CN114109360B - 主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底水合物的含量测定，特别是一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法。包括以下步骤，S1.将整个装置装配成整体并旋入海底钻井中；S2.激发指定层位的天然气水合物产生气态物质，打开与处于工作状态的热激发机构对应的定向导向通道，使该层位产生的气态天然气水合物进入旋入式长套管内；S3.循环转动箱体对气态天然气水合物进行收集，通过光学测距单元和电阻率单元，对箱体内的成分及含量进行分析并记录；S4.重复S1至S3，得到其他各层位的激发储层内的天然气水合物含量，从而完成对任意储层天然气水合物的赋存与含量的精确统计和评估。其实现了对海底水合物垂向含量分布的精准评估。

Description

主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法

技术领域

本发明涉及海底水合物的含量测定，特别是一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法。

背景技术

水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，又被称作"可燃冰"。现阶段世界各国对水合物的开发与钻探都处于水深火热之中，水合物也越来越成为人类可利用的能源重点。

洞悉天然气水合物的位置与分布特征至关重要，也是后续一切工作的首要前提。当前世界上所流行的探测技术主要包含声学探测技术、时域反射技术、阻抗探测技术、TDR和其他测试联合探测技术。现阶段最主要的一种有效的探测手段是利用对冷泉羽状流在海水中分布的探测，进一步完成对水合物分布区域的判定与水合物的开发。

理论和实践证明，水深大于300米的海域沉积层存在满足水合物形成的温压条件，即水合物“稳定域”，是寻找天然气水合物矿藏的有利地区，但由于地下热液活动，大地构造运动、全球气候变暖等因素的影响，会导致天然气水合物“稳定域”的温度或压力发生变化，保持水合物稳定的条件将不满足，从而使水合物分解成游离气和水；如果存在合适的运移通道，游离气就会运移泄漏到海水中形成羽状流。而含游离气的海水(冷泉)与周边海水在物理特性上也会存在差异。冷泉、羽状流、水合物三者密切相关，海底羽状流通常发育于活动冷泉上覆水体中，羽状流是海底气体渗漏的直接表现形式，而冷泉区域下伏海底地层常富含天然气水合物。水合物可以与羽状流甲烷气泡共存于海水中，或是独立的水合物薄片，或是包裹在甲烷气泡外面；羽状流的气体来源可能是地层中水合物分解的甲烷气体以及未形成水合物的游离气。

现阶段探测海底天然气水合物储层分布及含量主流的方式主要是依靠地球物理对冷泉羽状流的监测，首先敲定水合物分布范围，随后采用海洋物探手段进行大尺度评估，在完成评估之后，由于地球物理探测的方式存在不准确、依赖人工经验、无法对水合物储层进行详细的勘测等缺点，需要依据专家的判断针对某一点位进行测井钻探取样从而实现对该区域水合物储层分布的界定。

然而在测井钻探取样工作完成后，由于钻探过程中对土体的扰动不可避免、钻孔遗留后造成的海水与土体的交互、上覆土层压载保护作用的消减，将直接导致超孔隙水压力、温度、盐度、PH等发生较大的变化，而其中储层的温度场、压力场对天然气水合物的赋存形态与分布状况影响较大，将直接导致天然气水合物的二次分布，进而影响海底水合物垂向含量分布的精准评估。综上所述，现有技术无法对钻井造成的天然气水合物二次分布的状况进行精准评估。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其实现了对海底水合物垂向含量分布的精准评估。

本发明的技术方案是：一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其中，包括以下步骤，

S1.将整个装置装配成整体并旋入海底钻井中：

所述装置包括气体收集机构和旋入式长套管，气体收集机构固定于旋入式长套管的上方，旋入式长套管呈管状，旋入式长套管的侧壁沿其轴向间隔固定有数组热激发机构，每组热激发机构包括位于同一水平方向且沿长套管的环向均匀间隔设置的数个热激发器；

所述旋入式长套管的侧壁上还设有温度传感器和数组组定向导向通道，数组定向导向通道沿旋入式长套管的轴向间隔设置，且在每组热激发机构的上方均设有温度传感器和一组定向导向通道，每组定向导向通道包括沿位于同一水平方向且沿长套管的圆周方向均匀间隔设置的数个定向导向通道；

