CN219870897U - 一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，该实验装置包括反应釜、沉积物模型、显微镜摄像头、温度控制组件、水合物合成组件、压力加载组件和压力测量组件；反应釜的釜体和盖体上设有相对设置的透明部，沉积物模型固定于釜体底部，显微镜摄像头正对该透明部。本实用新型的有益效果为：该实验装置的显微镜摄像头可以清楚观察并记录水合物生成和分解过程；该实验装置配合相应的实验方法可以开展含水合物沉积物低温高压条件下的渗透率模拟实验，获取低温高压条件下含水合物沉积物渗透率与饱和度的模拟数据，建立低温高压条件下不同类型沉积物渗透率的计算模型，从而为水合物降压开采过程产水、产气规律提供有效的理论基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及非常规油气藏工程与岩土工程基础物性实验技术领域，具体为一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置。
背景技术
天然气水合物(简称水合物)也被称为“可燃冰”，是一种以固态形式存在于深水沉积物层和冻土层的非常规天然气资源。每立方米水合物可释放164m3甲烷和0.8m3的水，燃烧不产生残留物和有害物质。因天然气水合物已知存量巨大，单位体积释放能量高，在国际上被视为是最有前景的新替代能源之一。水合物已成为世界上已知最大的未开发替代能源。
渗透率是反映多孔介质的渗流能力的参数，是影响水合物分解后的产气速度的重要因素。而储层渗透率对任何一种水合物开采方法都有很大的影响，不仅影响开采过程中的产气速率和产气量，还会影响开采过程中的传热和力学性质。为了避免可能引起的井壁失稳、井壁坍塌、生产井出砂，以及高效开采天然气水合物，对水合物储层渗透率的实验研究和测量显得尤为重要。含水合物储层渗透率很大程度上取决于水合物聚散和有效应力共同作用下的孔隙结构演化。因此，测试不同水合物储层渗透率数据，研究其与孔隙特征间的联系和规律，是揭示水合物开采过程中气、水产出的一个关键因素，是评价水合物开采可行性与天然气采收率的重要内容之一。目前渗透率的测量方法大体有三种：一是在实验室内测试人造的沉积物样品；二是在水合物开采现场直接对水合物进行渗透率测量；三是将取心样品送至实验室进行渗透率测量。相比较而言后两者的真实性和准确性要优于第一种但测试难度和测试成本较高，不适合进行大量对比实验且难以定量控制沉积物的孔隙特征，所以大部分渗透率测量都是采取第一种方法进行。
近年来，不少研究机构和高校分别开展了含水合物沉积物渗透率的实验测量工作，获取了大量的含水合物沉积物渗透率随水合物饱和度变化规律的模拟数据。由于目前的实验装置无法定量描述低温高压条件下水合物沉积层渗透率随孔隙特征如孔隙度、形状、排列方式等变化情况，亟待提出一种能在室内条件下模拟低温高压条件下含水合物沉积层渗透率测量装置，且能定量提供不同孔隙特征的含水合物沉积物模型的可视化实验装置。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，包括反应釜、沉积物模型、显微镜摄像头、温度控制组件、水合物合成组件、压力加载组件和压力测量组件；
所述反应釜包括法兰盖和釜体，法兰盖盖于釜体上，釜体内为水浴腔，反应釜内填充有水浴液；釜体和盖体上设有相对设置的透明部，所述沉积物模型固定于釜体底部，且沉积物模型位于两透明部之间，所述沉积物模型内部设有沉积流道，沉积物模型上设有与沉积流道连通的进液口和出液口；
所述显微镜摄像头正对两所述透明部；所述显微镜摄像头拍摄沉积流道内水合物形成过程；
所述温度控制组件与所述反应釜相连；
所述水合物合成组件包括液体注射泵、供气瓶、输入管和输出管，注射泵和供气瓶通过输入管与沉积物模型上的进液口相连，所述输出管一端与沉积物模型上的进液管相连，另一端延伸至反应釜外，所述输出管上还设有排液阀；
所述压力测量组件包括输入压力传感器和输出压力传感器，输入压力传感器和输出压力传感器分别设置于输入管和输出管上；
所述压力加载组件包括压力气泵，所述压力气泵通过压力管和反应釜相连。
进一步地，所述沉积物模型包括固定贴合在一起的上玻璃片和下玻璃片，所述沉积流道刻蚀于所述下玻璃片上表面，所述进液口和所述出液口均位于所述上玻璃片上。
