CN111894529B - 可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法，通过控制储层动态分隔系统的开闭，使得可燃冰储层和上覆沉积层具备分隔接触动态化的能力，保证可燃冰合成期间，甲烷气体只停留在可燃冰储层。可燃冰分解时，打开储层动态分隔系统，可让可燃冰储层与海泥层自然接触，从而通过对上覆沉积层和海水环境原位自然反演，模拟可燃冰开采过程中甲烷气体从可燃冰储层向海水环境自然泄漏的全过程，具备研究不同开采方法和模式下定量分析泄漏模式和行为的功能，进而优选泄漏可控的开采技术和方案，为未来可燃冰的绿色安全开采提供基础数据科学原理支撑。

Description

可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法

技术领域

本发明涉及海洋可燃冰资源开发及环境生态保护工程技术领域，更具体的，涉及一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法。

背景技术

天然气水合物(又称“可燃冰”)是由气体分子(自然界主要为甲烷分子)和水分子在满足其相平衡条件的高压低温环境下形成的似冰状结晶态笼形化合物。近年来，作为一种重要的战略能源资源，可燃冰受到了各国政府和科学家的广泛关注。然而可燃冰以固态形式赋存于海底沉积物或沉积层间的裂隙中，其分解涉及相变。可燃冰分解后，其在沉积物中原来占据的位置可能出现骨架不稳定。若不可控开采，可能引发沉积层液化诱发海底滑坡等地质环境问题，并且可能导致甲烷大量泄漏，进而对海洋地球化学、海洋生态、全球碳循环和温室效应产生巨大影响。政府间气候变化专门委员会第五次评估报告指出，在100年时间段内，甲烷的全球增温潜势是二氧化碳的28倍。因此，除了高效的可燃冰开采技术，安全、绿色、可控的开采控制亦是制约可燃冰大规模产业化运用的关键。

目前，可燃冰尚未大规模开采，关于开采泄漏的相关基础技术研发储备不足，缺乏对于甲烷泄漏过程的研究，甲烷气体泄漏后在沉积环境中的迁移转化特性和机制亟待明晰。现场试采准备周期长、风险高、成本高且难度大，在陆域环境原位模拟深海底可燃冰赋存的原位地质环境条件，建立原位垂向模型，进行室内模拟研究将为现场开采提供重要的数据和基础理论支持。然而，现有的可燃冰开采模拟装置如专利CN201711009911.0(一种天然气水合物开采监测模拟装置及方法)主要集中于开采技术和可燃冰赋存区域的环境参数模拟，不具备能实现能够自然模拟可燃冰开采甲烷泄漏过程及环境参数定量反演的设备与方法，尤其是缺乏在室内实现反演可燃冰形成期间甲烷气体主要在可燃冰储层分布，开采期间可燃冰储层和上覆沉积环境自然接触，实现自然泄漏过程模拟的研究装备。

发明内容

本发明为克服现有的可燃冰模拟系统缺乏自然泄漏过程模拟的研究装备，使可燃冰储层和上覆沉积环境存在无法自然接触的技术缺陷，提供一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，包括可燃冰合成分解模拟模块、储层动态分隔系统、上覆沉积层模拟模块、上覆海水层模拟模块、环境条件保障模块、测试模块、辅助系统和数据采集控制模块；其中：

所述可燃冰合成分解模拟模块与所述数据采集控制模块电性连接，用于模拟可燃冰的合成、分解及开采过程；

所述储层动态分隔系统设置在所述可燃冰合成分解模拟模块、上覆沉积层模拟模块之间，用于保证可燃冰合成分解模拟模块和上覆沉积层模拟模块之间的隔离与自然接触；

所述上覆沉积层模拟模块用于模拟可燃冰储层的上盖层；

所述上覆海水层模拟模块设置在所述上覆沉积层模拟模块上方，模拟真实环境中海洋底部的海水环境；

所述环境条件保障模块用于保障所述可燃冰合成分解模拟模块、上覆沉积层模拟模块、上覆海水层模拟模块的原位条件；

在系统运作过程中，所述测试模块用于测试系统内的各项物理、化学参数条件，并将得到的数据传输至所述数据采集控制模块；

所述辅助系统与所述数据采集控制模块电性连接，用于为系统提供气源、液源、计量组件和管阀件，辅助所述可燃冰合成分解模拟模块实现可燃冰的合成、分解；

所述数据采集控制模块用于实现可燃冰形成和分解过程中实时对参数管理与控制和数据采集、处理与存储功能。

上述方案中，针对目前缺乏专门研究可燃冰开采泄漏过程模拟及机理研究的装备，本发明提出了一种在室内实现反演可燃冰形成期间甲烷气体主要在可燃冰储层分布，开采期间可燃冰合成分解模拟模块与上覆沉积层模拟模块自然接触，满足可燃冰储层和上覆沉积环境动态分隔条件，实现可燃冰开采泄漏过程模拟及环境参数定量反演。

