CN115575599A - 微生物加固水合物储层出砂模型试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置和试验方法，微生物加固水合物储层出砂模型试验装置包括反应釜、注入控制系统、供海水系统、供气系统、供微生物系统、供胶结液系统、开采出砂模拟系统以及传感器组件；传感器组件用于获取加固‑分解过程中水合物储层温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。本方案提供了一种可实时观测微生物加固水合物储层、及水合物开采出砂过程中，水合物储层内渗流场、温度场、变形场、水合物、矿物含量分布演化规律以及产水产气产砂规律和机理的试验装置，以便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案。

Description

微生物加固水合物储层出砂模型试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及水合物储层加固研究技术领域，特别涉及一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置和试验方法。

背景技术

天然气水合物因为其清洁并且储量巨大而受到广泛关注。但水合物储层安全高效开采还受到诸多制约，水合物分解会引起储层的力学稳定性降低，进而导致出砂甚至储层破坏，引发严重的海洋地质灾害。同时，储层大量出砂会引发井口、井筒堵塞、降压泵损坏等工程问题，造成减产停产。针对水合物储层开采过程中的出砂问题，一方面需要弄清楚出砂机理；另一方面需要找到储层加固方法，在水合物分解后仍能够胶结砂粒，保持储层强度。

目前微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)注浆技术作为一种新型绿色环保的土体加固技术被广泛用于土木工程领域。MICP技术具有潜热低、效率高、加固效果好等特点，非常适合用于天然气水合物储层加固。目前尚无使用微生物加固水合物储层，以评估储层力学性能和出砂行为的试验装置。因此，为了研究微生物加固对水合物开采过程中出砂行为及储层力学性能的影响，需要研制一种可实时观测微生物加固水合物储层、及水合物开采出砂过程中，水合物储层内渗流场、温度场、变形场、水合物、矿物含量分布演化规律以及产水产气产砂规律和机理的试验装置，以便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，旨在提供一种可实时观测微生物加固水合物储层、及水合物开采出砂过程中，水合物储层内渗流场、温度场、变形场、水合物、矿物含量分布演化规律以及产水产气产砂规律和机理的试验装置，以便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案。

为实现上述目的，本发明提出的一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，包括：

反应釜，所述反应釜内形成有反应腔，所述反应腔用于放置试验沙土，所述反应腔内安装有井筒，并与所述井筒连通，所述井筒的两端分别贯穿所述反应釜的顶部和底部；

注入控制系统，所述注入控制系统与所述反应腔连通；

供海水系统，所述供海水系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入人工海水；

供气系统，所述供气系统的出气口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；

供微生物系统，所述供微生物系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入菌液；

供胶结液系统，所述供胶结液系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入胶结液；

开采出砂模拟系统，所述开采出砂模拟系统包括分离装置和降压装置，所述分离装置和所述降压装置均连接于所述井筒，所述降压装置用于降低所述反应腔内的压力，以促使所述反应腔内的水合物储层分解，所述分离装置用于采集并分离开采出的产物；

传感器组件，所述传感器组件设于所述反应釜，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

在本发明的一实施例中，所述传感组件包括：

稳压系统，所述稳压系统具有压力传感器，所述压力传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的压力；

温控系统，所述温控系统具有温度传感器，所述温度传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的温度；

剪切波速测量系统，所述剪切波速测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的沉积物强度；

时域反射测量系统，所述时域反射测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的饱和度；

位移监测系统，所述位移监测系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的位移变化。

在本发明的一实施例中，所述时域反射测量系统具有多个时域反射探头，多个所述时域反射探头沿反应釜轴向间隔分布。

在本发明的一实施例中，所述剪切波速测量系统具有多个剪切波速探头，多个所述剪切波速探头沿反应釜轴向间隔分布。

在本发明的一实施例中，所述压力传感器和/或所述温度传感器均设有多个，多个所述压力传感器和/或多个所述温度传感器均沿所述反应釜的轴向间隔分布。

在本发明的一实施例中，所述分离装置包括固液分离器和气液分离器，所述固液分离器的进口连通所述井筒的底部，所述气液分离器的进口通过所述降压装置连通所述井筒的顶部和所述固液分离器的出口。