所述气体收集机构包括上部固定外壳、转轴、以及固定在转轴上的数个循环转动箱体，上部固定外壳与旋入式长套管的顶部固定连接，转轴与上部固定外壳转动连接，循环转动箱体内设有收集腔，循环转动箱体的一侧设有开口，数个循环转动箱体沿转轴的环形外侧均匀间隔设置，且各循环转动箱体之间通过底部对应的一侧侧边固定连接，当某个循环转动箱体转动至最底部时，循环转动箱体的开口位于旋入式长套管的顶部开口的正上方，此时该该循环转动箱体呈倒扣状，转轴位于数个循环转动箱体的连接处，循环转动箱体内设有光学测距单元和电阻率单元；

所述装置旋入钻井中，旋入式长套管的外侧壁与钻井贴合，热激发机构从旋入式长套管内旋出，插入外侧的土壤中；

S2.激发指定层位的天然气水合物产生气态物质，打开与处于工作状态的热激发机构对应的定向导向通道，使该层位产生的气态天然气水合物进入旋入式长套管内:

将地层由海底边界层设定为N₁层，依次向下按照旋入式长套管的轴向依次设定为N₂，N₃，N₄……,将位于第N_n层位的定向导向通道打开，其余层位的定向导向通道全部关闭,经过指定时间后，经气体收集机构测出该段时间内的气体泄漏量，从而得到该层位单位时间内的气体泄漏量V₀；

在保持不同激发部分温度相同的情况下，依次启动轴向各层位的热激发机构，在热激发机构的不断加热过程中，邻近土体中的固液态天然气水合物部分不断转化为气态天然气水合物；

由该层位的热激发机构作用产生的气态天然气水合物由于自身的扩散作用，通过定向导向通道，进入旋入式长套管内部，气态天然气水合物会在套管内不断上升，直到上升至顶部的气体收集机构；

S3.循环转动箱体对气态天然气水合物进行收集，通过光学测距单元和电阻率单元，对箱体内的成分及含量进行分析并记录:

设单个循环转动箱体的自重为G，当气体不断进入循环转动箱体后，未转化为晶体颗粒物的气态天然气水合物不断在箱体内累积，设循环转动箱体受气体作用所产生的浮力为F_浮，单个箱体的总承载体积为V_总，气体部分所占体积为V_气，则

F_浮＝ρ_气gV_气+ρ_液g(V_总-V_气)，

其中，ρ_气、ρ_液均为固定值，当F_浮＝G时，循环转动箱体在浮力作用下迅速自动翻转；

在箱体翻转的非最终阶段，设电阻率单元给出的晶体颗粒物的所占高度为h_固，气体部分所占高度为h_气，单个循环转动箱体的总高度为h，在此过程中，晶体颗粒物所占的含量为M固，

其中，ρ_固为固定值，设气体所占含量为M_气，

将其中的气态物质含量按照164:1的比例进行换算，得出原储层内含有的天然气水合物的晶体的量，设储层内未激发时原有的天然气水合物的量为M，

M＝M_固+M_气/164。

设箱体翻转的最终阶段为第L次，除了晶体颗粒物与气态物质以外，箱体内还有大量的海水填充，通过光学测距单元测得的海水面高度为h_水，此时箱体总充满了水、气、固三者的混合物，则

h_总＝h_水+h_气+h_固，

晶体颗粒物所占的含量为M_固，

气体所占含量为M_气，

M＝M_固+M_气/164，

由于储层天然气水合物本身具有一定的泄漏量，将泄漏量扣除，第L-1次收集的天然气水合物总量为

M_L′_-1＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

同理，

M_L′＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

将该周期内数次翻转进行加和得到

从而可以得到第n层位的激发储层内的天然气水合物含量；

每个收集周期结束后，关闭定向导向通道，气体收集机构会自动翻转，以此来清空循环转动箱体内残留的天然气水合物；

S4.重复S1至S3，得到其他各层位的激发储层内的天然气水合物含量，从而完成对任意储层天然气水合物的赋存与含量的精确统计和评估。

本发明中，步骤S1中，第N_n层初始测量温度T_n下，水中气体分子所受压力为P，

P＝P₀+ρgh，

其中对水气泡的力为F，其中F＝ρShg，气泡上升时，在粘滞系数为η的流体中，以速度v运动受到的阻力为f＝6∏ηrv，最终得到气泡的最大上升速率为v_max＝(4∏/3k)(ρ_液-ρ_气)gr，设时间为t_气时气泡的速度达到最大值，

