CN113484218B - 水合物多孔介质合成装置、渗透率张量测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水合物试验技术领域，尤其涉及一种水合物多孔介质合成装置、渗透率张量测试系统和方法。该水合物多孔介质合成装置包括本体和多个通流机构；本体内形成有合成空间；通流机构包括沿预定通流方向开设于本体的入流通道和出流通道，多个通流机构的预定通流方向两两不同；每个通流机构的入流通道和出流通道分别设置于合成空间的两侧，以使测试流体顺次流经入流通道、合成空间和出流通道。该水合物多孔介质渗透率张量测试系统包括该水合物多孔介质合成装置。该水合物多孔介质渗透率张量测试方法采用该水合物多孔介质合成装置。该水合物多孔介质合成装置、渗透率张量测试系统和方法为获得水合物多孔介质沿多个方向的渗透率张量提供了结构基础。

Description

水合物多孔介质合成装置、渗透率张量测试系统和方法

技术领域

本发明涉及水合物试验技术领域，尤其涉及一种水合物多孔介质合成装置、渗透率张量测试系统和方法。

背景技术

天然气水合物是由甲烷、乙烷等烃类分子与水在高压力低温度环境下形成的类似冰状的笼状结构的结晶物，广泛分布于永久冻土圈层及深海沉积物中。在标准状态下1m³的天然气水合物能分解出近164m³的甲烷气体和0.83m³的水，是一种能量密度高的清洁能源。

自2007年以来，在南海神狐海域实施了多次深海钻探，成功获取了赋存于泥质粉砂、粉砂等多孔介质中的高饱和度水合物；2017年5月，在南海水深1225m神狐海域进行了首次天然气水合物试开采，连续试气点火60天，累计产气30.9万m³，平均日产气5151m³；2019年10月-2020年4月进行了第二次天然气水合物试采，实现连续产气30天，总产气量86.14万m³，日均产气2.87万m³，是首次试采日产气量的5.57倍。

天然气水合物开采是一个复杂的物理化学过程，涉及传热、水合物相变、传质(多相渗流、扩散等)和储层变形四个相互影响的物理化学效应。对流传热效率和孔隙压力消散速率均受多相渗流物理效应的影响，因而含水合物储层绝对渗透率和孔隙流体各相相对渗透率是水合物开采的关键地质参数。而渗透率是反映多孔介质储层渗透能力的参数，对天然气水合物分解后生产速度具有重要影响。

为了能够更加了解天然气水合物的渗透率规律，相关技术中已经开发除了通过制作水合物沉积物进行渗透率测试的设备，但是这些设备均无法满足基于同一个水合物沉积物样品来获得全面的渗透率张量的测试要求。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种水合物多孔介质合成装置，以在一定程度上解决现有技术中的渗透率测试的设备无法满足基于同一个水合物沉积物样品来获得全面的渗透率张量的测试要求的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种水合物渗透率张量测试系统，以在一定程度上解决现有技术中的渗透率测试的设备无法满足基于同一个水合物沉积物样品来获得全面的渗透率张量的测试要求的技术问题。

本发明的第三目的在于提供一种渗透率张量测试方法，以在一定程度上解决现有技术中的渗透率测试方法无法满足基于同一个水合物沉积物样品来获得全面的渗透率张量的测试要求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案；

基于上述第一目的，本发明提供的水合物多孔介质合成装置包括本体和多个通流机构；

所述本体内形成有用于将饱和甲烷溶液与土样合成为水合物多孔介质的合成空间；

所述通流机构包括沿预定通流方向开设于所述本体的入流通道和出流通道，多个所述通流机构的预定通流方向两两不同；

每个所述通流机构的入流通道和出流通道分别设置于所述合成空间的两侧，以使测试流体沿所述预定通流方向顺次流经所述入流通道、所述合成空间和所述出流通道。

在上述任一技术方案中，可选地，所述本体包括壳体、围压机构和温控流道机构；

所述围压机构可移动地设置于所述壳体内并围设于所述合成空间的外侧，所述围压机构与所述壳体之间形成用于通入压力控制液的加压腔，以使所述围压机构向所述合成空间的内部的土样施加预定压力；

所述温控流道机构开设于所述围压机构，所述温控流道机构用于连通温控液供给装置；所述入流通道和所述出流通道分别贯通所述围压机构的内侧和外侧。

在上述任一技术方案中，可选地，所述围压机构包括密封机构和限位机构；

所述限位机构包括多个限位缸，所述限位缸包括缸杆、连接于所述缸杆的一端的限位板和穿设于所述壳体的缸体，所述缸杆的另一端可移动地设置于所述缸体内并通过所述缸体与所述壳体之间形成第一加压腔；

所述密封机构封盖于每相邻两个所述限位板之间的间隙处，以使所述密封机构和所有所述限位板共同围限出密闭的所述合成空间；

所述密封机构与所述壳体之间形成第二加压腔，所述第一加压腔和所述第二加压腔均用于通入压力控制液。

在上述任一技术方案中，可选地，每个所述限位缸均开设有所述温控流道机构，所述温控流道机构包括用于输入温控液的第一流道、用于输出温控液的第二流道以及连通于所述第一流道和所述第二流道之间的第三流道；

