CN111577212A - 大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，包括天然气水合物储层模拟腔，地层温度控制系统，与腔体底部连通的气液注入系统；设置在腔体内部的开采井系统；与开采井系统的输出端连接的生产系统，生产系统输出端与气液注入系统输入端连接；设置在模拟层中的压力传感器；设置在模拟层中的位移传感器；与压力传感器、温度控制装置、气液注入系统、生产系统和位移传感器电性连接的信息采集控制系统。本发明还提供一种模拟方法，实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要，弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾。
Description
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物开发技术领域，更具体的，涉及一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法。
背景技术
天然气水合物(俗称可燃冰)是一种由气体分子(自然界主要为甲烷分子)和水分子在高压、低温环境条件下形成的一种结晶状笼型化合物。据估算，自然界中赋存的天然气水合物的含碳量约为所有化石燃料含碳量总和的两倍。天然气水合物由于储量大、分布广、能量密度高、燃烧后的产物清洁无污染而受到国际社会的广泛关注。天然气水合物以固态形式赋存于海底沉积物或沉积层间的裂隙中，天然气水合物的分解需要外部条件改变其原有的相平衡稳定状态，天天然气水合物由固态转变成气态甲烷和液态水的过程，会改变沉积物原有的流固耦合状态，分解后的甲烷气体在沉积层间聚集可造成孔隙超压，降低地层原有胶结状态，减少内摩擦角，引起海底滑坡和其它地质灾害，研究表明挪威海底发现的大型地质滑坡与天然气水合物分解有关。因此，天然气水合物开采难度大，风险大，成本高，研发安全、高效、绿色、可控的开采技术是天然气水合物安全利用的重要突破点。
2017年，我国在南海神狐海域成功的进行了泥质粉砂质天然气水合物试采，在海洋天然气水合物开采的产气量、产气时间方面创造了世界纪录。然而，海洋天然气水合物开发难度大，对区域生态环境敏感，成熟的商业开采技术还需要长时间的技术研发储备。
天然气水合物现场试采准备周期长、风险高、成本高、难度大，室内实验模式是补充现场试验的有效手段。然而现有的天然气水合物形成分解模拟装置多为小尺度(几百毫升到两立方米以内)，无法真实反演天然气水合物分解渗流场、传热场、传质特性和相变特性，不适合大规模天然气水合物开采研究。
发明内容
本发明为克服现有的天然气水合物形成分解模拟装置存在无法真实反演天然气水合物分解渗流场、传热场、传质特性和相变特性，不适合大规模天然气水合物开采研究的技术缺陷，提供一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，包括：
天然气水合物储层模拟腔，包括腔体和设置在腔体内部的多个模拟层；
地层温度控制系统，包括设置在所述模拟层中的温度传感器、设置在所述腔体中的换热器和设置在腔体外壁的温度控制装置，温度传感器与温度控制装置信号连接，换热器与温度控制装置电性连接；
与所述腔体底部连通的气液注入系统；
设置在所述腔体内部的开采井系统；
与所述开采井系统输出端连接的生产系统，所述生产系统输出端与所述气液注入系统输入端连接；
设置在所述模拟层中的压力传感器；
设置在所述模拟层中的位移传感器；
与所述压力传感器、温度控制装置、气液注入系统、生产系统和位移传感器电性连接的采集控制系统。
上述方案中，通过所述系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模拟系统可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该系统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系统的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。
其中，所述模拟层包括由上至下依次设置的上覆沉积层、天然气水合物储层和下伏气液混合层；其中：
所述压力传感器、温度传感器均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层中；
所述位移传感器有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层底部，设置在所述天然气水合物储层中；
所述换热器有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层顶部，设置在所述天然气水合物储层中；
所述开采井系统设置在所述天然气水合物储层中，其输出端穿过所述上覆沉积层与所述生产系统连接。
其中，所述温度控制装置包括温度控制器、水浴循环夹套和外置热交换机组；其中：
