本发明属于岩土工程、地质工程技术领域，涉及一种天然气水合物储层模型制备装置及方法，尤其是一种可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置及方法。
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状结晶化合物。当它在一定的温度和压力条件下分解时，一体积的天然气水合物可以释放出约164体积的甲烷气体，故又称作“可燃冰”，具有高效清洁、储量大、分布广等特点，是解决世界能源缺口的重要可替代能源。
天然气水合物常赋存在新生代沉积层中，主要有三种形式：以分散状胶结形式赋存在欠固结细颗粒中，或者以孔隙填充状的集合体形成赋存于沉积物中，还可能以晶状/脉状填充于沉积物的裂隙当中。三种形态的水合物物理力学性质各不相同。影响天然气水合物储层赋存的因素有颗粒粒径、有效应力和温度等，只有在真实有效应力下制备天然气水合物才能有效反映现场水合物与土颗粒的结合形态。因此，要制备与现场形态相似的天然气水合物储层，需充分考虑生成样品所需的条件和环境因素，如储层有效应力、水合物层温度和压力等。在室内进行天然气水合物储层模型试验，首先要实现的便是制备出与现场力学及结构等特性相似的天然气水合物储层模型。目前应用较广泛的制备方法有“过量气”法和“过量水”法，本质上都是通过将一定量的气体和水混合于多孔介质内并使之在高压低温环境下生成天然气水合物。常重力环境下，实验室尺度的缩尺储层模型实验无法实现均布的自重应力梯度，这类制备方法无法有效模拟自然界大尺度原位沉积物层的重力场条件。
近年来超重力离心机的应用，使得重力在实验中成为一个可调节的变量，即能够在离心机模型中施加数百倍的重力加速度，以模拟储层原位应力场。基于此原理的超重力离心机实验在工程领域逐渐得到广泛应用，目前涉及的相关实验有边坡失稳实验、地铁隧道盾构实验、建筑桩基稳定性实验、高坝漫顶溃决实验等，而对于大尺度水合物储层模型的制备，除自重应力外，还需要解决温度、围压的控制问题，目前此类相关模型的制备尚为空白。因此，能够满足超重力下水合物储层模型制备所需的高压、低温、地层应力梯度环境的模型制备装置及方法亟待解决。
技术实现要素：
针对实验需求和现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种天然气水合物储层模型制备装置和方法，能够模拟真实地层的有效应力梯度、压力和温度环境并制备天然气水合物储层模型，有效再现真实尺度下储层中的天然气水合物生成过程，使试验结果能够更可靠、准确地反映原型情况。
本发明采用的技术方案如下：
一种可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，包括超重力环境下工作的模块和常重力环境下工作的模块；本发明中所述超重力环境是指利用超重力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；
所述超重力环境下工作的模块均固定在底板上，包括高压釜、气体注入系统、液体注入系统及数据采集器；在高压釜外依次包裹有导流盘管和密封的水浴保护套；高压釜与气体注入系统、液体注入系统分别通过阀门相连，在高压釜上位于不同深度均设有若干接口用于安装传感器以检测模型孔压或温度，并传输至数据采集器；
所述常重力环境下工作的模块包括冷水浴温控系统和控制中枢；
所述气体注入系统、液体注入系统各通过一个离心机旋转接头连接气源、去离子水源，导流盘管两端各通过一个离心机旋转接头与冷水浴温控系统连接形成回路，数据采集器通过离心机快接航空插头连接控制中枢。
进一步的，所述高压釜要求最大承压能力不小于35mpa，能够在最高超重力离心加速度300g条件下工作；釜盖处采用o型圈密封处理，预留测点处采用压环压帽顶紧密封处理；在高压釜中心设有垂直开采井，开采井由高压釜盖顶部伸入到内腔，在高压釜内腔由下至上设置水合物储层模型骨架、模型上覆隔水层、及天然气水合物模型上覆水层，高压釜开有顶部入口和底部入口，顶部入口连通开采井。高压釜周围通常应分布有不少于4排、每排不少于4个的测孔，每排测孔分别布置不少于4只孔压传感器或温度传感器。