所述第一流道和所述第二流道均开设于所述缸杆，所述第三流道开设于所述限位板；

和/或，所述限位缸的数量为六个，六个所述限位缸分别排布于所述壳体的上、下、前、后、左、右六个方位。

基于上述第二目的，本发明提供的水合物渗透率张量测试系统，包括上述任一技术方案提供的水合物多孔介质合成装置。

在上述任一技术方案中，可选地，所述水合物渗透率张量测试系统还包括测试流体供给装置和数据采集装置；

所述数据采集装置包括入流开关阀、出流开关阀、第一回收装置、压差检测机构、入压开关阀和出压开关阀；

所述水合物多孔介质合成装置的多个入流通道分别通过多个所述入流开关阀与所述测试流体供给装置连通，所述水合物多孔介质合成装置的多个所述出流通道分别通过多个所述出流开关阀与所述第一回收装置连通；

所述压差检测机构的一端通过所述入压开关阀连通于所述入流开关阀与所述测试流体供给装置之间，所述压差检测机构的另一端通过所述出压开关阀连通于所述出流开关阀与所述第一回收装置之间；

所述流量检测机构连通于所述出流开关阀与所述第一回收装置之间。

在上述任一技术方案中，可选地，所述数据采集装置还包括背压调定机构、第一压力测量机构、第二压力测量机构和流量检测机构；

所述第一压力测量机构连接于多个所述入流开关阀与所述测试流体供给装置之间，所述第二压力测量机构、所述背压调定机构顺次连通于多个所述出流开关阀与所述流量检测机构之间；

所述水合物多孔介质渗透率张量测试系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置分别与所述第一压力测量机构、第二压力测量机构、所述流量检测机构、所述背压调定机构以及所述压差检测机构电连接，以根据所述数据采集装置采集的压力数据、压差数据以及流量数据计算水合物多孔介质的渗透率张量。

在上述任一技术方案中，可选地，所述数据采集装置还包括第一压力容器和第二压力容器；

所述第一压力容器用于储存第一预定质量的测试流体，所述第二压力容器用于储存第二预定质量的测试流体；

所述背压调定机构具有等于水合物多孔介质的孔隙压力的第一设定压力以及大于水合物多孔介质的孔隙压力第二设定压力；

和/或，所述渗透率张量测试系统还包括与所述水合物多孔介质合成装置连通的饱和甲烷水溶液供给装置、温控液供给装置、压力控制液供给装置以及气密性检测装置。

基于上述第三目的，本发明提供的水合物多孔介质渗透率张量测试方法，包括以下步骤：

生成水合物多孔介质：在水合物多孔介质合成装置的合成容器中合成水合物多孔介质；

渗透率张量测试：从多个预定通流方向中选取目标预定通流方向；

向目标预定通流方向对应的入流通道供给测试流体；

分别检测入流通道处和出流通道处的测试流体的压力参数和流量参数，根据检测结果计算在目标预定通流方向上的渗透率张量；

循环上述步骤，直至完成所有预定通流方向的渗透率张量的测量。

在上述任一技术方案中，可选地，在水合物多孔介质的渗透率不小于预定渗透率的情况下，所述渗透率张量测试的步骤具体包括以下步骤：

对出流通道以第一设计压力进行节流处理，第一设计压力等于水合物多孔介质的孔隙压力；

向入流通道持续供给测试流体，并逐渐增大测试流体的压力，直至所述入流通道与所述出流通道之间形成预定压差；

检测第一参数和第二参数，第一参数为入流通道处的测试流体的压力，第二参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第一参数和第二参数计算渗透率张量；

在水合物多孔介质的渗透率不大于预定渗透率的情况下，所述渗透率张量测试的步骤具体包括以下步骤：

对出流通道以第一压力进行节流处理，第一压力大于孔隙压力；

向入流通道供给预定质量的第二压力的测试流体，第二压力介于所述孔隙压力与所述第一压力之间；

检测第三参数和第四参数，第三参数为入流通道处的测试流体的压力，第四参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第三参数和第四参数计算渗透率张量。

采用上述技术方案，本发明的有益效果：

本发明提供的水合物多孔介质合成装置包括本体和多个通流机构。本体内形成有用于将饱和甲烷溶液与土样合成为水合物多孔介质的合成空间，以实现水合物多孔介质的实验室合成，通过改变饱和甲烷溶液的饱和程度可以得到具有不同渗透率的水合物多孔介质。每个通流机构的入流通道和出流通道分别设置于合成空间的两侧，以使测试流体沿预定通流方向顺次流经入流通道、合成空间和出流通道，也就是说，通过每个通流机构可以向合成空间内的水合物多孔介质定向输送测试流体，再辅以对测试流体进入水合物多孔介质前后的相关流体参数的变化情况的监测，为获得水合物多孔介质沿该预定通流方向的渗透率张量提供了结构基础，此外，多个通流机构的预定通流方向两两不同，从而为获得水合物多孔介质沿多个预定通流方向的渗透率张量提供了结构基础，进而能够更加全面地阐明水合物储层渗透率在水合物开采过程中的变化规律，对水合物开采储层评价、产能预测、实施方案设计和流程优化等工作具有十分积极且重要地参考意义。

本发明提供的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，包括上述的水合物多孔介质合成装置，因而能够实现该水合物多孔介质合成装置的所有有益效果。