在本发明的一实施例中，所述固液分离器包括扩容管和集砂罐，所述集砂罐的进口通过所述扩容管连通所述井筒的底部，且所述扩容管的内径大于所述井筒的内径，所述集砂罐的出口通过所述降压装置连通所述气液分离器的进口。

在本发明的一实施例中，所述集砂罐的侧壁设有透明观察窗；所述固液分离器还包括拍照相机，所述拍照相机的拍摄口朝向所述透明观察窗设置；

和/或，所述集砂罐的出口盖设有滤网。

在本发明的一实施例中，所述反应釜包括釜体、上端盖以及下端盖，所述上端盖和所述下端盖分别盖设于所述釜体的顶部和底部，并与所述釜体围合形成所述反应腔；

所述上端盖开设有间隔设置的第一注入口和第一外接口，所述下端盖开设有间隔设置的第二注入口和第二外接口，所述井筒的顶部和底部分别穿设于所述第一外接口和所述第二外接口，所述注入控制系统通过所述第一注入口和/或所述第二注入口与所述反应腔连通。

在本发明的一实施例中，所述釜体包括多个釜体单元，多个所述釜体单元沿竖直方向依次堆叠。

本发明还提出一种基于如上所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

将试验沙土装入反应腔内压实密封，向所述反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜内的温度和压力调节至预设的温度和压力；

将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；

向所述反应腔内注入菌液；

分多次向所述反应腔内注入胶结液，以使所述反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；

通过所述开采出砂模拟系统降低所述反应釜内的压力，以使反应釜内的水合物储层分解，以采集并分离开采出的产物；

获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

本发明的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，可首先向反应釜的反应腔内加入试验沙土，并通过供海水系统和供气系统分别向反应腔内加入人工海水和甲烷或者二氧化碳气体，同时将压力和温度调节为海洋储层近似条件，以形成初始海底水合物储层模型；然后通过供微生物系统和供胶结液系统分别向反应腔内加入菌液和胶结液，以对反应腔内的水合物储层进行加固，随即利用开采出砂模拟系统对水合物储层进行水合物降压分解。在此过程中，便可通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器、剪切波速测量系统、时域反射测量系统、位移监测系统等)来获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。

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，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置一实施例中上端盖的俯视图；

图3为本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置一实施例中下端盖的仰视图；

图4为本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置一实施例中釜体的剖视图；

图5为本发明基于微生物加固水合物储层出砂模型试验装置的试验方法一实施例的流程图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100，旨在提供一种可实时观测微生物加固水合物储层、及水合物开采出砂过程中，水合物储层内渗流场、温度场、变形场、水合物、矿物含量分布演化规律以及产水产气产砂规律和机理的试验装置，以便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案。

以下将就本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100的具体结构进行说明：

结合参阅图1至图4，在本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100的一实施例中，该微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100包括反应釜10、注入控制系统20、供海水系统30、供气系统40、供微生物系统50、供胶结液系统60、开采出砂模拟系统130、传感器组件；

反应釜10内形成有反应腔，反应腔用于放置试验沙土，反应腔内安装有井筒14，并与井筒14连通，井筒14的两端分别贯穿反应釜10的顶部和底部；注入控制系统20与反应腔连通；供海水系统30的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入人工海水；供气系统40的出气口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；供微生物系统50的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入菌液；供胶结液系统60的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入胶结液；开采出砂模拟系统130包括分离装置131和降压装置132，分离装置131和降压装置132均连接于井筒14，降压装置132用于降低反应腔内的压力，以促使反应腔内的水合物储层分解，分离装置131用于采集并分离开采出的产物；传感器组件设于反应釜10，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