所述水浴循环夹套包裹在所述腔体外壁上，在所述水浴循环夹套的顶部及底部均设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组连接；所述管道上设置有电磁阀；
所述电磁阀控制端、外置热交换机组控制端、换热器控制端与所述温度控制器输出端电性连接；
所述温度控制器输入端与所述温度传感器输出端电性连接；
所述温度控制器与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互。
其中，所述气液注入系统包括气体注入子系统和液体注入子系统；其中：
所述气体注入子系统输入端与所述生产系统输出端连接；
所述气体注入子系统控制端与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互；
所述气体注入子系统输出端与所述腔体底部连通，用于向腔体中注入气体；
所述液体注入子系统控制端与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互；
所述液体注入子系统输出端与所述腔体底部连通，用于向腔体中注入液体。
其中，所述气体注入子系统包括高压气源、空气压缩机、气体增压泵、缓冲容器、第一控制阀和气体流量计；其中：
所述高压气源输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接；
所述空气压缩机通过所述气体增压泵与所述缓冲容器输入端连接；
所述生产系统输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接；
在所述缓冲容器输出端上设置有所述气体流量计，所述气体流量计信号输出端与所述采集控制系统输入端电性连接；
所述缓冲容器输出端通过所述第一控制阀与所述腔体底部连通；
所述高压气源、空气压缩机、气体增压泵、第一控制阀和气体流量计控制端均与所述采集控制系统电性连接；
所述液体注入子系统包括海水存储罐、高压海水注入泵、海水质量流量计和第二控制阀；其中：
所述海水存储罐输出端通过所述第二控制阀与所述高压海水注入泵输入端连接；
在所述高压海水注入泵输出端设置有所述海水质量流量计，所述海水质量流量计信号输出端与所述采集控制系统输入端电性连接；
所述高压海水注入泵输出端通过所述第二控制阀与所述腔体底部连通；
所述高压海水注入泵、海水质量流量计和第二控制阀控制端均与所述采集控制系统电性连接。
其中，所述开采井系统包括水平开采井、垂直开采井和第三控制阀；其中：
所述水平开采井水平地设置在所述天然气水合物储层中；所述垂直开采井垂直地设置在所述天然气水合物储层中；
在所述水平开采井和垂直开采井上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂网；
所述水平开采井输出端、垂直开采井输出端通过所述第三控制阀与所述生产系统输入端连接；
所述第三控制阀控制端与所述采集控制系统电性连接。
其中，所述生产系统包括回压子系统、气液固三相分离装置、储水池、气体收集器和第四控制阀；其中：
所述回压子系统输入端与所述第三控制阀连接，回压子系统输出端与所述气液固三相分离装置输入端连接；
所述气液固三相分离装置液体输出端通过所述第四控制阀与所述储水池输入端连接；
所述气液固三相分离装置气体输出端通过所述第四控制阀与所述气体收集器输入端连接；
所述气体收集器输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接；
所述回压子系统、第四控制阀控制端均与所述采集控制系统电性连接。
其中，所述采集控制系统包括处理器和人机交互模块，所述人机交互模块与所述处理器电性连接，实现信息交互；
所述处理器与所述压力传感器、温度控制装置、气液注入系统、生产系统和位移传感器电性连接。
大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法，包括以下步骤：
S1：在天然气水合物储层模拟腔(1)中实现地质分层构建，在下伏气液混合层(123)中充填气液混合层所需的气体或液体，在天然气水合物储层(122)充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层(121)充填钙质黏土层；
S2：通过气液注入系统往天然气水合物储层注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；
S3：当天然气水合物饱和度达到预先设计值后，打开开采井系统对天然气水合物进行降压或其它方法分解；
S4：通过温度传感器、压力传感器实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器实时监测记录天然气水合物储层的位移沉降量；
