气体收集模块相连。
温度控制系统为二级恒温控制，整个系统置于步入式恒温箱中，空气浴控温由步入式恒温箱完成，体积较小的低温恒温槽与反应釜相连，用于辅助调温，以确保试验过程中温度的恒定。
数据采集系统的数据采集仪分别与微型温度传感器、PT100传感器和微型孔压传感器连接，微型孔隙水压力传感器安置于柱状水合物样品侧壁面，用于监测试验过程中的孔隙水压力的动态变化；PT100温度探针用于监测反应釜内环境温度；微型温度传感器分层置于柱状水合物样品内部。
供气系统由气瓶，控制阀，第二气体流量计及气体连接管道组成，气瓶中的气体经控制阀和第二气体流量计，进入反应釜底部的进气通道。
加载架一侧配有一定重量的砝码，依靠杠杆原理，砝码借由加载架施加恒定的轴向载荷，实现分层压实制样。
含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验方法由下以步骤组成：
(1)先进行气密性检查和反应釜清洗准备工作：向反应釜内通入气体后关闭进气管路和阀门，观察压力表读书变化，或将肥皂水沿着管路、交界处进行涂抹，观测是否存在泄漏现象；检查完气密性后用去离子水对反应釜进行反复清洗，随后烘干密封；
(2)将用于制备含水合物沉积层的湿石英颗粒和细粒黏土分层填入反应釜，利用置于加载架一侧的砝码提供的恒定轴向载荷进行分层压实制样；PT100温度探针插入反应釜内用以监测反应釜内的环境温度，分层制样时在柱状样品的每一层段内分别埋入一个微型温度传感器，微型孔压传感器则安置于柱状样品的侧壁面，所有传感器数据均由数据采集仪进行采集；
(3)调节好步入式恒温箱和低温恒温槽的温度并保持恒定，通入气体进行水合物合成，直至压力不在发生变化后静置1h并打开气液分离器；
(4)使用真空泵抽真空，将管路中的气体排净，采用抽气饱和法使土样饱和；
(5)在密封好的柱状水合物样品周围注入液体排除反应釜内气体，使用压力体积控制器施加围压，随后开展模拟取样试验；调节气泵输出参数控制微型振动器的冲击频率和冲击力，位于支撑座上的第一微型振动器主要提供高频或超高频的小振幅振动，产生的动载荷经由第一、第二传动轴传递给柱状水合物样品；位于加载架一侧的第二微型振动器用于提供较大的冲击载荷，第二微型振动器上方的砝码则用于提供恒定轴向压力；加载过程中由于水合物分解释放的气体在经由气液分离器、第一气体流量计后，再由气体收集模块进行收集。
第一微型振动器的加载频率为：10～5000Hz。
本发明可实现压实制样、水合物合成、水合物分解、恒力加载、循环加载等多个功能，从制样到加载取样试验过程中无需样品转移，减少不必要的试验误差。循环加载主要通过微型振动器实现，可实现十几赫兹到数千赫兹的加载频率范围；通过砝码、加载架、振动器联合使用可实现轴向加压和周期动载的结合；第一传动轴与加载配合面分动的设计避免了第一传动轴往复运动时回程的轴向拉伸，与振动-冲击取样动作高度贴合，符合实际取样力学过程，且简单易行，既可以模拟循环加载的冲击(振动)式取样，又可以模拟恒力加载的压入式取样；自制实验系统主体部分体积小、重量轻，运移方便，便于外接设备或使用微观观测手段时的布置安放。
附图说明
图1是含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统结构示意图。
图中各标记如下：Ⅰ-模拟取样系统、Ⅱ-气体收集系统，1-第一微型振动器、2-反应釜、3-柱状水合物样品、4-第一传动轴、5-加载架、6-第一气泵、7-压力体积控制器、8-气液分离器、9-第一气体流量计、10-气体收集模块、11-数据采集仪、12-低温恒温槽、13-气瓶、14-步入式恒温箱、15-第二微型振动器、16-第二气泵、17-砝码、18-支撑座、19-第二传动轴、20-第二气体流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
本实施例的主要目的是说明含水合物人工储层制备和加载模拟取样实验。本实施例的含天然气水合物储层动静加载模拟取样试验方法如下：
(1)开始前先进行气密性检查和反应釜清洗等准备工作：关闭各出口阀门后打开气瓶13，气体经由第二气体流量计20进入反应釜2，随后关闭阀门，观测压力表读数；或将肥皂水沿着管路、交界处等进行涂抹，观测是否存在泄漏现象；用去离子水对反应釜2进行清洗，随后烘干密封；
(2)水合物储层制备与加载模拟取样主要在模拟取样系统Ⅰ中完成，模拟取样系统Ⅰ主要包括柱状水合物样品3、反应釜2、加载架5、第一微型振动器1、第二微型振动器15、砝码17、第一气泵6、第二气泵16、支撑座18、第一传动轴4、第二传动轴19以及模拟取样钻具。将用于制备含水合物人工储层的湿石英颗粒、细粒黏土等材料分层填入反应釜，利用置于加载架5一侧的砝码17分层压实制得柱状样品3，并在每一层段埋入一个微型温度传感器；柱状样品侧壁面安置微型孔压传感器，所有温度和孔压传感器数据均由数据采集仪11进行采集；第一气泵6和第二气泵16分别与第一微型振动器1、第二微型振动器15相连并作为微型振动器的动力源；
(3)调节好步入式恒温箱14和低温恒温槽12的温度并保持恒定，通入CO2气体(或甲烷等)进行水合物合成，制得柱状水合物样品3，观察到压力不再发生变化时水合物反应结束，静置1h并打开气液分离器8；