设气泡从旋入式长套管的顶端流出后直接进入循环转动箱体内，该层位的定向导向通道与旋入式长套管顶端之间的距离为h_n，此时气泡所走过的路程为

剩余路程所用时间t_余＝(h_n-x₁)/v_max，则忽略热力促进效应时气泡从进入定向导向通道至流入循环转动箱体所用时间t₁＝t_气+t_余；

设第N_n层初始测量温度为T_n，设热激发机构的增温系数为固定值λ，则加热到标准温度T₀的时间记为t₂，

热激发机构在加热温度达到T₀后持续加热指定时间t₃；

待热激发机构停止工作后，持续监测该层位的温度消散，设热激发机构的散热系数为固定值λ′，当温度由T₀回复到初始测量温度T_n时，设该段时间为t₄，

从热激发机构开始工作到热激发机构停止工作，最后经由热激发产生的气泡仍处于上升状态，气泡的上升时间与S2中计算得到的气泡在阻力环境中上升所需时间t₁相同，到此为止该周期内热激发机构的收集工作已经全部完成，因此一个收集周期的总时长t为

t_总＝t₁+t₂+t₃+t₄。

步骤S1中，热激发器呈圆柱状，其圆周外表面设有外螺纹，通过外螺纹可以实现热激发器的旋入或旋出。初始状态下的热激发机构位于旋入式长套管内，热激发机构的外侧与旋入式长套管的外壁平齐；工作过程中，热激发器从旋入式长套管内旋出并插入套管外部的土壤中。

所述光学测距单元包括激光发射模块和距离侧出模块，激光发射模块包括激光发射器，激光发射器位于循环转动箱体的底部表面，激光发射器发出发射光，当发射光遇到海水界面后会进行反射，遇到气体晶体时无明显反射机理，然后根据距离侧出模块即可得到在某一时刻海水在箱体内的上升高度，通过上升高度得出海水的占比。

所述电阻率单元位于循环转动箱体内，电阻率单元包括两根与循环转动箱体的底部固定连接的电阻率探杆，电阻率探杆包括数个螺旋电极模块，螺旋电极模块包括圆柱形模块主体和环绕在模块本体环形外侧的可移动螺旋电极，模块主体内设有安装槽和连接孔，安装槽内设有连接螺旋电极的导线，连接孔内设有固定杆，螺旋主体与固定杆固定连接，螺旋电极模块沿探杆的轴向排列；

所述螺旋电极的螺距与模块主体等高，螺旋电极的顶端与模块主体固定连接，模块主体的环形侧壁上设有沿轴向设置的滑动槽，电极传动固定件滑动设置在滑动槽内，各滑动槽内的电极传动固定件均与传动缆固定连接，在传动缆的带动下，电极传动固定件在滑动槽内上下滑动；

在螺旋电极的二分之一螺距处以及螺旋电极的底部端点处均设有电极传动固定件，电极传动固定件与螺旋电极固定连接，通过螺旋电极中部和底部的两个电极传动固定件的滑动，控制螺旋电极变形，形成闭合的环形电极，此时电阻率探杆进入测量模式。

步骤S2中，通过温度传感器实时监测土壤的温度，使热激发机构产生指定热度，使对应部位的温度达到预期的温度值。

本发明的有益效果是：

通过转轴和与转轴固定连接的数个循环转动箱体，在收集过程中，循环转动箱体自动翻转，实现了在一个收集周期内对天然气水合物羽状流的连续收集，大大提高了收集结果的准确性，并通过电阻率单元和光学测距单元，协同确定气态、液态、固态晶体颗粒物的比率，对数据进行反演，进而推算处不同激发区域的天然气水合物含量分布及赋存状态，从而实现了对海底水合物垂向含量分布的精准评估。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是对旋入式长套管的竖直方向进行分层的结构示意图；

图4是气体收集装置的第一结构示意图；

图5是气体收集装置的第二结构示意图；

图6是电阻率探杆的结构示意图；

图7是螺旋电极模块未工作时的结构示意图；

图8是螺旋电极模块处于工作状态时的结构示意图。

图中：1气体收集机构；2定向导向通道；3旋入式长套管；4温度传感器；5热激发机构；7循环转动箱体；8转轴；10光学测距单元；11电阻率单元；12电阻率探杆；13螺旋电极模块；1301模块主体；1302螺旋电极；1303滑动槽；1304电极传动固定件；1305传动缆；1306环形电极。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法包括以下步骤。

