CN112196501B - 一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非常规能源天然气水合物开发的技术领域，本发明提供一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，包括反应釜、CT箱、储气罐、增压系统微生物注浆系统和数据采集系统，所述CT箱的内部具有旋转工作台，所述反应釜固定在所述旋转工作台上，所述储气罐的第一出气口与所述反应釜的进气通道连通，所述增压系统的输出端与所述反应釜的围压输入通道连通，其用于控制所述反应釜内的围压和温度，所述微生物注浆系统的第一出料端和第二出料端均与所述反应釜的注浆通道连通，其用于向所述反应釜内输送微生物菌液和胶结液，所述数据采集系统与所述反应釜连接，其用于采集反应釜内的温度和压力信息。

Description

一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置及方法

技术领域

本发明属于非常规能源天然气水合物开发的技术领域，尤其涉及一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种高效、洁净和储量巨大的新型能源，已被美国和日本等国家列入重点研究或开发计划，我国从2007年至今，在南海海域针对水合物勘探和开发的研究工作取得了突破性的进展。天然气水合物的开发可以极大程度上缓解石油天然气等资源的匮乏和不足。由于水合物沉积物存在气体、岩土骨架、水和固体水合物四种介质，其力学性质随着相变而非常复杂。在水合物的开发和开采过程中，降压或升温等方法使得水合物不同程度的分解，水合物沉积物的强度和模量等力学性质会发生明显的变化，水合物沉积物强度降低，使坐落在地层中的平台、井口和管道失去稳定性，甚至发生大面积的地层沉降及海底滑坡等地质灾害，因此有必要对含水合物储层进行加固改造处理，以提高水合物储层的强度及稳定性，进一步提高天然气水合物的产能。虽然在常规油气田开采中，储层改造技术是一种有效的增产、增注技术，其在水合物矿藏开采中有较好的应用前景，但到目前为止国内还没有关于储层改造技术对水合物矿藏产能增产效果的评价研究。

近几年，在岩土工程领域，微生物诱导成矿技术作为一种新型绿色环保技术被应用于软土地基加固、边坡治理、防止砂土液化。但是由于目前微生物注浆加固天然气水合物储层及储层力学性能评价的实验装置较少，微生物诱导成矿技术本身作为一项新型技术，在水合物开采领域只有概念化研究，主要由于实验开展难度大，缺少可行性验证。

为评价微生物诱导成矿技术在海洋天然气水合物储层中应用的可行性。将微生物诱导成矿技术应用于水合物储层改造，提高松散沉积物的强度和储层稳定性，可以为海洋天然气水合物射孔降压开采提供安全保障，该技术具有极大开发前景，有利于加快海洋天然气水合物商业化开采的发展步伐。但是现有技术中，缺少可用于研究微生物加固天然气水合物储层的实验装置，这对研究微生物诱导成矿技术在海洋天然气水合物储层中应用的可行性带来限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置及方法。

本发明提供一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，包括反应釜、CT箱、储气罐、增压系统微生物注浆系统和数据采集系统，所述CT箱的内部具有旋转工作台，所述反应釜固定在所述旋转工作台上，所述储气罐的第一出气口与所述反应釜的进气通道连通，所述增压系统的输出端与所述反应釜的围压输入通道连通，其用于控制所述反应釜内的围压和温度，所述微生物注浆系统的第一出料端和第二出料端均与所述反应釜的注浆通道连通，其用于向所述反应釜内输送微生物菌液和胶结液，所述数据采集系统与所述反应釜连接，其用于采集反应釜内的温度和压力信息。

进一步地，所述反应釜包括筒体、胶套、第一端座和第二端座；

所述筒体水平设置，其内部中空且两端敞口；

所述胶套水平设置在所述筒体内，其具有圆柱体结构的第一容置腔，所述第一容置腔用于放置样品，所述胶套的前后两端均延伸至靠近所述筒体的对应端，并与所述筒体的内侧壁固定连接，所述胶套的外侧壁与所述筒体的内侧壁之间形成密闭的环形空腔结构；

所述第一端座和所述第二端座分别同轴设置在所述筒体的前后两端，其靠近所述筒体的一端均伸入所述胶套内，并与所述筒体的对应端内壁抵接，其远离所述筒体的一端均通过固定件与所述筒体连接固定，所述第一端座上设有相互独立设置的进气通道、注浆通道和围压输入通道，所述进气通道和所述注浆通道的一端均延伸至与所述胶套的第一容置腔连通，所述围压输入通道的一端延伸至与所述环形空腔的内部连通，所述进气通道、所述注浆通道和所述围压输入通道的另一端分别与所述储气罐、所述微生物注浆系统和所述增压系统连接，所述第二端座上设有排气通道、排液通道和围压输出通道，所述排气通道和所述排液通道的一端均延伸至与所述胶套的第一容置腔连通，所述围压输出通道的一端延伸至与所述环形空腔的内部连通，所述排气通道、所述排液通道和所述围压输出通道的另一端均延伸至与外接设备连通；