S5：通过生产系统采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成大尺度天然气水合物形成分解地质环境的模拟。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法，通过所述系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模拟系统可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该系统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系统的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。
附图说明
图1为大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统结构示意图；
图2为系统模块连接示意图；
图3为大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法流程示意图；
其中：1、天然气水合物储层模拟腔；11、腔体；12、模拟层；121、上覆沉积层；122、天然气水合物储层；123、下伏气液混合层；2、压力传感器；3、地层温度控制系统；31、温度传感器；32、温度控制装置；321、温度控制器；322、水浴循环夹套；323、外置热交换机组；324、电磁阀；33、换热器；4、位移传感器；5、气液注入系统；51、气体注入子系统；511、高压气源；512、空气压缩机；513、气体增压泵；514、缓冲容器；515、第一控制阀；516、气体流量计；52、液体注入子系统；521、海水存储罐；522、高压海水注入泵；523、海水质量流量计；524、第二控制阀；6、开采井系统；61、水平开采井；62、垂直开采井；63、第三控制阀；7、生产系统；71、回压子系统；72、气液固三相分离装置；73、储水池；74、气体收集器；75、第四控制阀；8、采集控制系统；81、处理器；82、人机交互模块；9、报警装置。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1、图2所示，大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，包括：
天然气水合物储层模拟腔1，包括腔体11和设置在腔体11内部的多个模拟层12；
地层温度控制系统3，包括设置在所述模拟层12中的温度传感器31、设置在所述腔体11中的换热器33和设置在腔体11外壁的温度控制装置32，温度传感器31与温度控制装置32信号连接，换热器33与温度控制装置32电性连接；
与所述腔体11底部连通的气液注入系统5；
设置在所述腔体11内部的开采井系统6；
与所述开采井系统6输出端连接的生产系统7，所述生产系统7输出端与所述气液注入系统5输入端连接；
设置在所述模拟层12中的压力传感器2；
设置在所述模拟层12中的位移传感器4；
与所述压力传感器2、温度控制装置33、气液注入系统5、生产系统7和位移传感器4电性连接的采集控制系统8。
在具体实施过程中，通过所述系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模拟系统可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层122内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层122内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该系统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系统的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。
更具体的，所述腔体11为直径3米，高度5米的大尺度模拟腔。
更具体的，所述模拟层12包括由上至下依次设置的上覆沉积层121、天然气水合物储层122和下伏气液混合层123；其中：
所述压力传感器2、温度传感器31均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层12中；
所述位移传感器4有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层121底部，设置在所述天然气水合物储层122中；
所述换热器32有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层123顶部，设置在所述天然气水合物储层122中；
所述开采井系统6设置在所述天然气水合物储层122中，其输出端穿过所述上覆沉积层121与所述生产系统7连接。
