一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置及方法与流程

1.本发明属于天然气水合物开采实验技术领域，更具体地，涉及一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置及方法。


背景技术：

2.天然气水合物已经被广泛地发现存在于永久冻土地带和海底，而海底天然气水合物资源分布并不均匀，具有明显的分层结构，主要有水合物层和其下伏游离气层组成。其中气水合物是理想的毛细管封闭层，是当过量的甲烷气体通过水合物层，并在水合物层稳定带的空隙水中溶解，直至孔隙水溶解甲烷浓度超过当前压力温度下水合物形成的溶解度，结晶沉淀为水合物，随着水合物不断增加，从而形成封闭的水合物层。但是，在水合物下面的沉积层中去不具备使水合物稳定存在的温压条件，过多的甲烷气体会以游离气体形式存在。而这些下伏游离气和水在上层封闭水合物层毛细管力的作用下聚集成藏，并随着时间的积累，气层厚度和甲烷浓度不断增加，具有很大的资源潜力。
3.同时，下伏游离气是在上层水合物层封闭下成藏，游离气被抑制在水合物层下，随着时间推移，下伏游离气的压力可能会一直不断增加，直至压力超过上层水合物层的抑制力进入水合物封闭层，并向海底渗漏，可能会引发地质灾害，如海底滑坡，甚至引发海啸。同时，气体逃逸到海水及大气中，也会引起环境气候的变化。
4.许多研究主要着重于海底的天然气水合物层方面，反而忽视了水合物层下伏游离气这一重要天然气资源。按照当前的开采技术和天然气产能，深海天然气水合物层并不是均适合开采，其中含量较低的天然气水合物层开采产能低、技术要求高，因此不具有开采价值。而下伏游离气水合物藏上面具有完美的水合物封闭层，且受上层封闭水合物层毛细管压力作用不断聚集，储藏含量浓度高，同时，其气藏模式和传统气藏有一定类似，开采技术和成藏模式有一定相似之处，因此，下伏游离气比一些含量较低的水合物层更适合开采。
5.目前，已有研究人员对针对下伏游离气水合物成藏开展了一些的研究，主要是针对下伏游离气水合物藏开采过程中气藏压力状态、产气速率、产气量，以及对下伏游离气克服毛细管力向海底渗漏过程进行研究。但是，由于缺少相关的模拟设备，这些研究大都局限于数值模拟研究、理论结合实例分析以及建立数学模型验证。
6.总体而言，现在对于深海下伏游离气水合物成藏的研究依然较少，并且主要为数值模拟研究，实验模拟方面缺乏一种可以模拟下伏游离气层成藏过程、状态和储气量的实验装置和方法，无法具体地分析下伏游离气水合物成藏过程和原理，也无法系统地评价下伏游离气层的开采潜力和价值。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置及方法，该装置能够在高压反应釜内模拟下伏游离气天然气水合物储层的温度条件与水合物形成条件，实现水合物层与游离气层的不同水合物、水、气含量的模
拟，并通过开采模拟结构进一步模拟水合物的开采过程，定量的分析开采产气过程中水合物分解、游离气释放过程，为含下伏游离气的天然气水合物藏开采提供实验数据与科学依据。
8.为了实现上述目的，本发明提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置，该装置包括：
9.高压反应釜，所述高压反应釜的下端和上端分别开设有第一接口和第二接口，所述第一接口和所述第二接口用于与气液注入机构连接；
10.水浴夹套，套设在所述高压反应釜的上部外侧，在被所述水浴夹套包裹的所述高压反应釜内部形成水合物模拟区，在所述高压反应釜下部没被所述水浴夹套包裹的所述高压反应釜内部形成下伏游离气模拟区；
11.低温水浴，与所述水浴夹套连接；
12.开采模拟结构，与所述第一接口和所述第二接口连接，所述开采模拟结构能够计量开采出的气水产量。
13.可选地，所述高压反应釜上设置有温度采集结构，所述温度采集结构包括由下至上依次设置在所述高压反应釜上的多个温度传感器。
14.可选地，所述温度传感器设置有四个，分别为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述下伏游离气模拟区内，所述第二温度传感器设置在所述下伏游离气模拟区与所述水合物模拟区交界处，所述第三温度传感器设置在所述水合物模拟区的中部，所述第四温度传感器设置在所述水合物模拟区的上部。
15.可选地，所述高压反应釜上设置有压力采集结构，所述压力采集结构包括第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，所述第一压力传感器与所述第一接口相连接，所述第二压力传感器设置在所述下伏游离气模拟区与所述水合物模拟区交界处，所述第三压力传感器与所述第二接口相连接。