上述方案中，本发明相对于现有可燃冰开采模拟装置仅集中于开采技术模拟研究，大多只能模拟可燃冰储层及其上下盖层，气液流体及可燃冰分解只集中于可燃冰储层，专门研究可燃冰开采气体泄漏过程，无法定量反演评估泄漏过程环境参数变化的缺陷，本发明提出了一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，实现上覆沉积层及海水环境的原位反演，具有动态储层分割系统功能的可燃冰开采泄漏模拟系统；同时，本发明实现可燃冰层与上覆沉积层分隔接触动态化、海洋可燃冰地质分层构建、可燃冰生成和分解模拟、甲烷气体自然泄漏模拟、原位地质环境系统模拟等功能，具备研究可燃冰分解过程中甲烷泄漏速率可控的开采方法的能力。

其中，所述可燃冰合成分解模拟模块包括可燃冰合成分解模拟腔和开采井模拟模块；其中，所述可燃冰合成分解模拟腔用于提供多孔沉积物、气体、海水和可燃冰储存的空间环境，满足可燃冰合成与分解过程各相态变化的空间环境条件；所述开采井模拟模块设置在所述可燃冰合成分解模拟腔上，用于模拟可燃冰从所述可燃冰合成分解模拟腔中开采的过程。

其中，所述储层动态分隔系统通过设置的插板阀进行控制，所述插板阀与所述数据采集控制模块电性连接；

在可燃冰合成期间，所述插板阀的阀片完全覆盖所述可燃冰合成分解模拟腔和所述上覆沉积层模拟模块界面，保证二者的绝对隔离；

在可燃冰分解期间，将所述插板阀的阀片快速拔出，使得所述上覆沉积层模拟模块与所述可燃冰合成分解模拟腔的界面自然接触。

其中，在所述上覆沉积层模拟模块中填充海洋沉积物及孔隙流体，从而模拟真实环境中可燃冰储层至海底界面的上盖层。

其中，所述上覆海水层模拟模块即在所述上覆沉积层模拟模块上方填充一定量的人工配置或者原位取得的海水，模拟真实环境中海洋底部的海水环境。

其中，所述环境条件保障模块包括低温恒温箱、半导体制冷系统、电加热恒温系统、恒温水浴外循环系统、压力传感器、温度传感器和电阻率传感器；其中：

所述温度条件保障模块可以实现可燃冰储层，上覆泥层、上覆海水层的底层温度梯度模拟，所述可燃冰合成分解模拟模块设置在所述低温恒温箱中，进行整体低温控温；

所述半导体制冷系统、电加热恒温系统设置在所述可燃冰合成分解模拟模块底部，用于对可燃冰生成进行整体温度控制，进一步保证可燃冰生成期间所需要的低温条件；

所述恒温水浴外循环系统覆盖在所述上覆海水层模拟模块表面，通过控制流体的循环流动，达到控制海水层温度的目的；

所述压力传感器、温度传感器与电阻率传感器均匀地设置在所述可燃冰合成分解模拟模块、上覆沉积层模拟模块、上覆海水层模拟模块中，对系统的电阻率、温度及压力进行实时的检测；

所述压力传感器、温度传感器、电阻率传感器输出端与所述数据采集控制模块输入端电性连接；

所述低温恒温箱、半导体制冷系统、电加热恒温系统和恒温水浴外循环系统的控制端与所述数据采集控制模块输出端电性连接。

其中，所述测试模块包括取样口及取样装置；其中，所述取样口设置在所述可燃冰合成分解模拟模块、上覆沉积层模拟模块、上覆海水层模拟模块上；在每个取样口上，均设置有取样装置；所述取样装置与所述数据采集控制模块电性连接。

其中，所述辅助系统包括定量供液模块、稳压供气模块、产气产水计量模块和管阀件；其中：

所述定量供液模块用于在可燃冰形成和分解过程中向可燃冰层注入所需的液体；

所述稳压供气模块用于向可燃冰储层和海水上边界注入定量甲烷和氮气，同时调控系统内部的气体压力；

所述产气产水计量模块用于可燃冰层的压力控制、可燃冰开采后对多相流体进行气砂液三相分离、气体计量存储、液体计量存储和砂的计量存储；

所述管阀件控制端与所述数据采集控制模块电性连接，管阀件设置在所述定量供液模块、稳压供气模块、产气产水计量模块的接口上，用于对定量供液模块、稳压供气模块、产气产水计量模块的控制；

所述定量供液模块、稳压供气模块、产气产水计量模块与所述数据采集控制模块电性连接。

其中，所述数据采集控制模块包括交互模块、存储器、处理器及外围设备；其中：

所述处理器与所述储层动态分隔系统、环境条件保障模块、测试模块、辅助系统电性连接；

所述交互模块输出端与所述处理器输入端电性连接；

所述存储器与所述处理器电性连接，实现信息交互；

所述处理器输出端与所述外围设备控制端电性连接。

可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的方法，包括以下步骤：

S1：在可燃冰合成分解模拟模块中填充实际情况的可燃冰赋存的海底沉积物或者人工多孔介质；同时，在上覆沉积层模拟模块中填充实际或者与实际情况相近的介质；关闭储层动态分隔系统，令可燃冰合成分解模拟模块与上覆沉积层模拟模块保持绝对隔开；

