本发明专利技术公开了一种精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，包括高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体，本发明专利技术能够通过储层圈闭子模块分隔水合物储层模型和上覆水层，在超重力下实现开采过程中上覆水压力和开采井压力的独立控制、储层温度边界和地温梯度的准确模拟，可以真实准确模拟深海原位大尺度水合物储层开采过程中恒定上覆海水压力和真实温度场对水合物分解产气进程的影响。真实温度场对水合物分解产气进程的影响。真实温度场对水合物分解产气进程的影响。
【技术实现步骤摘要】
精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置
[0001]本专利技术涉及一种岩土工程和能源工程领域超重力物理模拟实验装置，特别是精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置。
技术介绍
[0002]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形结晶化合物，天然气水合物分解时，标准条件下1m3天然气水合物可释放约164m3的甲烷气体，因其巨大的资源潜力，被认为是21世纪最有潜力替代常规油气的清洁能源。
[0003]海源水合物一般赋存于千米级水深、百米级埋深沉积物中，储层厚度达数十米，储层强度、稳定等特性受重力场影响显著，水合物降压开采过程中，开采井周边储层压力与上覆水压差可达10MPa，从而改变储层变形、渗流等特性，同时由于受地温梯度影响，水合物储层内不同深度处存在显著温差，调查显示神狐海域原位储层地温梯度达43
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67℃/km，造成不同深度处水合物分解特性存在差异；为探索海洋环境中水合物相变分解诱发多相多场耦合作用机理，评估商业开采技术的可行性，中国和日本均开展了海域水合物原位试采试验；但原位储层物理环境极端，现场实验难度大、成本高，因此物理模拟实验成为研究天然气水合物开采特性的重要手段；目前水合物开采模拟装置多为常重力实验装置，无法模拟大尺度储层土骨架有效应力场，不考虑上覆水压控制，实验过程中上覆水压力随模型降压快速下降，导致储层模型总应力突变，此外，相关装置往往缺乏地温梯度的模拟，难以准确再现原位储层内水合物分解导致模型温度快速降低后的热传导和热对流过程。
[0004]因此，要保障室内天然气水合物模型实验的科学性及有效性，首先要解决的便是储层模型物理环境与边界条件的准确控制，其中重力场、压力场、温度场是影响原位大尺度水合物储层长历时开采多相多场相互作用过程的三个关键因素，在还原大尺度储层应力梯度的基础上，同时有效维持储层上覆水压力、再现储层梯度温度环境，仍是目前海洋天然气水合物开采模拟装置的瓶颈难题。
技术实现思路
[0005]为真实模拟大尺度水合物储层长历时开采过程，本专利技术的目的在于提供一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置，能够搭载于土工离心机上，在超重力条件下研究天然气水合物开采特性及灾变效应。
[0006]本专利技术能综合模拟深海天然气水合物储层在原位大尺度自重应力场、储层上覆水压力和地温梯度影响下的水合物分解产气过程和储层力学响应，实现该功能主要通过在超重力条件下精确控制模型温度和压力环境并模拟水合物开采过程。所述超重力条件是指利用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。
[0007]本专利技术采用技术方案如下：
[0008]一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置，包括高压容器、立体伺
服温控模块、水合物制备模块、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体，所述的容器筒体为圆柱形的容器，所述容器筒体顶部设有容器顶盖，所述容器筒体与所述容器顶盖通过高强螺栓相连。
[0009]进一步地，所述高压容器可承受0～40MPa的压力，所述容器筒体内设置有水合物储层模型，所述容器顶盖上贯穿设置有两个容器顶盖预留孔，所述容器筒体底部设有底部入口，所述容器筒体底部入口通过离心机旋转接头与所述水合物制备模块相连接。
[0010]进一步地，所述的立体伺服温控模块包括有水浴夹套、底部温控板和恒温水浴箱，所述水浴夹套设置于所述容器筒体外侧用于控制容器筒体侧边界的温度，所述容器筒体与水浴夹套之间设有水浴导流板用于引导水浴循环路径，所述底部温控板设置在所述容器筒体底部用于控制容器筒体底部的低温冷却液循环来模拟地温梯度，所述水浴夹套和底部温控板与所述恒温水浴箱通过离心机旋转接头，以串联或并联形成回路为容器筒体模拟温度梯度。
[0011]更进一步地，用于模型底部温控和地温梯度的模拟的所述底部温控板中心设有温控刻槽，所述温控刻槽的外侧一周设有第二密封圈，所述底部温控板上设有螺栓孔，所述底部温控板与高压容器之间利用所述螺栓孔连接，并通过第二密封圈进行密封，所述底部温控板上设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液从冷却液入口进入温控刻槽再由冷却液出口流出。
[0012]进一步地，所述的开采模块包括有开采井、回压泵和回压阀，所述开采井垂直设置于所述容器顶盖中心，所述开采井一端伸入所述水合物储层模型中，另一端与回压阀连接，所述回压阀分别与所述回压泵和液气分离与收集模块相连，通过回压泵伺服控制回压压力以调节开采井内压力，经开采模块产出的液气最终由液气分离与收集模块存储。
