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与流程

技术特征：

1.一种可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，其特征在于，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。

4.根根据权利要求2所述的可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，其特征在于，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。

5.据权利要求1所述的可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备装置，其特征在于，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。

6.一种可模拟真实地层中天然气水合物储层的模型制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的装置实现，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；

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；

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：γhw为水合物与水的界面张力；σ′为土层有效应力，在超重力ng条件下，σ′＝nγ′h，γ′为土层的有效重度，γ′＝ρ′g，ρ′为土层有效密度，h为模型土层厚度；故原式可化为当时，储层中水合物形态以层/块状形式分布；当时，储层中水合物呈脉状分布；当时，储层中水合物形态以孔隙填充形式赋存；其中预设温度只是再现原型环境维持水合物平衡，与生成水合物形态无关；

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。

技术总结
本发明公开了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，所述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，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；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；本发明的装置及方法能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，试验结果能够更可靠、准确地反映原型情况，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。

技术研发人员：王路君;朱斌;王心博;陈云敏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.03.16
技术公布日：2021.07.06