进一步的，所述液体注入系统包括伺服双缸柱塞泵，伺服双缸柱塞泵通过供水通路离心机旋转接头连接位于地面的去离子水源，并分别通过电磁截止阀与高压釜顶部入口和底部入口连接。
进一步的，所述气体注入系统包括缓冲容器，缓冲容器通过气体通路离心机旋转接头连接地面气源，并分别通过电磁截止阀与高压釜顶部入口和底部入口连接。
进一步的，所述冷水浴温控系统包括恒温水浴箱、两台自吸式液体循环泵，两台自吸式液体循环泵均与恒温水浴箱相连，且分别与导流盘管的两端通过水浴通路离心机旋转接头连接形成回路为高压釜提供循环冷水浴；采用自吸式液体循环泵与导流盘管的结合，可以克服离心机高速运转时的附加水压以保障低温水源与导流盘管间的水循环，在导流盘管内使流体更好的实现全通路循环，避免存在循环死角。且超重力试验循环水路为一进一出两条管线，在本发明中设置两台自吸式液体循环泵，恒温水浴箱设于二者之间，管线独立配合循环泵进行液体输送，可以有效克服在超重力下产生的附加水压力。
一种可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备方法，采用上述的装置实现，包括如下步骤：
步骤1：储层模型骨架制备
在高压釜内，采用模拟原状土颗粒级配的标准砂通过分层夯实法制备特定孔隙率的水合物储层模型骨架，之后，在储层模型骨架顶部夯填特定厚度的不透水材料作为上覆隔水层；所述特定孔隙率指模型试验所需研究的原型储层平均孔隙率，如神狐海域储层孔隙率一般为33％～48％；所述的特定厚度与原型储层厚度及超重力试验ng值有关，如：原型储层为30m，采用100g重力加速度进行超重力试验，则模型厚度采用30cm(即原型储层厚度/n)即可满足相似；当所述不透水材料为黏土时，通常指渗透系数10-9以下的黏土，此类黏土一般视为不透水；
步骤2：整体装置检漏
利用气体注入系统，从顶部入口向高压釜内注入氮气，直至高压釜内压力达到预定值，之后关闭高压釜各个阀门并实时监测腔内压力，若腔内压力能稳定保持至少12小时，说明装置气密性良好，可开展后续制备工作；
步骤3：液体注入
利用液体注入系统，通过高压釜上端开采井向储层骨架注入去离子水，使标准砂达到预设的含水率，以控制后续生成的水合物含量；
步骤4：高压气体注入
利用气体注入系统，通过高压釜底部入口向釜内注入甲烷气体，直至釜内压力达到预定值，闭釜并稳定一段时间；
步骤5：超重力离心模拟
将底板安装到超重力离心机工作室的离心机吊篮上，将气、液通路以及数据采集和控制信号的相关管路连接好；开启冷水浴温控系统进行温度调节，将高压釜内温度稳定在指定初始温度；
随后，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，并保持稳定，在加速过程中，模型内预埋的传感器实时监测超重力加速过程中的模型响应，并通过数据采集器反馈至控制中枢；
步骤6：储层模型生成
超重力离心机加速度稳定后，等待若干小时使模型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，调节冷水浴温控系统至预定工作温度，在导流盘管冷水浴循环作用下使高压釜内腔降温；
储层模型骨架在超重力的缩尺效应下，产生较大的应力梯度。由于不同的有效应力，储层不同深度处的孔隙内将生成孔隙填充型、脉状、层/块状等不同类型的水合物；在实验过程中，预定温度环境下，不同超重力加速度ng和模型颗粒有效粒径d10将生成不同类型水合物：
步骤7：储层注水饱和