第一步，将整个装置装配成整体并旋入海底钻井中。

如图1和图2所示，本发明所使用的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置包括气体收集机构1和旋入式长套管3，气体收集机构1固定于旋入式长套管3的上方。旋入式长套管3呈管状设计，旋入式长套管3的侧壁沿其轴向间隔固定有数组热激发机构5。每组热激发机构5包括位于同一水平方向且沿长套管的环向均匀间隔设置的数个热激发器。热激发器呈圆柱状，其圆周外表面设有外螺纹，通过外螺纹可以实现热激发器的旋入或旋出。初始状态下的热激发机构位于旋入式长套管3内，热激发机构的外侧与旋入式长套管的外壁平齐；工作过程中，热激发器从旋入式长套管3内旋出并插入套管外部的土壤中。热激发器加热过程中，通过控制自身温度变化，使周围土体达到一定的温度，随后加热水合物，使其由固态转化为气液态。同时，旋入式长套管3的侧壁上还设有温度传感器4，通过温度传感器4实时感知周围土体的温度，从而控制热激发机构5对周围土体的加热温度。

旋入式长套管3的侧壁上还设有多组定向导向通道2，数组定向导向通道2沿旋入式长套管3的轴向间隔设置，且在每组热激发机构5的上方均设有一组定向导向通道2，每组定向导向通道2包括沿位于同一水平方向且沿长套管的圆周方向均匀间隔设置的数个定向导向通道。定向导向通道2的开闭状态可控，当某一组热激发机构5工作时，与该组热激发机构对应的定向导向通道2打开，其他组的定向导向通道处于关闭状态。被热激发机构作用产生的气态水合物，在较大的压力作用下，通过定向导向通道2挤压进入旋入式长套管3内，而旋入式长套管3内的气体无法通过该通道溢出。由于气体密度小且温度高，所以气态产物会在旋入式长套管3的空腔内不断上升，最终上升至气体收集机构1。

气体收集机构1位于海床面与水体的交汇处，包括上部固定外壳、转轴8、以及固定在转轴8上的数个循环转动箱体7，上部固定外壳与旋入式长套管3的顶部固定连接，转轴8与上部固定外壳转动连接。循环转动箱体7内设有收集腔，循环转动箱体7的一侧设有开口，天然气水合物的羽状流通过开口进入循环转动箱体内。数个循环转动箱体7沿转轴8的环形外侧均匀间隔设置，且各循环转动箱体7之间通过底部对应的一侧侧边固定连接，循环转动箱体的开口分别朝向不同的方向。当某个循环转动箱体7转动至最底部时，循环转动箱体7的开口位于旋入式长套管3的顶部开口的正上方，此时该循环转动箱体7呈倒扣状，能够有效地使气态产物在进入箱体收集的过程中凝结为固态或液态。

转轴8位于数个循环转动箱体的连接处，转轴8转动过程中可以带动循环转动箱体7转动。转轴8转动过程中，可以保证其中的一个循环转动箱体7始终处于旋入式长套管的正上方，以此达到不间歇收集的目的。

循环转动箱体7内均设有光学测距单元10和电阻率单元11。光学测距单元10包括激光发射模块和距离侧出模块，激光发射模块包括激光发射器，激光发射器位于循环转动箱体的底部表面。激光发射器发出一道发射光，当发射光遇到海水界面后会进行反射，而遇到气体晶体时则无明显反射机理，然后根据距离侧出模块即可得到在某一时刻海水在箱体内的上升高度，通过上升高度即可得出海水的占比。