进一步地，所述第一端座包括端座本体、外盖和套盖，所述外盖设有沿其轴线依次设置的第二容置腔和滑槽，所述滑槽的直径大于所述第二容置腔的直径，并与所述第二容置腔连通，所述外盖靠近所述筒体的一端伸入所述胶套的对应端内，所述端座本体上同轴设有环状滑动块，其同轴设置在所述第二容置腔内，且所述滑动块设置在所述滑槽内，其两端分别穿过所述外盖的对应端并伸出所述外盖外，所述端座本体与所述外盖滑动连接，所述套盖同轴设置在所述端座本体远离所述第二容置腔的一端，其靠近所述外盖的一侧与所述外盖可拆卸连接，所述进气通道和所述注浆通道设置在所述端座本体上，所述外盖上设有所述围压输入通道，所述套盖上设有轴压输送通道，所述轴压输送通道的一端与所述滑槽连通，其另一端外接轴压驱动系统，所述轴压驱动系统用于驱动端座本体沿所述胶套的轴线移动，所述端座本体靠近所述第一容置腔的一端设有第一缺口，所述第一缺口内设有第一胶塞，所述外盖通过所述固定件与所述筒体的对应端连接固定。

进一步地，所述轴压驱动系统包括第一储液单元，所述第一储液单元与所述轴压输送通道连通，其第四输出端处依次设有液压泵和第一流量计。

进一步地，所述第二端座靠近所述第一容置腔的一端设有第二缺口，所述第二缺口内设有第二胶塞，所述第二胶塞与所述第一胶塞分别处于两个不重叠的水平面上。

进一步地，所述增压系统包括第二储液单元，所述第二储液单元的输出端与所述围压输入通道连通，且其输出端依次设有输液泵和第三流量计。

进一步地，所述微生物注浆系统包括第三储液单元、第四储液单元和换向阀，所述第三储液单元的第二输出端和所述第四储液单元的第三输出端均与所述注浆通道连通，其中，所述第三储液单元用于存储微生物菌液，所述第四储液单元用于存储胶结液，所述换向阀分别与所述第三储液单元的第二输出端和所述第四储液单元的第三输出端连接。

进一步地，所述数据采集系统包括数据采集单元、第一压力检测单元、第二压力检测单元、第三压力检测单元、第四压力检测单元、第五压力检测单元和温度检测单元，其中，所述第一压力检测单元设在所述进气通道处，其用于检测所述进气通道内甲烷气体的压力值，所述第二压力检测单元设在所述注浆通道处，其用于检测所述注浆通道内的压力值，所述第三压力检测单元设在所述围压输入通道处，其用于检测所述围压输入通道的压力值，所述第四压力检测单元设在所述轴压输送通道处，其用于检测所述轴压输送通道的压力值，所述第五压力检测单元设在所述排气通道处，其用于检测所述排气通道的压力值，所述温度检测单元设在所述胶套内，其用于检测所述胶套内的温度值，所述数据采集单元分别与所述第一压力检测单元、所述第二压力检测单元、所述第三压力检测单元、所述第四压力检测单元、所述第五压力检测单元和所述温度检测单元电连接，其用于采集所述第一压力检测单元、所述第二压力检测单元、所述第三压力检测单元、所述第四压力检测单元、所述第五压力检测单元和所述温度检测单元的检测信号。

一种模拟微生物加固天然气水合物储层的方法，其主要包括以下步骤：

S1、向反应釜内填充样品，进行反应釜的自检工作后，将反应釜固定在CT箱内；

S2、启动第二储液单元和储气罐，向反应釜内输入高压甲烷气体和高压流体，以合成天然气水合物，同时，通过数据采集系统采集天然气水合物合成的气压、围压和温度信息；

S3、启动CT箱，对反应釜内的水合物沉积物进行CT扫描；

S4、启动微生物注浆系统，依次向反应釜内输送微生物菌液和胶结液，进行微生物加固实验；

S5、微生物加固实验结束后，再次启动CT箱，对反应釜内加固后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物的微观结构信息；

S6、启动轴压驱动系统，对反应釜内加固后的天然气水合物进行剪切实验，剪切实验完成后，再次启动CT箱，对剪切后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物破裂面的空间三维形态特征信息；

S7、CT扫描结束后，关闭CT箱，取出反应釜，取出样品，清理反应釜，进行下一组实验。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其可实现对天然气水合物的合成、加固和剪切实验，还能对天然气水合物的合成、加固和剪切实验过程中的各个反应条件进行监控和记录，对微生物诱导成矿技术在海洋天然气水合物储层中应用可行性的研究带来便利；

