确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置及方法

1.本发明涉及水合物形成过程模拟实验装置技术领域，尤其涉及一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置及方法。


背景技术：

2.天然气水合物是目前尚未开发的、资源潜力最为巨大的非常规天然气资源之一，主要分布于水深大于300m的海洋及陆地永久冻土带。全球范围内已探明的天然气水合物矿藏的碳含量约为现有化石能源碳含量的两倍，其中海洋天然气水合物资源量约占全球总资源量的97％，而渗漏类型的水合物具有流体迁移程度剧烈、水合物储量大、生成速度快等优点，被视为最具备商业利用价值的储藏。目前对这类水合物的形成、分布、聚集和开采等的研究是该领域的研究热点，其中关于水合物成藏的时序性存在争论，缺少有效手段得出可靠结论。当前能模拟渗漏型水合物合成的实验方法及装置很少，无法很好地模拟真实地层环境，不能确定釜内不同位置水合物合形成的时间。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置，包括反应釜、恒温水浴系统、气体注入系统以及数据采集系统；
4.所述反应釜包括釜体和釜盖，所述反应釜为双层结构，其内包括反应腔以及围绕反应腔的水浴腔；
5.所述釜体内装有砂水混合物以及多个综合传感器，综合传感器分为多层设置与砂水混合物内，所述综合传感器用于感测砂水混合物内的温度、电阻率、和压力；
6.所述恒温水浴系统与所述反应釜的水浴腔连通，调节反应釜内温度；
7.所述气体注入系统于所述反应釜的反应腔连通，所述气体注入系统用于向反应腔内注入水合气体，并调节反应腔内压力；
8.所述数据采集系统与所有综合传感器相连，所述数据采集系统用于收集所有综合传感器采集的数据。
9.进一步地，该实验装置还包括抽真空系统，所述抽真空系统与所述反应腔连通。
10.进一步地，抽真空系统包括依次连接的真空泵、干燥罐以及真空容器，所述真空容器与所述反应釜的反应腔连通。
11.进一步地，所述气体注入系统包括通过管道依次连接的供气罐和气体增压机，所述气体增压机通过管道与所述反应釜的反应腔连通。
12.进一步地，所述气体增压机和所述反应釜之间的管道上还设有气体缓冲容器，所述。
13.进一步地，所述气体缓冲容器和反应釜之间的管道之间还设有一压力调节阀。
14.进一步地，所述反应釜内的综合传感器分为相对上下的三层分布，每层具有十六个综合传感器。
15.本发明还提供一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验方法，该方法使用上述确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置，该方法包括如下步骤：
16.s1:清洗并烘干石英砂，测量其松散状态下的孔隙度；计算石英砂和蒸馏水的实验质量比；
17.s2:将定比例的石英砂和蒸馏水混合均匀后填入反应釜内的反应腔内，使其紧密填充并完全覆盖三层综合传感器；
18.s3:在釜盖上端内壁涂抹适量凡士林，封闭反应釜；
19.s4:采用抽真空装置抽空反应釜的反应腔内空气；
20.s5:打开数据采集控制系统，实时观测记录实验体系内的温度、压力和电阻率数值并形成实时曲线图；
21.s6:开启气体注入系统，向反应釜的反应腔内注入水合气体，并调节反应腔内气压至反应气压；
22.s7:连接恒温水浴系统，恒温水浴系统向反应釜的水浴腔内注入水浴液体，降低反应釜内温度，并将其控制在水合温度；
23.s8:导出整个实验过程中各层综合传感器采集的数据，筛选各层可信数据，比较各层水合物开始生成的相对时间关系，得出各层水合物成藏的时序性特征。
24.进一步地，该方法在步骤s8后还包括如下步骤：
25.s9:重复上述步骤s2-s8，在重复s2中砂水混合物填充过程中，仅使砂水混合物覆盖下两层综合传感器，保持最上层综合传感器露出砂层，之后用湿润海泥覆盖最上层传感器，模拟盖层条件；得到有盖层条件下的各层水合物成藏的时序性特征。
26.s10:对比步骤s8和s9结果，得到有盖层条件和无盖层条件下各层水合物成藏的时序性特征的差异。
27.本发明的有益效果为：本发明提出了一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置及方法，该装置及方法在反应釜内填充石英砂和蒸馏水(砂水混合物)以模拟渗漏型水合物形成地层条件，控制反应釜内温度以及气压促使反应釜内水合物形成，并通过多层分布的综合传感器，检测不同位置的温度、压力和电阻率数据，进而分析得到水合物形成的时序；并且本发明的方法还可研究得到有盖层条件和无盖层条件下各层水合物成藏的时序性特征的差异，为水合物成藏机理提供实验依据。
附图说明
28.图1是本发明实施例一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置的结构示意图。
29.图2是本发明实施例一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置的综合传感器的分布图。
30.图3是本发明实施例中实验方法中各测点的温度、压力和电阻率随co2水合物生成过程的变化及纵向电阻对比图。
31.图4是本发明实施例中水合物合成模式图。
32.图中：1-反应釜，11-反应腔，2-恒温水浴箱，3-真空泵，31-真空容器，32-干燥罐，4-供气罐，41-气体增压机，42-储气容器，43-气压表，44-压力调节阀，45-减压阀，5-数据采
集器，51-工作站，6-综合传感器。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