本发明提供的水合物多孔介质渗透率张量测试方法，采用上述的水合物多孔介质合成装置，因而能够实现该水合物多孔介质合成装置的所有有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的水合物多孔介质合成装置的第一结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的水合物多孔介质合成装置的第二结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的水合物多孔介质合成装置的第三结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的水合物多孔介质合成装置的第四结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的水合物多孔介质合成系统的第五结构示意图。

图标：1-蒸馏水储存件；2-高压甲烷气体储存件；3-第一压力测量件；4-第一开关阀；5-三通阀；6-第一泵送件；7-第二开关阀；8-第三开关阀；9-低压甲烷气体储存件；10-第四开关阀；11-第二压力测量件；12-第五开关阀；13-水溶液配制容器；14-第二泵送件；15-第六开关阀；16-第七开关阀；17-搅拌件；18-第八开关阀；19-蒸馏水旁通开关阀；20-第三泵送件；21-第九开关阀；22-第一压力容器；23-第一压力测量机构；24-第一入流开关阀；25-第二入流开关阀；26-第三入流开关阀；27-入压开关阀；28-压差测量机构；29-测量旁通开关阀；30-出压开关阀；31-第一出流开关阀；32-第二出流开关阀；33-第三出流开关阀；34-第二压力测量机构；35-第二压力容器；36-背压调定机构；37-背压开关阀；38-流量检测机构；39-气体流量计；40-第二回收装置；41-水合物多孔介质合成装置；42-保温机构；43-环境温度控制机构；44-合成温度控制机构；45-第二入流通道；461-第三温控液入流道；462-第二温控液入流道；463-第四温控液入流道；464-第一温控液入流道；471-第三温控液出流道；472-第二温控液出流道；473-第四温控液出流道；474-第一温控液出流道；48-第一压力控制液入口；49-第一压力控制液出口；50-第二出流通道；51-第一出流通道；52-第一入流通道；53-密封机构；54-第三入流通道；55-第三出流通道；56-第二压力控制液入口；57-第三压力控制液入口；58-第四压力控制液入口；59-第二加压腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图1至图4并结合图5所示，本实施例提供了一种水合物多孔介质合成装置41包括本体和多个通流机构。

本体内形成有用于将饱和甲烷溶液与土样合成为水合物多孔介质的合成空间，饱和甲烷溶液充盈于土样的孔隙中，在一定的温度条件和压力条件下，二者结合形成水合物多孔介质。

通流机构包括沿预定通流方向开设于本体的入流通道和出流通道，每个通流机构的入流通道和出流通道分别设置于合成空间的两侧，以使测试流体沿预定通流方向顺次流经入流通道、合成空间和出流通道，从而使测试流体在合成空间中的水合物多孔介质中进行沿预定通流方向的渗透模拟。

多个通流机构的预定通流方向两两不同，从而使测试流体能够在合成空间中的水合物多孔介质中进行多个预定通流方向的渗透模拟。

可选地，通流机构的数量为两个或三个。在通流机构的数量为两个的情况下，两个预定通流方向分别为竖直方向和水平方向；在通流机构的数量为三个的情况下，三个预定通流方向两两正交，例如可以分别为竖直方向、第一水平方向和第二水平方向，第一水平方向和第二水平方向互相垂直。

在通流机构的数量为三个的情况下，能够基于同一个水合物多孔介质获得沿三个两两正交的预定通流方向的渗透测试数据，进而更加立体以及全面地认识天然气水合物地渗透率张量的各向异性，且相较于非正交的情况，能够显著简化数据处理量。

本实施例的可选方案中，本体包括壳体、围压机构和温控流道机构。

壳体用于保护和安装围压机构、温控流道机构以及合成空间，此外，为了进一步提高合成空间内的合成温度和测试温度的稳定性，可以在壳体的外侧包覆保温机构42，为了精准控制保温机构42的温度，可以设置与保温机构42电连接的环境温度控制机构43。

围压机构可移动地设置于壳体内并围设于合成空间的外侧，围压机构与壳体之间形成用于通入压力控制液的加压腔，以使围压机构向合成空间的内部的土样施加预定压力，满足了水合物多孔介质合成的压力条件，从而使水合物多孔介质在预定压力下进行合成，进而使得到的水合物多孔介质更加贴合实际的天然气水合物结构。具体而言，预定压力为天燃气水合物生成的临界压力。

温控流道机构开设于围压机构，温控流道机构用于连通温控液供给装置，由于围压机构包围在合成空间的外侧，所以温控流道机构通过对围压机构进行温度控制，实现对于合成空间的温度控制，从而满足了水合物多孔介质合成的温度条件，进一步提高了得到的水合物多孔介质与天然气水合物的结构吻合性。

可选地，为了提高温度控制的均匀性，温控流道机构在围压机构中均匀排布。

入流通道和出流通道分别贯通围压机构的内侧和外侧，以使测试流体能够穿过围压机构进出合成空间。

在本实施例的可选方案中，围压机构包括密封机构53和限位机构。

限位机构包括多个限位缸，限位缸包括缸杆、连接于缸杆的一端的限位板和穿设于壳体的缸体，缸杆的另一端可移动地设置于缸体内并通过缸体与壳体之间形成第一加压腔，第一加压腔用于通入压力控制液，通过压力控制液对限位板向水合物多孔介质施加的压力进行精准控制。