S2：在上覆海水层模拟模块中注入人工配置的盐度为3.5％的海水，然后通过辅助系统往可燃冰层注入预先计算的定量的盐度为3.4％的海水，并分别向可燃冰储层和海水上边界层注入预先计算的定量的甲烷气体和氮气，配合环境条件保障模块调节可燃冰储层内的压力、温度，海水层压力、温度；

S3：关闭辅助系统，开始定容合成可燃冰，当可燃冰层内的压力降到设定值，可燃冰饱和度达到预先设计值，即完成可燃冰的合成；

S4：在可燃冰完成合成后，向可燃冰合成分解模拟模块中注入温度为45℃的热盐水并进行降压产气；同时打开储层动态分隔系统，使得可燃冰合成分解模拟模块与上覆沉积层模拟模块自然接触，自然模拟深海可燃冰和其上盖层的接触面；

S5：在可燃冰分解期间，打开辅助系统，控制流出液平稳、防止蒸发；并对开采出来的气砂液混合体进行分离，实现出砂计量、产水计量和产气计量，并将计量结果输出至数据采集控制模块；

S6：在可燃冰分解期间，通过测试模块在系统各层进行取样并对采集的样品进行检测分析，研究天然气泄漏过程中的赋存形态和浓度变化特征，直至可燃冰合成分解模拟模块内合成的可燃冰全部分解为止。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统与方法，通过控制储层动态分隔系统的开闭，使得可燃冰储层和上覆沉积层具备分隔接触动态化的能力。保证可燃冰合成期间，甲烷气体只停留在可燃冰储层，可燃冰分解时打开储层动态分隔系统，让可燃冰储层与海泥层自然接触，同时通过对上覆沉积层和海水环境原位自然反演，可模拟可燃冰开采过程中，甲烷气体从可燃冰储层向海水环境自然泄漏的全过程，具备研究不同开采方法和模式下定量分析泄漏模式和行为的功能，进而优先泄漏可控的开采技术和方案，为未来可燃冰的绿色安全开采提供基础数据科学原理支撑。

附图说明

图1为系统连接示意图；

图2为系统控制电路连接示意图；

图3为温度、电阻率和垂直井布置示意图；

图4为可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的方法流程图；

其中：1、可燃冰合成和分解模拟模块；11、可燃冰合成分解模拟腔；12、开采井模拟模块；121、垂直井网；122、水平井网；2、储层动态分隔系统；3、上覆沉积层模拟模块；4、上覆海水层模拟模块；5、环境条件保障模块；51、低温恒温箱；52、半导体制冷系统；53、电加热恒温系统；54、恒温水浴外循环系统；55、压力传感器；56、温度传感器；57、电阻率传感器；58、压力平衡室；59、低温恒温槽；6、测试模块；61、取样口；62、取样装置；621、摄像视窗；622、光源视窗；7、辅助系统；71、定量供液模块；711、恒速恒压泵；712、中间活塞器；72、稳压供气模块；721、气体增压泵；722、调压阀；723、气体流量计；724、气体储存容器；725、安全阀；726、氮气瓶；727、甲烷气瓶；728、空气压缩机；73、产气产水计量模块；731、回压系统；732、气固液分离器；733、电子天平；734、气液分离器；74、管阀件；75、干燥器；76、储液瓶；8、数据采集控制模块；81、交互模块；82、存储器；83、处理器、84、外围设备；91、可燃冰储层；92、气层；93；氮气注入口；94、甲烷注入口；95、压力平衡口；96、可燃性气体报警仪。

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，可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，包括1可燃冰合成分解模拟模块1、储层动态分隔系统2、上覆沉积层模拟模块3、上覆海水层模拟模块4、环境条件保障模块5、测试模块6、辅助系统7和数据采集控制模块8；其中：

所述可燃冰合成分解模拟模块1与所述数据采集控制模块8电性连接，用于模拟可燃冰的合成、分解及开采过程；

所述储层动态分隔系统2设置在所述可燃冰合成分解模拟模块1和上覆沉积层模拟模块3之间，用于保证可燃冰合成分解模拟模块1和上覆沉积层模拟模块3之间的隔离与自然接触；

所述上覆沉积层模拟模块3用于模拟可燃冰储层91的上盖层；

所述上覆海水层模拟模块4设置在所述上覆沉积层模拟模块3上方，模拟真实环境中海洋底部的海水环境；

所述环境条件保障模块5用于保障所述可燃冰合成分解模拟模块1、上覆沉积层模拟模块3和上覆海水层模拟模块4的原位条件；

在系统运作过程中，所述测试模块6用于测试系统内的各项物理和化学参数条件，并将得到的数据传输至所述数据采集控制模块8；

所述辅助系统7与所述数据采集控制模块8电性连接，用于为系统提供气源、液源、计量组件和管阀件，辅助所述可燃冰合成分解模拟模块1实现可燃冰的合成、分解；

所述数据采集控制模块8用于实现可燃冰形成和分解过程中实时对参数管理与控制和数据采集、处理与存储功能。

在具体实施过程中，针对现有可燃冰开采模拟装置仅集中于开采技术模拟研究，且大多只能模拟可燃冰储层91及其上下盖层，气液流体及可燃冰分解只集中于可燃冰储层91，仅能研究可燃冰开采气体泄漏过程，无法定量反演评估泄漏过程环境参数变化的缺陷等一系列问题，本发明提出了一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，实现上覆沉积层及海水环境的原位反演，具有储层动态分隔系统功能的可燃冰开采泄漏模拟系统；同时，本发明实现了可燃冰层与上覆沉积层分隔接触动态化、海洋可燃冰地质分层构建、可燃冰生成和分解模拟、甲烷气体自然泄漏模拟以及原位地质环境系统模拟等功能，具备研究可燃冰分解过程中甲烷泄漏速率可控的开采方法的能力。

