CN114000871B - 一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置，包括试验空间，试验空间内设有制模部和模拟试验部；制模部包括框架，框架的顶端固接有压模组件，压模组件的下方设有模具腔；压模组件的底端设有斜角δ；模拟试验部包括试验腔，试验腔的两端分别连通有流体供给组件和流体回收组件；流体供给组件设置有第一传感器，流体回收组件上设置有第二传感器，第一传感器和第二传感器均电性连接有数据汇集组件；试验腔前设置有拍摄装置，拍摄装置与数据汇集组件电性连接。本发明结构简单，实用性强，能有效模拟天然气水合物储层的各种情况，为天然气水合物渗流机理的研究提供理论和数据支持，加快研究天然气水合物的安全开采方法。

Description

一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物实验装置领域，特别是涉及一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置及其使用方法。

背景技术

天然气水合物是一种清洁高效且储量巨大的新型战略能源，根据钻孔资料显示，含天然气水合物储层各层带之间在地质沉积过程中存在非均匀沉积，导致天然气水合物储层间在饱和度、渗透率、力学性质等方面存在明显的层间非均质性，生产过程中极易出现集中产水、出砂等严重问题，极大制约着大规模天然气水合物资源的长期稳定高效率生产。想要实现大规模水合物资源长期商业化生产首先要保证单井生产率达到且较长时间保持经济开发的标准，同时，尽量减小和控制水合物储层及盖层的变形。因此，亟需一种模拟天然气水合物储层渗流机理的试验装置为天然气水合物的商业化开采提供基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置，包括试验空间，所述试验空间内设有制模部和模拟试验部；所述制模部用于制造与目标地层条件相同的试样，所述试样由相互拼合的第一试件和第二试件制成，所述模拟试验部用于针对所述试样进行模拟试验；

所述制模部包括框架，所述框架的顶端固接有压模组件，所述压模组件的下方设有模具腔；所述压模组件与所述模具腔对应设置；

所述模拟试验部包括试验腔，所述试验腔的两端分别连通有流体供给组件和流体回收组件；所述流体供给组件设置有第一传感器，所述流体回收组件上设置有第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均电性连接有数据汇集组件；所述试验腔前设置有拍摄装置，所述拍摄装置与所述数据汇集组件电性连接；所述数据汇集组件包括数据采集模块和数据处理模块；

所述压模组件包括与所述框架内腔顶壁固接的液压油缸(2),所述液压油缸的输出端固接有压头,所述压头的末端设置有斜角δ；所述模具腔包括与所述框架底壁固接的试样筒，所述试样筒与所述压头相适配；所述试样筒的底端可拆卸连接有筒底，所述筒底与所述框架可拆卸连接；所述液压油缸上固接有位移传感器，所述位移传感器与所述数据采集模块电性连接；

所述试样由骨料压制成，所述骨料包括石英砂、丰浦砂、标准砂、玻璃珠和玻璃柱；

所述试验腔内装填有第一试件和第二试件，所述第一试件和所述第二试件上下对应设置，所述第一试件和所述第二试件的斜边相互贴合。

优选的，所述试验腔包括顶板、底板、两个对称设置的第一侧板和两个对称设置的第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板互相垂直固接，所述顶板和所述底板分别与所述第一侧板和所述第二侧板固接。

优选的，两个所述第一侧板为透明材质制作；所述拍摄装置的镜头正对所述第一侧板。

一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置使用方法，包括如下使用步骤：

S、制作所述试样；选取斜角δ，制作所述试样；

S2、安装所述试样；将所述试样装填进所述试验腔内，第一试件在上，第二试件在下并相互贴合；

S3、连接试验管路及数据汇集组件，降低出口压力模拟降压开采过程，流体供给组件供给去离子纯水模拟水合物开采过程中地层中产水过程，流体回收组件回收出口排出的水及水合物分解产生的气体，进行试验；

