一种水合物与浅层气联合开采物理模拟实验装置及方法

技术领域

本发明属于天然气开采技术领域，具体涉及一种水合物与浅层气联合开采物理模拟实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种非化学计量的固体晶体化合物，在特定的低温和高压条件下，可以将客气体分子捕获在水分子晶格中。据估计，全球含天然气水合物沉积物中甲烷气的潜在储量超过1.5×10

我国南海天然气水合物大多具有水合物层和浅层气层纵向耦合共生关系，二者联合开采将有望实现水合物规模化开发。但想要知道水合物和浅层气联合开采的生产机理及产气动态，如果依靠矿场试采来进行研究的话，成本太高，难以实现；而进行实验室尺度的物理模拟是最现实有效的研究手段。实际上，自然界中自然存在的水合物藏与浅层气之间垂向厚度大，在地温梯度的作用下，能够自然实现上部低温区域水合物和下部高温区域浅层气的共生成藏。而实验室条件下，由于实验模型的垂向尺度受限，难以解决垂向温度对水合物藏和自由气藏同时成藏的控制。因此，目前迫切需要研制一种能够用于模拟水合物与浅层气联合开采的物理模拟实验装置，具备形成水合物和浅层气纵向耦合共生的成藏模式，并能够实现水合物和浅层气联合开采时的有效联通，进而为研究水合物和浅层气联合开采机理和生产动态提供支持。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水合物与浅层气联合开采的物理模拟实验装置及实验方法，以解决现有技术中无法模拟水合物与浅层气联合开采的实验装置的技术问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明提供的一种水合物与浅层气联合开采的物理模拟实验装置，包括实验模型模块、用于实验模型抽真空的真空制备模块、用于向实验模型注入气体和液体的气体供应模块和液体供应模块、用于控制实验模型温度的温度控制模块、用于监测实验模块物性参数演化的数据监测模块、用于分离并计量生产物的气液固分离与计量模块、用于对实验模型模块、气液供应模块、温度控制模块、数据监测模块和气液固分离与计量模块进行数据采集及处理的数据采集控制与解释处理模块。

进一步的，本发明还包括述轴压加载模块以及用于气体回收的节能减排处理模块。

更具体的，

所述实验模型模块包括内部设有隔板的腔体，隔板将其分隔为上腔体和下腔体；隔板底部均匀分布有活塞；每个活塞均通过管路依次与液体供应模块中的恒速恒压泵I、蓄水罐I相连，管路上设有阀门和压力传感器，压力传感器与数据采集控制与解释处理模块连接；每个活塞均连接放空阀。初始状态，活塞均处于开启状态；当打开恒亚恒速泵I与蓄水罐I时，蓄水罐I内液体泵入活塞下部空腔，实现活塞的闭合；当需要再次将活塞开启时，关闭恒亚恒速泵I与蓄水罐I并开启与活塞连接的放空阀门，活塞内的液体流出，活塞再次开启。

所述的气体供应模块分别与上腔体和下腔体连接；液体供应模块分别与上腔体和下腔体连接。

所述的上腔体上部设有上垂直生产井口，两侧设有水平生产井口；所述下腔体底部设有下生产井口；上垂直生产口、水平生产井口、下生产井口均与气液固分离与计量模块连接。

所述的上腔体两侧自上而下设置层水平生产井口，每层两个，对称分布。

所述的温度控制模块包括分别安装在上腔体和下腔体外壁且独立控温的制冷机，制冷机与数据采集控制与解释处理模块连接。

所述的数据监测模块包括上储层监测装置、电阻层析成像传感器和下储层监测装置；上腔体两侧自上而下设置4层上储层监测装置，每层16个电阻层析成像传感器，沿上腔体内壁周向均匀分布；下腔体内壁对称分布2个下储层监测装置。