待高压釜内部压力和温度稳定后，即表明水合物生成完毕，启动液体注入系统以恒定压力从高压釜底部入口缓缓注入去离子水以饱和储层模型，同时打开高压釜顶部入口阀门排出多余气体，直至顶部入口有恒定水流排出，表明储层模型已经充分水饱和，此时储层模型制备完毕，停机，调节高压釜内压力至预定压力，稳定至少6小时。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明提供了一种超重力环境下的水合物储层模型制备装置，为制备与现场应力梯度相同的水合物储层模型提供手段。不同于现有技术中采用常重力环境下制备模型再在超重力下进行试验的方法，本发明直接在超重力条件下制得水合物储层模型，可以很好的模拟真实地层中天然气水合物储层的分布，为有效制备与现场水合物储层相似的水合物储层物理模型提供科学支撑。
(2)区别于普通的水浴夹套冷水浴循环系统，本发明通过伺服双缸柱塞泵和导流盘管可以更快捷、有效、精确地在超重力环境下控制储层模型所处的压力和温度环境，模拟真实的天然气水合物储层动态生成条件，而非仅维持一个供水合物稳定的高压低温环境。
(3)在同一个模型内，可根据应力梯度差异制备得到不同深度处不同水合物储层赋存状态的模型，有效再现真实地层水合物藏的赋存情况，且操作简便快捷，单次实验可制备多种形态水合物储层。
(4)该装置可制备但不局限于单一工况条件下的水合物储层模型，可根据不同区域的地质应力条件灵活调整模型高度与离心机g值满足相似条件，制备出有效且可靠的水合物物理模型。
附图说明
图1是本发明的超重力环境下工作的模块结构示意图。
图2是本发明的常重力环境下工作的模块结构示意图。
图3是本发明的超重力环境下工作的模块结构俯视图。
附图标记说明：1高压釜；2高强度水浴保护套；3导流盘管；4模型上覆水层；5模型上覆隔水层；6水合物储层模型；7电磁截止阀；8孔压传感器；9温度传感器；10数据采集器；11水浴通路离心机旋转接头；12供水通路离心机旋转接头；13离心机快接航空插头；14缓冲容器；15装置底板；16伺服双缸柱塞泵；17气体通路离心机旋转接头；18大容量恒温水浴箱；19控制中枢；20自吸式液体循环泵。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和2所示，本实施例提出的可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，包括超重力环境下工作的模块和常重力环境下工作的模块；所述在超重力环境下工作的部件都固定在15mm厚的316不锈钢装置底板15上，试验模型的制备主要在c276合金制造的高压釜1内进行；高压釜1周围包裹导流盘管3和密封的高强度水浴保护套2；在高压釜1上留有多个接口连接不同类型的传感器，并通过数据采集器10连接快接航空插头传输至控制中枢19；同时，高压釜1外接气体注入系统、液体注入系统及冷水浴温控系统。
所述在常重力环境下工作的部件包括：容量为70l的大容量恒温水浴箱18，通过与两台自吸式液体循环泵20连接为高强度水浴保护套2提供冷水浴循环；另有控制中枢19作为终端连接控制超重力离心机部分系统并实时监测各测点数据。
所述高压釜1是内腔容积为200l的圆柱形c276合金容器，可在最高超重力离心加速度300g条件下工作，承压范围0～35mpa，工作温度0～90℃；釜盖处采用o型圈密封处理，预留测点采用压环压帽顶紧密封处理。高压釜1内由上至下置有天然气水合物模型上覆水层4；模型上覆隔水层5；水合物储层模型6；高压釜1中心设有垂直开采井，开采井由高压釜盖顶部伸入到内腔；高压釜1开有顶部入口和底部入口，分别通过电磁截止阀7连接气体注入系统和液体注入系统，顶部入口与开采井连通；高压釜1周围有16个测孔，分别布置8个孔压传感器8和8个温度传感器9。
所述气体注入系统主要由缓冲容器14和地面的气源组成，二者通过气体通路离心机旋转接头17进行连接。
所述液体注入系统主要包括伺服双缸柱塞泵16和位于地面的去离子水源，二者通过供水通路离心机旋转接头12进行连接。
