水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统及其方法与流程

本发明涉及出砂及多物性参数联合测量技术领域，尤其涉及一种水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统及其方法。

背景技术：

水合物储层的高效安全开采的核心主要涉及：储层力学稳定与流体流动效率，二者相互耦合作用的过程最终决定了开采过程中的出砂量以及气体和水的产出量。国内外对于开采过程中相关问题的实验研究一般都是独立分开探索储层力学响应和出砂规律，在基本掌握沉积物力学性质和流体流动特征的前提条件下，着重针对流固耦合后的出砂和产水产气问题进行深入的研究，最终结合流固耦合过程对产能进行分析和评价。

在水合物沉积物的固体力学实验方面，和水合物储层开采密切相关的水合物分解过程中力学性质的研究还有所欠缺，且水合物分解对沉积物力学强度削弱影响非常大。而分解造成的力学强度损失正是开采过程中储层出砂的一个重要原因，需要在水合物力学稳定性以及流固耦合实验中予以重点关注。在流体流动特征实验研究方面，研究中多采用透明窗口、透明材料、核磁共振和ct扫描等手段，掌握水合物沉积物的具体结构特征，厘清沉积物中孔隙大小，孔隙度，水合物含量及位置，气、液相的比例等因素对绝对以及相对渗透率的影响。然而，实际的天然气水合物开采渗流过程同时还涉及沉积层骨架结构的变化、水合物的二次生成、结冰等因素的影响，单纯的稳态条件下测试不能反映实际天然气水合物开采过程中沉积层渗透性变化规律，极大地影响渗透率模型的应用以及对气、水多相渗流的预测准确性。

而水气流动过程中携带的固相砂颗粒，削弱了地层的支撑结构，可能造成井壁垮塌风险，进入循环通道内的砂颗粒也会造成设备磨损，通道堵塞或卡死，极大的威胁开采的可持续性。现阶段国内外针对出砂的原因及机理暂不明确，实验多从定性角度出发，描述各类影响因素对出砂规律的作用，关于水合物出砂实验的研究难以服务于现场实际应用。

综上可知，自然界中的水合物开采本质上是一个涉及多场多相的复杂系统，针对水合物开采过程中的水合物分解，内部结构变化，地层应力重新分布以及气液固三相运移等问题，需考虑各个环节相互耦合作用下的流固运移，才能更有效的揭示水合物开采内在机理和发展规律，保证水合物开发的安全有效进行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统及其方法，能用于水合物储层开采过程中多场、多相耦合作用下的出砂以及多物性参数联合测量。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统，包括：气体供应装置、液体供应装置、气液混合装置、反应釜、轴压控制装置、气液固分离装置和温控装置；

所述反应釜包括：放置试样的釜体、分别位于所述釜体顶部和底部的上端盖和下端盖、穿过所述上端盖的活塞、设于所述釜体侧面的堵头；所述釜体的侧面设有若干个流体口、所述堵头下方设有收集口，出砂测试时分别用于流入流体和收集出砂产物；所述上端盖设有轴压注入孔，固结测试时用于注入液压；所述下端盖和活塞分别设有进口和出口，渗透测试时分别用于流入和流出流体；所述下端盖和活塞分别设有声波发射探头、声波接收探头，声波测试时分别用于发射和接收声波信号；所述釜体的侧面设有电阻率探头，电阻率测试时用于采集电阻率；

由所述气体供应装置和液体供应装置分别提供的气体、液体在气液混合装置中混合，所述气液混合装置分别与反应釜的进口、流体口连接，以供气和/或供液；

所述轴压控制装置与轴压注入孔连接，以提供固结压力以推动活塞移动；所述气液固分离装置与收集口连接，以进行出砂产物的气液固三相分离和采集计量；所述温控装置设于釜体的外围，以控制所述反应釜的温度。

进一步地，所述气体供应装置包括：气瓶、空压机、气体增压泵、气体减压阀、流量控制器、气体储罐、若干个第一压力传感器，所述气瓶、空压机、气体增压泵、气体减压阀、流量控制器、气体储罐通过管线连接，所述流量控制器通过管线连接气液混合装置；所述气瓶与气体增压泵的连接管线上、所述气体增压泵与空压机的连接管线上、所述气体增压泵与气体储罐的连接管线上、所述气体储罐与气体减压阀的连接管线上、所述气体减压阀与气体流量控制器的连接管线上均设有第一压力传感器，以监测各处的压力。

