CN116201523A - 精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，包括高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体，本发明能够通过储层圈闭子模块分隔水合物储层模型和上覆水层，在超重力下实现开采过程中上覆水压力和开采井压力的独立控制、储层温度边界和地温梯度的准确模拟，可以真实准确模拟深海原位大尺度水合物储层开采过程中恒定上覆海水压力和真实温度场对水合物分解产气进程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程和能源工程领域超重力物理模拟实验装置，特别是精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置。
背景技术
天然气水合物是由自然界的气体分子(主要为甲烷)和水分子在高压低温条件下生成的笼形结晶化合物，天然气水合物分解时，标准条件下1m3天然气水合物可释放约164m3的甲烷气体，因其巨大的资源潜力，被认为是21世纪最有潜力替代常规油气的清洁能源。
海源水合物一般赋存于千米级水深、百米级埋深沉积物中，储层厚度达数十米，储层强度、稳定等特性受重力场影响显著，水合物降压开采过程中，开采井周边储层压力与上覆水压差可达10MPa，从而改变储层变形、渗流等特性，同时由于受地温梯度影响，水合物储层内不同深度处存在显著温差，调查显示神狐海域原位储层地温梯度达43-67℃/km，造成不同深度处水合物分解特性存在差异；为探索海洋环境中水合物相变分解诱发多相多场耦合作用机理，评估商业开采技术的可行性，中国和日本均开展了海域水合物原位试采试验；但原位储层物理环境极端，现场实验难度大、成本高，因此物理模拟实验成为研究天然气水合物开采特性的重要手段；目前水合物开采模拟装置多为常重力实验装置，无法模拟大尺度储层土骨架有效应力场，不考虑上覆水压控制，实验过程中上覆水压力随模型降压快速下降，导致储层模型总应力突变，此外，相关装置往往缺乏地温梯度的模拟，难以准确再现原位储层内水合物分解导致模型温度快速降低后的热传导和热对流过程。
因此，要保障室内天然气水合物模型实验的科学性及有效性，首先要解决的便是储层模型物理环境与边界条件的准确控制，其中重力场、压力场、温度场是影响原位大尺度水合物储层长历时开采多相多场相互作用过程的三个关键因素，在还原大尺度储层应力梯度的基础上，同时有效维持储层上覆水压力、再现储层梯度温度环境，仍是目前海洋天然气水合物开采模拟装置的瓶颈难题。
发明内容
为真实模拟大尺度水合物储层长历时开采过程，本发明的目的在于提供一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置，能够搭载于土工离心机上，在超重力条件下研究天然气水合物开采特性及灾变效应。
本发明能综合模拟深海天然气水合物储层在原位大尺度自重应力场、储层上覆水压力和地温梯度影响下的水合物分解产气过程和储层力学响应，实现该功能主要通过在超重力条件下精确控制模型温度和压力环境并模拟水合物开采过程。所述超重力条件是指利用离心机装置旋转产生n倍于地球重力加速度g的ng超重力实验条件。
本发明采用技术方案如下：
一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置，包括高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体，所述的容器筒体为圆柱形的容器，所述容器筒体顶部设有容器顶盖，所述容器筒体与所述容器顶盖通过高强螺栓相连。
进一步地，所述高压容器可承受0～40MPa的压力，所述容器筒体内设置有水合物储层模型，所述容器顶盖上贯穿设置有两个容器顶盖预留孔，所述容器筒体底部设有底部入口，所述容器筒体底部入口通过离心机旋转接头与所述水合物制备模块相连接。
进一步地，所述的立体伺服温控模块包括有水浴夹套、底部温控板和恒温水浴箱，所述水浴夹套设置于所述容器筒体外侧用于控制容器筒体侧边界的温度，所述容器筒体与水浴夹套之间设有水浴导流板用于引导水浴循环路径，所述底部温控板设置在所述容器筒体底部用于控制容器筒体底部的低温冷却液循环来模拟地温梯度，所述水浴夹套和底部温控板与所述恒温水浴箱通过离心机旋转接头，以串联或并联形成回路为容器筒体模拟温度梯度。