电阻率单元11位于循环转动箱体内，电阻率单元包括两根与循环转动箱体的底部固定连接的电阻率探杆12，电阻率探杆12包括数个螺旋电极模块13，螺旋电极模块13包括圆柱形模块主体1301和环绕在模块本体环形外侧的可移动螺旋电极1302，模块主体1301内设有安装槽和连接孔，安装槽内设有连接螺旋电极的导线，连接孔内设有固定杆，螺旋主体与固定杆固定连接，螺旋电极模块沿探杆的轴向排列，从而形成探杆本体。螺旋电极1302的螺距与模块主体1301等高，即每一螺旋电极绕模块主体的环形外侧一整圈，螺旋电极1302的顶端与模块主体1301固定连接。模块主体1301的环形侧壁上设有沿轴向设置的滑动槽1303，电极传动固定件1304滑动设置在滑动槽1303内，各滑动槽1303内的电极传动固定件1304均与传动缆1305固定连接，在传动缆1305的带动下，电极传动固定件1304可以在滑动槽1303内上下滑动。在螺旋电极的二分之一螺距处以及螺旋电极的底部端点处均设有电极传动固定件1304，电极传动固定件1304与螺旋电极1302固定连接。通过螺旋电极中部和底部的两个电极传动固定件1304的滑动，控制螺旋电极1302变形，形成一个闭合的环形电极1306，此时电阻率探杆进入测量模式。

本装置还包括控制机构，控制机构分别与转轴8、光学测距单元10、电阻率单元11、温度传感器4、热激发机构、定向导向通道2电连接。通过控制机构，可以控制转轴8的转动、光学测距单元10和电阻率单元11的启动和关闭、接受温度传感器的温度信息并控制热激发机构的加热温度、热激发机构的旋入和旋出、定向导向通道2的打开和关闭。

将该装置整体装配结束后，借助已有的钻井部分将整套装置旋入钻井中，此时旋入式长套管3的外侧壁与钻井贴合，热激发机构5从旋入式长套管内旋出，插入外侧的土壤中。

第二步，激发指定层位的天然气水合物产生气态物质，打开与处于工作状态的热激发机构对应的定向导向通道2，使该层位产生的气态天然气水合物进入旋入式长套管3内。

将地层由海底边界层设定为N₁层，依次向下按照旋入式长套管的轴向依次设定为N₂，N₃，N₄，……如图3所示。以第N_n层为例，将位于该层位的定向导向通道打开，其余层位的定向导向通道全部关闭。此时经过一段时间后，经气体收集机构可以测出该段时间内的气体泄漏量，从而得到该层位单位时间内的气体泄漏量V₀。

第N_n层初始测量温度T_n下，水中气体分子所受压力为：P＝P₀+ρgh，其中对水气泡的力为F，其中F＝ρShg。气泡上升时，受到浮力与粘滞力的双重影响，且粘滞力随着温度增大而增大。当速度增大到一定值时，粘滞力与浮力相等，根据牛顿粘滞定律与斯托克斯定律表明，在粘滞系数为η的流体中，以速度v运动受到的阻力为f＝6∏ηrv，最终得到气泡的最大上升速率为v_max＝(4∏/3k)(ρ_液-ρ_气)gr，设时间为t_气时气泡的速度达到最大值

设气泡从旋入式长套管的顶端流出后直接进入循环转动箱体内，该层位的定向导向通道与旋入式长套管顶端之间的距离为h_n，此时气泡所走过的路程为

剩余路程所用时间t_余＝(h_n-x₁)/v_max，则忽略热力促进效应时气泡从进入定向导向通道至流入循环转动箱体所用时间t₁＝t_气+t_余。

为控制单一变量，在保持不同激发部分温度相同的情况下，依次启动轴向各层位的热激发机构。在热激发机构的不断加热过程中，该装置邻近土体中的固液态天然气水合物部分不断转化为气态天然气水合物。通过温度传感器4实时监测土壤的温度并将温度值传输至控制机构，通过控制机构使热激发机构产生指定热度，使对应部位的温度达到预期的温度值。

由该层位的热激发机构作用产生的气态天然气水合物由于自身的扩散作用，通过定向导向通道2，由旋入式长套管的外部进入其内部。由于装置外部气态天然气水合物的压力较大，进入套管内的气体无法再通过该通道溢出。同时由于气体密度远小于空气密度与海水密度，且气体温度处于较高的状态，所以气态天然气水合物会在套管内不断上升，直到上升至顶部的气体收集机构。

设第N_n层初始测量温度为T_n，该数据有温度传感器4精准获取。在任意t时刻，通过控制机构启动热激发机构，设热激发机构的增温系数为固定值λ，则加热到标准温度T₀的时间记为t₂，