34.请参考图1和图2，一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置，包括反应釜1、恒温水浴系统、气体注入系统以及数据采集系统；
35.所述反应釜1包括釜体和釜盖，所述反应釜1为双层结构，其内包括反应腔11以及围绕反应腔的水浴腔；所述釜体内反应腔11用于装入石英砂和蒸馏水(砂水混合物)以模拟渗漏型水合物形成地层条件，反应腔11内还设有多个综合传感器6，综合传感器6分为多层设置与砂水混合物内，所述综合传感器6可以感测砂水混合物各处的的温度、电阻率、和压力，从而研究模拟地层各层次的水合物形成情况。本实施例中，所述反应釜1内的综合传感器数量为48个，48个综合传感器5分相对上下的三层分布，每层具有16个综合传感器在该层次内水平均匀分布，其中位于最上层的综合传感器位于砂水混合物上表面。
36.所述恒温水浴系统包括恒温水浴箱2，恒温水浴箱2通过循环管道与所述反应釜1的水浴腔连通，调节反应釜1内温度，本实施例中，恒温水浴箱2用于将反应釜内温度控制在1℃左右，促使反应腔内达到水合物的形成的温度条件。
37.所述气体注入系统包括通过管道依次连接的供气罐4、气体增压机41和气体缓冲容器42，所述气体缓冲容器42与所述反应釜1的反应腔连通。供气罐4、气体增压机41之间的管道上设有减压阀45，气体缓冲容器42与反应釜1之间的管道上设有压力调节阀44和气体压力表43。供气罐4内存储有用于模拟生成水合物的水合气体，本实施例中该气体是co2，所述气体增压机41用于提高反应釜内压力，所述气体缓冲容器42用于使反应釜1内气压稳定，所述压力调节阀和气体压力表43用于配合调节反应釜1的反应腔内的压力，本实施气体注入系统将反应腔压力维持在5mpa。
38.所述数据采集系统包括相互连接的数据采集器5和工作站51，数据采集器5与所有综合传感器6相连，数据采集器5收集所有综合传感器6采集的数据，所述工作站51用于处理并显示数据采集器6收集到的数据。
39.进一步地，实验装置还还包括抽真空系统，所述抽真空系统包括真空泵3、干燥罐32以及真空容器31，所述真空容器31与所述反应釜1的反应腔连通，所述真空泵3用于抽出注入水合气体前的反应腔11内空气，保证实验时水合气体纯度，干燥罐32用于防止反应腔内水分进入真空泵3内而损坏真空泵3。
40.一种确定渗漏型水合物成藏时序的物理模拟实验装置的实验方法包括如下步骤：
41.s1:用蒸馏水冲洗反应釜1，待其自然干燥；清洗并烘干石英砂，测量其松散状态下的孔隙度。根据初始砂岩含水饱和度为100％计算石英砂和蒸馏水的质量比，本实施例中，根据实验经验得出砂水质量比为20：7。
42.s2:将定比例的石英砂和蒸馏水混合均匀后填入反应釜1内的反应腔11内，并将多个综合传感器6分层埋入砂水混合物内，最上层的综合传感器6位于砂水混合物表面；本实施例中，英砂和蒸馏水重量分别为20kg、7kg，石英砂和蒸馏水填充过程中，保持砂体填充紧实，直至砂层顶面距釜口19cm，预留足够空间以保证釜盖盖上后不会对内部砂体产生机械
压实，防止孔隙度变化或砂粒位移破坏综合传感器6。
43.s3:清洁反应釜1的反应腔11内壁上釜体部，并在反应腔11上部涂抹适量凡士林，封闭反应釜1，以保证釜盖密封性。
44.s4:采用抽真空系统抽空反应釜1的反应腔11内空气；
45.s5:打开数据采集控制系统，实时观测记录实验体系内的温度、压力和电阻率数值并形成实时曲线图；实验前判断釜内环境是否达到实验所需条件，实验开始后用于观察实验进展情况
46.s6:开启气体注入系统，向反应釜1的反应腔11内注入水合气体，并调节反应腔11内气压至反应气压；
47.具体地。开启供气罐4、气体增压机41，通过气体压力表43压观察反应腔11内气压，并调节压力调节阀44使反应腔气压保持5mpa。
48.s7:连接恒温水浴系统，恒温水浴系统向反应釜的水浴腔内注入水浴液体，降低反应釜1内温度，并将其控制在水合温度；本实施例中恒温水浴系统将反应釜内温度控制在1℃左右促使水合物形成。利用数据采集控制系统实时观测实验进程，待釜内温度、压力和电阻率均稳定在某一数值不再变化时，说明水合物合成结束。
49.s8:导出整个实验过程中各层综合传感器采集5的数据，筛选各层可信数据，比较各层水合物开始生成的相对时间关系，得出各层水合物成藏的时序性特征。
50.s9:重复上述步骤s2-s8，在重复s2中砂水混合物填充过程中，仅使砂水混合物覆盖下两层综合传感器，保持最上层综合传感器露出砂层，之后用湿润海泥覆盖最上层传感器，模拟盖层条件；得到有盖层条件下的各层水合物成藏的时序性特征。
51.s10:对比步骤s8和s9结果，得到有盖层条件和无盖层条件下各层水合物成藏的时序性特征的差异。
52.参考图2至图4，根据反应釜1内综合传感器6位置分布，将其从上到下分为1-3层，每一层均匀分布为16个。根据地质模型有无盖层，分别做无盖层、有盖层两组实验。在各组实验中，整理各综合传感器6测得的温度、压力和电阻率数据得到曲线图，由于水合物生成时会迅速放热和体积膨胀，气液混合体会转变成固态，会导致周围环境温度、压力和电阻率突然增大，其中电阻率数据参考价值更高，可作为判断水合物生成的主要依据。筛选各层可信数据，比较水合物开始生成的相对时间关系，得出水合物成藏的时序性特征，实验结果如图3所示。
53.通过两个实验对比，证明了在无盖层条件下，水合物自下(气源)向上生长；在有盖层条件下，水合物优先在盖层之下的空间由上至下生长(参考图4)。
54.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
55.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。