更进一步地，用于模型底部温控和地温梯度的模拟的所述底部温控板中心设有温控刻槽，所述温控刻槽的外侧一周设有第二密封圈，所述底部温控板上设有螺栓孔，所述底部温控板与高压容器之间利用所述螺栓孔连接，并通过第二密封圈进行密封，所述底部温控板上设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液从冷却液入口进入温控刻槽再由冷却液出口流出。
进一步地，所述的开采模块包括有开采井、回压泵和回压阀，所述开采井垂直设置于所述容器顶盖中心，所述开采井一端伸入所述水合物储层模型中，另一端与回压阀连接，所述回压阀分别与所述回压泵和液气分离与收集模块相连，通过回压泵伺服控制回压压力以调节开采井内压力，经开采模块产出的液气最终由液气分离与收集模块存储。
进一步地，所述的上覆水压控制模块包括有储层圈闭子模块、上覆水层和双缸伺服柱塞泵，所述上覆水层处于所述水合物储层模型的上层，且通过储层圈闭子模块分隔开，所述双缸伺服柱塞泵通过管道与容器顶盖上的一个容器顶盖预留孔与上覆水层相连通，用于伺服交替抽排液体实现上覆水压力持续稳定控制。
更进一步地，所述的储层圈闭子模块包括有上框架、低渗乳胶膜、下层外框架、下层内框架、第一密封圈组成，上框架分为内环和外环，分别连接容器筒体内壁和开采井外壁并通过第一密封圈密封，所述上框架的内外环间由若干成一定夹角的直杆连接，搭配下层外环和下层内环夹紧固定低渗乳胶膜边缘。
进一步地，所述的模型监测与数据采集模块包括有若干传感器单元和数据采集系统，每个所述传感器单元一端固定设置在水浴夹套外侧，另一端伸入所述水合物储层模型中，每个所述传感器单元包含温度传感器、孔压传感器、电阻率、土压力盒、位移传感器、流量计等，每个传感器单元均与所述数据采集系统相连。
一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置的模型制备方法，包括如下步骤：
步骤1：模型土骨架制备：在容器筒体内，将模拟原状土颗粒级配的标准砂与定量去离子水充分搅拌混合制的特定含水率砂土，再通过分层夯实法得到特定孔隙率；
步骤2：密封：在模型土骨架上方安装储层圈闭子模块，并使低渗乳胶膜与土骨架间充分贴合，第一密封圈与高压容器侧壁压紧密封，关闭容器顶盖；
步骤3：密封检测：向容器顶盖预留孔内注入氮气进行装置气密性检测，若气密性良好则开展后续制备工作；
步骤4：气体注入：利用水合物制备模块由容器顶盖预留孔、水合物储层模型排气口向储层圈闭子模块上下两侧分别注入氮气及甲烷气达到预定压力；
步骤5：装载设温：将模型装置搭载至超重力离心机吊篮内，开启温度控制模块进行温度调节，将容器筒体内温度稳定在指定初始温度；
步骤6：启动离心机，将离心加速度按照分级加速的方式加至预定加速度值，加速度稳定后，等待若干小时使模型土骨架在超重力场下充分固结；
步骤7：控温生成水合物：调节恒温水浴箱至预定制备温度后，开始低温冷却液循环，在低温循环水浴作用下使容器筒体内腔温度降至水合物相平衡边界内，此时容器筒体内甲烷气和水会在高压低温环境下逐渐形成固相水合物，并消耗甲烷气；
步骤8：控制压力：待容器筒体内压力和温度值稳定后，打开容器顶盖预留孔、水合物储层模型排气口，分别通过水合物制备模块和双缸伺服柱塞泵将低温去离子水以恒定压力从容器筒体底部入口及另一容器顶盖预留孔缓缓注入，使水合物储层模型初始压力及上覆水层压力达到预定值，然后停止注入并关闭上覆水层排气口、水合物储层模型排气口。
一种模拟深海天然气水合物超重力环境的开采实验方法，采用所述方法制备模型，具体步骤包括：
步骤1：利用回压泵按预定降压速率调节回压阀内压力将开采井内压力逐渐降低至开采目标值，降压过程中利用所述上覆水压控制模块中与容器顶盖预留孔相连的双缸伺服柱塞泵根据实际泵压与预设上覆水压之间的差值伺服调控上覆水层的压力，维持开采井降压开采时储层上方海水层压力恒定，利用所述立体伺服温控模块中与容器筒体侧壁相连的水浴夹套和底部温控板维持原位大尺度水合物储层温度环境和地温梯度直至水合物完全分解；
步骤2：水合物完全分解后，逐渐降低离心加速度至1g，释放容器筒体内压力至常压后开启容器顶盖清理内部试样。
