CN113391050A - 一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法。所述实验装置包括注液系统、注气系统、成藏系统、气液分离系统、真空系统和数据采集系统。本发明的实验装置及方法可实现水合物藏、自由气藏的多层分布模拟，解决了现有装置不能模拟自由气藏对水合物藏成藏规律影响问题；该实验装置及方法可以模拟成藏过程中自由气向上运移至水合物层的运移过程，解决了现有装置无法模拟水合物藏的完整形成过程问题；该实验装置及方法可得到水合物成藏中水合物层及自由气层的温度、压力、电阻率、纵横波波速变化规律及计算得到任一时刻的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度参数。

Description

一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法

技术领域

本发明属于油气勘探开发领域，具体涉及一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物（以下简称水合物）作为一种新型的清洁能源一直备受关注，据估计陆地上20.7%和深水海底90%的地区具有形成水合物的有利条件，其中海洋水合物储量巨大，水合物被认为是21世纪最有潜力的替代能源。

水合物虽然储量巨大、开发前景广阔，但目前水合物未能实现商业化开采，仍处在短期科研试采阶段，造成该现状的关键原因是水合物成藏机理认识不清及开采技术无法实现长期、高效、经济地开发，为了解决目前的技术难题，亟需在水合物成藏机理及高效开采方式方面开展科技攻关，若要在水合物成藏机理及高效开采方式方面进行科技攻关，必备的实验室模拟实验及装备不可获取。前期虽已有学者在水合物成藏模拟及开采方式模拟方面开展过相关研究，水合物成藏模拟主要集中在水合物高效制备及单一储层水合物成藏模拟方面的研究，但未涉及水合物藏、下覆自由气藏的多层分布模拟及成藏过程中下覆自由气向上运移至上部水合物层的运移过程模拟，海洋天然气水合物形成与常规油气本质上同源，海洋底部由于地壳构造活动产生挤压、拉伸等变形或者沉积物侧向挤压变形而出现断层，下覆圈闭自有气向上运移至上部储层，温度压力条件合适情况下在上部储层形成水合物层，现在的模拟装置及模拟方法不能很好的模拟水合物藏的完整形成过程，进而严重影响水合物成藏机理方面的研究，因此，迫切需要研制一种能够用于模拟水合物藏、下覆自由气藏的多层分布及成藏过程中下覆自由气向上运移至上部水合物层的运移过程的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟原理科学、操作简单和自动化控制的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法，同时通过该实验装置的实验方法能够实现上部水合物藏、下覆自有气藏的分层模拟及成藏过程中下覆自由气向上运移至上部水合物层的运移过程，进而得到水合物的成藏机理及水合物成藏过程中各个层位的物性变化规律。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，包括成藏系统、用于向成藏系统注入海水的注液系统、用于向成藏系统注入天然气的注气系统、气液分离系统、用于将成藏系统抽真空的真空系统和数据采集系统；其中，

所述成藏系统包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；所述釜盖分别与外釜和内釜活动连接，且釜盖与外釜和内釜均为密封连接；所述内釜自下向上依次设有气液分散层、2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层、盖层及海水层；所述气液分散层与2号自由气层间、2号自由气层与2号隔层间、2号隔层与1号自由气层间、1号自由气层与1号隔层间、1号隔层与水合物层间以及水合物层与盖层间均分别设有内釜层温控制组件且通过该内釜层温控制组件将各层间隔开；所述内釜层温控制组件上开设有用于海水与天然气流通的通孔；

所述成藏系统还包括对外釜内温度进行调节的外釜制冷机和对2号自由气层、1号自由气层、水合物层进行温度调节的内釜制冷机组；

所述成藏系统还包括安装在外釜内壁或者内釜外壁用于监测外釜内部温度的2号温度传感器和用于监测2号自由气层、1号自由气层和水合物层的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件、2号储层监测组件和3号储层监测组件；所述釜盖上安装有纵波监测仪；

所述注液系统的出液端与所述内釜连接且与所述气液分散层连通；

所述注气系统的出气端与所述内釜连接且与所述气液分散层连通；所述注气系统包括天然气瓶且通过天然气瓶向气液分散层内注入天然气；

所述气液分离系统的入口端与釜盖连接且与所述海水层连通；所述气液分离系统内设有收集分离出的天然气的储气罐，所述储气罐与所述注气系统的进气端连接；

所述数据采集系统包括控制柜和与其电连接的计算机；所述内釜层温控制组件、外釜制冷机、内釜制冷机组、1号储层监测组件、2号储层监测组件、3号储层监测组件、纵波监测仪、注液系统、注气系统、真空系统分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述气液分散层为中空层；所述2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层、盖层均按实验需求结合实际地层物性进行填砂。