所述的上储层监测装置和下储层监测装置均包括三个深入长度均不相同的储层温度传感器和三个深入长度均不相同的储层压力传感器。

进一步的，

所述实验模型模块包括三维圆柱型腔体，通过隔板将其分隔为上腔体和下腔体，上腔体主要用于水合物生成，下腔体主要用于分层开采浅层气层，隔板下部均匀分布的18个活塞均通过管路与恒速恒压泵I及蓄水罐I依次连接，控制活塞的打开与关闭，实现上腔体和下腔体流体的联通和分隔；管路上设有阀门和压力传感器；恒速恒压泵I与压力传感器均分别与数据采集控制与解释处理模块连接。

三维圆柱型腔体顶部与顶部釜盖密封连接，底部与底部釜盖密封连接；

所述轴压加载模块包括通过管路连接的蓄水罐II和轴压泵，管路上设有阀门和压力传感器，轴压加载模块通过阀门连接顶部釜盖以实现水合物生产过程中的轴压加载功能，轴压泵和压力传感器均分别与数据采集控制与解释处理模块连接。

所述真空制备模块包括通过管路与实验模型模块连接的真空泵，管路上设有压力表和阀门，用于实验前对三维圆柱型腔体抽真空，减少残存空气对实验的影响；所述压力表与数据采集控制与解释处理模块连接。

所述气体供应模块包括沿注气方向通过管路连接的甲烷气瓶、增压泵I、减压阀、气体质量流量控制器I，管路上设有阀门、压力表、压力传感器、空气压缩机以及气体储罐III，气体质量流量控制器I、压力传感器与数据采集控制与解释处理模块连接，气体质量流量控制器I通过管路分别与上腔体和下腔体连通。

所述液体供应模块包括沿液气方向通过管路依次连接的蓄水罐I、恒速恒压泵I、中间容器组、预热装置，预热装置通过管路分别与上腔体和下腔体连通，管路上设有阀门、温度表和压力传感器，恒速恒压泵I和压力传感器与数据采集控制与解释处理模块连接。

所述气液固分离与计量模块包括通过管路依次连接固液分离装置、过滤器、回压阀、气液分离装置、气体干燥装置、气体质量流量控制器II和气体储罐I，管路上设有阀门和压力传感器，压力传感器、固液分离装置、气液分离装置及生产气体质量流量控制器II均分别与数据采集控制与解释处理模块连接。

所述数据采集控制与解释处理模块包括计算机，所述实验模型模块、气液供应模块、温度控制模块、数据监测模块和气液固分离与计量模块分别与所述计算机连接。

所述节能减排处理模块包括沿气体流动方向通过管路依次连接的气体增压泵II、气体储罐II，气体增压泵II通过管路连接空气压缩机，气体增压泵II与气体储罐I连接，气体储罐II与甲烷气瓶连接。

本发明所述的一种水合物与浅层气联合开采物理模拟方法，上述所述的装置，过程包括以下步骤：

（1）水合物与浅层气分层成藏过程

（1-1）将上腔体和下腔体内分别装填砂样并压实，密封；

（1-2）隔板上的活塞处于开启状态； 通过液体供应模块，将液体充注至上腔体和下腔体，关闭液体供应模块；

（1-3）启动真空制备模块和数据监测模块，对上腔体和下腔体抽真空至﹣0.09～﹣0.10MPa，关闭真空制备模块；

（1-4）启动温度控制模块，分别调节上腔体和下腔体温度为0℃～15℃，维持稳定；

（1-5）控制隔板上的活塞全部关闭，打开气体供应模块向上腔体注入甲烷气体，同时打开液体供应模块向下腔体注入液体，保证上腔体和下腔体压力差不超过2MPa，待上腔体达到5MPa～20MPa后关闭气体供应模块和液体供应模块；

（1-6）随着上腔体中水合物的生成，上腔体的压力开始降低，此时开启气液固分离与计量模块，逐渐排出下腔体中的液体，保证上腔体和下腔体压力差不超过2MPa；

（1-7）当上腔体压力达到实验设定压力时，打开气体供应模块，在下腔体排出液体的同时向下腔体中注入甲烷气体，当排出的液体累计排出体积达到实验设定值，关闭气体供应模块和气液固分离与计量模块，停止下腔体甲烷气体和液体的排出，水合物和浅层气分层成藏过程完成。