本发明的有益效果在于：
1、本装置能够搭载于土工离心机，通过超重力场再现原位大尺度储层土骨架应力场和孔隙水压力场，相比于已有的常重力实验装置能够再现原位大尺度储层开采过程中不同深度处固相骨架力学响应差异，为天然气水合物开采过程中的海床、储层灾变防控研究提供科学支撑。
2、通过储层圈闭子模块分隔储层和上覆水层，在超重力下实现上覆水压力和开采井压力的独立控制，可以真实准确模拟深海原位大尺度水合物储层开采过程中恒定上覆海水压力对水合物分解产气进程的影响。
3、立体伺服温控模块通过装置底部温控板和装置周围水浴夹套及水浴导流板的全方位伺服温控方式，能够实现超重力环境下的储层模型温度边界精确控制和储层地温梯度模拟。
4、利用超重力实验的缩尺缩时原理，通过本装置实现深海天然气水合物储层温度和压力环境的精确控制，能够在模型尺度上通过超重力实验准确模拟大尺度水合物储层长历时开采过程，揭示原位应力场、水压力场、温度场下水合物相变分解诱发复杂多相多场相互作用机理，为深海天然气水合物安全高效开采和灾变防控提供创新研究手段。
附图说明
图1是本发明的装置整体结构示意图；
图2是本发明的储层圈闭子模块结构示意图；
图3是本发明的底部温控板结构示意图；
图4是本发明的底部温控板中的其他刻槽形式示意图；
图中：1、容器筒体；2、容器顶盖；3、高强螺栓；4、储层圈闭子模块；5、水浴夹套；6、水浴导流板；7、底部温控板；8、开采井；9、容器顶盖预留孔；10、水合物储层模型排气口；11、传感器单元；12、上覆水层；13、水合物储层模型；14、数据采集系统；15水合物制备模块；16、离心机旋转接头；17、恒温水浴箱；18、双杠伺服柱塞泵；19、液气分离与收集模块；20、回压泵；21、回压阀；23、低渗乳胶膜；24、螺栓孔；25、下层外框架；26、下层内框架；27、第一密封圈；28、冷却液入口；29、温控刻槽；30、第二密封圈；31、冷却液出口；32、螺栓孔。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，如图1所示，包括高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块15、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块19及模型监测与数据采集模块，该装置搭载于土工离心机上，所述土工离心机包括有吊篮、动力室、转轴、转臂、水/气路管线，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块19搭载于所述土工离心机的吊篮内，能在1～500g超重力下工作，所述水合物制备模块15和立体伺服温控模块设置于所述土工离心机动力室内，在1g常重力下工作，所述模型监测与数据采集模块搭载于所述土工离心机转轴中心处，并沿土工离心机转臂布置线路与土工离心机吊篮内传感器单元、泵连接，用于检测采样模块在高压容器中开采时的各个数据记录。
所述的高压容器包括有容器筒体1，所述容器筒体1顶部设有容器顶盖2，所述容器筒体1与所述容器顶盖2通过高强螺栓3相连，所述容器筒体1材料为钛合金，可在最高离心加速度500g的条件下工作，耐压范围0～40MPa，内径450mm、内高1300mm，容积约207L，所述容器筒体1内设置有水合物储层模型13，所述容器顶盖2上贯穿设置有两个容器顶盖预留孔9，所述容器筒体1底部设置的底部入口可以通过离心机旋转接头16与所述水合物制备模块15相连接。
开采模块包括有开采井8、回压泵20和回压阀21，所述开采井8垂直设置于所述容器顶盖2中心，所述开采井8一端连接有管道伸入所述水合物储层模型13中，另一端连接有回压阀21，此实施例中使用开采井8内径1cm，在500g超重力下对应模拟原位5m内径开采井，所述回压阀21分别与所述回压泵20和所述液气分离与收集模块19相连，井内的压力由回压泵20和回压阀21伺服控制，能够模拟原位梯度降压过程，实现水合物储层模型的降压模式开采，液气分离与收集模块19用于分离降压开采实验过程中由开采井内产出的水和甲烷气。