进一步的，所述注液系统包括通过注液管道66沿着注液方向依次连接的海水罐、9号阀、海水注入计量泵和8号阀，所述注液管道66的尾端与所述内釜连接且与所述气液分散层连通；所述9号阀、海水注入计量泵和8号阀分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述注气系统包括通过注气管道沿着注气方向依次连接的天然气瓶、4号阀、1号压力传感器、3号阀、18号阀、气体增压泵、6号阀、气体稳压罐、7号阀、1号压力调节阀、1号气体质量流量计、1号温度传感器、3号压力传感器及单向阀；所述注气管道的尾端与所述内釜连接且与所述气液分散层连通；所述气体增压泵通过增压管道与空气压缩机连接，所述增压管道上设有5号阀；所述4号阀、1号压力传感器、3号阀、18号阀、气体增压泵、6号阀、气体稳压罐、7号阀、1号压力调节阀、1号气体质量流量计、1号温度传感器、3号压力传感器、单向阀和空气压缩机分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述气液分离系统包括通过气液分离管道依次连接的19号阀、15号阀和气液分离器；所述气液分离管道的首端与釜盖连接且与海水层连通；所述气液分离管道的尾端与气液分离器连接；所述气液分离器的出液口通过出液管与海水计量系统连通，所述出液管上设有20号阀；所述气液分离器的出气口通过出气管沿着出气方向依次连接有16号阀、17号阀、2号气体质量流量计和储气罐，所述16号阀的两侧并联连接有2号压力调节阀；所述储气罐通过气体循环管与所述气体增压泵连接，所述气体循环管上设有2号阀；所述19号阀、15号阀、气液分离器、海水计量系统、20号阀、16号阀、17号阀、2号气体质量流量计、2号压力调节阀、2号阀分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述气液分离器上连接有5号压力传感器；所述储气罐上连接有6号压力传感器；所述储气罐上连接有排气管，所述排气管上设有1号阀；所述5号压力传感器、6号压力传感器和1号阀分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述真空系统包括通过抽气管道依次连接的真空泵、4号压力传感器、13号阀、放空阀、14号阀，所述抽气管道与所述19号阀连接；所述真空泵、4号压力传感器、13号阀、放空阀、14号阀分别与所述控制柜电连接。

进一步的，所述内釜制冷机组包括6个制冷机，6个制冷机分别通过内釜制冷管道与设置在所述气液分散层与2号自由气层间、2号自由气层与2号隔层间、2号隔层与1号自由气层间、1号自由气层与1号隔层间、1号隔层与水合物层间以及水合物层与盖层间的6个内釜层温控制组件连接；所述内釜制冷管道上设有10号阀和11号阀；所述外釜制冷机通过外釜制冷管道与所述外釜连接，所述外釜制冷管道上设有21号阀和12号阀；所述制冷机、10号阀、11号阀、21号阀和12号阀分别与所述控制柜电连接。

本发明提供的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置进行分层模拟水合物成藏过程的实验方法，包括下述步骤：

S1：内釜填砂过程

首先打开釜盖，然后根据实验需求自下向上依次在内釜内进行：内釜层温控制组件安装、2号自由气层填砂、内釜层温控制组件安装、2号隔层填砂、内釜层温控制组件安装、1号自由气层填砂、内釜层温控制组件安装、1号隔层填砂、内釜层温控制组件安装、水合物层填砂、内釜层温控制组件安装、盖层填砂，2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层及盖层均按实验需求结合实际地层物性进行填砂操作，关闭釜盖，内釜填砂过程完成；

S2：抽真空过程

实验操作人员通过计算机对真空系统下达指令并通过真空系统对成藏系统进行抽真空；待成藏系统的真空度为-0.090～-0.095MPa时，实验操作人员通过计算机下达指令关闭真空系统，完成的抽真空过程；

S3：注水过程

实验操作人员通过计算机对注液系统下达指令并通过注液系统向内釜注入海水，注入海水的过程中，海水将自下向上缓慢充满气液分散层、2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层、盖层及海水层的孔隙空间，向内釜注入海水的体积通过注液系统上传至计算机，直至内釜压力持续为0MPa不在发生变化，关闭注液系统，注水过程完成；

S4：控温过程

实验操作人员通过计算机下达指令启动外釜制冷机，通过外釜制冷机对外釜内部进行温度调节；实验操作人员通过计算机下达指令启动内釜制冷机组，内釜制冷机组在计算机的控制下，分别对水合物层、1号自由气层、2号自由气层进行温度调节，使水合物层、1号自由气层及2号自由气层每层温度持续控制在实验设定温度范围内，控温过程完成；

控温过程中，1号储层监测组件、2号储层监测组件及3号储层监测组件时刻采集2号自由气层、1号自由气层及水合物层的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪采集自由气层、1号自由气层及水合物层的纵波波速；

S5：注气成藏过程

实验操作人员通过计算机向注气系统下达指令并通过注气系统向内釜稳压注入天然气，天然气在气液分散层均匀分散后在压差作用下将自下向上运移，天然气运移过程中同时驱替气液分散层、2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层、盖层及海水层内饱和海水进入气液分离系统，天然气和海水经气液分离系统分离后，将分离的海水进行计量，分离的天然气通过气液分离系统内的储气罐收集，当收集的天然气达到实验设定压力后进入循环注气成藏阶段；

在循环注气成藏阶段，气液分离系统收集的天然气通过注气系统进入内釜，再依次经气液分散层、2号自由气层、2号隔层、1号自由气层、1号隔层、水合物层、盖层及海水层进入气液分离系统，循环往复持续进行，天然气在经过水合物层时，由于温度、压力及含海水条件适合，在水合物层缓慢持续有水合物生成，天然气在运移过程中1号储层监测组件、2号储层监测组件及3号储层监测组件时刻采集2号自由气层、1号自由气层及水合物层的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪采集自由气层、1号自由气层及水合物层的纵波波速；随着水合物层中水合物的生成，海水和天然气在内釜内消耗，内釜压力降低，通过注气系统向内釜补充天然气，直至内釜压力达到实验设定压力，停止向内釜补充天然气，再次进入循环注气成藏阶段，循环往复进行，直至内釜内的压力不在变化，说明水合物层成藏过程完成，关闭注气系统，注气成藏过程结束；