(4)使用真空泵抽真空，将管路中的气体排净，采用抽气饱和法使土样饱和；
(5)在密封好的试样3周围注入液体排除反应釜内气体，使用压力体积控制器7施加围压，随后开展模拟取样试验；调节气泵6输出参数控制微型振动器1的冲击频率和冲击力，位于支撑座18上部的微型振动器1主要用于提供高频、超高频小振幅的周期性载荷，产生的周期载荷经由第二传动轴19以及第一传动轴4传递给柱状水合物样品3；位于加载架5一侧的微型振动器15用于提供冲击功相对较大的动载荷，该微型振动器15上方的砝码17则用于提供恒定轴向压力；加载过程中由于水合物分解释放的气体由气体收集系统Ⅱ进行采集，气体收集系统Ⅱ包括气液分离器8、第一气体流量计9和气体收集模块10，产生的气体在先后经过气液分离器8和第一气体流量计9计量后，再由气体收集模块10进行收集。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，内容是说明性的而非限制性的，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 (4)

1.一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统，其特征在于：由载模拟取样系统、气体收集系统、数据采集系统、温度控制系统和供气系统组成，其中水合物加载模拟取样系统由反应釜、加载架、第一气泵、第二气泵、第一微型振动器、第二微型振动器、支撑座、第一传动轴、第二传动轴和模拟取样钻具组成，反应釜固定于加载架上，柱状水合物样品置于反应釜内，第一微型振动器固定在支撑座上，支撑座下端的第一传动轴将载荷通过加载配合面传递给下方的第二传动轴，第二传动轴连接模拟取样钻具，模拟取样钻具钻入柱状水合物样品进行模拟取样；第二微型振动器固定于加载架上，产生的振动载荷经由加载架传递到反应釜内部，第一气泵和第二气泵分别与第一微型振动器、第二微型振动器相连并作为微型振动器的动力源；
压力体积控制器与反应釜底部的进液通道相连，通过控制注入液体的压力控制反应内釜的环境压力；
气体收集系统包括气液分离器、第一气体流量计和气体收集模块，反应釜的排气管道经气液分离器和第一气体流量计后，连接到气体收集模块；
温度控制系统为二级恒温控制，整个系统置于步入式恒温箱中，空气浴控温由步入式恒温箱完成，体积较小的低温恒温槽与反应釜相连，用于辅助调温，确保试验过程中温度的恒定；
数据采集系统的数据采集仪分别与微型温度传感器、PT100传感器和微型孔压传感器连接，微型孔隙水压力传感器安置于柱状水合物样品侧壁面，用于监测试验过程中的孔隙水压力的动态变化；PT100温度探针用于监测反应釜内环境温度；微型温度传感器分层置于柱状水合物样品内部；
供气系统由气瓶，控制阀，第二气体流量计及气体连接管道组成，气瓶中的气体经过控制阀和气体流量计后进入反应釜底部的进气通道。
2.如权利要求1所述的一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统，其特征在于，加载架一侧配有不同重量的砝码用于静力加载。
3.如权利要求1或2所述的一种含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统的实验方法，其特征在于由下以步骤组成：
(1)先进行气密性检查和反应釜清洗准备工作：向反应釜内通入气体后关闭进气管路和阀门，观察压力表读书变化，或将肥皂水沿着管路、交界处进行涂抹，观测是否存在泄漏现象；检查完气密性后用去离子水对反应釜进行反复清洗，随后烘干密封；
(2)将用于制备含水合物人工储层的湿石英颗粒和细粒黏土分层填入反应釜，置于加载架一侧的砝码借由加载架施加静力载荷，实现柱状水合物样品的分层压实制样；在柱状水合物样品每一层段内埋入一个微型温度传感器，柱状样品侧壁面安置有孔压传感器，所有传感器数据均由数据采集仪进行收集；
(3)调节好步入式恒温箱和低温恒温槽的温度并保持恒定，通入气体制取柱状水合物样品，直至压力不再变化，静置1h并打开气液分离器；
(4)使用真空泵抽真空，将管路中的气体排净，采用抽气饱和法使土样饱和；
(5)在密封好的柱状水合物样品周围注入液体排除反应釜内气体，使用压力体积控制器施加围压，随后开展模拟取样试验；调节气泵输出参数控制微型振动器的冲击频率和冲击力，位于支撑座上的第一微型振动器提供高频或超高频的小幅振动，产生的动载荷经由第一、第二传动轴传递给柱状水合物样品；位于加载架一侧的第二微型振动器用于提供冲击功相对较大的动载荷，第二微型振动器上方位于加载架上的砝码则用于提供恒定的轴向力；加载过程中柱状水合物样品分解释放的气体在经由气液分离器、气体流量计后，再由气体收集模块进行收集。
4.如权利要求3所述的含天然气水合物储层动静加载模拟取样实验系统的实验方法，其特征在于：所述的第一微型振动器的加载为高频或超高频加载，频率为：10～5000Hz。
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