在具体实施过程中，本发明通过气液注入系统5向大尺度天然气水合物储层模拟腔1内注入天然气水合物形成需要的气液流体，然后调节地层温度控制系统3和压力传感器2，原位模拟仿真天然气水合物形成需要的温度、压力等地质环境条件，经过需要的时间周期形成需要的天然气水合物样品后，可打开开采井系统6及生产系统7，运用需要的开采方式实现天然气水合物分解、气液产出收集等过程，并在天然气水合物分解的过程中，通过位移传感器4对天然气水合物储层122的竖向沉降变化进行实时监测。本发明可实现天然气水合物形成、分解过程中的地质环境系统模拟及实时数据采集、处理、图像输出及存储，并对天然气水合物形成和分解的全过程进行周围环境的安全监控。
在具体实施过程中，本发明涉及的大尺度天然气水合物储层模拟腔1是核心部件，直径和高度均为米级，以满足真实模拟天然气水合物形成和分解过程渗流场、传热场和传质场，解析天然气水合物形成分解过程的相变、以及在储层中的传热传质和气液流动特性。本发明涉及的天然气水合物储层模拟腔1的内壁应具有防腐功能，使用耐腐蚀不锈钢材料，或者在内壁堆焊防腐蚀涂层，可长期模拟海域天然气水合物赋存的高压、低温、含盐环境。
在具体实施过程中，天然气水合物储层模拟腔1的内部尺寸满足天然气水合物储层122、上覆沉积层121及下伏气液混合层123的地质分层构建需要。气液注入系统5主要满足向天然气水合物储层122和下伏气液混合层123及上覆沉积层121注气和注液的功能。在下伏气液混合层123主要根据实际情况注入定量的甲烷气体、甲烷乙烷混合气体、饱和甲烷液体、气水混合物等气液流体。在天然气水合物储层122内主要是天然气水合物形成需要的海水、甲烷、乙烷等液体和气体，以及天然气水合物分解过程中向天然气水合物储层模拟腔1内注入天然气水合物分解需要的热流体及化学试剂等。
在具体实施过程中，本发明涉及的气液注入系统5在天然气水合物储层模拟腔1的顶部、底部和侧壁均设置有接口，满足不同气液注入模式的需要，可研究气液注入模式变化对天然气水合物形成，以及不同注入模式下天然气水合物分解的传热传质规律等关键问题。
在具体实施过程中，本发明涉及的压力传感器2主要运用于上覆沉积层121、天然气水合物储层122和下伏气液混合层123等不同地质层位的压力检测；各层根据原位地址环境数据，在不同层位注入需要的定量的气液流体实现，在不同层位均为布置压力传感器2，实时监测底层的压力环境变化。
在具体实施过程中，在天然气水合物储层122中均匀布设位移传感器4，实时监测天然气水合物分解过程中由于压力传播、气液流动等导致的天然气水合物储层122内部的位移沉降量。
更具体的，所述温度控制装置32包括温度控制器321、水浴循环夹套322和外置热交换机组323；其中：
所述水浴循环夹套322包裹在所述腔体11外壁上，在所述水浴循环夹套322的顶部及底部均设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组323连接；所述管道上设置有电磁阀324；
所述电磁阀324控制端、外置热交换机组323控制端、换热器33控制端与所述温度控制器321输出端电性连接；
所述温度控制器321输入端与所述温度传感器31输出端电性连接；
所述温度控制器321与所述采集控制系统8电性连接，实现信息交互。
在具体实施过程中，温度控制装置33主要满足上覆沉积层121、天然气水合物储层122和下伏气液混合层123等不同地质层位的温度模拟仿真及监测。本发明涉及的温度控制装置33可实现真是海底环境的地温梯度模拟仿真，通过在天然气水合物储层模拟腔1的外壁及底部包裹水浴循环夹套322，同时在内部均与布设而定功率的换热器33组实现；可实现天然气水合物形成过程中天然气水合物储层122的低温环境，并且真实反演从上覆沉积层121、天然气水合物储层122和下伏气液混合层123等从上而下的地温梯度变化，温度误差控制在0.5℃以内。同时，由于本发明涉及的天然气水合物储层122及上下不环境系统体积大、表面积大，可实现天然气水合物分解过程中地层温度变化，并真实反演底层温度变化。
更具体的，所述气液注入系统5包括气体注入子系统51和液体注入子系统52；其中：
所述气体注入子系统51输入端与所述生产系统7输出端连接；
所述气体注入子系统51控制端与所述采集控制系统8电性连接，实现信息交互；
所述气体注入子系统51输出端与所述腔体11底部连通，用于向腔体中注入气体；
所述液体注入子系统51控制端与所述采集控制系统8电性连接，实现信息交互；
所述液体注入子系统51输出端与所述腔体11底部连通，用于向腔体11中注入液体。
更具体的，所述气体注入子系统51包括高压气源511、空气压缩机512、气体增压泵513、缓冲容器514、第一控制阀515和气体流量计516；其中：
所述高压气源511输出端通过所述第一控制阀515与所述缓冲容器514输入端连接；
所述空气压缩机512通过所述气体增压泵513与所述缓冲容器514输入端连接；
所述生产系统7输出端通过所述第一控制阀515与所述缓冲容器514输入端连接；
在所述缓冲容器514输出端上设置有所述气体流量计516，所述气体流量计516信号输出端与所述采集控制系统8输入端电性连接；
所述缓冲容器514输出端通过所述第一控制阀515与所述腔体11底部连通；
所述高压气源511、空气压缩机512、气体增压泵513、第一控制阀515和气体流量计516控制端均与所述采集控制系统8电性连接；