S6：天然气回收过程

注气成藏过程完成后，实验操作人员通过计算机下达指令通过气液分离系统和注气系统回收天然气，直至内釜压力为0MPa，关闭气液分离系统和注气系统，天然气回收过程完成；

S7：后续处理过程

天然气回收过程完成后，打开釜盖，清理盖层、水合物层、1号隔层、1号自由气层、2号隔层及2号自由气层填砂，完成内釜海水清理，内釜清洗完成后，后续处理过程完成。

进一步的，所述步骤S5中，所述注气成藏过程中水合物层、1号自由气层、2号自由气层的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速数据均完成采集；通过后续数据处理、分析可得到水合物成藏过程中水合物层、1号自由气层、2号自由气层的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速变化规律，水合物成藏过程中计算得到任一时刻水合物层、1号自由气层、2号自由气层的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度参数，最终得到水合物成藏机理研究。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

（1）本发明提供的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法，可以模拟水合物藏、下覆自由气藏的多层分布模拟，解决了现有装置仅模拟单一水合物藏形成、不能模拟下覆自由气藏对水合物藏成藏规律影响问题；

（2）本发明提供的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法，可实现成藏过程中下覆自由气向上运移至上部水合物层的运移过程模拟，解决了现有装置无法完全模拟水合物藏的完整形成过程问题，进而极大促进水合物成藏机理方面的研究；

（3）本发明提供的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置及方法，可以得到水合物成藏过程中水合物层、1号自由气层、2号自由气层的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速变化规律，水合物成藏过程中计算得到任一时刻水合物层、1号自由气层、2号自由气层的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1中内釜层温控制组件的结构示意图。

图中：1、1号阀；2、2号阀；3、3号阀；4、1号压力传感器；5、4号阀；6、天然气瓶；7、气体增压泵；8、空气压缩机；9、5号阀；10、6号阀；11、气体稳压罐；12、2号压力传感器；13、7号阀；14、1号压力调节阀；15、1号气体质量流量计；16、1号温度传感器；17、3号压力传感器；18、单向阀；19、8号阀；20、海水注入计量泵；21、9号阀；22、海水罐；23、10号阀；24、内釜制冷机组；25、11号阀；26、外釜制冷机；27、21号阀；28、12号阀；29、真空泵；30、4号压力传感器；31、13号阀；32、放空阀；33、14号阀；34、15号阀；35、5号压力传感器；36、气液分离器；37、16号阀；38、2号压力调节阀；39、17号阀；40、2号气体质量流量计；41、6号压力传感器；42、储气罐；43、18号阀；44、1号储层监测组件；45、2号储层监测组件；46、3号储层监测组件；47、19号阀；48、20号阀；49、海水计量系统；50、纵波监测仪；51、海水层；52、盖层；53、水合物层；54、内釜层温控制组件；55、1号隔层；56、1号自由气层；57、2号隔层；58、2号自由气层；59、气液分散层；60、控制柜；61、计算机；62、外釜；63、内釜；64、釜盖；65、2号温度传感器；66、注液管道；67、注气管道；68、增压管道；69、气液分离管道；70、排气管；71、1号控温盘管；72、2号控温盘管；73、内釜制冷管道；74、外釜制冷管道；75、隔板。

具体实施方式

如图1和图2所示：

实施例1:

本发明提供的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，包括成藏系统、用于向成藏系统注入海水的注液系统、用于向成藏系统注入天然气的注气系统、气液分离系统、用于将成藏系统抽真空的真空系统和数据采集系统；其中，

所述成藏系统包括外釜62、位于外釜62内侧的内釜63和釜盖64；内釜63与外釜62不连通，在进行实验时，内釜63内的海水与天然气不会进入外釜62内，所述釜盖64分别与外釜62和内釜63活动连接，且釜盖64与外釜62和内釜63均为密封连接；所述内釜63内侧自下向上依次设有气液分散层59、2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53、盖层52及海水层51；所述气液分散层59与2号自由气层58间、2号自由气层58与2号隔层57间、2号隔层57与1号自由气层56间、1号自由气层56与1号隔层55间、1号隔层55与水合物层53间以及水合物层53与盖层52间均分别设有内釜层温控制组件54且通过该内釜层温控制组件54将各层间隔开，所述内釜层温控制组件54共为6个；所述内釜层温控制组件54上均匀开设有用于海水与天然气流通的通孔；气液分散层59为中空层，不填砂；所述2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53、盖层52均按实验需求结合实际地层物性进行填砂；

所述成藏系统还包括安装在外釜内壁或者内釜外壁的用于监测外釜内部温度的2号温度传感器和对外釜62内温度进行调节的外釜制冷机26，使外釜62为内釜63提供一个温度可调的低温环境；所述成藏系统还包括对2号自由气层58、1号自由气层56、水合物层53进行温度调节的内釜制冷机组24；