密封机构53封盖于每相邻两个限位板之间的间隙处，以使密封机构53和所有限位板共同围限出密闭的合成空间。密封机构53与壳体之间形成第二加压腔59，第二加压腔59均用于通入压力控制液，通过压力控制液能够对密封机构53向水合物多孔介质施加的压力进行精准控制。

从而通过密封机构53和限位板实现了对于合成空间的全方位密封和压力控制，有利于提高水合物多孔介质的合成质量和渗透率张量测试精度。

本实施例的可选方案中，每个限位缸均开设有温控流道机构，温控流道机构包括用于输入温控液的温控液入流道、用于输出温控液的温控液出流道以及连通于温控液入流道和温控液出流道之间的温控流道。

温控液入流道和温控液出流道均开设于缸杆，温控流道(图中未示出)开设于限位板，从而温控液入流道、温控液出流道和温控流道的结构排布更加合理，且能够兼顾缸杆和限位板的温度控制。其中，温控流道可以以盘管的形式开设于限位板，从而增大限位板与温控流道之间的换热面积，进而增大温控流道与合成空间的换热面积。

具体而言，温度控制一般是指冷却，从而使甲烷水溶液冻结于土样的孔隙中，进而在低温环境下合成水合物多孔介质。

本实施例的可选方案中，限位缸的数量为六个，六个限位缸分别排布于壳体的上、下、前、后、左、右六个方位，从而对应于三个预定通流方向分为直方向、第一水平方向和第二水平方向的情况。

可选地，六个限位缸分别为第一限位缸、第二限位缸、第三限位缸、第四限位缸、第五限位缸和第六限位缸。第一限位缸开设有第一温控液入流道464、第一温控液出流道474和第一入流通道52，第二限位缸开设有第二温控液入流道462、第二温控液出流道472、第一出流通道51和第四压力控制液入口58，第三限位缸开设有第三温控液入流道461、第三温控液出流道471、第二入流通道45和第三压力控制液入口57，第四限位缸开设有第四温控液入流道463、第四温控液出流道473和第二出流通道50，第五限位缸开设有第五温控液入流道、第五温控液出流道和第三入流通道54，第六限位缸开设有第六温控液入流道、第六温控液出流道和第三出流通道55和第二压力控制液入口56。

其中，第二压力控制液入口56、第三压力控制液入口57和第四压力控制液入口58均用于向第一加压腔中注入控制液。

壳体设置有第一压力控制液入口48和第一压力控制液出口49，第一压力控制液入口48用于向第一加压腔注入控制液，第二压力控制液出口49用于从第二加压腔59排出控制液。

实施例二

实施例二提供了一种水合物多孔介质渗透率张量测试系统，该实施例包括实施例一中的水合物多孔介质合成装置，实施例一所公开的水合物多孔介质合成装置的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的水合物多孔介质合成装置的技术特征不再重复描述。

结合图1至图4并参见图5所示，本实施例提供的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，包括水合物多孔介质合成装置、测试流体供给装置、数据采集装置、数据处理装置、饱和甲烷水溶液供给装置、温控液供给装置、压力控制液供给装置以及气密性检测装置。

在下文中，将对水合物多孔介质渗透率张量测试系统的上述部件进行具体描述。

在本实施例的可选方案中，围压机构与壳体之间的加压腔与压力控制液供给装置连通，通过压力控制液供给装置以向加压腔供给压力控制液，具体而言，压力控制液供给装置分别与第一加压腔和第二加压腔59连通。

在本实施例的可选方案中，温控液供给装置与温控流道机构连通，以向温控流道机构供给温控液。可选地，为了精准控制合成空间内的合成温度，温控液供给装置与合成温度控制机构44电连接，从而通过合成温度控制机构44对温控液供给装置供给的温控液的供给温度和供给流量等参数进行调节。

本实施例的可选方案中，数据采集装置包括入流开关阀、出流开关阀、第一回收装置(图中为示出)、压差检测机构、入压开关阀27和出压开关阀30。

水合物多孔介质合成装置41的多个入流通道分别通过多个入流开关阀与测试流体供给装置连通，水合物多孔介质合成装置41的多个出流通道分别通过多个出流开关阀与第一回收装置连通。

由于水合物多孔介质合成装置41具有多个预定通流方向，为了确保每个预定通流方向上的渗透率张量测量的准确性，需要逐个沿多个预定通流方向进行渗透率张量测试。

具体而言，如图5所示，先关闭第二入流开关阀25、第二出流开关阀32、第三入流开关阀26和第三出流开关阀33，以关闭第二入流通道45、第二出流通道50、第三入流通道54和第三出流通道55，再打开第一入流开关阀24和第一出流开关阀31，以打开第一入流通道52和第一出流通道51，从而进行沿第一预定通流方向的渗透率张量测试；然后，关闭第一入流开关阀24和第一出流开关阀31，以关闭第一入流通道52和第一出流通道51，保持第三入流通道54和第三出流通道55的关闭状态，打开第二入流开关阀25和第二出流开关阀32，以打开第二入流通道45和第二出流通道50，从而进行沿第二预定通流方向的渗透率张量测试；最后，关闭第二入流开关阀25和第二出流开关阀32，以关闭第二入流通道45和第二出流通道50，保持第一入流通道52和第一出流通道51的关闭状态，打开第三入流开关阀26和第三出流开关阀33，以打开第三入流通道54和第三出流通道55，以进行沿第三预定通流方向的渗透率张量测试。