(2)本发明提供了一套微生物加固天然气水合物储层的实验装置及其实验方法，模块化和集成化程度高，既可以评价微生物注浆加固水合物储层的可行性，通过剪切实验，获取微生物加固技术对水合物储层力学性能影响参数在注浆前后的变化，来反映微生物加固效果；又可以通过CT扫描，获取注浆加固过程中，沉积物内部孔隙度、孔喉比、孔径分布等参数的变化，研究微生物诱导成矿技术在水合物储层中的胶结机理与作用机制。该装置为促进微生物诱导成矿技术在水合物储层改造与加固工程中的应用具有重要意义，可以用于指导后续实际生产过程中微生物注浆工艺参数如注浆速率、注浆量等参数的调节，可以预测微生物诱导成矿技术对储层长期稳定性的影响，为海洋天然气水合物的开采提供安全保障。

附图说明

图1是本发明所述一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置的结构示意图；

图2是本发明所述反应釜的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1-2，本发明的实施例提供了一种反应釜，包括筒体10、胶套20、第一端座和第二端座60，所述筒体10水平设置，其内部中空且两端敞口，所述胶套20水平设置在所述筒体10内，其具有圆柱体结构的第一容置腔，所述第一容置腔用于放置样品，所述胶套20的前后两端均延伸至靠近所述筒体10的对应端，并与所述筒体10的内侧壁固定连接，所述胶套20的外侧壁与所述筒体10的内侧壁之间形成密闭的环形空腔40结构，所述第一端座和所述第二端座60分别同轴设置在所述筒体10的前后两端，其靠近所述筒体10的一端均伸入所述胶套20内，并通过密封件50与所述筒体10的对应端内壁抵接，其远离所述筒体10的一端均通过固定件70与所述筒体10连接固定，所述第一端座上设有相互独立设置的进气通道37、注浆通道38和围压输入通道36，所述进气通道37和所述注浆通道38的一端均延伸至与所述胶套20的第一容置腔连通，所述围压输入通道36的一端延伸至与所述环形空腔40的内部连通，所述进气通道37、所述注浆通道38和所述围压输入通道36的另一端分别与所述储气罐、所述微生物注浆系统和所述增压系统连接，所述第二端座60上设有排气通道61、排液通道62和围压输出通道63，所述排气通道61和所述排液通道62的一端均延伸至与所述胶套20的第一容置腔连通，所述围压输出通道63的一端延伸至与所述环形空腔40的内部连通，所述排气通道61、所述排液通道62和所述围压输出通道63的另一端均延伸至与外接设备连通。

在本发明中，样品包括沉积物(一般是砂、粘土的混合，具体比例可以根据取样岩芯数据自行模拟实际地层)、水和表面活性剂(十二烷基硫酸钠)用于制备含天然气水合物的沉积物。其中，进气通道37用于输送甲烷气体，注浆通道38用于输送微生物菌液或胶结液，以提供天然气水合物合成条件，围压输入通道36用于向环形空腔40内输送高压气体或液体，对应的，排气通道61用于排出第一容置腔内多余的甲烷气体，排液通道62于排出第一容置腔内多余的微生物菌液，围压输出通道63用于排出环形空腔40内多余的高压气体或液体。密封件50为密封圈，其可以提高反应釜的气密性。固定件70为端盖，所述固定件70为端盖，所述端盖为圆柱体结构，其内部中空其一侧为敞口结构，且另一侧上设有可供所述第一端座和第二端座60远离所述筒体10一端穿过的通孔，所述端盖的内壁侧上设有内螺纹，筒体10两端的外侧壁上设有与内螺纹匹配的外螺纹，端盖与筒体10通过螺纹连接，螺纹连接具有拆装方便和实施成本低等优点。

在上述实施例中，所述第一端座包括端座本体31、外盖32和套盖33，所述外盖32设有沿其轴线依次设置的第二容置腔和滑槽34，所述滑槽34的直径大于所述第二容置腔的直径，并与所述第二容置腔连通，所述外盖32靠近所述筒体10的一端伸入所述胶套20的对应端内，所述端座本体31上同轴设有环状滑动块311，其同轴设置在所述第二容置腔内，且所述滑动块设置在所述滑槽34内，其两端分别穿过所述外盖32的对应端并伸出所述外盖32外，所述端座本体31与所述外盖32滑动连接，所述套盖33同轴设置在所述端座本体31远离所述第二容置腔的一端，其靠近所述外盖32的一侧与所述外盖32可拆卸连接，所述进气通道37和所述注浆通道38设置在所述端座本体31上，所述外盖32上设有所述围压输入通道36，所述套盖33上设有轴压输送通道35，所述轴压输送通道35的一端与所述滑槽34连通，其另一端外接轴压驱动系统，所述轴压驱动系统用于驱动端座本体31沿所述胶套20的轴线移动，所述端座本体31靠近所述第一容置腔的一端设有第一缺口，所述第一缺口内设有第一胶塞，所述外盖32通过所述固定件70与所述筒体10的对应端连接固定。