所述成藏系统还包括用于监测2号自由气层58、1号自由气层56和水合物层53的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件44、2号储层监测组件45和3号储层监测组件46；所述釜盖64上安装有纵波监测仪50；所述1号储层监测组件44、2号储层监测组件45和3号储层监测组件46均包括温度传感器、压力传感器、电阻率传感器和声波传感器，所述温度传感器、压力传感器、电阻率传感器和声波传感器均分别安装在内釜63的内侧壁，用于随时监测2号自由气层58、1号自由气层56和水合物层53在注气成藏过程中的温度、压力、电阻率和横波波速；所述纵波监测仪50为声波传感器，可用于测量2号自由气层58、1号自由气层56、水合物层53的纵波波速；

所述注液系统的出液端与所述内釜63连接且与所述气液分散层59连通；

所述注气系统的出气端与所述内釜63连接且与所述气液分散层59连通；所述注气系统包括天然气瓶6且通过天然气瓶6向气液分散层59内注入天然气；

所述气液分离系统的入口端与釜盖64连接且与所述海水层51连通；所述气液分离系统内设有收集分离出的天然气的储气罐42，所述储气罐42与所述注气系统的进气端连接；

所述数据采集系统包括控制柜60和与其电连接的计算机61；所述内釜层温控制组件54、外釜制冷机26、内釜制冷机组24、1号储层监测组件44、2号储层监测组件45、3号储层监测组件46、纵波监测仪50、注液系统、注气系统、真空系统分别与所述控制柜60电连接。

注液系统，包括通过注液管道沿着注液方向依次连接的海水罐22、9号阀21、海水注入计量泵20和8号阀19，所述注液管道的尾端与所述内釜63连接且与所述气液分散层59连通；所述9号阀21、海水注入计量泵20和8号阀19分别与所述控制柜60电连接。在进行实验时，海水经计量泵20注入的海水在气液分散层59分散，以便海水向上部均匀运移。

注气系统，包括通过注气管道67沿着注气方向依次连接的天然气瓶6、4号阀5、1号压力传感器4、3号阀3、18号阀43、气体增压泵7、6号阀10、气体稳压罐11、7号阀13、1号压力调节阀14、1号气体质量流量计15、1号温度传感器16、3号压力传感器17及单向阀18；所述注气管道67的尾端与所述内釜63连接且与所述气液分散层59连通；所述气体增压泵7通过增压管道68与空气压缩机8连接，空气压缩机8通过压缩空气为气体增压泵7提供动力气源，进而驱动气体增压泵7，所述增压管道68上设有5号阀9；所述4号阀5、1号压力传感器4、3号阀3、18号阀43、气体增压泵7、6号阀10、气体稳压罐11、7号阀13、1号压力调节阀14、1号气体质量流量计15、1号温度传感器16、3号压力传感器17、单向阀18和空气压缩机8分别与所述控制柜60电连接。所述气体稳压罐11安装有2号压力传感器12，所述2号压力传感器12安装在气体稳压罐11上，用于监测气体稳压罐11内天然气压力；所述气体稳压罐11用于消除经气体增压泵7增压后的天然气的压力波动，以便达到向气液分散层59稳定注入天然气的目的；所述1号压力调节阀14用于调节气体稳压罐11出口压力；所述1号气体质量流量计15用于计量向气液分散层59注入的天然气量；所述单向阀18为了防止气液分散层59内海水及天然气的倒流；所述1号温度传感器16及3号压力传感器17分别用于测量向气液分散层59注入的天然气的温度及压力。在进行实验时，经气体增压泵7注入的天然气在气液分散层59均匀分散，以便天然气向上部均匀运移。

气液分离系统，包括通过气液分离管道69依次连接的19号阀47、15号阀34和气液分离器36；所述气液分离管道69的首端与釜盖64连接且与海水层51连通；所述气液分离管道69的尾端与气液分离器36连接；所述气液分离器36的出液口通过出液管与海水计量系统49连通，所述出液管上设有20号阀48；所述气液分离器36的出气口通过出气管沿着出气方向依次连接有16号阀37、17号阀39、2号气体质量流量计40和储气罐42，所述16号阀37的两侧并联连接有2号压力调节阀38；所述储气罐42通过气体循环管与所述气体增压泵7连接，所述气体循环管上设有2号阀2；所述19号阀47、15号阀34、气液分离器36、海水计量系统49、20号阀48、16号阀37、17号阀39、2号气体质量流量计40、2号压力调节阀38、2号阀2分别与所述控制柜60电连接。所述2号压力调节阀38用于调节进入2号气体质量流量计40的天然气流速，以提高气体质量流量计40计量天然气的计量精度；16号阀37与2号压力调节阀38在管路中并联连接，当气液分离器36出口压力低于压力调节阀38的最低调节能力时，天然气无法经过压力调节阀38，此时打开阀37便于天然气通过；气液分离器36用于把内釜63流出的海水与天然气分离，经气液分离器36分离后的海水用海水计量系统49计量。

所述气液分离器36上连接有5号压力传感器35；所述储气罐42上连接有6号压力传感器41；所述储气罐42上连接有排气管70，所述排气管70上设有1号阀1；所述5号压力传感器35、6号压力传感器41和1号阀1分别与所述控制柜60电连接。储气罐42用于储存2号气体质量流量计40计量后的天然气，1号阀1的作用是模拟实验完成后排放剩余的天然气。

