海洋天然气水合物渗透率动态测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种海洋天然气水合物渗透率动态测试装置和方法，海洋油气工程技术领域。

背景技术

天然气水合物是由水分子和甲烷等轻烃分子在低温、高压条件下形成的结晶状笼形络合物，又称“可燃冰”。自然界中的天然气水合物主要以甲烷水合物为主，每一体积的甲烷水合物大约含有164体积的甲烷，在全球范围内，大约含有2万亿m3的水合物天然气，其含碳量约占全球已知化石能源(石油、煤、天然气)的两倍。因此，天然气水合物是清洁、高效、储量巨大的未来最具潜力的资源之一，而储层的渗透率是影响天然气水合物资源开采时产气效率的重要参数。

目前，天然气水合物开采方法主要有降压法、注热法、注抑制剂法、置换法以及组合开采法，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。天然气水合物赋存条件较为苛刻，需在高压、低温条件下方可形成，且其多位于深海海底或高原冻土带，无法直接对其渗透率进行测量。因此，亟需针对天然气水合物渗透率测试开展研究，研制天然气水合物岩心渗透率测试装置并形成相关测试实验方法显得尤其重要。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种海洋天然气水合物渗透率动态测试装置和方法，能够在一定温度、压力范围内测试得到不同丰度天然气水合物岩心渗透率动态图版。

本发明的一个方面，提出了一种海洋天然气水合物渗透率动态测试装置，包括：

测试系统，所述测试系统包括岩心夹持器和有天然气水合物岩心；

连接所述测试系统的输入端的输入系统，所述输入系统向所述测试系统输入稳定的氮气；

连接所述测试系统的输出端的输出系统，所述测试系统向所述输出系统输出天然气水合物岩心中分解而产生的天然气和水分；

控制系统，控制所述测试系统的压力和温度；以及

数据采集分析系统，采集数据并计算得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

本发明的进一步改进在于，所述输入系统包括液氮瓶，所述液氮瓶通过输入管线连接所述测试系统；

其中，所述输入管线上分别设置有稳压器、恒流器。

本发明的进一步改进在于，所述输入系统上还设置有过滤器，所述过滤器设置在所述稳压器和恒流器的下游。

本发明的进一步改进在于，所述输出系统包括第一输出管线和第二输出管线；从所述测试系统输出的气体进入所述第一输出管线，从所述测试系统输出的水分进入所述第二输出管线。

本发明的进一步改进在于，所述控制系统包括设置在所述测试系统外部的温度控制室、设置在所述第一输出管线上的背压阀和第一压力调节阀，以及设置在所述第二输出管线上的第二压力调节器。

本发明的进一步改进在于，所述测试系统的入口设置有第一压力表，出口设置有第二压力表，所述测试系统上还设置有温度传感器；

其中，所述第一压力表、第二压力表和温度传感器均连接所述数据采集分析系统。

本发明的进一步改进在于，所述第一输出管线上设置有第一气体流量计，所述第二输出管线上设置有第二气体流量计，所述第一气体流量计和所述第二气体流量计均连接所述数据采集分析系统。

本发明的进一步改进在于，所述第二输出管线上设置有气液分离器。

本发明的另一个方面，还提出了一种天然气水合物渗透率动态测试方法，使用根据所述的海洋天然气水合物渗透率动态测试装置进行测试，其包括：

步骤一，输入系统向测试系统持续注入稳定的氮气；

步骤二，控制系统设定温度和压力；

步骤三，数据采集分析系统采集数据并计算天然气水合物岩心渗透率；

步骤四，通过控制系统改变测试系统的温度和压力，重复步骤三，计算计算不同温度、压力下的天然气水合物岩心渗透率，进而得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

本发明的进一步改进在于，计算天然气水合物岩心渗透率的过程如下：

通过计算机读取第一压力表示数并记录为p

式中：K

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述一种海洋天然气水合物渗透率动态测试装置和方法，能够在一定温度、压力范围内测试得到不同丰度天然气水合物岩心渗透率动态图版。本发明所述测试装置可以通过调节温度控制室的温度控制天然气水合物岩心的温度，通过调节第二压力调节阀控制岩心夹持器内天然气水合物岩心所受到的压力，进而控制其分解状态，也即控制岩心中天然气水合物的丰度。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的海洋天然气水合物渗透率动态测试装置的结构示意图；

在附图中各附图标记的含义如下：

1、测试系统，2、输入系统，3、输出系统，4、控制系统，5、数据采集分析系统，11、岩心夹持器，12、天然气水合物岩心，21、液氮瓶，22、输入管线，23、稳压器，24、恒流器，25、过滤器，31、第一输出管线，32、第二输出管线，33、气液分离器，41、温度控制室，42、第一压力调节阀，43、第二压力调节器，44、背压阀，51、第一压力表，52、第二压力表，53、温度传感器，54、第一气体流量计，55、第二气体流量计，56、计算机，57、数据线。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一种海洋天然气水合物渗透率动态测试装置，包括测试系统1，测试系统1包括岩心夹持器11，岩心夹持器11夹持天然气水合物岩心。测试系统1的输入端连接有输入系统2，述输入系统2向所述测试系统1输入稳定的氮气。测试系统1的输出端设置输出系统3，测试系统1向输出系统3输出流过的氮气以及天然气水合物岩心中分解而产生的天然气和水分。本实施例中还包括控制系统4，控制系统4能够控制测试系统1中的压力和温度。数据采集分析系统5，采集数据并计算得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