在本发明中，外盖32的一端伸入胶套20内，且其外侧壁与筒体10的内侧壁抵接，并通过固定件70与筒体10的对应端连接固定，且为了提高外盖32与筒体10之间气密性，外筒的外侧壁上设有环状密封圈。滑动块的外周延伸至与滑槽34的侧壁抵接，且其外周上也设有环形密封圈。同理，套盖33靠近端座本体31的一侧设有凸起，其凸起伸入滑槽34内，套盖33与滑槽34的连接处，以及端座本体31与套盖33的连接处也均设有环形密封圈。套盖33通过螺钉实现与外盖32的可拆卸连接，螺钉的固定结构具有拆装方便和实施成本低等优点。第一缺口和第一胶塞设置在端座本体31的下部，第一胶塞靠近第一容置腔的一侧与端座本体31对应端的端面之间具有间隙。所述轴压驱动系统包括第一储液单元80，所述第一储液单元80可以为水槽或水罐，第一储液单元80的第四输出端高压软管与轴压输送通道35连通，并高压软管上依次设有液压泵81和第一流量计82，通过液压泵81将第一储液单元80内的液体输送至可以轴压输送通道35内，以推动端座本体31，而第一流量计82可计算轴压输送通道35排出液的体积，从而达到计算剪切位移的目的。其中，液压泵81可提供高达60MPa的轴压驱动力。端盖套设在外盖32的外周，以将外盖32与筒体10连接固定。第一胶塞为硅胶软塞。

在上述实施例中，所述第二端座60靠近所述第一容置腔的一端设有第二缺口，所述第二缺口内设有第二胶塞64，所述第二胶塞64与所述第一胶塞分别处于两个不重叠的水平面上。

在本发明中，第二缺口和第二胶塞64设置在第二端座60的上部，第二胶塞64靠近第一容置腔的一侧与第二端座60对应端的端面之间具有间隙。该反应釜可实现对胶套20内的天然气水合物进行剪切试验，其具体原理为：液压泵81向轴压输送通道35内输送驱动液，以推动滑动块带动端座本体31沿滑槽34的轴线移动，此时，端座本体31伸入套筒的一端与天然气水合物抵接，并推动天然气水合物与端座本体31接触面向第二缺口移动，以完成对天然气水合物与端座本体31接触面的剪切，同时，随着端座本体31推着天然气水合物不断向第二缺口移动，以推动天然气水合物的上部进入第二缺口内，并使得第二胶塞64产生形变，同理，此时，天然气水合物的下部进入第一缺口内，并使得第一胶塞产生形变。如此，即实现了对天然气水合物的剪切试验。第二胶塞64为硅胶软塞。

在本发明中，反应釜中除筒体10由7075型铝合金材料制成，其他部件均为钛合金材料制成。反应釜的外观尺寸为410×128×128mm，能够在温度-30～+200℃和压力0～60MPa的条件下评价微生物加固天然气水合物储层的胶结效果和储层内微观结构的变化。

本发明中，反应釜的装样和卸样的具体步骤为：通过拆下位于第二端座60处的端盖，取下第二端座60，将样品填充至胶套20内后，再将第二端座60安装至筒体10和胶套20内，以使得第一端座和端座本体31伸入胶套20的部分分别与样品抵接，再通过端盖将第第二端座60和筒体10固定，既完成了样品的装样操作。而当天然气水合物实验完成后，通过拆下连个端盖、第一端座和第二端座60，即可将天然气水合物从胶套20和筒体10内取出。

一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，包括上述反应釜、CT箱90、储气罐91、增压系统、轴压驱动系统、微生物注浆系统和数据采集系统，所述CT箱90的内部具有旋转工作台，所述反应釜固定在所述旋转工作台上，所述储气罐91的第一出气口与所述反应釜的进气通道37连通，所述增压系统的输出端与所述反应釜的围压输入通道36连通，其用于控制所述反应釜内的围压和温度，所述微生物注浆系统的第一出料端和第二出料端均与所述反应釜的注浆通道38连通，其用于向所述反应釜内输送微生物菌液和胶结液，所述数据采集系统与所述反应釜连接，其用于采集反应釜内的温度和压力信息。