真空系统，包括通过抽气管道依次连接的真空泵29、4号压力传感器30、13号阀31、放空阀32、14号阀33，所述抽气管道与所述19号阀47连接；所述真空泵29、4号压力传感器30、13号阀31、放空阀32、14号阀33分别与所述控制柜60电连接。真空泵29用于实验前对整个成藏系统抽真空处理，降低实验装置中存在空气对实验的影响，放空阀32用于实验过程中因压力过高时的紧急放空降压。

作为可选的实施方式，每一个所述内釜层温控制组件54均包括隔板75和焊接在隔板75上侧和下侧的1号控温盘管71，所述隔板75上开设有用于海水和天然气流通的通孔，所述1号控温盘管71上也具有可供海水和天然气流通间隙；所述隔板75的外形与内釜63相适应；内釜层温控制组件54与内釜63的连接为活动连接，可以采用将隔板75卡接在内釜63的内壁；所述内釜制冷机组24包括6个制冷机，6个制冷机分别通过对应的内釜制冷管道73与设置在所述气液分散层59与2号自由气层58间、2号自由气层58与2号隔层57间、2号隔层57与1号自由气层56间、1号自由气层56与1号隔层55间、1号隔层55与水合物层53间以及水合物层53与盖层52间的6个内釜层温控制组件54的1号控温盘管71连接；所述内釜制冷管道73上设有10号阀23和11号阀1；在图1中只是画出了内釜制冷机组24中的1个制冷机来示意表达制冷机与1号控温盘管71的连接关系，而实际上，1个制冷机通过对应的内釜制冷管道73对应连接1个内釜层温控制组件54的1号控温盘管71，内釜制冷管道73对应设置为6根，6根内釜制冷管道73上均设有10号阀23和11号阀1；所述外釜62内壁设有2号控温盘管72；所述外釜制冷机26通过外釜制冷管道74与设置在外釜62内壁的2号控温盘管72连接，所述外釜制冷管道74上设有21号阀27和12号阀28；所述制冷机、10号阀23、11号阀25、21号阀27和12号阀28分别与所述控制柜60电连接。组成内釜制冷机组24的6个制冷机分别与6个内釜层温控制组件54连接，组成内釜制冷机组24的6个制冷机分别控制调节6个内釜层温控制组件54的温度，进而达到对水合物层53、1号自由气层56、2号自由气层58分层控温的目的。

作为可选的实施方式，内釜62的高度为1.4-1.8m；内釜62的内径为680-700mm。

作为可选的实施方式，内釜62的高度为1.5m；内釜62的内径为690mm。

作为可选的实施方式，气液分散层59的高度为5cm，2号自由气层58的高度为25cm，2号隔层57的高度为15cm，1号自由气层56的高度为20cm，1号隔层55的高度为15cm，水合物层53的高度为30cm，盖层52的高度为20cm，海水层51的高度为20cm。

实施例2：

应用实施例1中的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置进行分层模拟水合物成藏过程的实验方法，包括下述步骤：

S1：内釜填砂过程

首先打开釜盖64，然后根据实验需求自下向上依次在内釜63内进行：内釜层温控制组件54安装、2号自由气层58填砂、内釜层温控制组件54安装、2号隔层57填砂、内釜层温控制组件54安装、1号自由气层56填砂、内釜层温控制组件54安装、1号隔层55填砂、内釜层温控制组件54安装、水合物层53填砂、内釜层温控制组件54安装、盖层52填砂，2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53及盖层52均按实验需求结合实际地层物性进行填砂操作，关闭釜盖64，内釜填砂过程完成；

S2：抽真空过程

实验操作人员通过计算机61下达指令打开13号阀31、14号阀33与19号阀47，并启动真空泵29，真空泵29对成藏系统进行抽真空作业，待成藏系统的真空度为-0.090～-0.095MPa时，实验操作人员通过计算机61下达指令关闭真空泵29，然后再关闭13号阀31、14号阀33与19号阀47，完成成藏系统的抽真空过程；

S3：注水过程

实验操作人员通过计算机61下达指令打开9号阀21及8号阀19，然后实验操作人员通过计算机61下达指令启动海水注入计量泵20，海水注入计量泵20根据流量设置缓慢向内釜63注入海水，海水注入计量泵20缓慢向内釜63注入海水的过程中，海水将自下向上缓慢充满气液分散层59、2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53、盖层52及海水层51的孔隙空间，海水注入计量泵20缓慢向内釜63注入海水的体积经海水注入计量泵20后上传至计算机61，直至内釜63压力持续为0MPa2min不在发生变化，关闭海水注入计量泵20，同时关闭9号阀21及8号阀19，注水过程完成；

S4：控温过程

实验操作人员通过计算机61下达指令打开21号阀27、12号阀28，同时启动外釜制冷机26，外釜制冷机26在计算机61自动控制下开始对外釜62内部进行温度调节，使外釜62内部温度达到实验设定温度（-5～15℃）后暂停；实验操作人员通过计算机61下达指令打开10号阀23、11号阀25，同时启动内釜制冷机组24，内釜制冷机组24在计算机61的控制下，分别对水合物层53、1号自由气层56、2号自由气层58进行温度调节，使水合物层53、1号自由气层56及2号自由气层58每层温度持续控制在实验设定温度（-5～15℃）的范围内，控温过程完成；