可以理解的是，本发明的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100，可首先向反应釜10的反应腔内加入试验沙土，并通过供海水系统30和供气系统40分别向反应腔内加入人工海水和甲烷或者二氧化碳气体，同时将压力和温度调节为海洋储层近似条件，以形成初始海底水合物储层模型；然后通过供微生物系统50和供胶结液系统60分别向反应腔内加入菌液和胶结液，以对反应腔内的水合物储层进行加固，随即利用开采出砂模拟系统130对水合物储层进行水合物降压分解。在此过程中，便可通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统90、时域反射测量系统110、位移监测系统120等)来获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。

具体地，反应釜10用于装填试验沙土，以提供反应环境；供海水系统30可以通过注入控制系统20中的第一增压泵和第一液体流量计21，经由反应釜10顶部或底部的预留开口与反应腔连通，以向反应腔内注入海水；供气系统40可以通过注入控制系统20中的第二增压泵、气路稳定罐、第一气体流量计22以及PID压力控制器23，经由反应釜10顶部或底部的预留开口与反应腔连通，以向反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；供微生物系统50可以通过注入控制系统20中的第三增压泵和第二液体流量计24，经由反应釜10顶部或底部的预留开口与反应腔连通，以向反应腔内加入菌液；供胶结液系统60可以通过注入控制系统20中的第四增压泵和第三液体流量计25，经由反应釜10顶部或底部的预留开口与反应腔连通，以向反应腔内加入胶结液；其中，供海水系统30还包括多个管路；第一增压泵和第一液体流量计21设置在连接供海水系统30和反应釜10的管路上；第二增压泵、气路稳定罐、第一气体流量计22以及PID压力控制器23设置在连接供气系统40与反应釜10的管路上；第三增压泵和第二液体流量计24设置在连接供微生物系统50和反应釜10的管路上；第四增压泵和第三液体流量计25设置在连接供胶结液系统60与反应釜10的管路上。

开采出砂模拟系统130中的分离装置131可以用于采集并分离开采处的产物，以分离固态、液体以及气态产物，并可获取固态、液体以及气态产物各自的产量，并上传至数据采集系统(例如电脑、手机等终端)中进行数据处理，经过数据处理后便可得到水合物储层的含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分等分布。

结合参阅图1，在一实施例中，传感器组件包括稳压系统70、温控系统80、剪切波速测量系统90、时域反射测量系统110、位移监测系统120；稳压系统70具有压力传感器，压力传感器设于反应釜10内，用于实时测量反应腔内的压力；温控系统80具有温度传感器81，温度传感器81设于反应釜10内，用于实时测量反应腔内的温度；剪切波速测量系统90用于实时监测反应腔内水合物储层的沉积物强度；时域反射测量系统110用于实时监测反应腔内水合物储层的饱和度；位移监测系统120用于实时监测反应腔内水合物储层的位移变化。

并且，还可以通过数据采集系统采集注入控制系统20、供海水系统30、供气系统40、供微生物系统50、供胶结液系统60、稳压系统70、温控系统80、剪切波速测量系统90等各个系统上的数据并实时显示，以便于实验人工实时观察各个数据参数的变化。

井筒14的筒壁上可以开设有开采口141，以使井筒14通过开采口141连通于反应腔。

位移监测系统120包括位移传感器，位移传感器具体为采用改造后的位移传感器测量顶部沉积物变形；改造后的位移传感器是指在线性可变差动变压器(LVDT)的尖端固定有圆形不可压薄片，以防止LVDT尖端置入水合物储层中，而影响测量精度。并且，位移传感器可以设置在反应釜10的顶部，且位移传感器的感应口朝向反应釜10设置，以通过位移传感器测量在加固和分解开采过程中，水合物储层的变形情况，以得出更加准确的物性参数的变化。