S4、测量并记录数据和流体渗流流动图像；测量所述试验腔顶端和底端的流体流量和压力，并将数据传递给所述数据采集模块；

S5、数据处理；通过所述数据处理模块对所述数据采集模块的数据进行处理。

优选的，步骤S中，制作所述试样时，所述骨料从所述筒底位置填入；填充完成后再将筒底装回；所述试样的制作温度不高于0℃。

优选的，所述流体供给组件充入所述试验腔的水带有标识颜色。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置及其使用方法，通过制模部的试样筒和液压油缸的压头制作试样，模拟地层的天然气水合物，便于进行模拟试验；试验腔内的第一试件和第二试件相对设置，斜角边相互贴合，模拟天然气水合物储层渗流，为研究天然气水合物储层渗流提供理论支持；更换压模组件的斜角δ便可调节试件的倾角，用以模拟天然气水合物在地层中非均质分布，研究天然气水合物储层开采过程中出现集中产水、出砂等严重问题的机理，为天然气水合物资源的长期稳定高效率开采提供技术支持，加快水合物资源商业化生产。本发明结构简单，实用性强，能有效模拟天然气水合物储层的各种情况，为天然气水合物渗流机理的研究提供理论和数据支持，加快研究天然气水合物的安全开采方法，加快水合物资源的商业化。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明制模部的三维图；

图2为本发明制模部的主视图；

图3为本发明制模部的结构示意图；

图4为图3中A的局部放大图；

图5为图3中B的局部放大图；

图6为本发明模拟试验部结构示意图；

其中，1、框架；2、液压油缸；3、试样筒；4、筒底；5、试验腔；6、第一管道；7、气水供给箱；8、第二管道；9、气水回收箱；10、第一传感器；11、第二传感器；12、数据采集模块；13、数据处理模块；14、拍摄装置；15、压头；16、位移传感器；17、试样；18、第一试件；19、第二试件；20、加强板；501、顶板；502、底板；503、第一侧板；504、第二侧板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-6，一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置，包括试验空间，试验空间内设有制模部和模拟试验部；制模部用于制造与目标地层条件相同的试样17，模拟试验部用于针对试样17进行模拟试验；

制模部包括框架1，框架的顶端固接有压模组件，压模组件的下方设有模具腔；压模组件与模具腔对应设置，压模组件的底端设有斜角δ；

模拟试验部包括试验腔5，试验腔5的两端分别连通有流体供给组件和流体回收组件；流体供给组件设置有第一传感器10，流体回收组件上设置有第二传感器11，第一传感器10和第二传感器11均电性连接有数据汇集组件；试验腔5前设置有拍摄装置14，拍摄装置14与数据汇集组件电性连接。

本发明公开了一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置，通过制模部的试样筒3和液压油缸2的压头15制作试样17，模拟地层的天然气水合物，便于进行模拟试验；试验腔5内的第一试件18和第二试件19相对设置，斜角边相互贴合，模拟天然气水合物储层渗流，为研究天然气水合物储层渗流提供理论支持；更换压模组件的斜角δ便可调节试样17的夹角，用以模拟天然气水合物储层的非均质分布，研究天然气水合物储层开采过程中出现集中产水、出砂等严重问题的机理，为天然气水合物资源的长期稳定高效率开采提供技术支持，加快水合物资源商业化生产。

进一步的，流体供给组件包括气水供给箱7，流体供给箱通过第一管道6连接试验腔5的顶板501，第一传感器10设置在第一管道6上；流体回收组件包括气水回收箱9，气水回收箱9与试验腔5的底板连通有第二管道，第二传感器11设置在第二管道8上。

进一步的，数据汇集组件包括电性连接的数据采集模块12和数据处理模块13，第一传感器10、第二传感器11、拍摄装置14均与数据采集模块12电性连接。

进一步的，第一传感器10、第二传感器11、数据采集模块12和数据处理模块13均选用现有的技术，此处不进行赘述。

进一步的，气水供给箱7能任意比例的向试验腔5内供给压缩气体和纯净的水；气水回收箱9能分类回收试验腔5内的水合物分解产生的天然气和水。

进一步优化方案，压模组件包括与框架1内腔顶壁固接的液压油缸2,液压油缸2的输出端固接有压头15,压头15的末端设置有斜角δ；模具腔包括与框架底壁固接的试样筒3，试样筒3与压头15相适配；试样筒3的底端可拆卸连接有筒底4，筒底4与框架1可拆卸连接；液压油缸2上固接有位移传感器16，位移传感器16与数据采集模块12电性连接。压头15的下方设置斜角δ，具体的角度根据取样地层的天然气水合物储层角度而定；压头15为可更换式，通过螺栓与液压油缸2的输出端固接，方便不同斜角δ的试样17制作；位移传感器16的目的是通过压头15的位移判断试样17的压缩量，从而模拟与取样地层相同的孔隙度。