更具体的，所述可燃冰合成分解模拟模块1包括可燃冰合成分解模拟腔11和开采井模拟模块12；其中，所述可燃冰合成分解模拟腔11用于提供多孔沉积物、气体、海水和可燃冰储存的空间环境，满足可燃冰合成与分解过程各相态变化的空间环境条件；所述开采井模拟模块12设置在所述可燃冰合成分解模拟腔11上，用于模拟可燃冰从所述可燃冰合成分解模拟腔11中开采的过程。

在具体实施过程中，可燃冰合成分解模拟腔11由耐压、耐腐蚀且具有良好导热性能的材料，如316不锈钢构成，以适应可燃冰合成分解过程长期的高压、低温和含盐环境。开采井模拟模块12主要包括模拟可燃冰开采的垂直井网121和水平井网122，为了使井网条件尽量接近现场情况，开采井可以涉及为完井、射孔井或割缝井，根据试验的需要设计不同孔径、不同密度、渐变孔径的射孔井网以及不同缝宽、不同间距、不同密度的割缝井网。为了防止砂堵塞井管，在模拟井与多孔沉积物接触的部分射孔处和割缝处安设需求数量的过滤网。

更具体的，所述储层动态分隔系统2通过设置的插板阀进行控制，所述插板阀与所述数据采集控制模块8电性连接；

在可燃冰合成期间，所述插板阀的阀片完全覆盖所述可燃冰合成分解模拟腔11和所述上覆沉积层模拟模块3界面，保证二者的绝对隔离；

在可燃冰分解期间，将所述插板阀的阀片快速拔出，使得所述上覆沉积层模拟模块3与所述可燃冰合成分解模拟腔11的界面自然接触。

在具体实施过程中，储层动态分隔系统2采用电磁阀控制的插板阀进行控制，在可燃冰合成期间，插板阀的阀片完全覆盖可燃冰合成分解模拟腔11和上覆沉积层模拟模块3界面，保证二者的绝对隔离，分解期间，通过电磁阀拉动气缸使阀片快速拔出，使得上覆沉积层模拟模块3和可燃冰合成分解模拟腔11自然接触，实现上覆沉积层及海水环境的原位反演，具有储层动态分隔系统功能的可燃冰开采泄漏模拟系统。

在具体实施过程中，储层动态分隔系统2还可以通过在可燃冰合成分解模拟腔11和上覆沉积层模拟模块3之间布设高密度耐压弹力膜实现，在可燃冰合成期间，该弹力膜完全覆盖可燃冰储层91和上覆沉积层模拟模块3界面，保证二者绝对隔离。在可燃冰分解期间，通过布设在上覆沉积层模拟模块3的自动控制的针片戳破弹力膜，弹力膜在收到针刺作用后会向四周回缩，保证可燃冰储层91和上覆沉积层的自然接触。

在具体实施过程中，所述插板阀和系统之间通过压力平衡室58连接，在打开插板阀后，压力平衡室58通过设置在系统上的压力平衡口95对可燃冰储层91和海泥层进行压力控制，保证可燃冰储层91和海泥层之间实现压力平衡。

更具体的，在所述上覆沉积层模拟模块3中填充海洋沉积物及孔隙流体，从而模拟真实环境中可燃冰储层91至海底界面的上盖层；所述上覆海水层模拟模块4即在所述上覆沉积层模拟模块3上方填充一定量的人工配置或者原位取得的海水，模拟真实环境中海洋底部的海水环境。

更具体的，所述环境条件保障模块5包括低温恒温箱51、半导体制冷系统52、电加热恒温系统53、恒温水浴外循环系统54、压力传感器55、温度传感器56和电阻率传感器57；其中：

所述可燃冰合成分解模拟模块1设置在所述低温恒温箱51中，进行整体低温控温；

所述半导体制冷系统52、电加热恒温系统53设置在所述可燃冰合成分解模拟模块1底部，用于对可燃冰生成进行整体温度控制，进一步保证可燃冰生成期间所需要的低温条件；

所述恒温水浴外循环系统54覆盖在所述上覆海水层模拟模块4表面，通过控制流体的循环流动，达到控制海水层温度的目的；

所述压力传感器55、温度传感器56与电阻率传感器57均匀地设置在所述可燃冰合成分解模拟模块1、上覆沉积层模拟模块3、上覆海水层模拟模块4中，对系统的电阻率、温度及压力进行实时的检测；