进一步地，所述液体供应装置包括：水箱、恒流泵、液体储罐，所述恒流泵通过管线分别连接水箱和液体储罐，所述液体储罐通过管线连接气液混合装置。

进一步地，所述气液混合装置包括：混合器、第二压力传感器，所述混合器通过管线分别连接流量控制器、液体储罐、反应釜的进口和流体口；所述第二压力传感器设于混合器与液体储罐和/或气体流量控制器之间的管线上，以监测压力。

进一步地，所述气瓶与气体增压泵的连接管线上、所述气体增压泵与空压机的连接管线上、所述气体增压泵与气体储罐的连接管线上、所述气体储罐与气体减压阀的连接管线上、所述气体减压阀与气体流量控制器的连接管线上、所述恒流泵与液体储罐的连接管线上、所述液体储罐与混合器的连接管线上、所述混合器与反应釜的进口和流体口的连接管线上均设有截止阀，分别用于控制各管线的开启/关闭和流体流量，为所述反应釜提供气体、液体或气液混合物。

进一步地，所述轴压控制装置包括：轴压跟踪泵、第三压力传感器，所述轴压跟踪泵通过管线连接轴压注入孔，所述第三压力传感器设于轴压跟踪泵与轴压注入孔之间的管线上，以监控压力。

进一步地，所述气液固分离装置包括：出砂收集器、第四压力传感器、过滤器、回压阀、跟踪泵、气液分离器、电子天平、干燥容器、气体流量计，所述出砂收集器、过滤器、回压阀、跟踪泵、气液分离器、干燥容器、气体流量计通过管线连接，所述出砂收集器、过滤器通过管线与收集口连接，所述过滤器通过管线连接反应釜的出口；所述第四压力传感器设于出砂收集器和过滤器之间的管线上，以监控压力。

进一步地，所述温控装置包括：水冷夹套、若干个温度探头，所述水冷夹套设于釜体的外围，提供循环冷浴以控温；所述温度探头分别设于釜体的上、下端，以监测温度。

进一步地，所述活塞上还连接有位移传感器，以测量所述活塞的位移。

为实现上述目的，本发明采用了另一种技术方案：利用上述所述的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统进行实验的方法，包括如下步骤：

气密性检测：试样装填之前，检查整个实验系统的气密性，保证密封部件的密封性能良好，各功能部件的工作性能正常；

试样装填：将配置好的水合物沉积物地层骨架材料装填至反应釜内，连接好各路阀门与管线，用真空泵对整个实验系统进行抽真空，保证系统内部的纯净；

监控声波和电阻率变化：在试样装填完毕之后，开始对试样内部的水合物沉积物试样的声波和电阻率情况进行全面的实时监控，直至试样结束，获取水合物沉积物试样各个阶段的波速以及电阻率变化情况；

固结压实：通过所述轴压控制装置施加上覆地层应力，模拟实际海底地层环境，对沉积物试样进行预先压实；

水合物合成：通过所述气体供应装置对试样进行加压，并使气体逐渐渗透进试样内部；再通过所述温控装置，对试样进行降温直至水合物形成条件；维持并实时监测试样内部的温度和压力曲线，使水合物充分合成；

固结实验-渗流实验：待试样中水合物完全合成之后，通过所述轴压控制装置，获取不同上覆应力条件下的地层固结沉降量的变化，得到地层应力和孔隙度之间的对应关系；同时，在每一级固结实验完成后，分别进行相应的气体和液体渗透率测试，综合获取应力-孔隙度-渗透率之间的关系；

开采出砂实验：与此同时，在一定的固结压力下，通过温度或压力的改变促使水合物分解，分解造成地层结构弱化和水气流动后，通过所述气液固分离装置实时采集和监测试样的出砂和产水，产气状况；同时，在水合物分解发生后，通过所述轴压控制装置和渗透测试了解地层应力、沉降和渗透系数等的变化情况，获得开采过程中水气砂产出状况对地层结构和应力以及渗透性的影响；