在本发明中，CT箱90(设备型号为Nano Voxel-3000)内设有射线源和探测器，其中，通过CT箱90对反应釜进行CT扫描，射线源发射X射线，照射到样品上，穿透样品，样品旋转，并在探测器上获取投影图，利用多种算法，从投影数据获取重建切片图像，再通过图像处理、阈值分割，获取样品的三维数据体，然后对三维数据进行分析。通过CT扫描及数据分析，可以获取微生物注浆加固前样品的微观结构、水合物的空间分布信息，天然气水合物的孔隙度、矿物空间分布特征等微观结构信息，而获取的数据由CT箱90直接采集并导出。本发明将反应釜直接放在CT箱90中，并利用CT扫描时刻捕捉天然气水合物的制备过程、微生物加固天然气水合物过程和剪切试验后天然气水合物的微观结构信息，以全面了解微生物加固天然气水合物的过程，提高获取微生物加固天然气水合物实验结果信息的精准度。储气罐91内存储甲烷气体，其第一出气口设有第二流量计911，以计算输送至反应釜内甲烷气体的体积。通过增压系统控制环形空腔40内的围压和温度，已达到控制天然气水合物合成条件的目的。其中，在CT扫描时，为了方便旋转样品台旋转360°过程中不被管线干扰，储气罐91、增压系统和微生物注浆系统均通过高压软管与反应釜连接。此外，为了满足天然气水合物合成的高压甲烷气体条件，在储气罐91与反应釜的进气通道37连通的管路上设有压力控制阀，储气罐91的气体排出端设置有回压阀及回压泵，多余的甲烷气体则从反应釜的排气通道61排出。

在上述实施例中，所述增压系统包括第二储液单元93，所述第二储液单元93的输出端与所述围压输入通道36连通，且其输出端依次设有输液泵94和压力表95。

在本发明中，第二储液单元93用于存储高压流体，其通过高压软管与反应釜的围压输入通道36连通，其为循环浴，循环浴配有耐压循环泵，循环浴可调节高压流体的温度，进而达到调节天然气水合物合成温度条件的目的。输液泵94和压力表95分别设置在高压软管上，其中，输液泵94用于将第二储液单元93内的高压流体输送到反应釜的环形空腔40内，以在环形空腔40内提供天然气水合物沉积物胶结体剪切试验所需的围压条件，而压力表95则用于对围压大小进行初步的计量。

在上述实施例中，所述微生物注浆系统包括第三储液单元96、第四储液单元97和换向阀98，所述第三储液单元96的第二输出端和所述第四储液单元97的第三输出端均与所述注浆通道38连通，其中，所述第三储液单元96用于存储微生物菌液，所述第四储液单元97用于存储胶结液，所述换向阀98分别与所述第三储液单元96的第二输出端和所述第四储液单元97的第三输出端连接。

在本发明中，第三储液单元96和第四储液单元97均为储液罐，其分别通过管路与反应釜的注浆通道38连通，所述换向阀98设置在第三储液单元96和第四储液单元97与反应釜的注浆通道38连接的管路上，换向阀98用于实现第三储液单元96或第四储液单元97与反应釜的注浆通道38连接管路的连通和断开。此外，第三储液单元96和第四储液单元97与反应釜的注浆通道38连接的管路上还依次设有增压泵99和第二流量计100，其中，增压泵99用于将微生物菌液或胶结液进行增压处理后输入反应釜的注浆通道38内，以完成微生物对天然气水合物的加固实验。反应釜上的排液通道62用于排出胶结液，以实现微生物胶结液的循环连续注浆。

在上述实施例中，所述数据采集系统包括数据采集单元101、第一压力检测单元102、第二压力检测单元103、第三压力检测单元104、第四压力检测单元105、第五压力检测单元106和温度检测单元107，其中，所述第一压力检测单元102设在所述进气通道37处，其用于检测所述进气通道37内甲烷气体的压力值，所述第二压力检测单元103设在所述注浆通道38处，其用于检测所述注浆通道38内的压力值，所述第三压力检测单元104设在所述围压输入通道36处，其用于检测所述围压输入通道36的压力值，所述第四压力检测单元105设在所述轴压输送通道35处，其用于检测所述轴压输送通道35的压力值，所述第五压力检测单元106设在所述排气通道61处，其用于检测所述排气通道61的压力值，所述温度检测单元107设在所述胶套20内，其用于检测所述胶套20内的温度值，所述数据采集单元101分别与所述第一压力检测单元102、所述第二压力检测单元103、所述第三压力检测单元104、所述第四压力检测单元105、所述第五压力检测单元106和所述温度检测单元107电连接，其用于采集所述第一压力检测单元102、所述第二压力检测单元103、所述第三压力检测单元104、所述第四压力检测单元105、所述第五压力检测单元106和所述温度检测单元107的检测信号。