16.可选地，所述低温水浴包括水浴容器和设置在所述水浴容器内的制冷组件，所述水浴容器通过第一管线和第二管线与所述水浴夹套连接。
17.可选地，所述第一接口和所述第二接口分别通过第三管线和第四管线与所述开采模拟结构连接，所述第三管线和所述第四管线相连通，所述气液注入机构通过第五管线与所述第三管线连接，所述第五管线上设置有第一截止阀，所述第三管线和所述第四管线上分别设置有第二截止阀和第三截止阀。
18.可选地，所述开采模拟结构包括气液分离器，所述气液分离器的输入端通过第六管线与所述第三管线和所述第四管线连接，所述第六管线上设置有背压阀，所述气水分离器的液相输出端上连接有第七管线，所述第七管线连接有液相收集计量器，所述气水分离器的气相输出端上连接有第八管线，所述第八管线上设置有气体流量计。
19.本发明还提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验方法，利用上述的含下伏游离气天然气水合物储存开采实验装置，该方法包括：
20.在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型；
21.对所述下伏游离气模型进行排气和排水并计量排气量和排水量；
22.对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量。
23.可选地，所述在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型包括：
24.利用多孔介质将高压反应釜填满；
25.启动低温水浴和水浴夹套使水合物模拟区达到设定温度；
26.向高压反应釜内注入水和气体直至在所述水合物模拟区内形成所述水合物模型，在所述下伏游离气模拟区内形成所述下伏游离气模型。
27.可选地，所述对所述高压反应釜进行排气和排水并计量排气量和排水量包括：
28.设定背压阀的压力值高于所述水合物模型的分解压力；
29.接通第一接口与开采模拟结构；
30.利用所述开采模拟结构计量所述排气量和所述排水量；
31.所述对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量包括：
32.设定背压阀的压力值低于所述水合物模型的稳定压力；
33.接通第二接口与开采模拟结构；
34.利用所述开采模拟结构计量所述产气量和所述产水量。
35.本发明提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置及方法，其有益效果在于：该装置能够在高压反应釜内模拟下伏游离气天然气水合物储层的温度条件与水合物形成条件，实现水合物层与游离气层的不同水合物、水、气含量的模拟，并通过开采模拟结构进一步模拟水合物的开采过程，定量的分析开采产气过程中水合物分解、游离气释放过程，为含下伏游离气的天然气水合物藏开采提供实验数据与科学依据；该方法先在高压反应釜内通过温度的分区控制形成水合物模型和下伏游离气模型，然后通过开采模拟结构分别对水合物模型和下伏游离气模型进行模拟开采，获取气水产量，进而为含下伏游离气的天然气水合物藏开采提供实验数据与科学依据。
36.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
37.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
38.图1示出了根据本发明的一个实施例的一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置的结构示意图。
39.图2示出了根据本发明的一个实施例的一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验方法的结构示意图。
40.附图标记说明：
41.1、高压反应釜；2、第一接口；3、第二接口；4、水浴夹套；5、水合物模拟区；6、下伏游离气模拟区；7、低温水浴；8、温度传感器；9、第一压力传感器；10、第二压力传感器；11、第三压力传感器；12、第一截止阀；13、第二截止阀；14、第三截止阀；15、气液分离器；16、背压阀；17、液相收集计量器；18、气体流量计。
具体实施方式
42.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
43.本发明提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置，该装置包括：