在本实施例中，压差检测机构的一端通过入压开关阀27连通于入流开关阀与测试流体供给装置之间，压差检测机构的另一端通过出压开关阀30连通于出流开关阀与第一回收装置之间，从而压差检测机构的一端能够获取到入流开关阀的上游的压力，压差检测机构的另一端能够获取到出流开关阀的下游的压力，也就是压差检测机构与所有的通流机构均并联，从而能够获取入流通道的入口处与出流通道的出口处之间的上下游压力差。

其中，通过设置入压开关阀27能够控制压差检测机构与入流通道的入口之间的通断，通过设置出压开关阀30能够控制压差检测机构与出流通道的出口之间的通断。

第一回收装置用于回收通过水合物多孔介质渗透出的测试流体，流量检测机构38连通于出流开关阀与第一回收装置之间，从而确定出流通道的出口处的流量，进而结合通过压差检测机构确定的压力差，能够根据达西定律对渗透率张量进行计算。

可选地，流量检测机构38为质量流量计。

可选地，数据采集装置还包括第二回收装置40和气体流量计39，气体流量计39和第二回收装置40顺次连通与流量检测机构38的尾端，以分别对气体进行流量测定和回收。

本实施例的可选方案中，数据采集装置还包括背压调定机构36、第一压力测量机构23和第二压力测量机构34。

背压调定机构36具有等于水合物多孔介质的孔隙压力的第一设定压力以及大于水合物多孔介质的孔隙压力第二设定压力，使得背压调定机构36至少可以将出流通道的出口处的背压调定至第一设定压力或者第二设定压力，从而满足不同的渗滤率张量测试方法的执行需求。

第一压力测量机构23连接于多个入流开关阀与测试流体供给装置之间，从而通过第二压力测量机构34能够读取入流通道的入口处的压力，第二压力测量机构34和背压调定机构36顺次连通于多个出流开关阀与流量检测机构38之间，从而通过第二压力测量机构34能够读取出流通道的出口处的压力，背压调定机构36与流量检测机构38的入口之间还设置有背压开关阀37。

数据采集装置还包括第一压力容器22和第二压力容器35。第一压力容器22用于储存第一预定质量的测试流体，第二压力容器35用于储存第二预定质量的测试流体。具体而言，第一压力容器22的入口处设置有第九开关阀21，第一压力容器22的出口通过入流开关阀连通入流通道；第二压力容器35的入口连通所有出口流道的出口处，第二压力容器35的出口连通背压调定机构36。

数据采集装置还包括测量旁通开关阀29，测量旁通开关阀29连接于第一压力容器22的出口处与第二压力容器35的入口处之间，从而在测量旁通开关阀29打开的状态下使第一压力容器22的出口处与第二压力容器35的入口处直接连通，或者在测量旁通开关阀29关闭的状态下使第一压力容器22的出口处与第二压力容器35的入口处切断连通关系。

本实施例的可选方案中，数据处理装置分别与第一压力测量机构23、第二压力测量机构34、流量检测机构38、背压调定机构36以及压差检测机构电连接，以根据数据采集装置采集的压力数据、压差数据以及流量数据计算水合物多孔介质的渗透率张量，通过设置数据处理装置使得数据处理更加高效且准确。

在本实施例的可选方案中，测试流体供给装置包括蒸馏水储存件1、第三泵送件20和蒸馏水旁通开关阀19，蒸馏水储存件1的供水口通过第三泵送件20与第九开关阀21连通，且蒸馏水储存件1的供水口和第三泵送件20之间还设置有蒸馏水旁通开关阀19，第三泵送件20和第九开关阀21之间还设置有第八开关阀18，打开蒸馏水旁通开关阀19、第三泵送件20、第八开关阀18和第九开关阀21，可以向水合物多孔介质合成装置41泵送蒸馏水储存件1中的蒸馏水。

本实施例的可选方案中，饱和甲烷水溶液供给装置与合成空间连通，以向合成空间供给预定饱和度的甲烷水溶液。

具体而言，饱和甲烷水溶液供给装置包括高压甲烷气体储存件2、水溶液配制容器13和搅拌件17。

水溶液配制容器13包括用于与高压甲烷气体连通的进气口、用于排出气体的出气口、用于连通蒸馏水储存件1的进液口以及用于排出液体的出液口，在进液口设置第二泵送件14和第六开关阀15，出液口通过第七开关阀16连通第三泵送件20，在进气口与高压甲烷气体储存件2之间设置第一开关阀4和第二开关阀7，在高压甲烷气体储存件2和第一开关阀4之间还设置有第一压力测量件3，在出气口设置第五开关阀12，在出气口和第五开关阀12之间设置第二压力测量件11。

进液口位于水溶液配制容器13的底部，从而通过第二泵送件14将蒸馏水注入并储存在水溶液配制容器13的底部，进气口位于水溶液配制容器13的顶部，从而使经由进气口进入到水溶液配制容器13中的高压甲烷气体将空气经由出气口排出，空气全部排出后，关闭第五开关阀12以封闭出气口。