出砂机制研究：在开采条件下，通过所述轴压控制装置控制上覆地层压力，以及通过所述反应釜模拟不同气液流动状态的情况下，测试地层应力剪切破坏出砂以及流体运移出砂的破坏机制及具体的出砂规律。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)设计压力为0-20mpa，设计温度为-10-100℃，在使用范围内可快速自由地控制试样内部温度和压力，真实模拟水合物储层初始相平衡条件以及不同的水合物开采手段；(2)通过上部端盖与活塞间的液压驱动施加固结压力和下部端盖的流体通道施加孔隙水、气压力，可以实时维持试样的上覆地层压力和孔隙流体压力，真实反映水合物储层地应力条件；(3)通过水合物合成功能，固结功能和渗流功能的组合，可以实现原位试样在不同应力场条件下的力学响应以及渗流条件变化测试，掌握水合物储层在(外部扰动或水合物分解等)应力荷载下的孔隙度和渗透率的演化规律；(4)以出砂测试功能为主导，并耦合了相应过程中的应力场(固结测试)和流体场(渗流测试)的监测，有利于掌握出砂过程中多场(应力场，位移场，渗流场)多相(气，液，固)的变化，分析力学破坏以及流体迁移对地层出砂的影响以及发生出砂对开采过程中经济性指标(产水，产气等)的影响。

附图说明

图1为本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的结构示意图；

图2为本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的结构示意图；

图3为本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的反应釜主视图；

图4为本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的反应釜侧视图；

图5为本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的实验方法流程图。

其中，10-气体供应装置，11-气瓶，12-空压机，13-气体增压泵，14-气体减压阀，15-气体流量控制器，16-气体储罐，17-第一压力传感器，18-单向阀，20-液体供应装置，21-水箱，22-恒流泵，23-液体储罐，30-气液混合装置，31-混合器，32-第二压力传感器，40-反应釜，41-釜体，411-流体口，42-上端盖，421-轴压注入孔，43-下端盖，431-进口，44-活塞，441-出口，442-位移传感器，45-堵头，46-声波发射探头，47-声波接收探头，48-电阻率探头，49-收集口，491-气体口，492-液体口，493-固体口，50-轴压控制装置，51-轴压跟踪泵，52-第三压力传感器，70-气液固分离装置，71-出砂收集器，72-第四压力传感器，73-过滤器，74-回压阀，75-跟踪泵，76-气液分离器，77-电子天平，78-干燥容器，79-气体流量计，80-温控装置，81-水冷夹套，82-温度探头，90-管线，91-截止阀。

具体实施方式

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。

如图1和2所示，本发明的实施例提供了一种水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统，包括：气体供应装置10、液体供应装置20、气液混合装置30、反应釜40、轴压控制装置50、气液固分离装置70和温控装置80。

所述气体供应装置10提供水合物合成、气驱出砂以及气体渗流率测试时的气体来源，包括：气瓶11、空压机12、气体增压泵13、气体减压阀14、流量控制器15、气体储罐16、若干个第一压力传感器17，所述气体供应装置10的各个部件安装关系为：所述气瓶11通过管线90连接气体增压泵13、所述气体增压泵13通过管线90分别连接空压机12和气体储罐16、所述气体储罐16通过管线90连接气体减压阀14、所述气体减压阀14通过管线90连接气体流量控制器15、所述流量控制器15通过管线90连接气液混合装置30。

所述气瓶11与气体增压泵13的连接管线90上、所述气体增压泵13与空压机12的连接管线90上、所述气体增压泵13与气体储罐16的连接管线90上、所述气体储罐16与气体减压阀14的连接管线90上、所述气体减压阀14与气体流量控制器15的连接管线90上均设有第一压力传感器17，用于监测各处的压力。所述气瓶11与气体增压泵13的连接管线90上、所述气体增压泵13与空压机12的连接管线90上、所述气体增压泵13与气体储罐16的连接管线90上、所述气体储罐16与气体减压阀14的连接管线90上、所述气体减压阀14与气体流量控制器15的连接管线90上均设有截止阀91，分别用于控制各管线90的开启/关闭、流量大小等。所述气体流量控制器15与气液混合装置30连接的管线90上还设有单向阀18。