热激发机构在加热温度达到T₀后持续加热一段时间，该时间记为t₃。

第三步，循环转动箱体对气态天然气水合物进行收集，通过光学测距单元10和电阻率单元11，对箱体内的成分及含量进行分析并记录。

当气态天然气水合物上升至旋入式长套管的顶部时，直接流入开口朝向旋入式长套管的循环转动箱体内，由于天然气水合物自身的性质，在循环转动箱体内，部分气态天然气水合物凝结成颗粒态固体附着于箱体的内表面。随着气态天然气水合物量的不断累积，循环转动箱体7所受的浮力不断增大，当浮力大于箱体重力后，在浮力的作用下，循环转动箱体7将绕转轴8自动翻转，此时已经收集满的箱体转换为替补工位，其他替补工位的循环转动箱体转动至收集工位，继续进行收集。

在某一特殊情况即某一层位激发出的气态天然气水合物的体积大于循环转动箱体7内的气体容纳体积，此时上升进入箱体内的气体对循环转动箱体产生向上的浮力，当箱体内的气体不断增加时浮力也相应的增大。可以通过计算箱体内气体充满时产生的浮力大小，从而对应设定循环转动箱体的重量，以保证循环转动箱体内充满气体后，由于浮力大于重力而进行自动翻转。

设单个循环转动箱体的自重为G，当气体不断进入循环转动箱体7后，未转化为晶体颗粒物的气态天然气水合物不断在箱体内累积，设循环转动箱体7受气体作用所产生的浮力为F_浮，单个箱体的总承载体积为V_总，气体部分所占体积为V_气，则

F_浮＝ρ_气gV_气+ρ_液g(V_总-V_气)，

其中，ρ_气、ρ_液均为固定值，当F_浮＝G时，循环转动箱体在浮力作用下迅速自动翻转。

通过箱体内的光学测距单元，根据反光性的差异进行对晶体颗粒物、气体和液体的成分判定。由于晶体颗粒物与气体的电阻率差异较为明显，且晶体颗粒物和气态物质都位于整个箱体的上位处，通过箱体内的电阻率单元，采用垂向电阻率法进行两者各自含量的测定。

在箱体翻转的非最终阶段，设电阻率单元给出的晶体颗粒物的所占高度为h_固，气体部分所占高度为h_气，单个循环转动箱体的总高度为h，在此过程中，晶体颗粒物所占的含量为M，

其中，ρ_固为固定值，设气体所占含量为M_气，

将其中的气态物质含量按照164:1的比例进行换算，得出原储层内含有的天然气水合物的晶体的量，设储层内未激发时原有的天然气水合物的量为M_总，

M＝M_固+M_气/164。

设箱体翻转的最终阶段为第L次，除了晶体颗粒物与气态物质以外，箱体内还有大量的海水填充，通过光学测距单元测得的海水面高度为h_水，此时箱体总充满了水、气、固三者的混合物，则

h_总＝h_水+h_气+h_固，

在此过程中，晶体颗粒物所占的含量为M_固，

气体所占含量为M_气，

M＝M_固+M_气/164。

由于储层天然气水合物本身具有一定的泄漏量，因此需要将泄漏量扣除，实际上L-1阶段收集的天然气水合物总量为

M_L′_-1＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

同理，

M_L′＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

将该周期内数次翻转进行加和得到

从而可以得到第n层位的激发储层内的天然气水合物含量。

待热激发机构停止工作后，持续监测该层位的温度消散，为方便运算，假设热激发机构的散热系数为固定值λ′，当温度由T₀回复到初始测量温度T_n时，设该段时间为t₄，

从热激发机构开始工作到热激发机构停止工作，最后经由热激发产生的气泡仍处于上升状态，气泡的上升时间与第二步中计算得到的气泡在阻力环境中上升所需时间t₁相同，到此为止该周期内热激发机构的收集工作已经全部完成。因此一个收集周期的总时长t为

t_总＝t₁+t₂+t₃+t₄。

每个收集周期结束后，关闭定向导向通道，气体收集机构会自动翻转，以此来清空循环转动箱体内残留的天然气水合物，为实现下一个周期的天然气水合物的精确收集做准备。

第四步，重复步骤一至步骤三，得到其他各层位的激发储层内的天然气水合物含量。

重复步骤一至步骤三，得到其他各层位的激发储层内的天然气水合物含量，从而完成对任意储层天然气水合物的赋存与含量的精确统计和评估。

以上对本发明所提供的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1.将整个装置装配成整体并旋入海底钻井中：