在一个实施例中，所述输入系统2包括氮气瓶，氮气瓶通过输入管线22连接测试系统1，输入管线22上分别设置有稳压器23、恒流器24。其中，氮气瓶的出口通过一段输入管线22连接稳压器23和恒流器24，稳压器23主要作用是稳定输入管路压力，恒流器24主要作用是调节气体流速并保持稳定。

在一个实施例中，恒流器24的下游通过一段输入管线22连接过滤器25入口，所述过滤器25主要作用是出去气体中其他杂质，其出口通过一段输入管线22还连接天然气水合物岩心一端。

在一个实施例中，所述输出系统3包括第一输出管线31和第二输出管线32；从所述测试系统1输出的气体进入所述第一输出管线31，从所述测试系统1输出的水分进入所述第二输出管线32。

在一个实施例中，控制系统4包括设置在所述测试系统1外部的温度控制室41、设置在所述第一输出管线31上的背压阀44和第一压力调节阀42，以及设置在所述第二输出管线32上的第二压力调节器43。

温度控制室41为测试系统1提供一个温度可控的密封环境，在测试过程中，可调节温度控制室41内的温度。背压阀44、第一压力调节阀42和第二压力调节器43共同调节测试系统1的压力。

在一个实施例中，所述测试系统1的入口设置有第一压力表51，出口设置有第二压力表52，所述测试系统1上还设置有温度传感器53。其中，所述第一压力表51、第二压力表52和温度传感器53均连接所述数据采集分析系统5。

在一个实施例中，所述第一输出管线31上设置有第一气体流量计54，所述第二输出管线32上设置有第二气体流量计55，所述第一气体流量计54和所述第二气体流量计55均连接所述数据采集分析系统5。

数据采集分析系统5，其包括计算机56，计算机56通过数据线57连接入口压力表、出口压力表、温度传感器53、气液分离器33、第一气体体积流量计、第二气体体积流量计；所述入口压力表、出口压力表、温度传感器53、气液分离器33、第一气体体积流量计、第二气体体积流量计安装在输出管线上。计算机56根据采集的数据信息计算出天然气水合物渗透率，并根据不同温度和压力条件下的天然气水合物渗透率得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

在一个优选的实施例中，所述第二输出管线32上设置有气液分离器33。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种实验方法，使用根据上述实施例所述的海洋天然气水合物渗透率动态测试装置实现，其包括以下步骤：

步骤一，输入系统2向测试系统1持续注入稳定的氮气。缓慢打开氮气瓶出口阀门，使氮气开始注入，沿着输送管道依次通过稳压器23、恒流器24、过滤器25、天然气水合物岩心、背压阀44、第一调压阀、第一气体体积流量计。

步骤二，控制系统4设定温度和压力。调节温度控制室41，使其中温度保持在一定值；调节第二压力调节器43，使岩心夹持器11内压力保持在一定值；调节背压阀44，设定其背压值。

步骤三，数据采集分析系统5采集数据并计算天然气水合物岩心渗透率。

步骤四，通过控制系统4改变测试系统1的温度和压力，重复步骤三，计算计算不同温度、压力下的天然气水合物岩心渗透率，进而得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

在一个实施例中，步骤三中，计算天然气水合物岩心渗透率的过程如下：

观察稳压器23和恒流器24指针转动情况，待其稳定后开始进行渗透率测试实验，通过计算机56读取第一压力表51示数并记录为p1；通过计算机56读取第二压力表52示数并记录为p2；通过计算机56读取温度传感器53示数并记录为T1；通过计算机56读取第一气体体积流量计示数并记录为Q0；天然气水合物岩心渗透率按公式(1)进行计算：

式中：K

A为岩心端面积，cm

Q

p

L为岩心长度，cm；

μ为氮气粘度，mPa·s；

p

p

c为比例常数，近似等于1；

λ为对应于平均压力下气体分子平均自由行程，m；

D为分子直径，由气体种类决定，m。

在一个优选的实施例中，平均压力下气体分子平均自由行程，m；

D为分子直径，由气体种类决定，m。

在一个优选的实施例中，所述测试装置的实验方法还包括通过控制管路输出天然气水合物岩心中因温度、压力变化发生分解而产生的天然气和水分，所述的天然气和水分通过气液分离器33进行分离，且其相含量可通过计算机56分析得出，分离后的天然气流量可以通过连接计算机56的第二气体体积流量计测量读出，根据分离后的天然气和水的相含量可由2式进一步求出天然气水合物岩心中水合物的体积陈光进，孙长宇，马庆兰.气体水合物科学与技术[M].北京：化学工业出版社,2008:457.，进而求得天然气水合物岩心中水合物的丰度：

[CH

式中：[CH4,nH2O]hyd为天然气水合物分子式简写；

CH4为甲烷分子式；

H2O为水分子式。

在一个具体的实施例中，通过计算机56读取第一压力表51示数p

通过多次调节温度控制室41和第二压力调节器43，重新设定温度控制室41内温度和岩心夹持器11内压力，重复步骤三，计算不同温度、压力下的天然气水合物岩心渗透率，进而得到不同温度、压力条件下的天然气水合物岩心渗透率动态图版。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。