所述的上覆水压控制模块包括有储层圈闭子模块4、上覆水层12和双缸伺服柱塞泵18，所述上覆水层12处于容器筒体1内部，所述上覆水层12处于所述水合物储层模型13的上层，且通过储层圈闭子模块4分隔开，所述双缸伺服柱塞泵18与容器筒体的顶部入口相连通用于伺服交替抽排液体实现上覆水压力持续稳定控制，所述双缸伺服柱塞泵内的储液腔存储有足够的低温去离子水。
如图2所示，所述的储层圈闭子模块4包括有上框架22、低渗乳胶膜23、下层外框架25、下层内框架26、第一密封圈27组成，第一密封圈27可为Y型密封圈，上框架22分为外环和内环，分别与容器筒体1内壁和开采井8外壁滑动连接并通过Y型密封圈密封，上框架的内外环间由夹角120°的三根细直杆连接，搭配下层外环25和下层内环26夹紧固定乳胶膜边缘，低渗乳胶膜23用于模拟原位储层和海水之间不含水合物的低渗透性黏土层，分隔水合物储层模型与上覆水层。
所述容器筒1外围设有立体伺服温控模块，包括有所述水浴夹套5设置于所述容器筒体1外周，用于控制容器筒体1的侧边界温度，所述容器筒体与水浴夹套之间固定设有水浴导流板6用于引导水浴循环路径，避免出现温度控制的盲区，所述底部温控板设置在所述容器筒体1底部用于控制容器筒体1底部的温度，如图3所示，所述的底部温控板7中心设有温控刻槽29，所述温控刻槽29用于低温冷却液循环且能够承受一定循环压力，所述温控刻槽29的外侧一周设有第二密封圈30，所述第二密封圈30可为O型密封圈，所述底部温控板7上设有螺栓孔32，所述底部温控板与高压容器之间利用所述螺栓孔连接，并通过O型密封圈进行密封，所述底部温控板7上设有冷却液入口28和冷却液出口31，冷却液从冷却液入口进入温控刻槽再由冷却液出口流出。
所述水浴夹套5和底部温控板7与一个所述恒温水浴箱17串联来形成回路为容器筒体模拟温度梯度，所述恒温水浴箱17流到水浴夹套中，再通过底部温控板7后流回恒温水浴箱17，也可分别由两个所述恒温水浴箱17来独立控制的不同循环液温度和流速，如图4所示，所述温控刻槽29的形式包括但不限于圆环、圆盘、盘管等。
所述水合物制备模块15用于实验前的水合物储层模型制备和超重力实验装置制备过程中的液气注入，所述水合物制备模块15可以通过管道和阀门与高压容器连接，根据需要可以连接到高压容器底部入口用于注入液气，也可连接到容器顶盖上的预留孔9或高压容器壁面设置的水合物储层模型排气口10用来给上覆水层或水合物储层模型增压。
模型监测与数据采集模块包括传感器单元11和数据采集系统14，每个所述传感器单元11一端固定设置在水浴夹套5外侧，另一端伸入所述水合物储层模型13中，每个传感器单元通过土工离心机上转臂的传输线路与位于转轴中心的数据采集系统14连接，用于传输实验过程中发出装置温压伺服控制指令、监测模型多场相应和装置各部件工作状态；其中传感器单元11包含温度传感器、孔压传感器、电阻率、土压力盒、位移传感器、流量计等，数据采集系统14由PLC、交换机、串口服务器、多通道数据采集器、光纤收发器和电脑组成。
装置模型制备时，首先在容器筒体内，将模拟原状土颗粒级配的标准砂与定量去离子水充分搅拌混合制备特定含水率砂土，通过分层夯实法制备与南开海槽原位砂质水合物储层孔隙率相似(约0.43)的土骨架即水合物储层模型13，之后，在水合物储层骨架上方安装储层圈闭子模块4，并使低渗乳胶膜23与土骨架间充分贴合，Y型密封圈与容器筒体1侧壁压紧密封；
关闭容器顶盖后，向容器筒体内注入氮气进行装置气密性检测，若气密性良好则开展后续制备工作；
利用水合物制备模块15通过容器顶盖预留孔9、水合物储层模型排气口10向储层圈闭子模块上下两侧分别注入氮气及甲烷气达到预定压力，用于水合物制备及乳胶膜反压；
将实验装置搭载至超重力离心机吊篮内，开启温度控制模块进行温度调节，将容器筒体内温度稳定在指定初始温度；
随后，启动土工离心机，将离心加速度按照分级加速的方式加至预定加速度值；加速度稳定后，等待若干小时使模型土骨架在超重力场下充分固结，模拟真实尺度下的地质条件与环境，调节恒温水浴箱17至预定制备温度，在低温循环水浴作用下使容器筒体内腔温度降至水合物相平衡边界内，此时容器内甲烷气和水会在高压低温环境下逐渐形成固相水合物，并消耗甲烷气。