继续向水溶液配制容器13中通入高压甲烷气体，并通过第二压力测量件11监测水溶液配制容器13中的气体压力，直至第二压力测量件11的测量值达到预定数值后关闭第一开关阀4和第二开关阀7，开启搅拌件17使水溶液配制容器13中的高压甲烷气体不断溶解于蒸馏水中，此时第二压力测量件11的数值回落，直至第二压力测量件11的数值保持恒定的状态持续一定时间段后，即可认定水溶液配制容器13中已经配制出预定饱和程度的饱和甲烷水溶液，打开第七开关阀16，配置好的甲烷水溶液可以经由出液口输送至水合物多孔介质合成装置41。

在本实施例的可选方案中，密封性能检测装置包括第一泵送件6和低压甲烷气体储存件9。第一泵送件6通过三通阀5中的一个通路将低压甲烷气体储存件9和高压甲烷气体储存件2连通，以通过第一泵送件6将高压甲烷气体储存件2中的甲烷气体泵送至低压甲烷气体储存件9中，第一泵送件6与低压甲烷气体储存件9的入口之间设置有第三开关阀8。低压甲烷气体储存件9的出口设置有第四开关阀10，第四开关阀10与第九开关阀21连通。三通阀5的另一通路将第二开关阀7与第一开关阀4连通。

从而在进行密封性测试的过程中，将第一开关阀4、第六开关阀15、蒸馏水旁通开关阀19和背压开关阀37保持在关闭状态，将其余所有开关阀保持在打开状态。

将背压调定机构36的设定压力调节至例如6MPa的气密检测用设定压力，打开第一泵送件6，缓缓打开第一开关阀4使整个管路中充满一定压力的甲烷气体，之后再关闭第一开关阀4。

然后通过数据处理装置连续记录第一压力测量机构23和第二压力测量机构34的压力读数，如果第一压力测量机构23和第二压力测量机构34的压力读数能够持续稳定一段时间，可以认定整个水合物多孔介质渗透率张量测试系统的整个管路具有良好的气密性，再打开背压开关阀37，排空管路中的气体，即可完成气密性检查。

本实施例中的水合物多孔介质渗透率张量测试系统具有实施例一中的水合物多孔介质合成装置的优点，实施例一所公开的水合物多孔介质合成装置的优点在此不再重复描述。

实施例三

实施例三提供了一种水合物多孔介质渗透率张量测试方法，该实施例采用实施例一中的水合物多孔介质合成装置或者实施例二中的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，实施例一所公开的水合物多孔介质合成装置的技术特征以及实施例二公开的水合物多孔介质渗透率张量测试系统也适用于该实施例，实施例一已公开的水合物多孔介质合成装置的技术特征和实施例二以公开的水合物多孔介质渗透率张量测试系统的技术特征不再重复描述。

结合图1至图5所示，本实施例提供的水合物多孔介质渗透率张量测试方法，包括以下步骤：

步骤S100，生成水合物多孔介质：在水合物多孔介质合成装置的合成容器中合成水合物多孔介质；

步骤S110，渗透率张量测试：

步骤S111，从多个预定通流方向中选取目标预定通流方向；

步骤S112，向目标预定通流方向对应的入流通道供给测试流体；

步骤S113，分别检测入流通道处和出流通道处的测试流体的压力参数和流量参数，根据检测结果计算在目标预定通流方向上的渗透率张量；

步骤S114，循环上述步骤，直至完成所有预定通流方向的渗透率张量的测量。

也就是说，通过采用该水合物多孔介质合成装置41，不仅能够满足水合物多孔介质的实验室合成，而且还能够顺次进行多个预定通流方向下的渗透率张量。

具体而言，步骤S100可以按照以下方法执行：在水合物多孔介质合成的过程中，通过第一压力控制液入口48向第一加压腔注入压力控制液，并通过压力控制机构将加压腔内的压力控制液压力为例如2个大气压。关闭第四开关阀10、第一入流开关阀24、第二入流开关阀25、入压开关阀27、测量旁通开关阀29、出压开关阀30、第一出流开关阀31和第二出流开关阀32，打开第七开关阀16，通过第三泵送件20将配制好的包括甲烷水溶液从第三入流开关阀26和第三入流通道54注入合成空间的底部，以使甲烷水溶液充盈在土样的孔隙中，直至土样完全饱和后，将合成空间内的甲烷水溶液从第三出流通道55和第三出流开关阀33排出。

关闭第三泵送件20、第八开关阀18、第三入流开关阀26和第三出流开关阀33，打开测量旁通开关阀29排出第一压力容器22中的甲烷水溶液。关闭测量旁通开关阀29，打开第一开关阀4、第三开关阀8和第四开关阀10，将三通阀5连接至第一泵送件6，通过第一泵送件6将第一压力容器22充满甲烷气体。然后，同步增加加压腔内的压力以及甲烷气体的压力至天然气水合物生成的临界压力，关闭第九开关阀21，使第一压力容器22中能够保存高压甲烷气体。