进一步地，该实验装置还包括一光源，所述光源位于所述釜体的透明部下方，所述显微镜摄像头位于所述盖体的透明部上方。
进一步地，所述温度控制组件包括冷媒箱、制冷箱、冷媒介质管以及冷却盘管，所述冷却盘管位于所述水浴腔内，所述冷媒介质管从两端连接所述冷却盘管，所述冷媒箱、制冷箱均设置于所述冷媒介质管上，冷媒箱内装有冷媒介质。
进一步地，所述温度控制组件还包括温度传感器，所述温度传感器设置于反应釜上，温度传感器探头延伸至水浴腔内。
进一步地，该实验装置还包括计算机，所述计算机同时与所述输入压力传感器、所述输出压力传感器和所述显微镜摄像头相连。
进一步地，所述水合物合成组件还包括两输入支管，所述注射泵、供气瓶分别通过一输入支管与所述输入管相连，连接供气瓶和输入管的输入支管上设有输入气泵，所述供气瓶内装有甲烷和二氧化碳很混合气体，注射泵用于向反应釜内注入水。
进一步地，所述釜体底部设有一固定凹槽，所述沉积物模型限位于所述固定凹槽内，所述沉积物模型上方还设有上压盖，上压盖锁紧于釜体内，且压紧固定所述沉积物模型，上压盖和沉积物模型之间设有弹性垫圈。
本实用新型一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置的有益效果为：
该实验装置通过显微镜摄像头，可以清楚观察并记录水合物生成过程，方便研究水合物具体生成细节如水合物生成所需的时间，水合物生成和分解的温度，水合物形成各个阶段的形态。
该实验装置将反应釜连接温度控制系统，模拟水合物生成的温度。冷却水循环机为模拟实验提供一个精确的温度条件；温度传感器检测水合物生成和分解的温度；压力测量系统通过第一压力传感器和第二压力传感器在改变的同时能够自动检测并记录孔压入、出口两端压差，记录出液量变化，精确求解样品渗透率；整体通过连接计算机系统进行数据收集与运算，最终记录微孔隙样品温度、压力与水合物饱和度等相关数据。
该实验装置的沉积物模型通过激光镌刻机制作而成，可通过绘图软件绘制沉积物图形来制作不同孔隙度，不同形状，不同规则程度等各式各样的含水合物沉积物微孔隙模型。可控制变量测试不同参数对含水合物沉积物的影响以及影响程度。
该实验装置结合相应的实验方法可以开展含水合物沉积物低温高压条件下的渗透率模拟实验，获取低温高压条件下含水合物沉积物渗透率与饱和度的模拟数据，建立低温高压条件下不同类型沉积物渗透率的计算模型，从而为水合物降压开采过程产水、产气规律提供有效的理论基础。
附图说明
图1是本实用新型实施例一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置的整体结构示意图。
图2是本实用新型实施例一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置的反应釜1的内部结构图。
图3是本实用新型实施例一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置的沉积物模型2内沉积流道的俯视图。
上述图中：1-釜体，11-法兰盖，12-透明部，13-上压盖，14-弹性垫环，2-沉积物模型，21-上玻璃片，22-下玻璃片，3-显微镜摄像头，31-光源，4-计算机，41-输入压力传感器，42-所述输出压力传感器，5-冷媒箱，51-制冷箱，52-冷媒介质管，53-冷却盘管，54-温度传感器，6-输入管，61-注射泵，62-供气瓶、63-输入气泵，7-输出管，71-排液阀，8-压力气泵。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
请参考图1至图3，一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，包括反应釜、沉积物模型2、显微镜摄像头3、温度控制组件、水合物合成组件、压力加载组件和压力测量组件。
所述反应釜包括法兰盖11和釜体1，法兰盖1盖于釜体1上，定釜1体内空腔为水浴腔，水浴腔内填充有水浴液；釜体1和盖体11中部均设有透明部12，两透明部12相对上下设置。