待容器筒体内部由传感器11及数据采集系统14检测得到的压力和温度值稳定后，通过水合物制备模块15和双杠伺服柱塞泵18以恒定压力从容器筒体底部入口及容器顶盖预留孔9缓缓注入低温去离子水以饱和储层模型并模拟上覆水层，注入过程中打开另一个容器顶盖预留孔9、水合物储层模型排气口10并调节出口反压压力排出装置内剩余气体，使模型初始压力及上覆水层12压力达到预定值。
开始开采后，利用回压泵20按预定降压速率调节回压阀21内压力将开采井8内压力在一段时间内逐渐降低至开采目标值，模拟原位水合物储层降压开采，降压过程中由储层圈闭子模块4上方与上覆水层12相连的双缸伺服柱塞泵18伺服调控水压力，通过泵压的变化来判断上覆水压力的变化情况，双缸伺服柱塞泵泵根据实际泵压与设定泵压之间的差值伺服抽排地温去离子水维持上覆水层压力稳定，维持开采井降压开采时储层上方海水层压力恒定，直至水合物完全分解，实验结束后，逐渐降低离心加速度至1g，释放高压容器内压力至常压后开启容器顶盖2清理内部试样，结束实验。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动，凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、修饰或等同变化，均属于本发明权利要求所限定的保护范围。
Claims (10)
1.精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，包括有高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块(15)、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块(19)及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块(19)能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体(1)，所述的容器筒体为圆柱形的容器，所述容器筒体(1)顶部设有容器顶盖(2)，所述容器筒体(1)与所述容器顶盖(2)通过高强螺栓(3)相连。
2.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述高压容器最大承受压力不小于40MPa，所述容器筒体(1)内设置有水合物储层模型(13)，所述容器顶盖(2)上贯穿设置有两个可控制开闭的容器顶盖预留孔(9)；所述容器筒体(1)底部设有底部入口，所述容器筒体(1)底部入口在超重力离心加速度条件下能够通过离心机旋转接头(16)与所述水合物制备模块(15)相连接。
3.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的立体伺服温控模块包括有水浴夹套(5)、底部温控板(7)和恒温水浴箱(17)，所述水浴夹套(5)设置于所述容器筒体(1)外周，所述容器筒体与水浴夹套之间设有水浴导流板(6)用于引导水浴循环路径，所述底部温控板设置在所述容器筒体(1)底部，所述水浴夹套(5)和底部温控板(7)与所述恒温水浴箱(17)通过离心机旋转接头(16)以串联或并联形式来形成回路为容器筒体模拟温度梯度。
4.根据权利要求3所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述底部温控板(7)中心设有温控刻槽(29)，所述温控刻槽(29)的外周设有第二密封圈(30)，所述底部温控板(7)上设有螺栓孔(32)，所述底部温控板与高压容器之间利用所述螺栓孔(32)连接，并通过第二密封圈(30)进行密封，所述底部温控板(7)上设有冷却液入口(28)和冷却液出口(31)，冷却液从冷却液入口进入温控刻槽再由冷却液出口流出。
5.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的开采模块包括开采井(8)、回压泵(20)和回压阀(21)，所述开采井(8)垂直设置于所述容器顶盖(2)中心，所述开采井(8)一端伸入所述水合物储层模型(13)中，另一端连接回压阀(21)，所述回压阀(21)分别与所述回压泵(20)和所述液气分离与收集模块(19)相连，所述高压容器壁面设置有水合物储层模型排气口(10)。