所述液体注入子系统52包括海水存储罐521、高压海水注入泵522、海水质量流量计523和第二控制阀524；其中：
所述海水存储罐521输出端通过所述第二控制阀524与所述高压海水注入泵522输入端连接；
在所述高压海水注入泵522输出端设置有所述海水质量流量计523，所述海水质量流量计523信号输出端与所述采集控制系统8输入端电性连接；
所述高压海水注入泵522输出端通过所述第二控制阀524与所述腔体11底部连通；
所述高压海水注入泵522、海水质量流量计523和第二控制阀524控制端均与所述采集控制系统8电性连接。
在具体实施过程中，空气压缩机512用于驱动气体增压泵513，气体增压泵513是增压原件；气体注入子系统51不产生气体，主要是把高压气源511里的气体增压并灌入缓冲容器514中，再由缓冲容器514注入系统中；由于气体增压过程涉及到剧烈的压力波动，所以需要缓冲容器514让注入气体的压力平缓，便于计量。
更具体的，所述开采井系统6包括水平开采井61、垂直开采井62和第三控制阀63；其中：
所述水平开采井61水平地设置在所述天然气水合物储层122中；所述垂直开采井62垂直地设置在所述天然气水合物储层122中；
在所述水平开采井61和垂直开采井62上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂网；
所述水平开采井61输出端、垂直开采井62输出端通过所述第三控制阀63与所述生产系统7输入端连接；
所述第三控制阀63控制端与所述采集控制系统8电性连接。
在具体实施过程中，本发明涉及的开采井系统6在天然气水合物储层122内布设有真实尺寸(直径89mm)的水平开采井61、垂直开采井62，可模拟单水平井/单垂直井/垂直井联合水平井开采天然气水合物，在垂直井和水平井上都均匀布置了射孔，射孔外部包裹多层防沙网，预防气液产出过程中的井孔位置出现沙堵塞现象。
在具体实施过程中，防砂网的设置仅能防住较大的颗粒，颗粒较小的沙子不具备堵塞的危险，经水平开采井61、垂直开采井62输出至生产系统7中。
更具体的，所述生产系统7包括回压子系统71、气液固三相分离装置72、储水池73、气体收集器74和第四控制阀75；其中：
所述回压子系统71输入端与所述第三控制阀63连接，回压子系统71输出端与所述气液固三相分离装置72输入端连接；
所述气液固三相分离装置72液体输出端通过所述第四控制阀75与所述储水池73输入端连接；
所述气液固三相分离装置72气体输出端通过所述第四控制阀75与所述气体收集器74输入端连接；
所述气体收集器74输出端通过所述第一控制阀515与所述缓冲容器514输入端连接；
所述回压子系统71、第四控制阀75控制端均与所述采集控制系统8电性连接。
在具体实施过程中，回压子系统71主体为回压阀，用于控制出口压力的。
更具体的，所述采集控制系统8包括处理器81和人机交互模块82，所述人机交互模块82与所述处理器81电性连接，实现信息交互；
所述处理器81与所述压力传感器2、温度控制装置32、气液注入系统5、生产系统7和位移传感器4电性连接。
在具体实施过程中，所述采集控制系统8通过处理器81、人机交互模块82实现天然气水合物形成和分解过程中地层的各项环境数据信息变化实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
在具体实施过程中，系统还设置有报警装置9，用于天然气水合物形成、分解过程中甲烷等易燃物质泄漏的预警预报，天然气水合物储层122内部高压监控等，保障天然气水合物形成和分解过程中周围环境系统安全。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，如图3所示，提供一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法，包括以下步骤：
S1：在天然气水合物储层模拟腔1中实现地质分层构建，在下伏气液混合层123中充填气液混合层所需的气体或液体，在天然气水合物储层122充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层121充填钙质黏土层；
S2：通过气液注入系统5往天然气水合物储层122注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔1内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；
S3：当天然气水合物饱和度达到预先设计值(35％-70％)后，打开开采井系统6对天然气水合物进行降压或其它方法分解；
S4：通过温度传感器31、压力传感器2实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器4实时监测记录天然气水合物储层122的位移沉降量；
S5：通过生产系统7采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层122内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成大尺度天然气水合物形成分解地质环境的模拟。