在上述实施例中，所述第一压力检测单元102、所述第二压力检测单元103、所述第三压力检测单元104、所述第四压力检测单元105和所述第五压力检测单元106均为压力传感器，所述温度检测单元107为温度传感器，所述数据采集单元101包括PC显示器及数据处理中心。其中，第一压力检测单元102、第二压力检测单元103、第三压力检测单元104、第四压力检测单元105和第五压力检测单元106对应的设置在与进气通道37、注浆通道38、围压输入通道36、轴压输送通道35和排气通道61连通的管路上。而压力传感器检测压力信息，温度传感器检测温度信息，以及数据采集单元101采集和处理压力传感器和温度传感器的检测信息均为现有技术，在此对其具体工作原理不再进行赘述。在本发明中，通过压力传感器和温度传感器，可实时监控反应釜内的气压、围压、注浆压力和轴压信息，以及胶套20内的温度信息，以达到方便精准调控天然气水合物合成压力和温度条件、微生物加固压力条件和天然气水合物剪切试验压力条件的目的，进而提高实验结果的精度，此外，通过检测剪切破坏时的轴压，结合液压泵81排出的液体体积，就可计算微生物注浆加固后沉积物的剪切模量、粘聚力和摩擦角等力学参数，以为获取微生物加固技术对水合物储层力学性能影响参数在注浆前后的变化，为反映微生物加固效果提供有效的评级指标。此外，第一流量计82、第二流量计911和第三流量计100均与数据采集单元101电连接，以将对应的流量信息发送给数据采集单元101，此为现有技术，对此也不再进行赘述。

一种模拟微生物加固天然气水合物储层的方法，其主要包括以下步骤：

S1、向胶套20内填充样品后，进行反应釜的自检工作后，将反应釜固定在CT箱90内；其中自检工作包括反应釜的气密性检测，第一压力检测单元102、第二压力检测单元103、第三压力检测单元104、第四压力检测单元105、第五压力检测单元106和温度检测单元107是否能正常工作。待自检工作结束，反应釜一切正常时，再将反应釜平稳地放置在CT箱90的旋转样品台，用三脚卡爪固定反应釜，以保证反应釜在旋转过程中不会发生晃动，以免造成CT扫描图像无法重建的问题；同时，反应釜的自检工作后，再依次储气罐91、增压系统、轴压驱动系统、微生物注浆系统和数据采集系统是否正常工作；

S2、启动第二储液单元93和储气罐91，向反应釜内输入高压甲烷气体和高压流体，以合成天然气水合物，同时，通过数据采集系统采集天然气水合物合成的气压、围压和温度信息；具体的，打开循环浴的开关，调节到设定的温度，打开甲烷气瓶阀，向反应釜内通入甲烷气，通过数据采集系统采集反应釜内气压、围压和温度信息，随时观测水合物的合成情况，当有水合物稳定合成时，关闭甲烷气瓶阀，维持反应釜内的温度和压力；

S3、启动CT箱90，对反应釜内的水合物沉积物进行CT扫描；具体的，此时打开CT箱90中的可视化含铅玻璃窗，打开CT扫描软件，开启射线源，对反应釜内的水合物沉积物进行CT扫描，扫描结束后，射线源自动关闭，导出数据体，对样品数据体重建，用Avizo或其他软件对重建后的数据体进行分析，提取水合物沉积物的微观结构、水合物的空间分布等信息；

S4、启动微生物注浆系统，依次向反应釜内输送微生物菌液和胶结液，进行微生物加固实验；具体的，调节换向阀98使得第三储液单元96与反应釜的注浆通道38连通，打开增压泵99，调节注浆压力及注浆流量至较小档位，开始向反应釜内缓慢注入菌液，让菌液均匀分布在水合物沉积物中，注浆时间可根据需要设置。待菌液注浆完毕，关闭增压泵99，使得第四储液单元97与反应釜的注浆通道38连通，打开增压泵99，同样设置注浆压力、流量和时间，向反应釜中注入胶结液，反应一段时间后，关闭增压泵99；再次调节换向阀98，连通第三储液单元96与增压泵99，再次向反应釜中注入菌液；反应一段时间后，关闭增压泵99，调节换向阀98，连通增压泵99与第四储液单元97，再次向反应釜内注入胶结液；可根据实验研究需求，自行设定循环次数，重复上述注浆过程；同时，通过数据采集系统实时监测反应釜内温度和压力变化，以此来评价微生物注浆对天然气水合物合成与分解的影响；