控温过程中1号储层监测组件44、2号储层监测组件45及3号储层监测组件46时刻采集2号自由气层58、1号自由气层56及水合物层53的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪50采集2号自由气层58、1号自由气层56及水合物层53的纵波波速；

S5：注气成藏过程

实验操作人员通过计算机61下达指令打开4号阀5、3号阀3、5号阀9、6号阀10、7号阀13、15号阀34、20号阀48及17号阀39；实验操作人员通过计算机61再下达指令启动空气压缩机8，空气压缩机8驱动气体增压泵7工作，天然气瓶6内天然气被气体增压泵7增压后依次经6号阀10、气体稳压罐11、7号阀13、1号压力调节阀14、1号气体质量流量计15、1号温度传感器16、3号压力传感器17及单向阀18进入内釜63，天然气在气液分散层59均匀分散后在压差作用下将自下向上运移，天然气运移过程中同时驱替气液分散层59、2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53、盖层52及海水层51内饱和海水依次经19号阀47、15号阀34进入气液分离器36，天然气和海水经气液分离器36分离后，海水进入海水计量系统49计量，天然气在2号压力调节阀38处截止，直至达到实验设定压力后，在压力作用下天然气驱动2号压力调节阀38开启，天然气经过2号压力调节阀38后经2号气体质量流量计40计量后进入储气罐42，当6号压力传感器41的压力达到实验设定压力后关闭3号阀3，同时打开2号阀2，此时进入循环注气成藏阶段；

在循环注气成藏阶段，储气罐42内天然气经气体增压泵7增压后沿注气系统进入内釜63，再依次经气液分散层59、2号自由气层58、2号隔层57、1号自由气层56、1号隔层55、水合物层53、盖层52及海水层51进入气液分离系统，循环往复持续进行，天然气在经过水合物层53时，由于实验装置可以按水合物生成的条件来设置温度和压力（在实验的过程中，设置2号自由气层58、1号自由气层56及水合物层53的温度均为-5～15℃，设置注气成藏过程的压力为0～20Mpa），由于温度和压力条件适合水合物的生成，在水合物层53缓慢持续有水合物生成，天然气在运移过程中1号储层监测组件44、2号储层监测组件45及3号储层监测组件46时刻采集2号自由气层58、1号自由气层56及水合物层53的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪50采集自由气层58、1号自由气层56及水合物层53的纵波波速；随着水合物层53中水合物的生成，海水和天然气在内釜63内消耗，内釜63压力降低，关闭2号阀2、同时打开3号阀3后向内釜63补充天然气，直至内釜63压力达到实验设定压力，打开2号阀2、同时关闭3号阀3，再次进入循环注气成藏阶段，循环往复进行，直至内釜63内的压力不在变化，说明水合物层53成藏过程完成，关闭空气压缩机8，同时，关闭所有开启的阀，注气成藏过程结束；

S6：天然气回收过程

注气成藏过程完成后，实验操作人员通过计算机61下达指令打开19号阀47、15号阀34、17号阀39、2号阀2、4号阀5及18号阀43，同时关闭3号阀3、6号阀10，启动空气压缩机8，空气压缩机8驱动气体增压泵7把天然气注入天然气瓶6内，直至内釜63压力为0MPa，关闭空气压缩机8，关闭所有开启的阀，天然气回收过程完成；

S7：后续处理过程

天然气回收过程完成后，打开釜盖64，清理盖层52、水合物层53、1号隔层55、1号自由气层56、2号隔层57及2号自由气层58填砂，完成内釜63海水清理，内釜63清洗完成后，后续处理过程完成。

所述注气成藏过程中水合物层53、1号自由气层56、2号自由气层58的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速数据均完成采集，通过后续数据处理、分析可得到水合物成藏过程中水合物层53、1号自由气层56、2号自由气层58的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速变化规律，水合物成藏过程中计算得到任一时刻水合物层53、1号自由气层56、2号自由气层58的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度参数，最终得到水合物成藏机理研究。

以上揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作地等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，包括成藏系统、用于向成藏系统注入海水的注液系统、用于向成藏系统注入天然气的注气系统、气液分离系统、用于将成藏系统抽真空的真空系统和数据采集系统；其中，

所述成藏系统包括外釜（62）、位于外釜（62）内侧的内釜（63）和釜盖（64）；所述釜盖（64）分别与外釜（62）和内釜（63）活动连接，且釜盖（64）与外釜（62）和内釜（63）均为密封连接；所述内釜（63）内侧自下向上依次设有气液分散层（59）、2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）、盖层（52）及海水层（51）；所述气液分散层（59）与2号自由气层（58）间、2号自由气层（58）与2号隔层（57）间、2号隔层（57）与1号自由气层（56）间、1号自由气层（56）与1号隔层（55）间、1号隔层（55）与水合物层（53）间以及水合物层（53）与盖层（52）间均分别设有内釜层温控制组件（54）且通过该内釜层温控制组件（54）将各层间隔开；所述内釜层温控制组件（54）上开设有用于海水与天然气流通的通孔；

所述成藏系统还包括对外釜（62）内温度进行调节的外釜制冷机（26）和对2号自由气层（58）、1号自由气层（56）、水合物层（53）进行温度调节的内釜制冷机组（24）；