所述压力传感器55、温度传感器56、电阻率传感器57输出端与所述数据采集控制模块8输入端电性连接；

所述低温恒温箱51、半导体制冷系统52、电加热恒温系统53和恒温水浴外循环系统53的控制端与所述数据采集控制模块8输出端电性连接。

在具体实施过程中，环境条件保障模块5通过压力传感器55、温度传感器56、电阻率传感器57实时检测系统内各个模块的温度、压力及盐度信息，再由辅助系统7向系统内注入气液流体原位模拟仿真可燃冰形成需要的高压低温环境条件，向模拟系统注入盐水等含盐流体保障系统内的含盐环境。

在具体实施过程中，如图3所示，环境条件保障模块5在系统内布置的压力传感器55实时检测压力变化，且在可燃冰储层91模拟腔布置三层温度和电阻率测点，每层测点分布设置为4×4均匀分布，类似地，在上覆沉积层模拟模块3即海泥层中部设置一层4×4均匀分布的温度测点和电阻率测点，实时检测可燃冰合成和分解过程系统内的温度和电阻率的变化。

在具体实施过程中，为了模拟可燃冰储层91到海水层的地温梯度环境，采用三种温度控制方式。第一，整个系统通过低温恒温箱51(-10℃～100℃)进行整体低温控制，低温恒温箱51箱门带观察窗，作业过程中随时观察内室情况；第二，在可燃冰合成分解模拟腔11的底部安设半导体制冷系统52和电加热恒温系统53对可燃冰生成进行整体温度控制，保证可燃冰生成期间所需要的低温条件；第三，上覆海水层模拟模块4的温度由恒温水浴外循环系统54控制，恒温水浴外循环系统54由水浴程序控制，在海水层部分沿腔内壁安装内置盘管，通过恒温水浴外循环系统54控制流体在盘管内循环运行，达到控制海水层温度(4℃)的目的。所述环境条件保障模块5还设置有低温恒温槽59，低温恒温槽59除了给海水层进行循环降温外，也可给注入的气体和液体进行预先降温，降低流体进入可燃冰合成分解模拟腔11中温度的波动度。为了模拟地温梯度环境，在模拟系统底部安装电热管，并配合温度传感器56进行调温。

更具体的，所述测试模块6包括取样口61及取样装置62；其中，所述取样口61设置在所述可燃冰合成分解模拟模块1、上覆沉积层模拟模块3和上覆海水层模拟模块4上；在每个取样口61上，均设置有取样装置62；所述取样装置62与所述数据采集控制模块8电性连接。

在具体实施过程中，测试模块6在可燃冰储层91、海泥层、海水层和气层92分别设置有取样口61，对气液组分实时进行取样用于气相色谱和离子色谱等测试，分析可燃冰开采泄漏过程孔隙流体的组分含量变化。在海泥层顶部设置由取样装置62，如高清高速摄像机，可燃冰开采甲烷气体泄漏后，通过摄像视窗621拍摄从海泥层逸出进入海水环境的甲烷气泡的形态和数量等运移变化特征；在摄像机四周安装无影光源，通过光源视窗622辅助拍摄过程的进行。

更具体的，所述辅助系统7包括定量供液模块71、稳压供气模块72、产气产水计量模块73和管阀件74；其中：

所述定量供液模块71用于在可燃冰形成和分解过程中向可燃冰层注入所需的液体；

所述稳压供气模块72用于向可燃冰储层91和海水上边界注入定量甲烷和氮气，同时调控系统内部的气体压力；

所述产气产水计量模块73用于可燃冰层的压力控制、可燃冰开采后对多相流体进行气砂液三相分离、气体计量存储、液体计量存储和砂的计量存储；

所述管阀件74控制端与所述数据采集控制模块8电性连接，管阀件74设置在所述定量供液模块71、稳压供气模块72和产气产水计量模块73的接口上，用于对定量供液模块71、稳压供气模块72和产气产水计量模块73的控制；

所述定量供液模块71、稳压供气模块72和产气产水计量模块73与所述数据采集控制模块8电性连接。

在具体实施过程中，所述定量供液模块71主要由恒速恒压泵711和中间活塞器712等组成。定量供液模块71主要是在可燃冰形成与分解过程中通过开采井模拟模块12接口向可燃冰层注入实验所需的液体。数据采集控制模块8与恒速恒压泵711联网采集相关数据，通过处理器83控制恒速恒压泵711的运行状态。在可燃冰形成和分解过程中，实验所需液体被恒速恒压泵711注入可燃冰层之前需要经过中间活塞器712，这使得液体进入模拟腔之前得到缓冲，从而消除“脉冲”对可燃冰储层91的影响。

在具体实施过程中，稳压供气模块72主要由气体增压泵721、调压阀722、气体流量计723、气体储存容器724、安全阀725、氮气瓶726、甲烷气瓶727和空气压缩机728等组成，稳压供气模块72主要向可燃冰储层91和海水上边界层分别注入定量甲烷和氮气。为了向可燃冰模拟腔提供高压气体，气体增压泵721将甲烷气瓶727和氮气瓶726内的气体分别增压存储至气体储存容器724中，即甲烷缓冲容器和单体缓冲容器中，然后通过调压阀722来控制从气体储存容器724输出的气体压力，以实验要求的压力向模拟腔中分别注入甲烷和氮气。