在本实施例中，在试验过程中，可通过稳压系统70中的压力传感器来调控反应腔内的压力，使得反应腔内的压力调至研究海域深度所对应的预设压力，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。

同样地，在试验过程中，可通过温控系统80中的温度传感器81来调控反应腔内的温度，使得反应腔内的温度调至研究海域深度所对应的预设温度，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。

由于在试验过程中，反应釜10内的压力较大，为了便于人工海水可顺利地注入反应腔内，可在反应釜10上设置有放空阀，当需要注入人工海水时，首先打开放空阀，以使反应腔内的压力与大气压保持一致，便可向反应腔内顺利注入人工海水；另外，放空阀的设置还可便于实验结束后对反应釜10进行卸压。

供微生物系统50中的菌液的具体配置方法为：将巴氏芽孢杆菌Sporosarcinapasteurii以冻干粉的状态真空干燥保藏于安踣瓶，首先配置好液体培养基，液体培养基成分为酵母粉20g/L，NH₄Cl 10g/L，MnSO₄·H₂O 10mg/L，NiCl·6H₂O 24mg/L，并用1M的NaOH调节至pH＝9.0。将液体培养基经121℃，30min条件下高温蒸汽灭菌后，放入无菌操作台冷却待用，用酒精灯加热安踣瓶上部，然后滴几滴水使之破裂，用镊子取出内管，打开棉塞。用无菌移液器吸取1mL液体培养基注入内管中，使冻干粉溶解，将溶解后的巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii倒入6mL液体培养基的培养管中，混合均匀得到菌液。

供胶结液系统60中胶结液的具体配置方法为：将CaCl₂和尿素溶解于水，配制成0.5M的CaCl₂和0.75M的尿素混合液，同时补充3g/L的牛肉膏，即得到胶结液。

结合参阅图1，在一实施例中，分离装置131包括固液分离器1311和气液分离器1312，固液分离器1311的进口连通井筒14的底部，气液分离器1312的进口通过降压装置132连通井筒14的顶部和固液分离器1311的出口。

如此设置，在降压装置132的作用下便可降低反应腔内的压力，以促使反应腔内的水合物储层进行分解，以在低压下开采出在分解过程中生成的产物，开采出的产物中，固态和液态混合的产物便可以通过固液分离器1311进行采集，而气态和液态混合的产物便可以通过气液分离器1312进行采集，其中，固液分离器1311采集到固态和液态混合的产物后可以对产物进行固态和液态的分离，且气液分离器1312采集到气态和液态混合的产物后可以对产物进行气态和液态的分离，便可以获取产物中固态、液态以及气态的含量以及固态、液态以及气态的采集速率，进而获取在降压分解过程中水合物储层的含水量、水合物饱和度、储层强度等参数的变化。

进一步地，结合参阅图1，在本发明微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100的一实施例中，固液分离器1311包括扩容管1311a和集砂罐1311b，集砂罐1311b的进口通过扩容管1311a连通井筒14的底部，且扩容管1311a的内径大于井筒14的内径，集砂罐1311b的出口通过降压装置132连通气液分离器1312的进口。

如此设置，集砂罐1311b的进口通过扩容管1311a连通井筒14的底部，且扩容管1311a的内径大于井筒14的内径，便可以避免具有固态(砂石)的产物在流向集砂罐1311b的过程中堵塞集砂罐1311b的进口，并且，还可使得产物在经过内径较大的扩容管1311a时可以减缓产物的流速，以使产物在流向集砂罐1311b后可以更好地沉降在集砂罐1311b的底部；同时，在降压装置132的作用下可以降低集砂罐1311b内部的压力，以使集砂罐1311b中的液态产物通过集砂罐1311b的出口流向气液分离器1312中，便实现了产物的固液分离。