（2）水合物和浅层气联合/单独开采过程

开启气液固分离与计量模块，选择不同的生产井口分别/同时对上腔体和下腔体进行开采，同时启用数据监测模块实时监测数据，当气液固分离与计量模块中的气体质量流量控制器II的产气速率长时间为“0”时，说明水合物和浅层气开采完成；

开采完成后，开启节能减排处理模块，将甲烷气体回注至甲烷气瓶。

与现有技术相比本发明的有益效果为:

本发明腔体中设有隔板，隔板上设有活塞，通过控制活塞的开启闭合，不仅可以有效模拟水合物和浅层气的分层成藏和联合开采过程，还可以模拟多种类型水合物藏的形成和开采过程，解决了现有实验装置难以实现多类型水合物藏的形成及开采过程中水合物层和浅层气层的有效联通。

（2）本发明通过控制不同数量活塞的打开与闭合、不同制冷机控制温度，可以有效模拟不同隔层条件、地温梯度条件下的水合物和浅层气联合开采过程，实现不同地质条件下水合物和浅层气各自单独开采及联合开采的模拟，进而极大促进了联合开采层间干扰机理方面的研究。

（3）本发明在上腔体和下腔体分别设置有多个生产井口，能够分析不同井型开采条件下的产能释放机制并进行效果评价，进而对不同开采模式进行优化设计。

（4）本发明基于电阻层析成像技术和合理分布的压力温度传感器可实现生成和开采过程中各层的压力、温度、电阻率、产量等三维模拟监测，得到水合物和浅层气联合开采过程中储层物性参数动态演变规律。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明上腔体中上储层监测装置和电阻层析成像传感器俯视分布结构示意图；

图3是本发明下腔体中下储层监测装置俯视分布结构示意图；

图4是活塞在隔板上的分布结构示意图；

图5是本发明所述的活塞结构示意图，（a）为活塞闭合状态，（b）为活塞打开状态；

其中：1实验模型模块，1-1隔板，1-2腔体，1-3上腔体，1-4下腔体，1-5活塞，1-6上垂直生产井口，1-7水平生产井口，1-8下生产井口，1-9顶部釜盖，1-10底部釜盖；

2真空制备模块，2-1真空泵；

3气体供应模块，3-1甲烷气瓶，3-2增压泵I，3-3减压阀，3-4气体质量流量控制器I，3-5空气压缩机，3-6气体储罐III；

4液体供应模块，4-1蓄水罐I，4-2恒速恒压泵I，4-3中间容器组，4-4预热装置；

5温度控制模块，5-1制冷机；

6数据监测模块，6-1上储层监测装置，6-2电阻层析成像传感器，6-3下储层监测装置，6-4储层温度传感器，6-5储层压力传感器；

7气液固分离与计量模块，7-1固液分离装置，7-2过滤器，7-3回压阀，7-4气液分离装置，7-5气体干燥装置，7-6气体质量流量控制器II，7-7气体储罐I，7-8恒速恒压泵II，7-9蓄水罐III，7-10固体计量装置；

8数据采集控制与解释处理模块，8-1计算机；

9轴压加载模块，9-1蓄水罐II，9-2轴压泵；

10节能减排处理模块，10-1增压泵II，10-2气体储罐II，10-3空气压缩机。

具体实施方式

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-图2所示，本发明提供了一种水合物与浅层气联合开采的物理模拟实验装置，包括实验模型模块1、用于实验模型抽真空的真空制备模块2、用于向实验模型1注入气体和液体的气体供应模块3和液体供应模块4、用于控制实验模型1温度的温度控制模块5、用于监测实验模型模块1物性参数演化的数据监测模块6、用于分离并计量生产物的气液固分离与计量模块7、用于施加压力的轴压加载模块9、用于对实验模型模块1、气体供应模块3、液体供应模块4、温度控制模块5、数据监测模块6、轴压加载模块9和气液固分离与计量模块7进行数据采集及处理的数据采集控制与解释处理模块8以及用于气体回收的节能减排处理模块10。