在具体实施过程中，所述产气产水计量模块73主要由回压系统731、气固液分离器732、电子天平733、气液分离器734、管阀件735、干燥器736和储液瓶737等组成，实现可燃冰分解过程中可燃冰层的压力控制、开采井产出后的多相流体进行气砂液三相分离、气体计量存储、液体计量存储及砂计量存储等功能，并且在可燃冰形成和分解过程中进行系统内甲烷泄漏的预警预报及设备部件管道快速维护检修等功能，保障作业过程安全顺利地进行。

更具体的，所述辅助系统7还设置有可燃性气体报警仪96，当系统中有可燃性气体逸出模拟腔时可以进行报警，提高实验的安全性。

更具体的，所述数据采集控制模块8包括交互模块81、存储器82、处理器83及外围设备84；其中：

所述处理器83与所述储层动态分隔系统2、环境条件保障模块5、测试模块6和辅助系统7电性连接；

所述交互模块81输出端与所述处理器83输入端电性连接；

所述存储器82与所述处理器83电性连接，实现信息交互；

所述处理器83输出端与所述外围设备84控制端电性连接。

在具体实施过程中，所述外围设备84包括打印机等外围硬件，所述数据采集控制模块8实现可燃冰形成和分解过程中实时对参数管理与控制和数据采集、处理与存储的功能。

在具体实施过程中，系统由下至上依次分为可燃冰储层91、海泥层、海水层和气层92，每一层的有效内径为300mm，可燃冰储层91的高度为150mm，海泥层高度为100mm，海水和气层92高度为100mm。在本实施例中，开采井模拟模块中的井网有效内径为φ6mm，外径为φ10mm。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，如图4所示，提供一种可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的方法，包括以下步骤：

S1：在可燃冰合成分解模拟模块1中填充实际情况的可燃冰赋存的海底沉积物或者人工多孔介质；同时，在上覆沉积层模拟模块3中填充实际或者与实际情况相近的介质；关闭储层动态分隔系统2，令可燃冰合成分解模拟模块1与上覆沉积层模拟模块3保持绝对隔开；

S2：在上覆海水层模拟模块4中注入人工配置的盐度为3.5％的海水，然后通过辅助系统7往可燃冰层注入预先计算的定量的盐度为3.4％的海水，并分别向可燃冰储层91和海水上边界层注入预先计算的定量的甲烷气体和氮气，配合环境条件保障模块5调节可燃冰储层91内的压力、温度、海水层压力和温度；

S3：关闭辅助系统7，开始定容合成可燃冰，当可燃冰层内的压力降到设定值，可燃冰饱和度达到预先设计值，即完成可燃冰的合成；

S4：在可燃冰完成合成后，向可燃冰合成分解模拟模块1中注入温度为45℃的热盐水并进行降压产气；同时打开储层动态分隔系统2，使得可燃冰合成分解模拟模块1与上覆沉积层模拟模块3自然接触，自然模拟深海可燃冰和其上盖层的接触面；

S5：在可燃冰分解期间，打开辅助系统7，控制流出液平稳、防止蒸发并对开采出来的气砂液混合体进行分离，实现出砂计量、产水计量和产气计量，并将计量结果输出至数据采集控制模块8；

S6：在可燃冰分解期间，通过测试模块6在系统各层进行取样并对采集的样品进行检测分析，研究天然气泄漏过程中的赋存形态和浓度变化特征，直至可燃冰合成分解模拟模块1内合成的可燃冰全部分解为止。

在具体实施过程中，在可燃冰形成之前，在可燃冰储层91中充填实际情况的可燃冰赋存的海底沉积物或者与实际情况相近的人工多孔介质，关闭储层动态分隔系统2，可燃冰储层91与上覆沉积层之间保持绝对隔开，无甲烷气体向上覆沉积层渗漏，可燃冰只在可燃冰合成分解模拟腔11内生成，在上覆沉积层内无可燃冰生成。在海泥层中充填实际或者与实际情况相近的介质作为上覆沉积层，在海水层中注入人工配置的盐度为3.5％的海水。然后通过定量供液模块71往可燃冰层注入预先计算的定量的盐度为3.4％的海水，通过稳压供气模块72分别向可燃冰储层91和海水上边界层通过甲烷注入口94、氮气注入口93注入预先计算的定量的甲烷气体和氮气，调节可燃冰储层91内的压力为20MPa，温度为8℃，海水层的压力为12MPa，海水层的温度为4℃。然后关闭所有注气注液系统，保证可燃冰层和海水层温度为恒温，开始定容合成可燃冰，当可燃冰层内的压力降低至设定值，可燃冰饱和度达到预先设计值，标志着可燃冰合成步骤完成。