进一步地，结合参阅图1，在一实施例中，集砂罐1311b的侧壁设有透明观察窗；固液分离器1311还包括拍照相机1311c，拍照相机1311c的拍摄口朝向透明观察窗设置；如此，便可以通过拍照相机1311c拍摄记录在开采过程中收集到的固态产物的高度，并将该参数传输至数据采集系统，最后通过数据采集系统将得到的高度乘以集砂罐1311b的横截面积即可得到固态产物的含量。

并且，在一实施例中，通过在集砂罐1311b的出口盖设有滤网，便可以将固态产物隔离在集砂罐1311b中，以避免固态产物由集砂罐1311b的出口流向气液分离器1312中。

结合参阅图1至图3，在一实施例中，反应釜10包括釜体11、上端盖12以及下端盖13，上端盖12和下端盖13分别盖设于釜体11的顶部和底部，并与釜体11围合形成反应腔；上端盖12开设有间隔设置的第一注入口121和第一外接口122，下端盖13开设有间隔设置的第二注入口131和第二外接口132，井筒14的顶部和底部分别穿设于第一外接口122和第二外接口132，注入控制系统20通过第一注入口121和/或第二注入口131与反应腔连通。

如此设置，在组装过程中，便可以先将下端盖13安装至釜体11的底部，然后将需要安装在反应腔内的各个结构(稳压系统70、温控系统80、剪切波速测量系统90、时域反射测量系统110)安装至反应腔后，再将上端盖12安装至釜体11的顶部，以形成反应釜10，从而便于各个结构的安装。

本实施例中，第一注入口121可以设置有多个，第二注入口131也可以设置有多个，以使在通过注入控制系统20向反应腔内加入不同材料时，可以使不同材料通不同的第一注入口121或不同的第二注入口131加入反应腔内。

具体地，上端盖12与釜体11之间可以通过法兰螺栓进行连接，同样地，下端盖13与釜体11之间同样可以通过法兰螺栓进行连接。

进一步地，为了保证反应腔的密封性，可以在上端盖12与釜体11的上端面之间设置有第一密封圈，并且，为了保证第一密封圈的安装稳定性，还可以在上端盖12和/或釜体11的上端面上开设有安装第一密封圈的第一凹槽；同样地，也可以在下端盖13与釜体11的下端面之间设置有第二密封圈，并且，为了保证第二密封圈的安装稳定性，还可以在下端盖13和/或釜体11的下端面上开设有安装第二密封圈的第二凹槽。

进一步地，结合参阅图1，在一实施例中，釜体11包括多个釜体单元111，多个釜体单元111沿竖直方向依次堆叠；如此，便可以根据需要选择不同数量的釜体单元111来组装形成釜体11，以形成不同尺寸的釜体11，从而满足在釜体11不同尺寸的条件下水合物储层相关的反应。

具体地，相邻的两个釜体单元111之间可以通过法兰螺栓进行连接，并且，为了保证反应腔的密封性，可以在相邻的两个釜体单元111之间设置有第三密封圈，并且，为了保证第三密封圈的安装稳定性，还可以在相邻的两个釜体单元111中的至少一个釜体单元111上开设有安装第三密封圈的第三凹槽。为了进一步保证反应腔的密封性，还可以在相邻的两个釜体单元111之间的接缝处涂抹凡士林以消除接缝。

结合参阅图1，在一实施例中，时域反射测量系统110具有多个时域反射探头111，多个时域反射探头111沿反应釜10轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的饱和度会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，通过在反应腔内间隔分布有多个时域反射探头111，便可以通过多个时域反射探头111来获取水合物储层在不同位置的水合物饱和度，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。

具体地，时域反射测量系统110还包括时域反射控制器，以通过时域反射控制器控制时域反射探头111工作。

同样地，剪切波速测量系统90具有多个剪切波速探头91，多个剪切波速探头91沿反应釜10轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的沉积物强度会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，通过在反应腔内间隔分布有多个剪切波速探头91，便可以通过多个剪切波速探头91来获取水合物储层在不同位置的沉积物强度，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。