所述装置包括气体收集机构和旋入式长套管，气体收集机构固定于旋入式长套管的上方，旋入式长套管呈管状，旋入式长套管的侧壁沿其轴向间隔固定有数组热激发机构，每组热激发机构包括位于同一水平方向且沿长套管的环向均匀间隔设置的数个热激发器；

所述旋入式长套管的侧壁上还设有温度传感器和数组定向导向通道，数组定向导向通道沿旋入式长套管的轴向间隔设置，且在每组热激发机构的上方均设有温度传感器和一组定向导向通道，每组定向导向通道包括沿位于同一水平方向且沿长套管的圆周方向均匀间隔设置的数个定向导向通道；

所述气体收集机构包括上部固定外壳、转轴、以及固定在转轴上的数个循环转动箱体，上部固定外壳与旋入式长套管的顶部固定连接，转轴与上部固定外壳转动连接，循环转动箱体内设有收集腔，循环转动箱体的一侧设有开口，数个循环转动箱体沿转轴的环形外侧均匀间隔设置，且各循环转动箱体之间通过底部对应的一侧侧边固定连接，当某个循环转动箱体转动至最底部时，循环转动箱体的开口位于旋入式长套管的顶部开口的正上方，此时该循环转动箱体呈倒扣状，转轴位于数个循环转动箱体的连接处，循环转动箱体内设有光学测距单元和电阻率单元；

所述装置旋入钻井中，旋入式长套管的外侧壁与钻井贴合，热激发机构从旋入式长套管内旋出，插入外侧的土壤中；

S2.激发指定层位的天然气水合物产生气态物质，打开与处于工作状态的热激发机构对应的定向导向通道，使该层位产生的气态天然气水合物进入旋入式长套管内:

将地层由海底边界层设定为N₁层，依次向下按照旋入式长套管的轴向依次设定为N₂，N₃，N₄……,将位于第N_n层位的定向导向通道打开，其余层位的定向导向通道全部关闭,经过指定时间后，经气体收集机构测出该段时间内的气体泄漏量，从而得到该层位单位时间内的气体泄漏量V₀；

在保持不同激发部分温度相同的情况下，依次启动轴向各层位的热激发机构，在热激发机构的不断加热过程中，邻近土体中的固液态天然气水合物部分不断转化为气态天然气水合物；

由该层位的热激发机构作用产生的气态天然气水合物由于自身的扩散作用，通过定向导向通道，进入旋入式长套管内部，气态天然气水合物会在套管内不断上升，直到上升至顶部的气体收集机构；

S3.循环转动箱体对气态天然气水合物进行收集，通过光学测距单元和电阻率单元，对箱体内的成分及含量进行分析并记录:

设单个循环转动箱体的自重为G，当气体不断进入循环转动箱体后，未转化为晶体颗粒物的气态天然气水合物不断在箱体内累积，设循环转动箱体受气体作用所产生的浮力为F_浮，单个箱体的总承载体积为V_总，气体部分所占体积为V_气，则

F_浮＝ρ_气gV_气+ρ_液g(V_总-V_气)，

其中，ρ_气、ρ_液均为固定值，当F_浮＝G时，循环转动箱体在浮力作用下迅速自动翻转；

在箱体翻转的非最终阶段，设电阻率单元给出的晶体颗粒物的所占高度为h_固，气体部分所占高度为h_气，单个循环转动箱体的总高度为h，在此过程中，晶体颗粒物所占的含量为M固，

其中，ρ_固为固定值，设气体所占含量为M_气，

将其中的气态物质含量按照164:1的比例进行换算，得出原储层内含有的天然气水合物的晶体的量，设储层内未激发时原有的天然气水合物的量为M，

M＝M_固+M_气/164

设箱体翻转的最终阶段为第L次，除了晶体颗粒物与气态物质以外，箱体内还有大量的海水填充，通过光学测距单元测得的海水面高度为h_水，此时箱体总充满了水、气、固三者的混合物，则

h_总＝h_水+h_气+h_固，

晶体颗粒物所占的含量为M_固，

气体所占含量为M_气，

M＝M_固+M_气/164，

由于储层天然气水合物本身具有一定的泄漏量，将泄漏量扣除，第L-1次收集的天然气水合物总量为

M′_L-1＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

同理，

M′_L＝M_固+(M_气-ρV₀)/164，

将收集周期内数次翻转进行加和得到

从而得到第n层位的激发储层内的天然气水合物含量；

每个收集周期结束后，关闭定向导向通道，气体收集机构会自动翻转，以此来清空循环转动箱体内残留的天然气水合物；

S4.重复S1至S3，得到其他各层位的激发储层内的天然气水合物含量，从而完成对任意储层天然气水合物的赋存与含量的精确统计和评估。

2.根据权利要求1所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，步骤S1中，第N_n层初始测量温度T_n下，水中气体分子所受压力为P，