所述沉积物模型2包括是两片49mm×24mm×2mm玻璃片，两玻璃片分别为上玻璃片21和下玻璃片22，下玻璃片22上表面刻蚀有沉积流道，沉积流道由激光镌刻机刻蚀而成；上玻璃片21和下玻璃片22通过箱式炉加热至600℃烧制固定贴合为一整体，形成内部设有沉积流道的沉积物模型2，上玻璃片21上设有分别与沉积流道首尾连通的两通孔，两通孔分别为进液口和出液口。
釜体1底部设有固定凹槽，所述沉积物模型2限位于所述固定凹槽内，所述沉积物模型上方还设有上压盖13，上压盖13通过螺钉(未画出)锁紧于釜体内，上压盖13且压紧固定所述沉积物模型2，上压盖12和沉积物模型2之间设有弹性垫圈14，弹性垫圈14保证沉积物模型2被压紧。所述沉积物模型2位于两透明部之间，上压盖13和弹性垫圈14均为矩形环结构，保证光线能贯穿反应釜和沉积物模型2。
所述压力加载组件包括含有示数的压力气泵8，压力气泵8通过压力管与反应釜内的水浴腔连通，压力气泵用于对反应釜内加压，并控制压力大小，从而在反应釜内模拟实际环境中水合物形成压力环境。
所述温度控制组件包括冷媒箱5、制冷箱51、冷媒介质管52以及冷却盘管53，所述冷却盘管53位于反应釜1内的水浴腔内，冷却盘管为螺旋设置的不锈钢管线，冷媒介质管52位于反应釜外，冷媒介质管52两端与冷却盘管53两端通过设置于法兰盖11上的连接接口连通，冷媒介质管52上设有冷媒箱5和制冷箱51，冷媒箱5内装有冷却介质，冷却介质为乙二醇水溶液，其乙二醇与水的体积比为1比1，冷媒箱5用于使冷却介质在冷媒介质管52以及冷却盘管53内循环流动，制冷箱51用于控制冷却介质温度，从而控制反应釜内水浴液温度，进而在反应釜内模拟实际环境中水合物形成温度(低温)环境。
所述水合物合成组件包括液体注射泵61、供气瓶62、输入管6和输出管7，注射泵61和供气瓶62分别通过输入支管与输入管6相连，输入管6穿过反应釜与沉积物模型1上的进液口相连，所述输出管7一端与沉积物模型2上的出液管相连，另一端延伸至反应釜外，所述输出管7上还设有排液阀71；水合物合成组件用于向沉积物模型2内输入水合流体(本实施例中水合流体为水、甲烷、二氧化碳混和物)，促使沉积物模型2内形成水合物；具体地，所述供气瓶62内装有甲烷和二氧化碳混合气体，注射泵61用于向反应釜内注入水，即所述水合流体包括甲烷、二氧化碳以及水，连接供气瓶62和输入管6的输入支管上设有输入气泵63，输入气泵63和注射泵61联合将水合流体注入至沉积物模型2内，并控制水合流体注入流量。供气瓶2内装有甲烷和二氧化碳混合气体可以防止甲烷燃烧爆炸，提高实验安全性，并能使甲烷和二氧化碳充分混合，提高水合物形成效率。
所述压力测量组件包括输入压力传感器41和输出压力传感器42，输入压力传感器41和输出压力传感器42分别连接于输入管6和输出管7上，输入压力传感器41和输出压力传感器42分别用于测量沉积物模型2的入口压力和出口压力。
所述显微镜摄像头3位于所述反应釜上方且正对反应釜法兰盖的透明部13，显微镜摄像头3具有录像功能，且分辨率为1920×1080以上，显微镜摄像头3用于拍摄记录反应釜内沉积物模型2内的沉积流道上水合物形成和分解的过程的视频。优选地，所述反应釜的透明部13的下方设有一反射白光的光源31，以提高显微镜摄像头3拍摄的清晰度。
进一步地，所述温度控制组件还包括温度传感器54，所述温度传感器54设置于反应釜上，温度传感器54探头延伸至水浴腔内，温度传感器54用于实时感测反应釜内温度。
进一步地，该实验装置还包括一计算机4，所述计算机同时与所述输入压力传感器41、所述输出压力传感器42和所述显微镜摄像头3相连。计算机4实时显示显微镜摄像头3拍摄的视频和输入压力传感器41、所述输出压力传感器42感测到的示数，并对输入压力传感器41、所述输出压力传感器42感测到的示数作差，该差值即为渗透率计算所需的压差。
本实用新型含水合物沉积物渗透率可视化实验装置的实验方法步骤如下：
S1：制备沉积物模型2：通过激光镌刻机器在下玻璃片22上刻蚀所需的沉积流道(沉积流道通过激光镌刻机制作而成，其通过绘图软件绘制沉积物图形来制作，不同孔隙度，不同形状，不同规则程度等各式各样的沉积流道可控制变量测试不同参数对含水合物沉积物的影响以及影响程度)；将上玻璃片21与下玻璃片22压紧放入箱式炉中加热烧结为整体结构的沉积物模型2，再将沉积物模型2在水合物对应的水溶液(具有甲烷、二氧化碳氛围的水溶液)中达到饱和。