[0013]进一步地，所述的上覆水压控制模块包括有储层圈闭子模块、上覆水层和双缸伺服柱塞泵，所述上覆水层处于所述水合物储层模型的上层，且通过储层圈闭子模块分隔开，所述双缸伺服柱塞泵通过管道与容器顶盖上的一个容器顶盖预留孔与上覆水层相连通，用于伺服交替抽排液体实现上覆水压力持续稳定控制。
[0014]更进一步地，所述的储层圈闭子模块包括有上框架、低渗乳胶膜、下层外框架、下层内框架、第一密封圈组成，上框架分为内环和外环，分别连接容器筒体内壁和开采井外壁并通过第一密封圈密封，所述上框架的内外环间由若干成一定夹角的直杆连接，搭配下层外环和下层内环夹紧固定低渗乳胶膜边缘。
[0015]进一步地，所述的模型监测与数据采集模块包括有若干传感器单元和数据采集系统，每个所述传感器单元一端固定设置在水浴夹套外侧，另一端伸入所述水合物储层模型中，每个所述传感器单元包含温度传感器、孔压传感器、电阻率、土压力盒、位移传感器、流量计等，每个传感器单元均与所述数据采集系统相连。
[0016]一种模拟深海天然气水合物开采环境的超重力实验装置的模型制备方法，包括如下步骤：
[0017]步骤1：模型土骨架制备：在容器筒体内，将模拟原状土颗粒级配的标准砂与定量去离子水充分搅拌混合制的特定含水率砂土，再通过分层夯实法得到特定孔隙率；
[0018]步骤2：密封：在模型土骨架上方安装储层圈闭子模块，并使低渗乳胶膜与土骨架间充分贴合，第一密封圈与高压容器侧壁压紧密封，关闭容器顶盖；
[0019]步骤3：密封检测：向容器顶盖预留孔内注入氮气进行装置气密性检测，若气密性良好则开展后续制备工作；
[0020]步骤4：气体注入：利用水合物制备模块由容器顶盖预留孔、水合物储层模型排气口向储层圈闭子模块上下两侧分别注入氮气及甲烷气达到预定压力；
[0021]步骤5：装载设温：将模型装置搭载至超重力离心机吊篮内，开启温度控制模块进行温度调节，将容器筒体内温度稳定在指定初始温度；
[0022]步骤6：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，加速度稳定后，等待若干小时使模型土骨架在超重力场下充分固结；
[0023]步骤7：控温生成水本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，包括有高压容器、立体伺服温控模块、水合物制备模块(15)、上覆水压控制模块、开采模块、液气分离与收集模块(19)及模型监测与数据采集模块，所述高压容器、上覆水压控制模块、开采模块和液气分离与收集模块(19)能在超重力离心加速度1～500g的条件下工作，所述的高压容器包括有容器筒体(1)，所述的容器筒体为圆柱形的容器，所述容器筒体(1)顶部设有容器顶盖(2)，所述容器筒体(1)与所述容器顶盖(2)通过高强螺栓(3)相连。2.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述高压容器最大承受压力不小于40MPa，所述容器筒体(1)内设置有水合物储层模型(13)，所述容器顶盖(2)上贯穿设置有两个可控制开闭的容器顶盖预留孔(9)；所述容器筒体(1)底部设有底部入口，所述容器筒体(1)底部入口在超重力离心加速度条件下能够通过离心机旋转接头(16)与所述水合物制备模块(15)相连接。3.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的立体伺服温控模块包括有水浴夹套(5)、底部温控板(7)和恒温水浴箱(17)，所述水浴夹套(5)设置于所述容器筒体(1)外周，所述容器筒体与水浴夹套之间设有水浴导流板(6)用于引导水浴循环路径，所述底部温控板设置在所述容器筒体(1)底部，所述水浴夹套(5)和底部温控板(7)与所述恒温水浴箱(17)通过离心机旋转接头(16)以串联或并联形式来形成回路为容器筒体模拟温度梯度。4.根据权利要求3所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述底部温控板(7)中心设有温控刻槽(29)，所述温控刻槽(29)的外周设有第二密封圈(30)，所述底部温控板(7)上设有螺栓孔(32)，所述底部温控板与高压容器之间利用所述螺栓孔(32)连接，并通过第二密封圈(30)进行密封，所述底部温控板(7)上设有冷却液入口(28)和冷却液出口(31)，冷却液从冷却液入口进入温控刻槽再由冷却液出口流出。5.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的开采模块包括开采井(8)、回压泵(20)和回压阀(21)，所述开采井(8)垂直设置于所述容器顶盖(2)中心，所述开采井(8)一端伸入所述水合物储层模型(13)中，另一端连接回压阀(21)，所述回压阀(21)分别与所述回压泵(20)和所述液气分离与收集模块(19)相连，所述高压容器壁面设置有水合物储层模型排气口(10)。6.根据权利要求1所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的上覆水压控制模块包括有储层圈闭子模块(4)、上覆水层(12)和双缸伺服柱塞泵(18)，所述上覆水层(12)处于容器筒体(1)内部，所述上覆水层(12)处于所述水合物储层模型(13)的上层，且通过所述储层圈闭子模块(4)分隔开，所述双缸伺服柱塞泵(18)通过管道与容器顶盖(2)上的容器顶盖预留孔(9)与上覆水层(12)相连通。7.根据权利要求6所述的精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置，其特征在于，所述的储层圈闭子模块(4)包括有上框架(22)、低渗乳胶膜(23)、下层外框架(25)、下层内框架(26)、第...
【专利技术属性】
技术研发人员：王路君，王鹏，朱斌，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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