在具体实施过程中，本发明通过所述系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模拟系统可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该系统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系统的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，包括：
天然气水合物储层模拟腔(1)，包括腔体(11)和设置在腔体(11)内部的多个模拟层(12)；
地层温度控制系统(3)，包括设置在所述模拟层(12)中的温度传感器(31)、设置在所述腔体(11)中的换热器(33)和设置在腔体(11)外壁的温度控制装置(32)，温度传感器(31)与温度控制装置(32)信号连接，换热器(33)与温度控制装置(32)电性连接；
与所述腔体(11)底部连通的气液注入系统(5)；
设置在所述腔体(11)内部的开采井系统(6)；
与所述开采井系统(6)输出端连接的生产系统(7)，所述生产系统(7)输出端与所述气液注入系统(5)输入端连接；
设置在所述模拟层(12)中的压力传感器(2)；
设置在所述模拟层(12)中的位移传感器(4)；
与所述压力传感器(2)、温度控制装置(33)、气液注入系统(5)、生产系统(7)和位移传感器(4)电性连接的采集控制系统(8)。
2.根据权利要求1所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述腔体(11)为直径、高度均为米级的大尺度模拟腔。
3.根据权利要求1所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述模拟层(12)包括由上至下依次设置的上覆沉积层(121)、天然气水合物储层(122)和下伏气液混合层(123)；其中：
所述压力传感器(2)、温度传感器(31)均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层(12)中；
所述位移传感器(4)有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层(121)底部，设置在所述天然气水合物储层(122)中；
所述换热器(32)有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层(123)顶部，设置在所述天然气水合物储层(122)中；
所述开采井系统(6)设置在所述天然气水合物储层(122)中，其输出端穿过所述上覆沉积层(121)与所述生产系统(7)连接。
4.根据权利要求1所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述温度控制装置(32)包括温度控制器(321)、水浴循环夹套(322)和外置热交换机组(323)；其中：
所述水浴循环夹套(322)包裹在所述腔体(11)外壁上，在所述水浴循环夹套(322)的顶部及底部均设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组(323)连接；所述管道上设置有电磁阀(324)；
所述电磁阀(324)控制端、外置热交换机组(323)控制端、换热器(33)控制端与所述温度控制器(321)输出端电性连接；
所述温度控制器(321)输入端与所述温度传感器(31)输出端电性连接；
所述温度控制器(321)与所述采集控制系统(8)电性连接，实现信息交互。
5.根据权利要求3所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述气液注入系统(5)包括气体注入子系统(51)和液体注入子系统(52)；其中：
所述气体注入子系统(51)输入端与所述生产系统(7)输出端连接；
所述气体注入子系统(51)控制端与所述采集控制系统(8)电性连接，实现信息交互；
所述气体注入子系统(51)输出端与所述腔体(11)底部连通，用于向腔体中注入气体；
所述液体注入子系统(52)控制端与所述采集控制系统(8)电性连接，实现信息交互；
所述液体注入子系统(52)输出端与所述腔体(11)底部连通，用于向腔体中注入液体。
6.根据权利要求5所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述气体注入子系统(51)包括高压气源(511)、空气压缩机(512)、气体增压泵(513)、缓冲容器(514)、第一控制阀(515)和气体流量计(516)；其中：
所述高压气源(511)输出端通过所述第一控制阀(515)与所述缓冲容器(514)输入端连接；
所述空气压缩机(512)通过所述气体增压泵(513)与所述缓冲容器(514)输入端连接；