44.高压反应釜，高压反应釜的下端和上端分别开设有第一接口和第二接口，第一接口和第二接口用于与气液注入机构连接；
45.水浴夹套，套设在高压反应釜的上部外侧，在被水浴夹套包裹的高压反应釜内部形成水合物模拟区，在高压反应釜下部没被水浴夹套包裹的高压反应釜内部形成下伏游离气模拟区；
46.低温水浴，与水浴夹套连接；
47.开采模拟结构，与第一接口和第二接口连接，开采模拟结构能够计量开采出的气水产量。
48.在一个示例中高压反应釜呈竖直筒状。
49.具体的，高压反应釜的底部和顶部分别设有气液进出的第一接口和第二接口，在合成水合物模型和下伏游离气模型时，气液注入机构通过可以通过第一接口向高压反应釜内注入实验设定的液体和气体，高压反应釜中填砂以模拟海底的多孔介质，低温水浴通过循环冷却液以水浴夹套包裹高压反应釜上部3/5部分，通过水浴夹套的温度调节使水合物在同一压力下在水合物模拟区内能形成在下伏游离气模拟区内不能形成，在下伏游离气模拟区内形成下伏游离气模型；水合物模型合成时通过气液注入量和消耗量计算气相、液相及水合物相的饱和度，并在在水合物模型中合成高饱和度的水合物，使其处于水饱和状态，下部游离气模型只存在液相及气体；开采时使用开采模拟结构分别对水合物模型和下伏游离气模型进行开采，并计量开采出的气水产量，以此分析含下伏游离气天然气水合物储层开采的特性。
50.进一步的，水浴夹套是可以调节的，水浴夹套能够对高压反应釜的上部进行降温，使高压反应釜形成上部和下部的温度梯度变化，从而在高压反应釜的上部可以合成水合物形成水合物模型，在高压反应釜的下部依然为游离气形成下伏游离气模型；低温水浴以夹套的形式给高压反应釜降温，夹套长度可以根据需要实现的温度梯度调整。
51.可选地，高压反应釜上设置有温度采集结构，温度采集结构包括由下至上依次设置在高压反应釜上的多个温度传感器。
52.具体的，处于高压反应釜上不同高度的多个温度传感器能够监测高压反应釜中不同位置的温度，方便控制水合物模型和下伏游离气模型的形成。
53.可选地，温度传感器设置有四个，分别为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，第一温度传感器设置在下伏游离气模拟区内，第二温度传感器设置在下伏游离气模拟区与水合物模拟区交界处，第三温度传感器设置在水合物模拟区的中部，第四温度传感器设置在水合物模拟区的上部。
54.具体的，第一温度传感器监测下伏游离气模拟区内的温度，第二温度传感器监测下伏游离气模拟区与水合物模拟区交界处的温度，二者配合保证下伏游离气模拟区内温度
不低于下伏游离气模型的形成温度，保证下伏游离气模型的正常形成；第三温度传感器监测水合物模拟区内温度，方便保证水合物模拟区内水合物模型的形成，第四温度传感器处于第二接口附近，监测出口处温度变化，有利于分析水合物模型开采时出口处的温度变化。
55.可选地，高压反应釜上设置有压力采集结构，压力采集结构包括第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，第一压力传感器与第一接口相连接，第二压力传感器设置在下伏游离气模拟区与水合物模拟区交界处，第三压力传感器与第二接口相连接。
56.具体的，第一压力传感器和第三压力传感器分别用于检测第一接口和第二接口处的压力变化，一方面可以监测气水注入时气水进出口的压力变化，保证注入的正常进行，另一方面可以用于检测高压反应釜的气密性，并且还可以在对水合物模型和下伏游离气模型开采过程中检测出口压力，获取实验数据；第二压力传感器能够检测高压反应釜和的压力，保证水合物模型和下伏游离气模型的形成。
57.可选地，低温水浴包括水浴容器和设置在水浴容器内的制冷组件，水浴容器通过第一管线和第二管线与水浴夹套连接。
58.具体的，低温水浴通过循环冷却水在水浴夹套内形成低温，进而控制高压反应釜的水合物模拟区的温度，保证水合物模型的形成。
59.可选地，第一接口和第二接口分别通过第三管线和第四管线与开采模拟结构连接，第三管线和第四管线相连通，气液注入机构通过第五管线与第三管线连接，第五管线上设置有第一截止阀，第三管线和第四管线上分别设置有第二截止阀和第三截止阀。
60.具体的，第一截止阀的开闭能够控制气液的注入启停，第二截止阀和第三截止阀分别控制下伏游离气模型的开采和水合物模型的开采。
61.可选地，开采模拟结构包括气液分离器，气液分离器的输入端通过第六管线与第三管线和第四管线连接，第六管线上设置有背压阀，气水分离器的液相输出端上连接有第七管线，第七管线连接有液相收集计量器，气水分离器的气相输出端上连接有第八管线，第八管线上设置有气体流量计。