通过环境温度控制机构43控制保温机构42以恒定温度进行保温，通过使温控液流经温控液入流道和温控液出流道，使土样中的温度降至天然气水合物的合成温度，从而在合成空间内合成水合物多孔介质。

最后，关闭第三入流开关阀26，调节背压调定机构36，并打开测量旁通开关阀29，以将管路中的甲烷气体排空。

由于不同天然气水合物在饱和度状态下的渗透率变化非常大，因而根据水合物多孔介质的渗透率的不同，需要采用不同的渗透率张量测试方法进行测试，才能兼顾测试效率和测试精度。

在本实施例的可选方案中，在水合物多孔介质的渗透率不小于预定渗透率的情况下，步骤S113具体包括以下步骤：

步骤S200，对出流通道以第一设计压力进行节流处理，第一设计压力等于水合物多孔介质的孔隙压力；

步骤S210，向入流通道持续供给测试流体，并逐渐增大测试流体的压力，直至入流通道与出流通道之间形成预定压差；

步骤S220，检测第一参数和第二参数，第一参数为入流通道处的测试流体的压力，第二参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

步骤S230，直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第一参数和第二参数计算渗透率张量。

具体而言，关闭第四开关阀10，调节背压调定机构36的压力至第一设定压力；打开第八开关阀18和蒸馏水旁通开关阀19，第三泵送件20向入流通道注入蒸馏水，并保持泵送压力与水合物多孔介质的孔隙压力一致。

关闭测量旁通开关阀29，打开第一入流开关阀24和第一出流开关阀31，提高第三泵送件20的压力，以使水合物多孔介质的上下游形成一定压差，打开入压开关阀27和出压开关阀30，压差测量机构28检测上下游的压力差，流量检测机构38记录测试流体的流量。

直至渗流达到稳定后，通过达西定律计算目标预定通流方向下的渗透率张量。如此循环直至完成所有预定通流方向下的渗透率张量的测量，进而完整获得水合物多孔介质的在多个维度的渗透率张量。

其中，预定渗透率可以为10^-16m²。

在本实施例的可选方案中，在水合物多孔介质的渗透率不大于预定渗透率的情况下，步骤S311具体包括以下步骤：

步骤S300，渗透率张量测试的步骤具体包括以下步骤：

步骤S310，对出流通道以第一压力进行节流处理，第一压力大于孔隙压力；

步骤S320，向入流通道供给预定质量的第二压力的测试流体，第二压力介于孔隙压力与第一压力之间；

步骤S330，检测第三参数和第四参数，第三参数为入流通道处的测试流体的压力，第四参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

步骤S340，直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第三参数和第四参数计算渗透率张量。

具体而言，关闭第四开关阀10，调节背压调定机构36的压力至与水合物多孔介质的孔隙压力一致，打开第八开关阀18和蒸馏水旁通开关阀19，第三泵送件20向入流通道注入蒸馏水，并保持泵送压力与水合物多孔介质的孔隙压力一致，打开入压开关阀27和出压开关阀30。

关闭测量旁通开关阀29，将背压调定机构36调节至第二设定压力，例如将其设定压力升高1MPa，提高第三泵送件20的压力，以使第一压力容器22内的压力升高至高于第二压力容器35中的压力0.5MPa。

关停第三泵送件20，关闭第九开关阀21和背压开关阀37，同时打开入流开关阀和出流开关阀，第一压力容器22的压力值降低，第二压力容器35压力值升高，压差测量机构28实时记录上下游压力差。根据上、下游压力逐渐平衡过程中上下游压差随时间变化的情况，计算目标预定通流方向的渗透率张量。

实验结束后，如此循环直至完成所有预定通流方向下的渗透率张量的测量，进而完整获得水合物多孔介质的在多个维度的渗透率张量。

当水合物多孔介质的渗透率高于预定渗透率，水合物多孔介质的渗透速度显著变慢，如果采用步骤S200至步骤S230的方法进行渗透率张量测试，那么将导致渗透率张量的测试效率和测试精度均受到负面影响，而采用步骤S300至步骤S330的方法进行渗透率张量测试，则能够兼顾测试效率和测试精度。

本实施例中的水合物多孔介质渗透率张量测试方法具有实施例一中的水合物多孔介质合成装置的优点，实施例一所公开的水合物多孔介质合成装置的优点在此不再重复描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (13)

1.一种水合物多孔介质合成装置，其特征在于，包括本体和多个通流机构；

所述本体内形成有用于将饱和甲烷溶液与土样合成为水合物多孔介质的合成空间；

所述通流机构包括沿预定通流方向开设于所述本体的入流通道和出流通道，多个所述通流机构的预定通流方向两两不同；

每个所述通流机构的入流通道和出流通道分别设置于所述合成空间的两侧，以使测试流体沿所述预定通流方向顺次流经所述入流通道、所述合成空间和所述出流通道；

所述本体包括壳体和围压机构，所述围压机构包括密封机构和限位机构；

所述限位机构包括多个限位缸，所述限位缸包括缸杆、连接于所述缸杆的一端的限位板和穿设于所述壳体的缸体，所述缸杆的另一端可移动地设置于所述缸体内并通过所述缸体与所述壳体之间形成第一加压腔；