所述实验模型模块1包括三维圆柱型腔体1-2，通过隔板1-1将其分隔为上腔体1-3和下腔体1-4，上腔体1-3主要用于水合物生成，下腔体1-4为浅层气层，主要用于分层开采，隔板1-1下部的18个活塞1-5均通过管路与液体供应模块4中恒速恒压泵I4-2、蓄水罐I4-1连接，管路上设有阀门和压力传感器，恒速恒压泵I4-2和压力传感器与数据采集控制与解释处理模块8连接。在压力传感器、恒速恒压泵I4-2、阀门、蓄水罐I4-1作用下，控制相应活塞1-5的打开与关闭，实现上腔体1-3和下腔体1-4流体的联通和分隔。

所述三维圆柱型腔体1-2顶部与顶部釜盖1-9密封连接，底部与底部釜盖1-10密封连接。

轴压加载模块9包括通过管路连接的蓄水罐II9-1和轴压泵9-2，管路上设有阀门、压力传感器，压力传感器及轴压泵9-2均分别与数据采集控制与解释处理模块8连接，轴压加载模块9连接顶部釜盖1-9以实现水合物生产过程中的轴压加载功能。

所述上腔体1-3上部设有1个上垂直生产井口1-6，通过管路与气液固分离与计量模块7连接；所述上腔体1-3两侧设有5层水平生产井口1-7，每层对称分布两个，通过管路与气液固分离与计量模块7连接；所述下腔体1-4包括1个下生产井口1-8，通过管路与气液固分离与计量模块7连接。采用该结构可以实现不同井型的开采研究。

所述真空制备模块2包括与实验模型模块1通过管路连接的真空泵2-1，管路上设有压力表和阀门，用于实验前对三维圆柱型腔体1-2抽真空，减少残存空气对实验的影响；所述压力表与数据采集控制与解释处理模块8连接。

所述气体供应模块3包括沿注气方向通过管路连接的甲烷气瓶3-1、增压泵I3-2、减压阀3-3、气体质量流量控制器I3-4，管路上设有阀门、压力表、压力传感器、空气压缩机3-5以及气体储罐III3-6，气体质量流量控制器I3-4、压力传感器与数据采集控制与解释处理模块8连接，气体质量流量控制器I3-4通过管路分别与上腔体1-3和下腔体1-4连通。

所述液体供应模块4包括沿液气方向通过管路依次连接的蓄水罐I4-1、恒速恒压泵I4-2、中间容器组4-3、预热装置4-4，预热装置4-4通过管路分别与上腔体1-3和下腔体1-4连通，管路上设有阀门、温度表和压力传感器，恒速恒压泵I4-2和压力传感器与数据采集控制与解释处理模块8连接。

所述温度控制模块5包括分别安装在上腔体1-3和下腔体1-4外壁的制冷机5-1，用于分别对上腔体1-3和下腔体1-4进行温度调节；制冷机5-1与数据采集控制与解释处理模块8连接。

所述数据监测模块6包括上储层监测装置6-1、电阻层析成像传感器6-2和下储层监测装置6-3，均分别与数据采集控制与解释处理模块8连接；上储层监测装置6-1和电阻层析成像传感器6-2用于监测水合物层在成藏及分解过程中的温度、压力、电阻率变化；下储层监测装置6-3用于监测浅层气层在成藏及分解过程中的温度、压力变化；上腔体1-3两侧自上而下设置4层上储层监测装置6-1，每层16个电阻层析成像传感器6-2，沿上腔体1-3内壁周向均匀分布；下腔体1-4内壁对称分布2个下储层监测装置6-3；所述上储层监测装置6-1和下储层监测装置6-3均包括三个深入长度均不相同的储层温度传感器6-4和三个深入长度均不相同的储层压力传感器6-5。