62.具体的，下伏游离气模型和水合物模型形成后，开启第二截止阀即可通过开采模拟结构对下伏游离气模型进行模拟开采，开采出的气水产量分别由气体流量计和液相收集计量器计量；关闭第二截止阀开启第三截止阀，可以通过开采模拟结构对水合物模型进行模拟开采，开采出的气水产量分别由气体流量计和液相收集计量器计量。
63.本发明还提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验方法，利用上述的含下伏游离气天然气水合物储存开采实验装置，该方法包括：
64.在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型；
65.对下伏游离气模型进行排气和排水并计量排气量和排水量；
66.对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量。
67.具体的，先在保证水合物模型保持的情况下对高压反应釜进行排气和排水，打开第二截止阀，下伏游离气模型中的自由水与气体通过背压阀进入气液分离器，再由液相收集计量器和气体流量计分别计量排水量和排气量，根据实验所需的下伏游离气模型的气、水饱和度控制自由水的释放量；通过对下伏游离气模型和水合物模型的开采，对二者开采后的气水产物进行计量，定量的分析这种开采产气过程中水合物分解、游离气释放的过程，为含下伏游离气的天然气水合物藏开采提供实验数据与科学依据。
68.可选地，在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型包括：
69.利用多孔介质将高压反应釜填满；
70.启动低温水浴和水浴夹套使水合物模拟区达到设定温度；
71.向高压反应釜内注入水和气体直至在水合物模拟区内形成水合物模型，在下伏游离气模拟区内形成下伏游离气模型。
72.具体的，利用多孔介质将高压反应釜填满可以模拟真实地层条件，通过低温水浴和水浴夹套对水合物模拟区进行控温，保证水合物模型的形成，并且在水合物模型下方形成下伏游离气模型。
73.在一个示例中，向高压反应釜中注入一定量的去离子水，再向高压反应釜中注入气体到达预定的生成压力，同时设定低温水浴温度达到预定的生成温度，开始形成水合物模型，通过高压反应釜中温度与压力的变化观察水合物模型的生成速度与生成过程，通过多次的注水与注气进行水合物生成直至水合物层中水合物饱和度不能再提高。
74.可选地，对高压反应釜进行排气和排水并计量排气量和排水量包括：
75.设定背压阀的压力值高于水合物模型的分解压力；
76.接通第一接口与开采模拟结构；
77.利用开采模拟结构计量排气量和排水量；
78.对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量包括：
79.设定背压阀的压力值低于水合物模型的稳定压力；
80.接通第二接口与开采模拟结构；
81.利用开采模拟结构计量产气量和产水量。
82.具体的，高压反应釜中水合物模型和下伏游离气模型生成完毕后，控制背压阀到预定的压力，压力高于水合物的分解压力，防止水合物分解，打开第二截止阀，下伏游离气模型中的自由水与气体通过背压阀、气液分离器，其中水通过液相收集计量器收集测量，为排水量，产生的气体通过气体流量计计量，为排气量；根据实验所需的下伏游离气模型的气水饱和度控制自由水的释放量；高压反应釜中水合物模型和下伏游离气模型生成完毕后，控制背压阀到预定的水合物开采压力进行水合物分解，压力低于水合物稳定压力，打开第三截止阀，水合物模型中的水合物开始分解，分解产生的气水混合物通过背压阀、气液分离器分离，产生的分解水通过液相收集计量器收集测量，产生的气体通过气体流量计计量，实现水合物模型的模拟开采实验；需要注意的是，这种水合物模型为含下伏游离气天然气水合物储层的模拟形式。
83.实施例
84.如图1和图2所示，本发明提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置，该装置包括：
85.高压反应釜1，高压反应釜1的下端和上端分别开设有第一接口2和第二接口3，第一接口2和第二接口3用于与气液注入机构连接；
86.水浴夹套4，套设在高压反应釜1的上部外侧，在被水浴夹套4包裹的高压反应釜1内部形成水合物模拟区5，在高压反应釜1下部没被水浴夹套4包裹的高压反应釜1内部形成下伏游离气模拟区6；
87.低温水浴7，与水浴夹套4连接；
88.开采模拟结构，与第一接口2和第二接口3连接，开采模拟结构能够计量开采出的气水产量。
89.在本实施例中，高压反应釜1上设置有温度采集结构，温度采集结构包括由下至上依次设置在高压反应釜上的多个温度传感器8。