6.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的上覆水压控制模块包括有储层圈闭子模块(4)、上覆水层(12)和双缸伺服柱塞泵(18)，所述上覆水层(12)处于容器筒体(1)内部，所述上覆水层(12)处于所述水合物储层模型(13)的上层，且通过所述储层圈闭子模块(4)分隔开，所述双缸伺服柱塞泵(18)通过管道与容器顶盖(2)上的容器顶盖预留孔(9)与上覆水层(12)相连通。
7.根据权利要求6所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的储层圈闭子模块(4)包括有上框架(22)、低渗乳胶膜(23)、下层外框架(25)、下层内框架(26)、第一密封圈(27)，上框架(22)具有外环和内环，分别连接容器筒体(1)内壁和开采井(8)外壁并通过第一密封圈(27)密封，所述上框架的内外环间由若干成一定夹角的直杆连接，搭配下层外环(25)和下层内环(26)夹紧固定低渗乳胶膜边缘。
8.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的模型监测与数据采集模块包括有若干传感器单元(11)和数据采集系统(14)，每个所述传感器单元(11)一端固定设置在水浴夹套(5)外侧，另一端伸入所述水合物储层模型(13)中，每个所述传感器单元(11)包括有温度传感器、孔压传感器、电阻率、土压力盒、位移传感器、流量计，每个传感器单元均与所述数据采集系统(14)相连。
9.精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置的模型制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的装置实现，包括如下步骤：
步骤1：模型土骨架制备：在容器筒体内，将模拟原状土颗粒级配的标准砂与定量去离子水充分搅拌混合制的特定含水率砂土，再通过分层夯实法得到特定孔隙率；
步骤2：密封：在模型土骨架上方安装储层圈闭子模块(4)，并使低渗乳胶膜(23)与土骨架间充分贴合，第一密封圈(27)与高压容器侧壁压紧密封，关闭容器顶盖；
步骤3：密封检测：向所述容器顶盖预留孔(9)注入氮气进行装置气密性检测，若气密性良好则开展后续制备工作；
步骤4：气体注入：利用水合物制备模块(15)由容器顶盖预留孔(9)、水合物储层模型排气口(10)向储层圈闭子模块上下两侧分别注入氮气及甲烷气达到预定压力；
步骤5：装载设温：将模型装置搭载至超重力离心机吊篮内，开启温度控制模块进行温度调节，将容器筒体内温度稳定在指定初始温度；
步骤6：稳定重力场：启动离心机，将离心加速度按照分级加速的方式加至预定加速度值，加速度稳定后，等待若干小时使模型土骨架(13)在超重力场下充分固结；
步骤7：控温生成水合物：调节恒温水浴箱(17)至预定制备温度后，开始低温冷却液循环，在低温循环水浴作用下使容器筒体内腔温度降至水合物相平衡边界内，此时容器筒体内甲烷气和水会在高压低温环境下逐渐形成固相水合物，并消耗甲烷气；
步骤8：控制压力：待容器筒体内压力和温度值稳定后，打开容器顶盖预留孔(9)、水合物储层模型排气口(10)，分别通过水合物制备模块和双缸伺服柱塞泵将低温去离子水以恒定压力从容器筒体底部入口及对应连接的容器顶盖预留孔缓缓注入，使水合物储层模型(13)初始压力及上覆水层(12)压力达到预定值。
10.一种模拟深海天然气水合物超重力环境的开采实验方法，其特征在于，采用如权利要求9所述方法制备的模型，具体步骤包括：
步骤1：利用回压泵(20)按预定降压速率调节回压阀(21)内压力将开采井(8)内压力逐渐降低至开采目标值，降压过程中利用所述上覆水压控制模块中与容器顶盖预留孔(9)相连的双缸伺服柱塞泵(18)伺服调控上覆水层(12)的压力维持开采井降压开采时储层上方海水层压力恒定，利用所述立体伺服温控模块中与容器筒体(1)侧壁相连的水浴夹套(5)和底部温控板(7)维持原位大尺度水合物储层温度环境和地温梯度直至水合物完全分解；
步骤2：水合物完全分解后，逐渐降低离心加速度至1g，释放容器筒体内压力至常压后开启容器顶盖(2)清理内部试样。
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