所述气液固分离与计量模块7包括通过管路依次连接固液分离装置7-1、过滤器7-2、回压阀7-3、蓄水罐III7-9、气液分离装置7-4、气体干燥装置7-5、气体质量流量控制器II7-6和气体储罐I7-7，管路上设有阀门和压力传感器，压力传感器、固液分离装置7-1、恒速恒压泵II7-8、气液分离装置7-4及气体质量流量控制器II7-6均分别与数据采集控制与解释处理模块8连接。所述固液分离装置7-1与阀门及固体计量装置7-10依次连接，用于分离生产出的固体颗粒并称重；所述回压阀与恒速恒压泵II7-8及蓄水罐III7-9依次连接，通过恒速恒压泵II7-8控制回压阀的出口压力。

所述节能减排处理模块10包括沿气体流动方向通过管路依次连接的增压泵II10-1、气体储罐II10-2，增压泵II10-2通过管路连接空气压缩机10-3，增压泵II10-1与气体储罐I7-7连接，气体储罐II10-2与甲烷气瓶3-1连接。气体储罐I7-7用于缓解生产气体的压力波动；空气压缩机10-3压缩空气为增压泵II10-1提供动力；气体储罐II10-2用于缓解增压泵II10-1增压后的气体压力波动，并通过管路和阀门与甲烷气瓶3-1连接。

所述数据采集控制与解释处理模块8包括计算机8-1。

作为可选的实施方式，上腔体1-3的高度为0.6m；内径为0.6m。

作为可选的实施方式，下腔体1-4的高度为0.3m；内径为0.6m。

作为可选的实施方式，隔板1-1的高度为0.10m；单个活塞1-5的通道φ70mm，可通过阀门实现部分独立开启或者全部开启。

作为可选的实施方式，水平生产井口1-7可以连接水平井或多分支井，且可以根据需要设计为不同缝宽、不同间距、不同密度的割缝井网；不同孔径、不同密度、渐变孔径的射孔井网。

作为可选的实施方式，气体质量流量控制器II7-6包括三个不同量程的气体质量流量控制器，由大量程到小量程依次分布，实现生产气体流量的精确测量。

实施例2

应用实施例1中的水合物与浅层气联合开采的物理模拟实验装置进行水合物和浅层气分层成藏及联合开采的实验方法，包括下述步骤：

（1）水合物和浅层气分层成藏过程

（1-1）将三维圆柱型腔体1-2旋转180°，打开底部釜盖1-10，根据实验需求逐层装填所需砂样并压实，装填完成后关闭底部釜盖并密封；重新旋转三维圆柱型腔体1-2旋转180°，打开顶部釜盖1-9，根据实验需求逐层装填所需砂样并压实，装填完成后关闭顶部釜盖1-9并密封；

（1-2）控制隔板1-1上的18个活塞1-5处于全部开启状态，用于上腔体1-3和下腔体1-4流体的沟通；

（1-3）根据实验需求配比液体并充注至中间容器组4-3，打开液体供应模块4中的恒速恒压泵I4-2、阀门，并根据实验需求设置恒定流速推动中间容器组4-3活塞向上腔体1-3和下腔体1-4注入液体，累计注入液体总量达到实验需求时，依次关闭恒速恒压泵I4-2、中间容器组4-3和阀门；

（1-4）打开真空制备模块2中的阀门和真空泵2-1以及数据监测模块6，对上腔体1-3和下腔体1-4抽真空，待上腔体1-3和下腔体1-4的真空度均为﹣0.09～﹣0.10MPa时，依次关闭真空泵2-1和阀门；

（1-5）开启温度控制模块5中的制冷机，根据实验需求调节上腔体1-3和下腔体1-4进行温度为0℃～15℃并维持稳定；同时数据监测模块6时刻采集上腔体1-3和下腔体1-4的温度、压力、电阻率等数据；