在具体实施过程中，采用五点法布置垂直开采井，在中心垂直井注入温度为45℃的热盐水，在四周的垂直井同时进行降压产气，先将可燃冰合成后的系统压力降低至4.5MPa，然后采取恒压降压法，保证系统内压力在4.5MPa。同时打开储层动态分隔系统2，使得可燃冰合成分解模拟腔11和上覆沉积层模拟模块3完全自然接触，可自然模拟深海可燃冰和其上盖层的自然接触面，在可燃冰分解期间，若储层内含有大量集聚的自由气体形成气层92，且可燃冰储层模拟腔和上覆沉积层自然接触面间存在自然泄漏通道，可模拟甲烷气体从可燃冰合成分解模拟腔11向上覆沉积层自然泄漏模拟的全过程。在可燃冰分解期间，打开回压系统731，使流出液平稳、防止蒸发和提高计量精度。开采出来的气砂液混合体经过气固液分离器732，实现出砂计量。分离出来的气液混合体随后经过气液分离器734，液体从下方排出，用电子天平733实现产水计量，气体从上方进入干燥剂75，通过气体流量计723实现产气计量。在可燃冰分解过程中，实时监测记录可燃冰分解过程中模拟系统内的压力变化和可燃冰储层91和海泥层内的温度和电阻率变化，在可燃冰储层91、海泥层、海水层和气层92位的取样口分别取样，进行气相色谱、离子色谱等组分分析及孔隙水pH值、碳酸根浓度等化学组分变化，研究泄漏过程甲烷在可燃冰储层91、海泥层、海水层和气层92的赋存形态和浓度变化特征。在海水层顶部拍摄泄漏后甲烷气泡的大小和速率，通过图像处理法计算甲烷气泡的泄漏速率和形态特征，直至可燃冰储层91内合成的可燃冰全部分解完毕为止。

在可燃冰分解期间，本实例可以改变降压至恒定压力过程中的降压速率，设定的恒压值和注热温度，优选出甲烷泄漏速率和模式可控的开采方法和操作条件，为安全绿色的开采机制研究提供基础科学依据。

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 (9)

1.可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，包括可燃冰合成分解模拟模块(1)、储层动态分隔系统(2)、上覆沉积层模拟模块(3)、上覆海水层模拟模块(4)、环境条件保障模块(5)、测试模块(6)、辅助系统(7)和数据采集控制模块(8)；其中：

所述可燃冰合成分解模拟模块(1)与所述数据采集控制模块(8)电性连接，用于模拟可燃冰的合成、分解及开采过程；

所述储层动态分隔系统(2)设置在所述可燃冰合成分解模拟模块(1)和上覆沉积层模拟模块(3)之间，用于保证可燃冰合成分解模拟模块(1)和上覆沉积层模拟模块(3)之间的隔离与自然接触；

所述上覆沉积层模拟模块(3)用于模拟可燃冰储层的上覆沉积层；

所述上覆海水层模拟模块(4)设置在所述上覆沉积层模拟模块(3)上方，模拟真实环境中海洋底部的海水环境；

所述环境条件保障模块(5)用于保障所述可燃冰合成分解模拟模块(1)、上覆沉积层模拟模块(3)和上覆海水层模拟模块(4)的原位条件；

在系统运作过程中，所述测试模块(6)用于测试系统内的各项物理和化学参数条件，并将得到的数据传输至所述数据采集控制模块(8)；

所述辅助系统(7)与所述数据采集控制模块(8)电性连接，用于为系统提供气源、液源、计量组件和管阀件，辅助所述可燃冰合成分解模拟模块(1)实现可燃冰的合成、分解；

所述数据采集控制模块(8)用于实现可燃冰合成和分解过程中实时对参数管理与控制和数据采集、处理与存储功能；

其中，所述环境条件保障模块(5)包括低温恒温箱(51)、半导体制冷系统(52)、电加热恒温系统(53)、恒温水浴外循环系统(54)、压力传感器(55)、温度传感器(56)和电阻率传感器(57)；其中：

所述可燃冰合成分解模拟模块(1)设置在所述低温恒温箱(51)中，进行整体低温控温；

所述半导体制冷系统(52)和电加热恒温系统(53)设置在所述可燃冰合成分解模拟模块(1)底部，用于对可燃冰生成进行整体温度控制，进一步保证可燃冰生成期间所需要的低温条件，且通过上述三种温度控制方法实现可燃冰储层、上覆沉积层和上覆海水层的底层温度梯度模拟；

所述恒温水浴外循环系统(54)覆盖在所述上覆海水层模拟模块(4)表面，通过控制流体的循环流动，达到控制海水层温度的目的；

所述压力传感器(55)、温度传感器(56)与电阻率传感器(57)均匀地设置在所述可燃冰合成分解模拟模块(1)、上覆沉积层模拟模块(3)和上覆海水层模拟模块(4)中，对系统的电阻率、温度及压力进行实时的检测；

所述压力传感器(55)、温度传感器(56)、电阻率传感器(57)输出端与所述数据采集控制模块(8)输入端电性连接；

所述低温恒温箱(51)、半导体制冷系统(52)、电加热恒温系统(53)和恒温水浴外循环系统(54)的控制端与所述数据采集控制模块(8)输出端电性连接。

2.根据权利要求1所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述可燃冰合成分解模拟模块(1)包括可燃冰合成分解模拟腔(11)和开采井模拟模块(12)；其中，所述可燃冰合成分解模拟腔(11)用于提供多孔沉积物、气体、海水和可燃冰储存的空间环境，满足可燃冰合成与分解过程各相态变化的空间环境条件；所述开采井模拟模块(12)设置在所述可燃冰合成分解模拟腔(11)上，用于模拟可燃冰从所述可燃冰合成分解模拟腔(11)中开采的过程。