S5、微生物加固实验结束后，再次启动CT箱90，对反应釜内加固后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物的微观结构信息；具体的，注浆结束后，关闭增压泵99，待微生物菌液和胶结液与天然气水合物反应一段时间后，反应釜内反应达到平衡，再次启动CT箱90，打开扫描软件，开启射线源，对加固后的天然气水合物进行CT扫描；同样将扫描得到的数据体进行重建、分析，对比注浆前后，微生物成矿对天然气水合物微观结构变化的影响；扫描结束后，射线源自动关闭；

S6、启动轴压驱动系统，对反应釜内加固后的天然气水合物进行剪切实验，剪切实验完成后，再次启动CT箱90，对剪切后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物破裂面的空间三维形态特征信息；具体的，先启动耐压循环泵，向环形空腔40内注入低温液体同反应釜内的温度，对天然气水合物施加围压，达到一定压力后关闭耐压循环泵；再启动液压泵81，向端座本体31施加轴压，推动端座本体31向天然气水合物移动，轴压通过硅胶塞作用在样品上，使样品产生剪切破坏；同时，打开CT扫描软件，开启射线源，对发生剪切破坏后的样品进行CT扫描，导出数据、重建、从微观层面观察分析样品发生剪切破坏后的空间三维形态特征，以及破裂面处的微生物成矿情况、微生物诱导矿化沉积碳酸钙与周围沉积物及水合物的胶结情况。其中，反应釜轴压输送通道35的压力大小即为轴压大小，同时样品发生剪切破坏后，通过第一流量计82计量轴压输送通道35排出的液体的体积或流量，计算样品产生的剪切位移大小，在得到了剪切力和剪切位移以及天然气水合物尺寸等参数后，通过数据采集系统，自动计算微生物加固的天然气水合物的剪切模量、粘聚力、摩擦角、泊松比等力学参数。

S7、CT扫描结束后，关闭CT箱90，取出反应釜，取出样品，清理反应釜，进行下一组实验。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，包括反应釜、CT箱(90)、储气罐(91)、增压系统、微生物注浆系统和数据采集系统，所述CT箱(90)的内部具有旋转工作台，所述反应釜固定在所述旋转工作台上，所述储气罐(91)的第一出气口与所述反应釜的进气通道(37)连通，所述增压系统的输出端与所述反应釜的围压输入通道(36)连通，其用于控制所述反应釜内的围压和温度，所述微生物注浆系统的第一出料端和第二出料端均与所述反应釜的注浆通道(38)连通，其用于向所述反应釜内输送微生物菌液和胶结液，所述数据采集系统与所述反应釜连接，其用于采集反应釜内的温度和压力信息；

所述反应釜包括筒体(10)、胶套(20)、第一端座和第二端座(60)；

所述筒体(10)水平设置，其内部中空且两端敞口；

所述胶套(20)水平设置在所述筒体(10)内，其具有圆柱体结构的第一容置腔，所述第一容置腔用于放置样品，所述胶套(20)的前后两端均延伸至靠近所述筒体(10)的对应端，并与所述筒体(10)的内侧壁固定连接，所述胶套(20)的外侧壁与所述筒体(10)的内侧壁之间形成密闭的环形空腔(40)结构；

所述第一端座和所述第二端座(60)分别同轴设置在所述筒体(10)的前后两端，其靠近所述筒体(10)的一端均伸入所述胶套(20)内，并与所述筒体(10)的对应端内壁抵接，其远离所述筒体(10)的一端均通过固定件(70)与所述筒体(10)连接固定，所述第一端座上设有相互独立设置的进气通道(37)、注浆通道(38)和围压输入通道(36)，所述进气通道(37)和所述注浆通道(38)的一端均延伸至与所述胶套(20)的第一容置腔连通，所述围压输入通道(36)的一端延伸至与所述环形空腔(40)的内部连通，所述进气通道(37)、所述注浆通道(38)和所述围压输入通道(36)的另一端分别与所述储气罐(91)、所述微生物注浆系统和所述增压系统连接，所述第二端座(60)上设有排气通道(61)、排液通道(62)和围压输出通道(63)，所述排气通道(61)和所述排液通道(62)的一端均延伸至与所述胶套(20)的第一容置腔连通，所述围压输出通道(63)的一端延伸至与所述环形空腔(40)的内部连通，所述排气通道(61)、所述排液通道(62)和所述围压输出通道(63)的另一端均延伸至与外接设备连通。

