天然气水合物开采多物理场演化模拟测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非常规油气藏开采工程技术领域，具体涉及一种天然气水合物开采多物理场演化模拟测试装置，本发明还涉及一种天然气水合物开采多物理场演化模拟测试方法。
【背景技术】
[0002]天然气水合物开采受到各国政府、高校和研究机构的高度重视，已经成为非常规油气藏工程的研究热点。我国南海海域蕴含着丰富的水合物资源，海域水合物试开采的实施迫在眉睫，然而在水合物开采机理方面仍然存在一些问题，特别是水合物开采时地层中多物理场演化机理研究仍然不能较好的满足工程实际需求。
[0003]水合物开采涉及传热、水合物分解相变、多相渗流和地层变形4个物理过程。传热过程是指温差引起能源转移的过程，水合物开采时引起温差的因素包括高温液体注入和水合物分解吸热;水合物分解相变过程是指固态水合物相变产生天然气和水的过程;多相渗流过程是指气相、液相和固相(水合物和骨架细小颗粒)在多孔介质中的渗流过程，伴随着水合物相变引起气相、液相的增加和地层参数的改变;地层变形过程是指地层有效应力和强度改变引起变形的过程，多相渗流、水合物分解引起的孔隙压力变化和上覆总压力变化均会引起有效应力发生改变，固体水合物饱和度的变化使地层强度发生改变。上述4个物理过程的存在说明了水合物开采本身就是一个储层中多物理场演化的过程，即温度场、流场(孔隙压力、流速和物质含量)和位移场(应力应变)的时空演化过程。固体水合物含量随时间和空间的变化对温度场、流场和位移场的时空演化过程具有重要的影响，具体表现为水合物分解阵面的传播距离反映了地层力学性质削弱范围和水合物分解范围，是水合物开采安全性评价和产气效率评估的关键参数之一，同时也是水合物开采原位监测的重要组成部分。
[0004]由于水合物试开采的风险性和技术性均较高，并且需要高额的开支和长期的准备，水合物开采技术研究仍以室内实验为主。多个国家进行了水合物开采模拟实验装置的设计及建造，重点关注水合物开采时温度场、部分流场(孔隙压力和流速)的测量，而对于物质含量特别是固体水合物饱和度的测量较为少见，无法实现水合物分解阵面传播过程的测量，特别是深海松散沉积物中水合物降压分解阵面的传播过程，对于位移场(应变)的关注更是鲜有报道。现有实验装置限制了水合物降压开采多物理场演化机理实验模拟，影响了水合物降压开采的安全性、产能效率以及现场监测等方面工作的顺利开展。
[0005]电阻层析成像技术是新一代过程参数在线检测技术，也是一种多学科交叉的高新技术。该技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的电导率，据此判断出敏感场内物体的电导率分布便可推知该场中媒质的分布情况。电阻层析成像技术与传统的过程参数检测方法相比具有诸多优点:能够提供在线连续的二维/三维可视化信息;可以提取大量被测对象的基础参数;多点、界面分布式、非侵入、无放射性测量，不破坏、干扰物理场;结构简单且成本低。从各国研究工作者发表的成果看，电阻层析成像技术有着广泛的工业应用前景，随着研究的深入，已经获得了长足的发展，在过程模型的证实、设备操作状况的在线监测、地质及环境监测、两相管流的监测等方面中，电阻层析成像技术已经取得了许多令人振奋的成果，近年来在沉积物中水合物含量监测方面也取得了一定的成果，逐渐成为国际上水合物研究领域最受关注的无破坏实验测试技术之一。
【发明内容】
[0006]为了克服现有测量装置存在的上述问题，本发明提供了一种基于电阻层析成像技术的天然气水合物降压开采多物理场演化过程模拟测试装置，采用电阻层析成像技术进行沉积物中物质含量特别是水合物饱和度的实时测量，通过围压液的体积变化进行沉积物体积变化的实时测量，结合温度、孔隙压力和流速(产气以及产水速率)实验数据能够实现水合物降压开采时温度场、流场和位移场演化过程的实验模拟工作，还能够结合相关的本构方程以及经验模型综合分析沉积物基础物性参数的演化规律，最终为水合物开采现场监测方案设计及优化等方面提供必要的理论支撑。