90.在本实施例中，温度传感器设置有四个，分别为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，第一温度传感器设置在下伏游离气模拟区6内，第二温度传感器设置在下伏游离气模拟区6与水合物模拟区5交界处，第三温度传感器设置在水合物模拟区5的中部，第四温度传感器设置在水合物模拟区5的上部。
91.在本实施例中，高压反应釜1上设置有压力采集结构，压力采集结构包括第一压力传感器9、第二压力传感器10和第三压力传感器11，第一压力传感器9与第一接口2相连接，第二压力传感器10设置在下伏游离气模拟区6与水合物模拟区5交界处，第三压力传感器11与第二接口3相连接。
92.在本实施例中，低温水浴7包括水浴容器和设置在水浴容器内的制冷组件，水浴容器通过第一管线和第二管线与水浴夹套4连接。
93.在本实施例中，第一接口2和第二接口3分别通过第三管线和第四管线与开采模拟结构连接，第三管线和第四管线相连通，气液注入机构通过第五管线与第三管线连接，第五管线上设置有第一截止阀12，第三管线和第四管线上分别设置有第二截止阀13和第三截止阀14。
94.在本实施例中，开采模拟结构包括气液分离器15，气液分离器15的输入端通过第六管线与第三管线和第四管线连接，第六管线上设置有背压阀16，气水分离器15的液相输出端上连接有第七管线，第七管线连接有液相收集计量器17，气水分离器15的气相输出端上连接有第八管线，第八管线上设置有气体流量计18。
95.本发明还提供一种含下伏游离气天然气水合物储层开采实验方法，利用上述的含下伏游离气天然气水合物储存开采实验装置，该方法包括：
96.在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型；
97.对下伏游离气模型进行排气和排水并计量排气量和排水量；
98.对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量。
99.可选地，在高压反应釜内的上部和下部分别形成水合物模型和下伏游离气模型包括：
100.利用多孔介质将高压反应釜填满；
101.启动低温水浴和水浴夹套使水合物模拟区达到设定温度；
102.向高压反应釜内注入水和气体直至在水合物模拟区内形成水合物模型，在下伏游离气模拟区内形成下伏游离气模型。
103.可选地，对高压反应釜进行排气和排水并计量排气量和排水量包括：
104.设定背压阀的压力值高于水合物模型的分解压力；
105.接通第一接口与开采模拟结构；
106.利用开采模拟结构计量排气量和排水量；
107.对水合物模型和下伏游离气模型进行开采并计量产气量和产水量包括：
108.设定背压阀的压力值低于水合物模型的稳定压力；
109.接通第二接口与开采模拟结构；
110.利用开采模拟结构计量产气量和产水量。
111.综上，本发明提供的含下伏游离气天然气水合物储层开采实验装置使用时，采用上述的含下伏游离气天然气水合物储层开采实验方法，以一次实验为例：
112.a.水合物模型和下伏游离气模型生成：首先将多孔介质填充到高压反应釜中，使用气液注入机构通过第一接口2向高压反应釜中注入气体，检查系统的气密性，然后通过第一接口2向高压反应釜1中注入一定量的去离子水，再向高压反应釜中注入甲烷气体到达预定的生成压力，同时设定低温水浴温度达到预定的生成温度，开始形成水合物模型，通过高压反应釜中温度与压力的变化观察水合物的生成速度与生成过程，通过多次的注水与注气进行水合物模型和下伏游离气模型的生成直至水合物模型中水合物饱和度不能再提高；
113.b.下伏游离气模型开采过程模拟：高压反应釜中水合物模型和下伏游离气模型生成完毕，控制背压阀16到预定的压力，压力高于水合物的分解压力，防止水合物分解，打开第二截止阀13，下伏游离气模型中的自由水与气体通过背压阀16、气液分离器15，其中水通过液相收集计量器17收集测量，产生的气体通过气体流量计18计量，根据实验所需的下伏游离气模型的气、水饱和度控制自由水的释放量；
114.c.水合物开采过程模拟：控制背压阀16到预定的水合物开采压力进行水合物分解，压力低于水合物稳定压力，打开第三截止阀14，水合物模型中的水合物开始分解，分解产生的气水混合物通过背压阀16、气液分离器分离15，产生的分解水通过液相收集计量器17收集测量，产生的气体通过气体流量计18计量。
115.该装置实现水合物层与游离气层的不同水合物、水、气含量模拟，进一步模拟含有下伏游离气水合物储层的开采过程，定量的分析开采产气过程中水合物分解、游离气释放过程，为含下伏游离气的天然气水合物藏开采提供实验数据与科学依据。
116.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。