具体地，时域反射测量系统110还包括剪切波速控制器，以通过剪切波速控制器控制剪切波速探头91工作。

同样地，压力传感器和/或温度传感器81均设有多个，多个压力传感器和/或多个温度传感器81均沿反应釜10的轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的压力、温度等参数会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，便可以通过多个压力传感器和多个温度传感器81分别来获取水合物储层在不同位置的压力、温度等参数的变化，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。

进一步地，结合参阅图4，在一实施例中，时域反射探头111包括时域反射发射器1111和时域反射接收器1112，在同一时域反射探头111中，时域反射发射器1111与时域反射接收器1112之间的连线不经过反应釜10的轴心；由于井筒14设置在反应釜10的轴心位置，且井筒14与反应釜10同轴设置，如此，通过使时域反射发射器1111与时域反射接收器1112之间的连线不经过反应釜10的轴心，便可避免井筒14影响时域反射探头111的正常工作，以使时域反射接收器1112可以接收到时域反射发射器1111发出的信号。

同样地，剪切波速探头91包括剪切波发射器911和剪切波接收器912，在同一剪切波速探头91中，在同一剪切波速探头91中，剪切波发射器911与剪切波接收器912之间的连线不经过反应釜10的轴心；由于井筒14设置在反应釜10的轴心位置，且井筒14与反应釜10同轴设置，如此，通过使剪切波发射器911与剪切波接收器912之间的连线不经过反应釜10的轴心，便可避免井筒14影响剪切波速探头91的正常工作，以使剪切波接收器912可以接收到剪切波发射器911发出的信号。

进一步地，结合参阅图4，在一实施例中，在同一时域反射探头111中，定义时域反射发射器1111与反应釜10轴心的连线为第一连线，时域反射接收器1112与反应釜10轴心的连线为第二连线，第一连线与第二连线之间的夹角为α，则满足条件：0°<α<170°；由于井筒14具有一定的尺寸，如此，通过使第一连线与第二连线之间的夹角控制在0°～170°之间，便可充分避免井筒14影响时域反射探头111的正常工作，以使时域反射接收器1112可以接收到时域反射发射器1111发出的信号。

并且，为了保证检测的精度，可以使时域反射接收器1112与时域反射发射器1111之间的距离大于2cm。

同样地，在同一剪切波速探头91中，定义剪切波发射器911与反应釜10轴心的连线为第三连线，剪切波接收器912与反应釜10轴心的连线为第四连线，第三连线与第四连线之间的夹角为β，则满足条件：0°<β<170°；由于井筒14具有一定的尺寸，如此，通过使第三连线与第四连线之间的夹角控制在0°～170°之间，便可充分避免井筒14影响剪切波速探头91的正常工作，以使剪切波接收器912可以接收到剪切波发射器911发出的信号。

并且，为了保证检测的精度，可以使剪切波接收器912与剪切波发射器911之间的距离大于2cm。

进一步地，在一实施例中，反应釜10的侧壁开设有多个间隔设置的安装口，多个安装口分别用于安装时域反射发射器1111、时域反射接收器1112、剪切波发射器911以及剪切波接收器912。

如此设置，在组装过程中，便可以将时域反射发射器1111、时域反射接收器1112、剪切波发射器911以及剪切波接收器912分别安装至反应釜10侧壁上的多个安装口处。

当然，压力传感器和温度传感器81可以分别安装在反应釜10侧壁上对应的安装口处。

进一步地，结合参阅图1，在一实施例中，温控系统80还包括恒温装置82，恒温装置82以无水乙醇为循环介质，用于调控反应腔内的温度。如此设置，在试验过程中，可通过恒温装置82调控反应腔内的温度，使得反应腔内的温度调至与研究海域深度所对应的温度，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。