进一步的，液压油缸2与框架1之间设置有加强板20，既可以降低液压油缸2对框架1的压强，又方便液压油缸2的安装。

进一步的，压头15的厚度优选1cm，制作的试样17厚度也为1cm，便于试验时的可视化观察；试样17为厚度1cm的方形柱。

进一步优化方案，试样17由骨料压制成，骨料包括但不限于石英砂、丰浦砂、标准砂、玻璃珠和玻璃柱。石英砂是天然气水合物最常见的骨料，玻璃珠和玻璃柱的目的是增加试件17边缘的对比性，水合物分解过程的气体和水的流动轨迹更便于观察。

进一步的，玻璃柱的长度优选1cm，玻璃珠的直径优选1cm，与试样17的厚度相同，使玻璃珠和玻璃柱的边缘贴近试样17的端面，更便于观察。

进一步优化方案，试验腔5内固定有第一试件18和第二试件19，第一试件18和第二试件19上下对应设置，第一试件18和第二试件19的斜边相互贴合。第一试件18和第二试件19的形状相同，均由制模部制作，二者上下方向拼合，第一试件18在上，第二试件19在下。

进一步优化方案，试验腔5包括顶板501、底板502、两个对称设置的第一侧板503和两个对称设置的第二侧板504，第一侧板503和第二侧板504互相垂直固接，顶板501和底板502分别与第一侧板503和第二侧板504固接；两个第一侧板503为透明材质制作；拍摄装置14的镜头正对第一侧板503。试验腔5的顶板501、底板502、第一侧板503和第二侧板504均是可拆卸的，便于装入待试验的第一试件18和第二试件19，同时去除试验后的残留物，各部件之间密封处理。第一侧板503选用透明材质，便于观察试验中气体和水的流动，达成可视化的技术目的，并通过拍摄装置14将试验时的内部情况进行拍摄，留作影音资料。

一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置使用方法，包括如下使用步骤：

S1、制作试样17；选取斜角δ，制作试样17；试样由相互拼合的第一试件18和第二试件19制成；其中第一试件18包含两种制作方法，第二试件19包含三种制作方法：

第一试件18的制作方法：

（1）将干燥的骨料与水玻璃或者其他水溶性的粘接剂均匀混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸；

（2）从试样筒3底部向试样筒3内填入离子蒸馏水饱和骨料 ，在0℃以下由压头15加压压制成水饱和试块；

第二试件19的三中制作方法：

（1）用去离子的水与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸。将第一试件18和第二试件19组合后装入试验腔5，排空腔体及管线内的空气，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

（2）将冰粉与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸。将两部分组合后装入试验腔5，排空腔体及管线内的空气，升高温度至0℃以上，使冰粉融化，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

（3）将水合物粉末与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4板，用压头15压制成规定尺寸。将两部分组合后装入试验腔5，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

其中，第一试件18的方法（1）和与第二试件19的三种制作方法适配，第一试件18的方法（2）与第二试件19的方法（3）适配。

S2、安装试样17；将第一试件18和是第二试件19装填进试验腔5内，使第二试件19位于试验腔5的下端，第一试件18位于试验腔5的顶端；第一试件18和第二试件19的斜角边拼合；二者的斜角δ相互拼合，模拟相互贴合的天然气水合物储层；安装时将顶板501拆下，然后装入第一试件18和第二试件19。