2.根据权利要求1所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述第一端座包括端座本体(31)、外盖(32)和套盖(33)，所述外盖(32)设有沿其轴线依次设置的第二容置腔和滑槽(34)，所述滑槽(34)的直径大于所述第二容置腔的直径，并与所述第二容置腔连通，所述外盖(32)靠近所述筒体(10)的一端伸入所述胶套(20)的对应端内，所述端座本体(31)上同轴设有环状滑动块(311)，其同轴设置在所述第二容置腔内，且所述滑动块设置在所述滑槽(34)内，其两端分别穿过所述外盖(32)的对应端并伸出所述外盖(32)外，所述端座本体(31)与所述外盖(32)滑动连接，所述套盖(33)同轴设置在所述端座本体(31)远离所述第二容置腔的一端，其靠近所述外盖(32)的一侧与所述外盖(32)可拆卸连接，所述进气通道(37)和所述注浆通道(38)设置在所述端座本体(31)上，所述外盖(32)上设有所述围压输入通道(36)，所述套盖(33)上设有轴压输送通道(35)，所述轴压输送通道(35)的一端与所述滑槽(34)连通，其另一端外接轴压驱动系统，所述轴压驱动系统用于驱动端座本体(31)沿所述胶套(20)的轴线移动，所述端座本体(31)靠近所述第一容置腔的一端设有第一缺口，所述第一缺口内设有第一胶塞，所述外盖(32)通过所述固定件(70)与所述筒体(10)的对应端连接固定。

3.根据权利要求2所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述轴压驱动系统包括第一储液单元(80)，所述第一储液单元(80)与所述轴压输送通道(35)连通，其第四输出端处依次设有液压泵(81)和第一流量计(82)。

4.根据权利要求2所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述第二端座(60)靠近所述第一容置腔的一端设有第二缺口，所述第二缺口内设有第二胶塞(64)，所述第二胶塞(64)与所述第一胶塞分别处于两个不重叠的水平面上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述增压系统包括第二储液单元(93)，所述第二储液单元(93)的输出端与所述围压输入通道(36)连通，且其输出端依次设有输液泵(94)和压力表(95)。

6.根据权利要求1所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述微生物注浆系统包括第三储液单元(96)、第四储液单元(97)和换向阀(98)，所述第三储液单元(96)的第二输出端和所述第四储液单元(97)的第三输出端均与所述注浆通道(38)连通，其中，所述第三储液单元(96)用于存储微生物菌液，所述第四储液单元(97)用于存储胶结液，所述换向阀(98)分别与所述第三储液单元(96)的第二输出端和所述第四储液单元(97)的第三输出端连接。

7.根据权利要求2所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集单元(101)、第一压力检测单元(102)、第二压力检测单元(103)、第三压力检测单元(104)、第四压力检测单元(105)、第五压力检测单元(106)和温度检测单元(107)，其中，所述第一压力检测单元(102)设在所述进气通道(37)处，其用于检测所述进气通道(37)内甲烷气体的压力值，所述第二压力检测单元(103)设在所述注浆通道(38)处，其用于检测所述注浆通道(38)内的压力值，所述第三压力检测单元(104)设在所述围压输入通道(36)处，其用于检测所述围压输入通道(36)的压力值，所述第四压力检测单元(105)设在所述轴压输送通道(35)处，其用于检测所述轴压输送通道(35)的压力值，所述第五压力检测单元(106)设在所述排气通道(61)处，其用于检测所述排气通道(61)的压力值，所述温度检测单元(107)设在所述胶套(20)内，其用于检测所述胶套(20)内的温度值，所述数据采集单元(101)分别与所述第一压力检测单元(102)、所述第二压力检测单元(103)、所述第三压力检测单元(104)、所述第四压力检测单元(105)、所述第五压力检测单元(106)和所述温度检测单元(107)电连接，其用于采集所述第一压力检测单元(102)、所述第二压力检测单元(103)、所述第三压力检测单元(104)、所述第四压力检测单元(105)、所述第五压力检测单元(106)和所述温度检测单元(107)的检测信号。

8.一种如权利要求5所述的一种模拟微生物加固天然气水合物储层的装置的使用方法，其特征在于，其主要包括以下步骤：

S1、向反应釜内填充样品，进行反应釜的自检工作后，将反应釜固定在CT箱(90)内；

S2、启动第二储液单元(93)和储气罐(91)，向反应釜内输入高压甲烷气体和高压流体，以合成天然气水合物，同时，通过数据采集系统采集天然气水合物合成的气压、围压和温度信息；

S3、启动CT箱(90)，对反应釜内的水合物沉积物进行CT扫描；

S4、启动微生物注浆系统，依次向反应釜内输送微生物菌液和胶结液，进行微生物加固实验；

S5、微生物加固实验结束后，再次启动CT箱(90)，对反应釜内加固后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物的微观结构信息；

S6、启动轴压驱动系统，对反应釜内加固后的天然气水合物进行剪切实验，剪切实验完成后，再次启动CT箱(90)，对剪切后的天然气水合物进行CT扫描，获取天然气水合物破裂面的空间三维形态特征信息；

S7、CT扫描结束后，关闭CT箱(90)，取出反应釜，取出样品，清理反应釜，进行下一组实验。

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