所述液体供应装置20提供水合物合成、模拟液相环境饱和、液驱出砂以及液体渗流率测试时的液体来源，包括：水箱21、恒流泵22、液体储罐23，通过所述恒流泵22将水箱21中的水抽至液体储罐23。所述液体供应装置20的各个部件安装关系为：所述恒流泵22通过管线90分别连接水箱21和液体储罐23、所述液体储罐23通过管线90连接气液混合装置30。所述恒流泵22与液体储罐23的连接管线90上、所述液体储罐23与气液混合装置30的连接管线90上均设有截止阀91。

所述气液混合装置30提供溶解气合成水合物以及气液共同作用出砂测试时的气体和液体混合途径，包括：混合器31、第二压力传感器32，所述气液混合装置30的各个部件安装关系为：所述混合器31通过管线90分别连接进口431、流体口411，所述第二压力传感器32设于混合器31与液体储罐23和/或气体流量控制器15之间的管线90上，用于监测压力。由所述气体流量控制器15输出的气体和由液体储罐23输出的液体在混合器31内混合后进反应釜40。所述混合器31与进口431、流体口411、液体储罐23的连接管线90上均设有截止阀91。通过控制所述气体供应装置10、液体供应装置20和气液混合装置30上各管线90上的截止阀91，以为所述反应釜40提供气体、液体或气液混合物。

如图3和4所示，所述反应釜40包括：釜体41、分别位于所述釜体41顶部和底部的上端盖42和下端盖43、穿过所述上端盖43的活塞44、设于所述釜体41侧面的堵头45、设于所述堵头45下方的收集口49。

在所述釜体41的侧面上还设有若干个流体口411，所述流体口411与堵头45所在的两侧面相对，所述流体口411和收集口49在出砂测试时分别用于流入流体和收集出砂产物。所述上端盖42上设有轴压注入孔421，固结测试时用于注入液压。所述下端盖43和活塞44上还分别设有进口431和出口441，渗透测试时分别用于流入和流出流体。所述下端盖43的顶部还设有声波发射探头46、所述活塞44的底部设有声波接收探头47，声波测试时分别用于发射和接收声波信号。所述釜体1的侧面还设有电阻率探头48，电阻率测试时用于采集电阻率，所述电阻率探头48在釜体1侧面上对称布置，与所述流体口411的连线呈垂直交叉布置。所述收集口49由上至下依次设有气体口491、液体口492和固体口493，经出砂测试后的气体、液体和固体分别通过所述气体口491、液体口492和固体口493收集。所述活塞44上还连接有位移传感器442，用以测量所述活塞44的位移。

气液分别通过所述进口431和出口441进、出，用于水合物沉积物试样的原位合成以及渗流测试。所述活塞44用于传递轴压控制装置50所施加的上覆地层应力进行固结测试。所述声波发射探头46、声波接收探头47，用于水合物沉积物试样的波速测试。气液通过一侧的所述流体口411进入，再通过相对侧的堵头45的出砂口流出，用于水合物沉积物试样的出砂测试。通过所述电阻率探头48，用于水合物沉积物试样的电阻率测试。

所述轴压控制装置50提供试样固结所需的上覆地层应力，包括：轴压跟踪泵51、第三压力传感器52，所述轴压控制装置50的各个部件安装关系为：所述轴压跟踪泵51通过管线90连接反应釜40的轴压注入孔421，为所述反应釜40提供上覆地层压力，所述第三压力传感器52设于轴压跟踪泵51与轴压注入孔421之间的管线90上，以监控压力。

所述气液固分离装置70在水合物储层出砂后对出砂产物进行气液固三相分离，并保证固体砂颗粒的定时采集以及水和气体的实时采集，包括：出砂收集器71、第四压力传感器72、过滤器73、回压阀74、跟踪泵75、气液分离器76、电子天平77、干燥容器78、气体流量计79，所述气液固分离装置70的各个部件安装关系为：所述出砂收集器71通过管线90连接反应釜40的固体口493、所述过滤器73通过管线90连接反应釜40的液体口492和回压阀74、所述第四压力传感器72连接在过滤器73与液体口492之间的管线90上、所述回压阀74通过管线90连接跟踪泵75和气液分离器76、所述气液分离器76通过管线90连接干燥容器78、所述电子天平77位于气液分离器76的下方、所述干燥容器78通过管线90连接气体流量计79。所述过滤器73还通过管线90连接出口441，且该管线90上还设有截止阀91，所述出砂收集器71与固体口493的连接管线90上、所述过滤器73与液体口492之间的管线90上、所述气液分离器76的管线90上均设有截止阀91。