P＝P₀+ρgh，

其中对水气泡的力为F，其中F＝ρShg，气泡上升时，在粘滞系数为η的流体中，以速度v运动受到的阻力为f＝6∏ηrv，最终得到气泡的最大上升速率为v_max＝(4∏/3k)(ρ_液-ρ_气)gr，设时间为t_气时气泡的速度达到最大值，

设气泡从旋入式长套管的顶端流出后直接进入循环转动箱体内，该层位的定向导向通道与旋入式长套管顶端之间的距离为h_n，此时气泡所走过的路程为

剩余路程所用时间t_余＝(h_n-x₁)/v_max，则忽略热力促进效应时气泡从进入定向导向通道至流入循环转动箱体所用时间t₁＝t_气+t_余；

设第N_n层初始测量温度为T_n，设热激发机构的增温系数为固定值λ，则加热到标准温度T₀的时间记为t₂，

热激发机构在加热温度达到T₀后持续加热指定时间t₃；

待热激发机构停止工作后，持续监测该层位的温度消散，设热激发机构的散热系数为固定值λ′，当温度由T₀回复到初始测量温度T_n时，设该段时间为t₄，

从热激发机构开始工作到热激发机构停止工作，最后经由热激发产生的气泡仍处于上升状态，气泡的上升时间与S2中计算得到的气泡在阻力环境中上升所需时间t₁相同，到此为止该周期内热激发机构的收集工作已经全部完成，因此一个收集周期的总时长t_总为

t_总＝t₁+t₂+t₃+t₄。

3.根据权利要求1所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，步骤S1中，热激发器呈圆柱状，其圆周外表面设有外螺纹，通过外螺纹实现热激发器的旋入或旋出：初始状态下的热激发机构位于旋入式长套管内，热激发机构的外侧与旋入式长套管的外壁平齐；工作过程中，热激发器从旋入式长套管内旋出并插入套管外部的土壤中。

4.根据权利要求1所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，所述光学测距单元包括激光发射模块和距离侧出模块，激光发射模块包括激光发射器，激光发射器位于循环转动箱体的底部表面，激光发射器发出发射光，当发射光遇到海水界面后会进行反射，遇到气体晶体时无明显反射机理，然后根据距离侧出模块得到在某一时刻海水在箱体内的上升高度，通过上升高度得出海水的占比。

5.根据权利要求1所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，所述电阻率单元位于循环转动箱体内，电阻率单元包括两根与循环转动箱体的底部固定连接的电阻率探杆，电阻率探杆包括数个螺旋电极模块，螺旋电极模块包括圆柱形模块主体和环绕在模块本体环形外侧的可移动螺旋电极，模块主体内设有安装槽和连接孔，安装槽内设有连接螺旋电极的导线，连接孔内设有固定杆，螺旋主体与固定杆固定连接，螺旋电极模块沿探杆的轴向排列；

所述螺旋电极的螺距与模块主体等高，螺旋电极的顶端与模块主体固定连接，模块主体的环形侧壁上设有沿轴向设置的滑动槽，电极传动固定件滑动设置在滑动槽内，各滑动槽内的电极传动固定件均与传动缆固定连接，在传动缆的带动下，电极传动固定件在滑动槽内上下滑动；

在螺旋电极的二分之一螺距处以及螺旋电极的底部端点处均设有电极传动固定件，电极传动固定件与螺旋电极固定连接，通过螺旋电极中部和底部的两个电极传动固定件的滑动，控制螺旋电极变形，形成闭合的环形电极，此时电阻率探杆进入测量模式。

6.根据权利要求1所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估方法，其特征在于，步骤S2中，通过温度传感器实时监测土壤的温度，使热激发机构产生指定热度，使对应部位的温度达到预期的温度值。

Images