进一步地，结合参阅图1，在一实施例中，恒温装置82包括壳体821、温控器822、进液管以及出液管；壳体821内形成有安装腔，反应釜10设于安装腔内，且反应釜10的外表面与安装腔的腔壁之间形成有循环制冷空间，用于输入无水乙醇，壳体821还设有连通循环制冷空间的进液口和出液口；温控器822设于壳体821的外部，并具有温控室；进液管的出口和入口分别与进液口和温控室连通；出液管的入口和出口分别与出液口和温控室连通。

如此设置，首先通过温控器822控制温控室内无水乙醇(无水乙醇)的温度，当温控室内无水乙醇的温度调节至所需温度后，便通过进液管将无水乙醇输送至循环制冷空间内，以通过循环制冷空间内的无水乙醇对反应釜10进行温度调控，然后循环空间内的无水乙醇将通过出液管回流至温控室中，如此，便可通过温控室、进液管、循环制冷空间以及出液管之间形成循环流道，以对反应釜10进行温度调控，便可使得反应腔内的温度调至与研究海域深度所对应的温度，以模拟实际环境。

并且，壳体821为防爆釜，由于实际的研究海域深度所对应的压力较高，因此在试验过程中，反应釜10内的压力也需设置较高的压力，如此，通过将反应釜10设置在防爆釜的安装腔内，便可保护实验员的人身安全，防止在试验过程中反应釜10发生爆炸，而伤害实验员。

当然，在其他实施例中，也可直接在反应釜10内设置制冷片，以通过制冷片调控反应釜10内的温度。

结合参阅图5，本发明还提出一种基于如上所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100的试验方法，试验方法包括以下步骤：

S10，将试验沙土装入反应腔内压实密封，向反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜10内的温度和压力调节至预设的温度和压力(研究海域深度对应的温度和压力)；

具体地，实验员首先将混合好的试验沙土装填至反应腔内，然后打开供海水系统30对应的第一增压泵，以通过第一增压泵将人工海水加入反应腔内，同时，通过第一液体流量计21计算人工海水的加入量，当加入量达到预设值时，关闭对应的第一增压泵，以停止向反应腔内加入人工海水；然后，通过温控系统80和稳压系统70将反应釜10内的温度和压力分别调节至预设的温度和压力(研究海域深度对应的温度和压力)，随后保持24h，以确保压力和温度对实验土体材料产生的扰动影响完全消失，此时，通过多功能传感器(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统90、时域反射测量系统110、位移监测系统120等)检测土体材料的初始物性参数。

并且，在装填试验沙土之前，需要检查微生物加固水合物储层出砂模型试验装置100的密封性，例如，反应釜10中反应腔的密封性、各个系统与反应釜10连接管路的密封性等等。

在装填试验沙土之后，并在注入人工海水之前，需要在试验沙土上铺设一层弱透水的黏土材料，然后对反应釜10和各个管路进行抽真空；

S20，将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；

具体地，打开供气系统40对应的第二增压泵，以通过对应的第二增压泵将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，随后保持温度、压力不变并稳定72h，以保证水合物储层的生成，并通过时域反射测量系统110探测生成的水合物储层饱和度；

S30，向反应腔内注入菌液；

具体地，打开供微生物系统50对应的第三增压泵，以通过对应的第三增压泵将菌液加入反应腔内，静置12h；

S40，分多次向反应腔内注入胶结液，以使反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；

具体地，打开供胶结液系统60对应的第四增压泵，以通过对应的第四增压泵29将胶结液第一次加入反应腔内，此后每隔24h后加入一次胶结液；

S50，通过开采出砂模拟系统130降低反应釜10内的压力，以使反应釜10内的水合物储层分解，以采集并分离开采出的产物；

具体地，开采出砂模拟系统130中的降压装置132工作，以使反应腔内形成低压环境，便可以在设定的降压幅度和降压速率的基础上，促使反应腔内水合物储层进行水合物分解，以通过开采出砂模拟系统130中的分离装置131采集并分离开采出的产物，以将产物分离出气态、液态以及固态产物，并记录生产速率；