[0007]本发明的另一目的是提供一种基于电阻层析成像技术的天然气水合物降压开采多物理场演化过程模拟测试方法。
[0008]本发明所采用的第一技术方案是，一种天然气水合物开采多物理场演化模拟测试装置，包括反应釜，所述反应釜设置于温度控制模块内，反应釜分别与液体供给模块、气体供给模块、反压控制模块、围压加载模块和数据测量采集模块相连接。
[0009]进一步地，反应釜的两端通过左端盖和右端盖用螺纹压套压紧方式密封;反应釜内安装围压胶套，反应釜和围压胶套同轴设置，围压胶套内包裹沉积物样品；反应釜上设置有第一导线引出孔和第二导线引出孔;反应釜上连接有第一安全阀，反应釜和第一安全阀之间设置有截止阀。
[0010]进一步地，反应Il由316不锈钢材料制成，反应!!的内部腔体的直径为160_，长度为1600mm;围压胶套采用氯丁橡胶材质。
[0011]进一步地，温度控制模块包括恒温水浴箱和制冷机组，恒温水浴箱内的底部设置有两个支承条，进出口斜对角布置，恒温水浴箱上设置有发泡剂保温层，反应釜设置于恒温水浴箱内，恒温水浴箱的底部连接有制冷机组。
[0012]进一步地，液体供给模块包括孔隙水容器、孔隙水注入栗、气液固分离器、可视高压釜、第一减压阀、第二液体流量计；
[0013]沉积物样品的一端通过第一管道依次连接有气液固分离器、第一减压阀、孔隙水容器、孔隙水注入栗和第二液体流量计，第二液体流量计通过管道与沉积物样品的另一端相连接;气液固分离器上连接有可视高压釜。
[0014]进一步地，气体供给模块包括甲烷供给气瓶、增压栗、空气压缩机、甲烷回收罐、第二减压阀、第三减压阀、第二安全阀、气液分离器、第一气体流量计和第二气体流量计；
[0015]气液固分离器通过第二管道依次连接有第二安全阀、气液分离器、第二气体流量计、甲烷回收气瓶、增压栗、第二减压阀、甲烷供给气瓶、第三减压阀、第一气体流量计，第一气体流量计通过第二管道与第一管道相连接，第二管道与第一管道的交点在第二液体流量计与沉积物样品之间;第二安全阀的两端还设置有第三管道，第三管道设置有截止阀；气液分离器还连接有电子天平，气液分离器的两端设置有第四管道，第四管道的两端设置有截止阀，增压栗上还连接有空气压缩机。
[0016]进一步地，围压加载模块包括围压液体容器和围压注入栗;反应釜通过第五管道依次连接有截止阀、围压栗、截止阀和围压液体容器。
[0017]进一步地，数据测量采集模块包括电阻层析成像仪、压力传感器、温度探头、电极和工控机；
[0018]工控机分别通过导线连接有压力传感器、温度探头、第二气体流量计、第一液体流量计和电阻层析成像仪；
[0019]压力传感器、温度探头和电极均设置于沉积物样品的轴向上;通过导线与反应釜相连接;压力传感器、温度探头上的导线穿过第一导线引出孔与工控机相连接，电阻层析成像仪与沉积物样品相连接，电阻层析成像仪上的导线穿过第二导线引出孔与沉积物样品相连接。
[0020]进一步地，压力传感器、温度探头均设置有5个，相邻的压力传感器之间以及相邻的温度探头之间的间隔为200mm;沉积物样品的轴向上每隔50mm设置有电极，电极分为20层，每层电极由5个探头组成。
[0021]本发明所采用的第二技术方案是，一种天然气水合物开采多物理场演化模拟测试方法，采用上述的天然气水合物开采多物理场演化模拟测试装置，包括以下步骤:
[0022]步骤I)在围压胶套上安装温度探头与压力传感器以及电阻层析成像电极，连接左端盖，向竖直放置的围压胶套内装填砂土以制备沉积物样品，水平安装于反应釜内，连接右端盖，温度探头与压力传感器的导线从第一导线引出孔中引出，电极导线从第二导线引出孔中引出；
[0023]步骤2)开启围压栗，将围压液体容器中的围压液体注入反应爸并施加一定的围压，通过第一液体流量计测量围压液体的体积变化；
[0024]步骤3)开启孔隙水注入栗，将孔隙水容器中的孔隙水注入沉积物样品，通过第二液体流量