所述成藏系统还包括安装在外釜（62）内壁或者内釜（63）外壁的用于监测外釜（62）内部温度的2号温度传感器（65）和用于监测2号自由气层（58）、1号自由气层（56）和水合物层（53）的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件（44）、2号储层监测组件（45）和3号储层监测组件（46）；所述釜盖（64）上安装有纵波监测仪（50）；

所述注液系统的出液端与所述内釜（63）连接且与所述气液分散层（59）连通；

所述注气系统的出气端与所述内釜（63）连接且与所述气液分散层（59）连通；所述注气系统包括天然气瓶（6）且通过天然气瓶（6）向气液分散层（59）内注入天然气；

所述气液分离系统的入口端与釜盖（64）连接且与所述海水层（51）连通；所述气液分离系统内设有收集分离出的天然气的储气罐（42），所述储气罐（42）与所述注气系统的进气端连接；

所述数据采集系统包括控制柜（60）和与其电连接的计算机（61）；所述内釜层温控制组件（54）、外釜制冷机（26）、内釜制冷机组（24）、1号储层监测组件（44）、2号储层监测组件（45）、3号储层监测组件（46）、纵波监测仪（50）、注液系统、注气系统、真空系统分别与所述控制柜（60）电连接。

2.根据权利要求1所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述气液分散层（59）为中空层；所述2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）、盖层（52）均按实验需求结合实际地层物性进行填砂。

3.根据权利要求1所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述注液系统包括通过注液管道（66）沿着注液方向依次连接的海水罐（22）、9号阀（21）、海水注入计量泵（20）和8号阀（19），所述注液管道（66）的尾端与所述内釜（63）连接且与所述气液分散层（59）连通；所述9号阀（21）、海水注入计量泵（20）和8号阀（19）分别与所述控制柜（60）电连接。

4.根据权利要求1所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述注气系统包括通过注气管道（67）沿着注气方向依次连接的天然气瓶（6）、4号阀（5）、1号压力传感器（4）、3号阀（3）、18号阀（43）、气体增压泵（7）、6号阀（10）、气体稳压罐（11）、7号阀（13）、1号压力调节阀（14）、1号气体质量流量计（15）、1号温度传感器（16）、3号压力传感器（17）及单向阀（18）；所述注气管道（67）的尾端与所述内釜（63）连接且与所述气液分散层（59）连通；所述气体增压泵（7）通过增压管道（68）与空气压缩机（8）连接，所述增压管道（68）上设有5号阀（9）；所述4号阀（5）、1号压力传感器（4）、3号阀（3）、18号阀（43）、气体增压泵（7）、6号阀（10）、气体稳压罐（11）、7号阀（13）、1号压力调节阀（14）、1号气体质量流量计（15）、1号温度传感器（16）、3号压力传感器（17）、单向阀（18）和空气压缩机（8）分别与所述控制柜（60）电连接。

5.根据权利要求1所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述气液分离系统包括通过气液分离管道（69）依次连接的19号阀（47）、15号阀（34）和气液分离器（36）；所述气液分离管道（69）的首端与釜盖（64）连接且与海水层（51）连通；所述气液分离管道（69）的尾端与气液分离器（36）连接；所述气液分离器（36）的出液口通过出液管与海水计量系统（49）连通，所述出液管上设有20号阀（48）；所述气液分离器（36）的出气口通过出气管沿着出气方向依次连接有16号阀（37）、17号阀（39）、2号气体质量流量计（40）和储气罐（42），所述16号阀（37）的两侧并联连接有2号压力调节阀（38）；所述储气罐（42）通过气体循环管与所述气体增压泵（7）连接，所述气体循环管上设有2号阀（2）；所述19号阀（47）、15号阀（34）、气液分离器（36）、海水计量系统（49）、20号阀（48）、16号阀（37）、17号阀（39）、2号气体质量流量计（40）、2号压力调节阀（38）、2号阀（2）分别与所述控制柜（60）电连接。

6.根据权利要求5所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述气液分离器（36）上连接有5号压力传感器（35）；所述储气罐（42）上连接有6号压力传感器（41）；所述储气罐（42）上连接有排气管（70），所述排气管（70）上设有1号阀（1）；所述5号压力传感器（35）、6号压力传感器（41）和1号阀（1）分别与所述控制柜（60）电连接。

7.根据权利要求5所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述真空系统包括通过抽气管道依次连接的真空泵（29）、4号压力传感器（30）、13号阀（31）、放空阀（32）、14号阀（33），所述抽气管道与所述19号阀（47）连接；所述真空泵（29）、4号压力传感器（30）、13号阀（31）、放空阀（32）、14号阀（33）分别与所述控制柜（60）电连接。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置，其特征在于，所述内釜制冷机组（24）包括6个制冷机，6个制冷机分别通过内釜制冷管道（73）与设置在所述气液分散层（59）与2号自由气层（58）间、2号自由气层（58）与2号隔层（57）间、2号隔层（57）与1号自由气层（56）间、1号自由气层（56）与1号隔层（55）间、1号隔层（55）与水合物层（53）间以及水合物层（53）与盖层（52）间的6个内釜层温控制组件（54）连接；所述内釜制冷管道（73）上设有10号阀（23）和11号阀（1）；所述外釜（62）内壁设有2号控温盘管（72），所述外釜制冷机（26）通过外釜制冷管道（74）与设置在外釜（62）内壁的2号控温盘管（72）连接；所述外釜制冷管道（74）上设有21号阀（27）和12号阀（28）；所述制冷机、10号阀（23）、11号阀（25）、21号阀（27）和12号阀（28）分别与所述控制柜（60）电连接。