S3、连接试验管路及数据采集电路，降低出口压力模拟降压开采过程，流体供给组件供给去离子纯水模拟水合物开采过程中地层中产水过程，流体回收组件回收出口排出的水及水合物分解产生的气体，进行试验；对试验腔5升温升压，温度为5℃-10℃，压力为5MPa-10MPa，而且正处于动态平衡状态；第一试件18和第二试件19内的冰融化，形成孔隙，此时第一试件18变成松散的骨料，而第二试件19由于结合有水合物，不会碎裂；然后通过气水供给箱7向试验腔5注入去离子蒸馏水达到饱和；然后对试验腔5降压，第二试件19的水合物分解，第二试件19的孔隙发生变化；然后再通过气水供给箱7向试验腔5内注入带有标识颜色的去离子蒸馏水，带颜色的离子蒸馏水沿第一试件18和第二试件19的孔隙下流，然后进入气水回收箱9内；通过透明的第一侧板503观察带颜色的离子蒸馏水在第一试件18、第二试件19以及第一试件18与第二试件19的交界面之间的流动规律。在过程中保证第一管道6的压力高于第二管道8的压力，使试验腔5内的流体发生流动。

S4、测量记录数据和流体渗流流动图像；通过第一传感器10和第二传感器11分别测量第一管道6内和第二管道8内的流体的压力及流量，并将数据传递给数据采集模块12；通过拍摄装置14拍摄；通过第一传感器10和第二传感器11分别测量第一管道6和第二管道8的流量和压力；将其传递给数据采集模块12，最后由数据处理模块13进行处理。

S5、数据处理；通过数据处理模块13对数据采集模块12的数据进行处理。

进一步优化方案，步骤S1中，制作试样17时，骨料从筒底4位置填入；填充完成后再将筒底4装回；试样17的制作温度不高于0℃。由于试样筒3的顶端设置有压头15，压头15的底部设有斜角δ，如果从试样筒3的顶端装入骨料，会导致压制成的试样17受力不均匀，影响试验效果；而从筒底4位置装入一定量的骨料，然后将筒底4装回，再由压头15进行压制，制成的试样17各部分的压力是相同的。

本发明使用方法：

制作第一试件18：

方法（1）将干燥的骨料与水玻璃或者其他水溶性的粘接剂均匀混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸；

方法（2）从试样筒3底部向试样筒3内填入离子蒸馏水饱和骨料 ，在0℃以下由压头15加压压制成水饱和试块；

制作第二试件19：

方法（1）用去离子的水与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸。将第一试件18和第二试件19组合后装入试验腔5，排空腔体及管线内的空气，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

方法（2）将冰粉与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4，用压头15压制成规定尺寸。将两部分组合后装入试验腔5，排空腔体及管线内的空气，升高温度至0℃以上，使冰粉融化，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

方法（3）将水合物粉末与骨料混合，然后根据设计要求从试样筒3底部填入一定量的骨料，装上筒底4板，用压头15压制成规定尺寸。将两部分组合后装入试验腔5，向试验腔5内充入去离子水，排空腔体内气体。

试样17安装：

将第一试件18和第二试件19装入试验腔5内，装入时从顶板501位置装入，第二试件19在下，第二试件19的斜角δ向上，第一试件18在上，其斜角δ向下，第一试件18和第二试件19的斜角δ相互贴合。

进行试验：

对试验腔5升温升压，温度为5℃-10℃，压力为5MPa-10MPa，而且正处于动态平衡状态；第一试件18和第二试件19内的冰融化，形成孔隙；通过气水供给箱7向试验腔5注入去离子蒸馏水达到饱和；然后对试验腔5降压，第二试件19的水合物分解，第二试件19的孔隙发生变化；然后再通气水供给箱7过注入带颜色的气、水或气水混合物等流体，流体沿第一试件18和第二试件19的孔隙下流，然后进入气水回收箱9；通过透明的第一侧板503观察带颜色的流体在第一试件18、第二试件19和第一试件18与第二试件19的交界面之间的流动规律。

记录和处理数据：

通过第一传感器10和第二传感器11分别测量第一管道6内和第二管道8内的气体或水的压力及流量，并将数据传递给数据采集模块12；通过拍摄装置14拍摄；通过第一传感器10和第二传感器11分别测量第一管道6和第二管道8的流量和压力；将其传递给数据采集模块12，最后由数据处理模块13进行处理。