S2：装样：将步骤S1中制成的沉积物模型2安装于反应釜内；连接安装显微镜摄像头3、温度控制组件、水合物合成组件、压力加载组件和压力测量组件；在开启反应釜下方设置光源31，开启反应釜下方的光源31；
S3：实验加载及数据监测；开启温度控制组件，调节反应釜内温度至实验温度；开启压力加载组件调节反应釜内压力至实验压力(实验温度和实验压力根据实验需要可设置为动态过程，以完整的模拟水合物的形成和分解过程)；开启水合物合成组件，向沉积物模型内注入水合流体，并控制水合流体流量；开启显微镜摄像头3，实时记录沉积物模型2内水合物形成及分解情况，且实时记录输入压力传感器41和输出压力传感器42感测到的压力数据，并实时获取二者的压力差值。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：包括反应釜、沉积物模型、显微镜摄像头、温度控制组件、水合物合成组件、压力加载组件和压力测量组件；
所述反应釜包括法兰盖和釜体，法兰盖盖于釜体上，釜体内为水浴腔，反应釜内填充有水浴液；釜体和盖体上设有相对设置的透明部，所述沉积物模型固定于釜体底部，且沉积物模型位于两透明部之间，所述沉积物模型内部设有沉积流道，沉积物模型上设有与沉积流道连通的进液口和出液口；
所述显微镜摄像头正对两所述透明部；所述显微镜摄像头拍摄沉积流道内水合物形成过程；
所述温度控制组件与所述反应釜相连；
所述水合物合成组件包括液体注射泵、供气瓶、输入管和输出管，注射泵和供气瓶通过输入管与沉积物模型上的进液口相连，所述输出管一端与沉积物模型上的进液管相连，另一端延伸至反应釜外，所述输出管上还设有排液阀；
所述压力测量组件包括输入压力传感器和输出压力传感器，输入压力传感器和输出压力传感器分别设置于输入管和输出管上；
所述压力加载组件包括压力气泵，所述压力气泵通过压力管和反应釜相连。
2.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：所述沉积物模型包括固定贴合在一起的上玻璃片和下玻璃片，所述沉积流道刻蚀于所述下玻璃片上表面，所述进液口和所述出液口均位于所述上玻璃片上。
3.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：该实验装置还包括一光源，所述光源位于所述釜体的透明部下方，所述显微镜摄像头位于所述盖体的透明部上方。
4.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：所述温度控制组件包括冷媒箱、制冷箱、冷媒介质管以及冷却盘管，所述冷却盘管位于所述水浴腔内，所述冷媒介质管从两端连接所述冷却盘管，所述冷媒箱、制冷箱均设置于所述冷媒介质管上，冷媒箱内装有冷媒介质。
5.根据权利要求4所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：所述温度控制组件还包括温度传感器，所述温度传感器设置于反应釜上，温度传感器探头延伸至水浴腔内。
6.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：该实验装置还包括计算机，所述计算机同时与所述输入压力传感器、所述输出压力传感器和所述显微镜摄像头相连。
7.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：所述水合物合成组件还包括两输入支管，所述注射泵、供气瓶分别通过一输入支管与所述输入管相连，连接供气瓶和输入管的输入支管上设有输入气泵，所述供气瓶内装有甲烷和二氧化碳很混合气体，注射泵用于向反应釜内注入水。
8.根据权利要求1所述的一种含水合物沉积物渗透率可视化实验装置，其特征在于：所述釜体底部设有一固定凹槽，所述沉积物模型限位于所述固定凹槽内，所述沉积物模型上方还设有上压盖，上压盖锁紧于釜体内，且压紧固定所述沉积物模型，上压盖和沉积物模型之间设有弹性垫圈。
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2023
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