所述冷水浴温控系统由大容量恒温水浴箱18提供稳定的低温水源，通过自吸式液体循环泵20与位于高压釜1和高强度水浴保护套2之间的导流盘管3连接，自吸式液体循环泵20克服离心机高速运转时的附加水压进行低温水源与导流盘管3间的水循环。循环过程中高强度水浴保护套2的内导流盘管3可以让流体更好的实现全通路循环，避免存在循环死角。
所述数据采集与控制系统包括：孔压传感器8、温度传感器9、数据采集箱10以及控制中枢19。试验过程中的各数据信号将通过数据采集箱10收集并统一反馈至控制中枢19，进行相关数据的采集和分析。
一种利用上述装置进行天然气水合物储层模型制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：储层骨架制备，在高压釜1的腔体内，采用模拟原状土颗粒级配的标准砂并通过分层夯实法分4层夯实制备孔隙率为0.42的水合物储层骨架，之后在水合物储层骨架顶部夯填渗透性较低的黏土层制备成厚度为1cm的上覆隔水层5。
步骤2：整体装置检漏，利用气体注入系统，高压气源的n2经过干燥罐后通过开采井端部入口注入高压釜1内，直至高压釜1腔体内压力为20mpa，之后关闭高压釜1各个阀门并通过孔压传感器8实时监测腔内压力。若腔内压力能稳定保持12小时，说明装置气密性良好，可开展后续制备工作。确认气密性无误后，打开高压釜1顶端连接的电磁截止阀7放空釜内n2。
步骤3：液体注入，利用液体注入系统，通过控制中枢19远程启动伺服双缸柱塞泵16，地面水源的去离子水在伺服双缸柱塞泵16泵送下经高压釜1上端开采井向釜内水合物储层骨架注入，控制标准砂含水率达到8.5％，以控制后续生成的水合物含量。
步骤4：高压气体注入，利用气体注入系统，通过高压釜1底部注入口缓慢注入甲烷气体，直至釜内压力达到20mpa，闭釜并保持稳定2小时。
步骤5：超重力离心模拟，待压力稳定后，将装载高压釜1、高强度水浴保护套2、导流盘管3、伺服双缸柱塞泵16等装置的底板15安装到离心机工作室所处的离心机吊篮上，通过气体通路离心机旋转接头17、水浴通路离心机旋转接头11、供水通路离心机旋转接头12、离心机快接航空插头13及数据采集和控制信号的相关管路与离心机上的相关接口设备连接；开启釜体周围导流盘管3的水浴循环进行温度调节，将釜内温度稳定在20℃。
随后，启动离心机，将离心加速度分级加速至10g、50g、100g、150g直至200g，并保持稳定。加速过程中，模型内预埋的孔压传感器8和温度传感器9实时监测超重力加速过程中的模型参数，并通过数据采集器10收集反馈至控制中枢19。
步骤6：储层模型生成，超重力离心机加速度稳定后，等待12h使模型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。之后，调节容量70l的大容量恒温水浴箱18工作温度为5℃，在导流盘管3冷水浴循环作用下使高压釜1内腔降温。储层模型骨架在超重力的缩尺效应下，产生较大的应力梯度，不同深度处的孔隙内将生成孔隙填充型、脉状、层/块状等不同类型的水合物，根据超重力加速度ng和模型颗粒有效粒径d10可进行水合物类别判断：
步骤7：储层注水饱和，待高压釜1内部压力和温度趋于稳定后，即表明水合物生成完毕。启动双缸柱塞泵16以恒定压力从釜体底部缓缓注入去离子水饱和模型，同时打开釜体顶端开采井阀门排出多余气体，直至顶端出口有恒定水流排出，表明储层模型已经充分水饱和，此时储层已制备完毕。模型制备实验结束后，停机，调节高压釜1内压力至15mpa，稳定6小时。
实施结果经实验测试，测试情况和测试结果为：相较于传统不含应力梯度制备的水合物储层模型，本装置和方法利用储层应力梯度、压力和温度控制制成具有高应力梯度、不同深度处具有不同类型水合物储层的模型。从测试结果看，本发明所制备的模型具有能够反映原位水合物藏的地质特性和力学特征、不同深度具有不同类型水合物储层的优点，解决了传统装置和方法不能反映储层原位地应力梯度的缺点，取得了显著的技术优势。
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