本发明结构简单，实用性强，能有效模拟天然气水合物储层的各种情况，为天然气水合物渗流机理的研究提供理论和数据支持，加快研究天然气水合物的安全开采方法，加快水合物资源的商业化。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置，其特征在于：包括试验空间，所述试验空间内设有制模部和模拟试验部；所述制模部用于制造与目标地层条件相同的试样（17），所述试样（17）由相互拼合的第一试件（18）和第二试件（19）制成，所述模拟试验部用于针对所述试样（17）进行模拟试验；

所述制模部包括框架（1），所述框架（1）的顶端固接有压模组件，所述压模组件的下方设有模具腔；所述压模组件与所述模具腔对应设置；

所述模拟试验部包括试验腔（5），所述试验腔（5）的两端分别连通有流体供给组件和流体回收组件；所述流体供给组件设置有第一传感器（10），所述流体回收组件上设置有第二传感器（11），所述第一传感器（10）和所述第二传感器（11）均电性连接有数据汇集组件；所述试验腔（5）前设置有拍摄装置（14），所述拍摄装置（14）与所述数据汇集组件电性连接；所述数据汇集组件包括数据采集模块（12）和数据处理模块（13）；

所述压模组件包括与所述框架（1）内腔顶壁固接的液压油缸(2),所述液压油缸（2）的输出端固接有压头（15）,所述压头（15）的末端设置有斜角δ；所述模具腔包括与所述框架（1）底壁固接的试样筒（3），所述试样筒（3）与所述压头（15）相适配；所述试样筒（3）的底端可拆卸连接有筒底（4），所述筒底（4）与所述框架（1）可拆卸连接；所述液压油缸（2）上固接有位移传感器（16），所述位移传感器（16）与所述数据采集模块（12）电性连接；

所述试样（17）由骨料压制成，所述骨料包括石英砂、丰浦砂、标准砂、玻璃珠和玻璃柱；

所述试验腔（5）内装填有第一试件（18）和第二试件（19），所述第一试件（18）和所述第二试件（19）上下对应设置，所述第一试件（18）和所述第二试件（19）的斜边相互贴合。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物储层渗流可视化试验装置，其特征在于：所述试验腔（5）包括顶板（501）、底板（502）、两个对称设置的第一侧板（503）和两个对称设置的第二侧板（504），所述第一侧板（503）和所述第二侧板（504）互相垂直固接，所述顶板（501）和所述底板（502）分别与所述第一侧板（503）和所述第二侧板（504）固接。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物储层渗流可视化试验装置，其特征在于：两个所述第一侧板（503）为透明材质制作；所述拍摄装置（14）的镜头正对所述第一侧板（503）。

4.一种天然气水合物储层渗流可视化试验装置使用方法，根据权利要求1-3任意一项所述的天然气水合物储层渗流可视化试验装置，其特征在于，包括如下使用步骤：

S1、制作所述试样（17）；选取斜角δ，制作所述试样（17）；

S2、安装所述试样（17）；将所述试样（17）装填进所述试验腔（5）内，第一试件（18）在上，第二试件（19）在下并相互贴合；

S3、连接试验管路及数据汇集组件，降低出口压力模拟降压开采过程，流体供给组件供给去离子纯水模拟水合物开采过程中地层中产水过程，流体回收组件回收出口排出的水及水合物分解产生的气体，进行试验；

S4、测量并记录数据和流体渗流流动图像；测量所述试验腔（5）顶端和底端的流体流量和压力，并将数据传递给所述数据采集模块（12）；

S5、数据处理；通过所述数据处理模块（13）对所述数据采集模块（12）的数据进行处理。

5.根据权利要求4所述的天然气水合物储层渗流可视化试验装置使用方法，其特征在于：步骤S1中，制作所述试样（17）时，所述骨料从所述筒底（4）位置填入；填充完成后再将筒底（4）装回；所述试样（17）的制作温度不高于0℃。

6.根据权利要求4所述的天然气水合物储层渗流可视化试验装置使用方法，其特征在于：所述流体供给组件充入所述试验腔（5）的水带有标识颜色。