9.一种应用权利要求1-8中任意一项所述的用于分层模拟水合物成藏过程的实验装置进行分层模拟水合物成藏过程的实验方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：内釜（63）填砂过程

首先打开釜盖（64），然后根据实验需求自下向上依次在内釜（63）内进行：内釜层温控制组件（54）安装、2号自由气层（58）填砂、内釜层温控制组件（54）安装、2号隔层（57）填砂、内釜层温控制组件（54）安装、1号自由气层（56）填砂、内釜层温控制组件（54）安装、1号隔层（55）填砂、内釜层温控制组件（54）安装、水合物层（53）填砂、内釜层温控制组件（54）安装、盖层（52）填砂，2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）及盖层（52）均按实验需求结合实际地层物性进行填砂操作，关闭釜盖（64），内釜（63）填砂过程完成；

S2：抽真空过程

实验操作人员通过计算机（61）对真空系统下达指令并通过真空系统对成藏系统进行抽真空；待成藏系统的真空度为-0.090～-0.095MPa时，实验操作人员通过计算机（61）下达指令关闭真空系统，完成的抽真空过程；

S3：注水过程

实验操作人员通过计算机（61）对注液系统下达指令并通过注液系统向内釜（63）注入海水，注入海水的过程中，海水将自下向上缓慢充满气液分散层（59）、2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）、盖层（52）及海水层（51）的孔隙空间，向内釜（63）注入海水的体积通过注液系统上传至计算机（61），直至内釜（63）压力持续为0MPa不在发生变化，关闭注液系统，注水过程完成；

S4：控温过程

实验操作人员通过计算机（61）下达指令启动外釜制冷机（26），通过外釜制冷机（26）对外釜（62）内部进行温度调节；实验操作人员通过计算机（61）下达指令启动内釜制冷机组（24），内釜制冷机组（24）在计算机（61）的控制下，分别对水合物层（53）、1号自由气层（56）、2号自由气层（58）进行温度调节，使水合物层（53）、1号自由气层（56）及2号自由气层（58）每层温度持续控制在实验设定温度范围内，控温过程完成；

控温过程中，1号储层监测组件（44）、2号储层监测组件（45）及3号储层监测组件（46）时刻采集2号自由气层（58）、1号自由气层（56）及水合物层（53）的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪（50）采集自由气层、1号自由气层（56）及水合物层（53）的纵波波速；

S5：注气成藏过程

实验操作人员通过计算机（61）向注气系统下达指令并通过注气系统向内釜（63）稳压注入天然气，天然气在气液分散层（59）均匀分散后在压差作用下将自下向上运移，天然气运移过程中同时驱替气液分散层（59）、2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）、盖层（52）及海水层（51）内饱和海水进入气液分离系统，天然气和海水经气液分离系统分离后，将分离的海水进行计量，分离的天然气通过气液分离系统内的储气罐（42）收集，当储气罐（42）收集的天然气达到实验设定压力后进入循环注气成藏阶段；

在循环注气成藏阶段，气液分离系统收集的天然气通过注气系统进入内釜（63），再依次经气液分散层（59）、2号自由气层（58）、2号隔层（57）、1号自由气层（56）、1号隔层（55）、水合物层（53）、盖层（52）及海水层（51）进入气液分离系统，循环往复持续进行，天然气在经过水合物层（53）时，由于温度、压力及含海水条件适合，在水合物层（53）缓慢持续有水合物生成，天然气在运移过程中1号储层监测组件（44）、2号储层监测组件（45）及3号储层监测组件（46）时刻采集2号自由气层（58）、1号自由气层（56）及水合物层（53）的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪（50）采集自由气层、1号自由气层（56）及水合物层（53）的纵波波速；随着水合物层（53）中水合物的生成，海水和天然气在内釜（63）内消耗，内釜（63）压力降低，通过注气系统向内釜（63）补充天然气，直至内釜（63）压力达到实验设定压力，停止向内釜（63）补充天然气，再次进入循环注气成藏阶段，循环往复进行，直至内釜（63）内的压力不在变化，说明水合物层（53）成藏过程完成，关闭注气系统，注气成藏过程结束；

S6：天然气回收过程

注气成藏过程完成后，实验操作人员通过计算机（61）下达指令通过气液分离系统和注气系统回收天然气，直至内釜（63）压力为0MPa，关闭气液分离系统和注气系统，天然气回收过程完成；

S7：后续处理过程

天然气回收过程完成后，打开釜盖（64），清理盖层（52）、水合物层（53）、1号隔层（55）、1号自由气层（56）、2号隔层（57）及2号自由气层（58）填砂，完成内釜（63）海水清理，内釜（63）清洗完成后，后续处理过程完成。

10.根据权利要求9所述的进行分层模拟水合物成藏过程的实验方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述注气成藏过程中水合物层（53）、1号自由气层（56）、2号自由气层（58）的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速数据均完成采集；通过后续数据处理、分析可得到水合物成藏过程中水合物层（53）、1号自由气层（56）、2号自由气层（58）的温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速变化规律，水合物成藏过程中计算得到任一时刻水合物层（53）、1号自由气层（56）、2号自由气层（58）的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度参数，最终得到水合物成藏机理研究。

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