3.根据权利要求2所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述储层动态分隔系统(2)通过设置的插板阀进行控制，所述插板阀与所述数据采集控制模块(8)电性连接；

在可燃冰合成期间，所述插板阀的阀片完全覆盖所述可燃冰合成分解模拟腔(11)和所述上覆沉积层模拟模块(3)界面，保证二者的绝对隔离；

在可燃冰分解期间，将所述插板阀的阀片快速拔出，使得所述上覆沉积层模拟模块(3)与所述可燃冰合成分解模拟腔(11)的界面自然接触。

4.根据权利要求3所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，在所述上覆沉积层模拟模块(3)中填充海洋沉积物及孔隙流体，从而模拟真实环境中可燃冰储层至海底界面的上盖层。

5.根据权利要求3所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述上覆海水层模拟模块(4)即在所述上覆沉积层模拟模块(3)上方填充一定量的人工配置或者原位取得的海水，模拟真实环境中海洋底部的海水环境。

6.根据权利要求1所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述测试模块(6)包括取样口(61)及取样装置(62)；其中，所述取样口(61)设置在所述可燃冰合成分解模拟模块(1)、上覆沉积层模拟模块(3)和上覆海水层模拟模块(4)上；在每个取样口(61)上，均设置有取样装置(62)；所述取样装置(62)与所述数据采集控制模块(8)电性连接。

7.根据权利要求1所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述辅助系统(7)包括定量供液模块(71)、稳压供气模块(72)、产气产水计量模块(73)和管阀件(74)；其中：

所述定量供液模块(71)用于在可燃冰形成和分解过程中向可燃冰层注入所需的液体；

所述稳压供气模块(72)用于向可燃冰储层和海水上边界注入定量甲烷和氮气，同时调控系统内部的气体压力；

所述产气产水计量模块(73)用于可燃冰层的压力控制、可燃冰开采后对多相流体进行气砂液三相分离、气体计量存储、液体计量存储和砂的计量存储；

所述管阀件(74)控制端与所述数据采集控制模块(8)电性连接，管阀件(74)设置在所述定量供液模块(71)、稳压供气模块(72)、产气产水计量模块(73)的接口上，用于对定量供液模块(71)、稳压供气模块(72)、产气产水计量模块(73)的控制；

所述定量供液模块(71)、稳压供气模块(72)、产气产水计量模块(73)与所述数据采集控制模块(8)电性连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的系统，其特征在于，所述数据采集控制模块(8)包括交互模块(81)、存储器(82)、处理器(83)及外围设备(84)；其中：

所述处理器(83)与所述储层动态分隔系统(2)、环境条件保障模块(5)、测试模块(6)、辅助系统(7)电性连接；

所述交互模块(81)输出端与所述处理器(83)输入端电性连接；

所述存储器(82)与所述处理器(83)电性连接，实现信息交互；

所述处理器(83)输出端与所述外围设备(84)控制端电性连接。

9.可燃冰开采泄漏模拟及环境参数定量反演的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在可燃冰合成分解模拟模块(1)中填充实际情况的可燃冰赋存的海底沉积物或者人工多孔介质；同时，在上覆沉积层模拟模块(3)中填充实际或者与实际情况相近的介质；关闭储层动态分隔系统(2)，令可燃冰合成分解模拟模块(1)与上覆沉积层模拟模块(3)保持绝对隔开；

S2：在上覆海水层模拟模块(4)中注入人工配置的盐度为3.5％的海水，然后通过辅助系统(7)往可燃冰储层注入预先计算的定量的盐度为3.4％的海水，并分别向可燃冰储层和海水上边界层注入预先计算的定量的甲烷气体和氮气，配合环境条件保障模块(5)调节可燃冰储层内的压力、温度和海水层的压力、温度；

S3：关闭辅助系统(7)，开始定容合成可燃冰，当可燃冰层内的压力降到设定值，可燃冰饱和度达到预先设计值，即完成可燃冰的合成；

S4：在可燃冰完成合成后，向可燃冰合成分解模拟模块(1)中注入温度为45℃的热盐水并进行降压产气；同时打开储层动态分隔系统(2)，使得可燃冰合成分解模拟模块(1)与上覆沉积层模拟模块(3)自然接触，自然模拟深海可燃冰和其上覆沉积层的接触面；

S5：在可燃冰分解期间，打开辅助系统(7)，控制流出液平稳、防止蒸发；并对开采出来的气砂液混合体进行分离，实现出砂计量、产水计量和产气计量，并将计量结果输出至数据采集控制模块(8)；

S6：在可燃冰分解期间，通过测试模块(6)在系统各层进行取样并对采集的样品进行检测分析，研究天然气泄漏过程中的赋存形态和浓度变化特征，直至可燃冰合成分解模拟模块(1)内合成的可燃冰全部分解为止。

Images