所述入流通道和所述出流通道分别贯通所述围压机构的内侧和外侧；

所述密封机构封盖于每相邻两个所述限位板之间的间隙处，以使所述密封机构和所有所述限位板共同围限出密闭的所述合成空间；

所述密封机构与所述壳体之间形成第二加压腔，所述第一加压腔和所述第二加压腔均用于通入压力控制液。

2.根据权利要求1所述的水合物多孔介质合成装置，其特征在于，所述本体还包括温控流道机构；

所述温控流道机构开设于所述围压机构，所述温控流道机构用于连通温控液供给装置。

3.根据权利要求2所述的水合物多孔介质合成装置，其特征在于，每个所述限位缸均开设有所述温控流道机构，所述温控流道机构包括用于输入温控液的温控液入流道、用于输出温控液的温控液出流道以及连通于所述温控液入流道和所述温控液出流道之间的温控流道。

4.根据权利要求3所述的水合物多孔介质合成装置，其特征在于，

所述温控液入流道和所述温控液出流道均开设于所述缸杆，所述温控流道开设于所述限位板。

5.根据权利要求3所述的水合物多孔介质合成装置，其特征在于，

所述限位缸的数量为六个，六个所述限位缸分别排布于所述壳体的上、下、前、后、左、右六个方位。

6.一种水合物多孔介质渗透率张量测试系统，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的水合物多孔介质合成装置。

7.根据权利要求6所述的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，其特征在于，还包括测试流体供给装置和数据采集装置；

所述数据采集装置包括入流开关阀、出流开关阀、第一回收装置、压差检测机构、入压开关阀、出压开关阀和流量检测机构；

所述水合物多孔介质合成装置的多个入流通道分别通过多个所述入流开关阀与所述测试流体供给装置连通，所述水合物多孔介质合成装置的多个所述出流通道分别通过多个所述出流开关阀与所述第一回收装置连通；

所述压差检测机构的一端通过所述入压开关阀连通于所述入流开关阀与所述测试流体供给装置之间，所述压差检测机构的另一端通过所述出压开关阀连通于所述出流开关阀与所述第一回收装置之间；

所述流量检测机构连通于所述出流开关阀与所述第一回收装置之间。

8.根据权利要求7所述的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括背压调定机构、第一压力测量机构、第二压力测量机构和流量检测机构；

所述第一压力测量机构连接于多个所述入流开关阀与所述测试流体供给装置之间，所述第二压力测量机构和所述背压调定机构顺次连通于多个所述出流开关阀与所述流量检测机构之间；

所述水合物多孔介质渗透率张量测试系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置分别与所述第一压力测量机构、第二压力测量机构、所述流量检测机构、所述背压调定机构以及所述压差检测机构电连接，以根据所述数据采集装置采集的压力数据、压差数据以及流量数据计算水合物多孔介质的渗透率张量。

9.根据权利要求8所述的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括第一压力容器和第二压力容器；

所述第一压力容器用于储存第一预定质量的测试流体，所述第二压力容器用于储存第二预定质量的测试流体；

所述背压调定机构具有等于水合物多孔介质的孔隙压力的第一设定压力以及大于水合物多孔介质的孔隙压力第二设定压力。

10.根据权利要求8所述的水合物多孔介质渗透率张量测试系统，其特征在于，所述渗透率张量测试系统还包括与所述水合物多孔介质合成装置连通的饱和甲烷水溶液供给装置、温控液供给装置、压力控制液供给装置以及气密性检测装置。

11.一种水合物多孔介质渗透率张量测试方法，其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述的水合物多孔介质合成装置进行测试，所述水合物多孔介质渗透率张量测试方法包括以下步骤：

生成水合物多孔介质：在水合物多孔介质合成装置的合成容器中合成水合物多孔介质；

渗透率张量测试：从多个预定通流方向中选取目标预定通流方向；

向目标预定通流方向对应的入流通道供给测试流体；

分别检测入流通道处和出流通道处的测试流体的压力参数和流量参数，根据检测结果计算在目标预定通流方向上的渗透率张量；

循环上述步骤，直至完成所有预定通流方向的渗透率张量的测量。

12.根据权利要求11所述的水合物多孔介质渗透率张量测试方法，其特征在于，在水合物多孔介质的渗透率不小于预定渗透率的情况下，所述渗透率张量测试的步骤具体包括以下步骤：

对出流通道以第一设计压力进行节流处理，第一设计压力等于水合物多孔介质的孔隙压力；

向入流通道持续供给测试流体，并逐渐增大测试流体的压力，直至所述入流通道与所述出流通道之间形成预定压差；

检测第一参数和第二参数，第一参数为入流通道处的测试流体的压力，第二参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第一参数和第二参数计算渗透率张量。

13.根据权利要求11所述的水合物多孔介质渗透率张量测试方法，其特征在于，在水合物多孔介质的渗透率不大于预定渗透率的情况下，所述渗透率张量测试的步骤具体包括以下步骤：

对出流通道以第一压力进行节流处理，第一压力大于孔隙压力；

向入流通道供给预定质量的第二压力的测试流体，第二压力介于所述孔隙压力与所述第一压力之间；

检测第三参数和第四参数，第三参数为入流通道处的测试流体的压力，第四参数为出流通道处的测试流体的压力和流量；

直至水合物多孔介质达到渗流稳定状态，根据第三参数和第四参数计算渗透率张量。

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