所述温控装置80控制实验系统的温度，实现水合物合成以及分解所需的温度条件，所述温控装置80包括：水冷夹套81、若干个温度探头82，所述水冷夹套81设于釜体41的外围，为所述反应釜40提供循环冷浴；在所述釜体1的上、下端分别设有温度探头82，分别用于监测温度。

本发明中的安装于各管线90上的若干个截止阀91，可以根据实验的具体需求，改变其安装位置，图1中的各截止阀91仅作为安装示例，并不局限于图1中的安装位置。

如图5所示，本发明的实施例提供了一种水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统的实验方法，利用本发明的水合物开采储层响应与出砂综合模拟实验系统，包括如下步骤：

步骤1：气密性检测：试样装填之前，检查整个实验系统的气密性，保证密封部件的密封性能良好，各功能部件的工作性能正常；

步骤2：试样装填：将配置好的水合物沉积物地层骨架材料装填至反应釜40内，根据合成方法的不同，还可以将水和骨架材料先混合，连接好各路阀门与管线90，用真空泵对整个实验系统进行抽真空，保证系统内部的纯净；

步骤3：监控声波和电阻率变化：在试样装填完毕之后，开始对试样内部的水合物沉积物试样的声波和电阻率情况进行全面的实时监控，直至试样结束，获取水合物沉积物试样各个阶段的波速以及电阻率变化情况；

步骤4：固结压实：通过所述轴压控制装置50施加上覆地层应力，模拟实际海底地层环境，对沉积物试样进行预先压实；

步骤5：水合物合成：通过所述气体供应装置10对试样进行加压，并使气体逐渐渗透进试样内部；再通过所述温控装置80，对试样进行降温直至水合物形成条件；维持并实时监测试样内部的温度和压力曲线，使水合物充分合成；

步骤6：固结实验-渗流实验：待试样中水合物完全合成之后，通过所述轴压控制装置50，获取不同上覆应力条件下的地层固结沉降量的变化，得到地层应力和孔隙度(沉降量)之间的对应关系；同时，在每一级固结实验完成后，分别进行相应的气体和液体渗透率测试，综合获取应力-孔隙度-渗透率之间的关系；

步骤7：开采出砂实验：与此同时，在一定的固结压力下，通过温度或压力的改变促使水合物分解，分解造成地层结构弱化和水气流动后，通过所述气液固分离装置70实时采集和监测试样的出砂和产水，产气状况；同时，在水合物分解发生后，通过所述轴压控制装置50和渗透测试了解地层应力、沉降和渗透系数等的变化情况，获得开采过程中水气砂产出状况对地层结构和应力以及渗透性的影响；

步骤8：出砂机制研究：在开采条件下，通过所述轴压控制装置50控制上覆地层压力，以及通过所述釜体41一侧的流体口411模拟不同气液流动状态的情况下，测试地层应力剪切破坏出砂以及流体运移出砂的破坏机制及具体的出砂规律。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)设计压力为0-20mpa，设计温度为-10-100℃，在使用范围内可快速自由地控制试样内部温度和压力，真实模拟水合物储层初始相平衡条件以及不同的水合物开采手段；(2)通过上部端盖与活塞间的液压驱动施加固结压力和下部端盖的流体通道施加孔隙水、气压力，可以实时维持试样的上覆地层压力和孔隙流体压力，真实反映水合物储层地应力条件；(3)通过水合物合成功能，固结功能和渗流功能的组合，可以实现原位试样在不同应力场条件下的力学响应以及渗流条件变化测试，掌握水合物储层在(外部扰动或水合物分解等)应力荷载下的孔隙度和渗透率的演化规律；(4)以出砂测试功能为主导，并耦合了相应过程中的应力场(固结测试)和流体场(渗流测试)的监测，有利于掌握出砂过程中多场(应力场，位移场，渗流场)多相(气，液，固)的变化，分析力学破坏以及流体迁移对地层出砂的影响以及发生出砂对开采过程中经济性指标(产水，产气等)的影响。

值得说明的是：在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。上述所述的固定等连接方式均是本领域人员公知的现有连接方式，举例来说可以通过胶合、焊接等固定方式。

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申请请求保护的范围。

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。

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。