所述生产系统(7)输出端通过所述第一控制阀(515)与所述缓冲容器(514)输入端连接；
在所述缓冲容器(514)输出端上设置有所述气体流量计(516)，所述气体流量计(516)信号输出端与所述采集控制系统(8)输入端电性连接；
所述缓冲容器(514)输出端通过所述第一控制阀(515)与所述腔体(11)底部连通；
所述高压气源(511)、空气压缩机(512)、气体增压泵(513)、第一控制阀(515)和气体流量计(516)控制端均与所述采集控制系统(8)电性连接；
所述液体注入子系统(52)包括海水存储罐(521)、高压海水注入泵(522)、海水质量流量计(523)和第二控制阀(524)；其中：
所述海水存储罐(521)输出端通过所述第二控制阀(524)与所述高压海水注入泵(522)输入端连接；
在所述高压海水注入泵(522)输出端设置有所述海水质量流量计(523)，所述海水质量流量计(523)信号输出端与所述采集控制系统(8)输入端电性连接；
所述高压海水注入泵(522)输出端通过所述第二控制阀(524)与所述腔体(11)底部连通；
所述高压海水注入泵(522)、海水质量流量计(523)和第二控制阀(524)控制端均与所述采集控制系统(8)电性连接。
7.根据权利要求6所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述开采井系统(6)包括水平开采井(61)、垂直开采井(62)和第三控制阀(63)；其中：
所述水平开采井(61)水平地设置在所述天然气水合物储层(122)中；所述垂直开采井(62)垂直地设置在所述天然气水合物储层(122)中；
在所述水平开采井(61)和垂直开采井(62)上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂网；
所述水平开采井(61)输出端、垂直开采井(62)输出端通过所述第三控制阀(63)与所述生产系统(7)输入端连接；
所述第三控制阀(63)控制端与所述采集控制系统(8)电性连接。
8.根据权利要求7所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述生产系统(7)包括回压子系统(71)、气液固三相分离装置(72)、储水池(73)、气体收集器(74)和第四控制阀(75)；其中：
所述回压子系统(71)输入端与所述第三控制阀(63)连接，回压子系统(71)输出端与所述气液固三相分离装置(72)输入端连接；
所述气液固三相分离装置(72)液体输出端通过所述第四控制阀(75)与所述储水池(73)输入端连接；
所述气液固三相分离装置(72)气体输出端通过所述第四控制阀(75)与所述气体收集器(74)输入端连接；
所述气体收集器(74)输出端通过所述第一控制阀(515)与所述缓冲容器(514)输入端连接；
所述回压子系统(71)、第四控制阀(75)控制端均与所述采集控制系统(8)电性连接。
9.根据权利要求1所述的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，其特征在于，所述采集控制系统(8)包括处理器(81)和人机交互模块(82)，所述人机交互模块(82)与所述处理器(81)电性连接，实现信息交互；
所述处理器(81)与所述压力传感器(2)、温度控制装置(32)、气液注入系统(5)、生产系统(7)和位移传感器(4)电性连接。
10.大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在天然气水合物储层模拟腔(1)中实现地质分层构建，在下伏气液混合层(123)中充填气液混合层所需的气体或液体，在天然气水合物储层(122)充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层(121)充填钙质黏土层；
S2：通过气液注入系统(5)往天然气水合物储层(122)注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔(1)内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；
S3：当天然气水合物饱和度达到预先设计值后，打开开采井系统(6)对天然气水合物进行降压或其它方法分解；
S4：通过温度传感器(31)、压力传感器(2)实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器(4)实时监测记录天然气水合物储层(122)的位移沉降量；
S5：通过生产系统(7)采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层(122)内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成大尺度天然气水合物形成分解地质环境的模拟。
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