S60，获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

具体地，通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统90、时域反射测量系统110、位移监测系统120等)来获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，便于找到利用MICP技术进行天然气水合物安全高效开发的最优方案，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，包括：

反应釜，所述反应釜内形成有反应腔，所述反应腔用于放置试验沙土，所述反应腔内安装有井筒，并与所述井筒连通，所述井筒的两端分别贯穿所述反应釜的顶部和底部；

注入控制系统，所述注入控制系统与所述反应腔连通；

供海水系统，所述供海水系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入人工海水；

供气系统，所述供气系统的出气口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；

供微生物系统，所述供微生物系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入菌液；

供胶结液系统，所述供胶结液系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入胶结液；

开采出砂模拟系统，所述开采出砂模拟系统包括分离装置和降压装置，所述分离装置和所述降压装置均连接于所述井筒，所述降压装置用于降低所述反应腔内的压力，以促使所述反应腔内的水合物储层分解，所述分离装置用于采集并分离开采出的产物；

传感器组件，所述传感器组件设于所述反应釜，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

2.如权利要求1所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述传感组件包括：

稳压系统，所述稳压系统具有压力传感器，所述压力传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的压力；

温控系统，所述温控系统具有温度传感器，所述温度传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的温度；

剪切波速测量系统，所述剪切波速测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的沉积物强度；

时域反射测量系统，所述时域反射测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的饱和度；

位移监测系统，所述位移监测系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的位移变化。

3.如权利要求2所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述时域反射测量系统具有多个时域反射探头，多个所述时域反射探头沿反应釜轴向间隔分布；

和/或，所述剪切波速测量系统具有多个剪切波速探头，多个所述剪切波速探头沿反应釜轴向间隔分布。

4.如权利要求2所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述压力传感器和/或所述温度传感器均设有多个，多个所述压力传感器和/或多个所述温度传感器均沿所述反应釜的轴向间隔分布。

5.如权利要求1所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述分离装置包括固液分离器和气液分离器，所述固液分离器的进口连通所述井筒的底部，所述气液分离器的进口通过所述降压装置连通所述井筒的顶部和所述固液分离器的出口。

6.如权利要求5所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述固液分离器包括扩容管和集砂罐，所述集砂罐的进口通过所述扩容管连通所述井筒的底部，且所述扩容管的内径大于所述井筒的内径，所述集砂罐的出口通过所述降压装置连通所述气液分离器的进口。

7.如权利要求6所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述集砂罐的侧壁设有透明观察窗；所述固液分离器还包括拍照相机，所述拍照相机的拍摄口朝向所述透明观察窗设置；

和/或，所述集砂罐的出口盖设有滤网。

8.如权利要求1所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述反应釜包括釜体、上端盖以及下端盖，所述上端盖和所述下端盖分别盖设于所述釜体的顶部和底部，并与所述釜体围合形成所述反应腔；

所述上端盖开设有间隔设置的第一注入口和第一外接口，所述下端盖开设有间隔设置的第二注入口和第二外接口，所述井筒的顶部和底部分别穿设于所述第一外接口和所述第二外接口，所述注入控制系统通过所述第一注入口和/或所述第二注入口与所述反应腔连通。

9.如权利要求8所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置，其特征在于，所述釜体包括多个釜体单元，多个所述釜体单元沿竖直方向依次堆叠。

10.一种基于如权利要求1至9中任一项所述的微生物加固水合物储层出砂模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

将试验沙土装入反应腔内压实密封，向所述反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜内的温度和压力调节至预设的温度和压力；

将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；

向所述反应腔内注入菌液；

分多次向所述反应腔内注入胶结液，以使所述反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；

通过所述开采出砂模拟系统降低所述反应釜内的压力，以使反应釜内的水合物储层分解，以采集并分离开采出的产物；

获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

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