（1-6）调节液体供应模块4中的恒速恒压泵I4-2和阀门，控制隔板1-1上的18个活塞1-5全部关闭，分隔上腔体1-3和下腔体1-4；打开气体供应模块3向上腔体1-3注入甲烷气体，同时打开液体供应模块4向下腔体1-4注入液体，保证上腔体1-3和下腔体1-4压力差不超过2MPa，待上腔体1-3达到5MPa～20MPa后关闭气体供应模块3和液体供应模块4；

具体的，

打开气体供应模块3，向上腔体1-3注入甲烷气体，甲烷气瓶3-1内的甲烷气体在气体增压泵I3-2的增压作用下进入气体储罐III3-6，并通过压力表监测气体储罐III3-6内压力，根据实验需求调节减压阀，控制注入上腔体1-3内的气体压力，并通过气体质量流量控制器I3-4测量累计注入气体体积，由于隔板1-1上的活塞1-5全部关闭，甲烷气体均匀分散后在压差作用下将自下向上运移，直至达到实验设定压力（5MPa～20MPa）后关闭气体供应模块3；

在向上腔体1-3注入气体的同时，依次打开液体供应模块4中的恒速恒压泵I4-2、中间容器组4-3及阀门，使液体注入下腔体1-4，提高下腔体1-4的压力，并通过计算机监测上腔体1-3和下腔体1-4的压力差不超过2MPa，确保活塞1-5的稳定，当水合物层达到实验设定压力（5MPa～20MPa）后关闭气体供应模块3和液体供应模块4；

（1-7）由于上腔体1-3设定的温度和压力条件高于水合物相平衡条件，水合物持续在上腔体1-3生成，盐溶液和甲烷气体不断消耗，上腔体1-3压力降低，为确保隔板1-1以及活塞1-5的稳定，依次打开气液固分离与计量模块7中的恒速恒压泵II7-8、回压阀7-3、阀门，通过设置恒速恒压泵II7-8不同压力，从下生产井口1-8排出下腔体1-4中的液体，降低下腔体1-4压力，保证上腔体1-3和下腔体1-4压力差不超过2MPa；

（1-8）当上腔体1-3达到实验设定压力时，同时打开气体供应模块3，在排出液体的同时向下腔体1-4注入甲烷气体，并监测下储层监测装置6-3确保下腔体1-4的压力恒定，打开气液分离装置7-4，计量排出的液体体积，当累计排出体积达到实验设定值，同时关闭气体供应模块3和气液固分离与计量模块7，停止下腔体1-4甲烷气体的注入和盐溶液的排出，由于时间较短，下腔体1-4不会生成水合物，此时水合物和浅层气分层成藏过程完成。

（2）水合物和浅层气联合/单独开采过程

依次开启气液固分离与计量模块7，根据实验需求，通过回压阀7-3及恒速恒压泵II7-8设定开采压力，并根据实验需求选择同时开启与上垂直生产口、水平生产井口1-7、下生产井口1-8连接的阀门，实现水合物层和浅层气层同时开采，或分别开启与上垂直生产口1-6、水平生产井口1-7、下生产井口1-8连接的阀门，实现水合物层和浅层气层分层开采，生产出的甲烷气体、盐溶液及砂样颗粒先通过固液分离装置7-1分离出砂样颗粒，再经过气液分离装置7-4分离盐溶液并称重计量，通过气体干燥装置7-5干燥，最终经过气体质量流量控制器II7-6计量累计产气量及产气速率，并流入气体储罐I7-7存储，水合物和浅层气联合开采过程中上储层监测装置6-1、电阻层析成像传感器6-2时刻采集水合物层的温度、压力、电阻率数据，下储层监测装置6-3时刻采集浅层气层的温度、压力数据；当气体质量流量控制器II7-6的产气速率长时间为“0”时，说明水合物和浅层气开采完成。

完成开采过程后，开启节能减排处理模块10，空气压缩机10-3压缩空气为气体增压泵II10-1提供动力，将气体储罐I7-7存储的甲烷气体回注至甲烷气瓶3-1，减少甲烷气体排放，防止环境污染。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。