一种模拟水合物二次形成的实验装置及方法

本发明属于水合物模拟开采，具体公开了一种模拟水合物二次形成的实验装置及方法。

背景技术：

1、水合物中的天然气水合物，凭借着其储量丰富、清洁无污染、能量密度大等优点，已成为国际公认的一种重要潜在高效清洁油气接替能源。根据我国在南海开展的几次水合物实钻调查结果，初步预测我国海域水合物资源量约800亿吨油当量，因此实现天然气水合物的高效开发对于贫油少气的中国具有很强的国家战略意义。

2、2017年我国采用降压法于南海神狐海域成功对水合物进行了第一次试采，这是我国首次、也是世界首次实现对泥质粉砂型储层中天然气水合物的安全可控开采。此次试采持续了60天，累计产气30.9万立方米，实现了产气时长和产气总量的世界级突破。但单井5000m3/d的日均产气量距离实现水合物的商业化开采仍有数量级的差距。而在试采过程中，近井区域冰或二次水合物形成导致的产气速率与井底温度的周期性波动，成为了制约产气效率和总产气量的一个主要因素。

3、在水合物降压开采过程中，水合物分解区产生的水合物分解产物，即甲烷和水，在向生产井渗流过程中由于节流膨胀效应，温度不断降低，会在水合物已分解完全的近井区域重新生成水合物，堵塞产气通道，影响产气效率。二次水合物的时空演化过程，涉及温度场、压力场、离子浓度场等多物理场以及气液渗流和相变的多物理因素耦合问题，研究其规律对于未来实现水合物的产业化开发具有重要意义。但是现有研究二次水合物的实验装置多为一维、小尺度实验装置，没有考虑实际开采过程中流体渗流面积逐渐减小的收敛流效应，也没有考虑反应釜与恒温介质间的换热，无法模拟无对流换热环境下，收敛流效应以及节流膨胀效应对近井区域水合物二次形成的影响，亟需改进。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种模拟水合物二次形成的实验装置及方法，旨在解决现有的实验装置无法模拟无对流换热环境下，无法模拟收敛流效应以及节流膨胀效应对近井区域水合物二次形成的影响的缺陷；探究开采过程中水合物二次形成的规律，厘清近井区域二次水合物时空演化的机理，为二次水合物的防治提供可行方案和技术指导。

2、本发明实施例是这样实现的，一种模拟水合物二次形成的实验装置，所述模拟水合物二次形成的实验装置包括：反应单元、气体注入单元、液体注入单元、温度控制单元、真空度控制单元、出口控制单元、气体循环单元和数据监测处理单元；

3、所述反应单元包括反应釜、真空箱、恒温水浴箱，所述反应釜设置于所述真空箱的内部，所述真空箱及其内部的反应釜设置于所述恒温水浴箱内；

4、所述反应釜包括两段以上级联的单段反应釜；两段以上级联的所述单段反应釜的内径缩变基于相似原理确定，以模拟水合物分解产物在近井区域径向渗流过程中渗流半径逐渐减小的收敛流效应；

5、所述气体注入单元，用于向所述反应釜注入气体以模拟水合物分解产生的气体；

6、所述液体注入单元，用于向所述反应釜注入液体以模拟水合物分解产生的液体；

7、所述温度控制单元，用于控制所述恒温水浴箱内的温度；

8、所述真空度控制单元，用于控制所述真空箱内的真空度；

9、所述出口控制单元，用于控制所述反应釜的出口压力，并对实验产生的气体和液体进行分离和计量；

10、所述气体循环单元，用于将出口控制单元分离出来的气体重新输送至气体注入单元以实现气体的循环利用；

11、所述数据监测处理单元，用于监测并采集实验过程中所述反应釜内的物理参数，所述物理参数至少包括温度、压力和电阻率。

12、进一步地，任意相邻的两段所述单段反应釜之间通过变径法兰连接；

13、最外端的所述单段反应釜的外端面通过法兰密闭设置，所述法兰上分别设置有注入口和出口，以实现气体和液体的注入和输出；

14、每段所述单段反应釜上均预留有高压接头，用于连接所述数据监测处理单元；所述单段反应釜与法兰的耐压范围为0-35mpa。

15、进一步地，所述恒温水浴箱内盛装有没过所述真空箱顶部的第一介质；

16、所述温度控制单元包括第一增压泵、低温恒温槽和第二增压泵；所述低温恒温槽内装有冷却介质，所述恒温水浴箱内第一介质以恒温水浴箱、第一增压泵、低温恒温槽、第二增压泵及恒温水浴箱构成的闭环路线循环流动；

17、其中，所述恒温水浴箱内第一介质与所述低温恒温槽内冷却介质在所述低温恒温槽间接接触，以进行热交换而将所述反应釜的温度维持在预设温度。

18、进一步地，所述气体注入单元包括气瓶、第一调节阀组、气体流量控制器，所述气瓶、第一调节阀组、气体流量控制器、真空箱、反应釜通过气体管路依次连通；所述气瓶内存储有甲烷气体，甲烷气体依次流经第一调节阀组、气体流量控制器、真空箱后注入所述反应釜内，其中所述第一调节阀组用于控制气体的压力，所述气体流量控制器用于控制气体的流量；

19、所述液体注入单元包括级联的储液罐、恒压恒流泵、第二调节阀组；所述储液罐内存储有水，所述恒压恒流泵通过所述第二调节阀组将储液罐内的水以恒定的流量注入气体管路中，与气体混合后注入反应釜内。

20、进一步地，所述真空箱包括箱体、端盖、支撑件以及隔热板，端盖与箱体间利用螺栓与塑性密封垫实现密封；所述隔热板铺置在箱体的内底面，多个所述支撑件设置在所述隔热板上用以固定反应釜并使反应釜悬空于箱体内。

21、进一步地，所述真空度控制单元包括真空表、第三调节阀组和真空泵、所述真空表和第三调节阀组安装于所述箱体上，所述真空泵用于对真空箱抽真空。

22、进一步地，所述数据监测处理单元包括温度传感器、压力传感器、电阻率传感器、数据采集模块和数据处理模块；

23、所述温度传感器和压力传感器沿反应釜轴向均匀分布且沿反应釜轴心对向设置，用以定量监测实验过程中由节流膨胀效应以及二次水合物生成带来的温度压力变化；

24、所述电阻率传感器包含成对的电阻率探头，每对所述电阻率探头同样沿着反应釜轴向均匀分布并沿反应釜轴心对向设置，用以定性监测二次水合物形成带来的电阻率变化；

25、所述数据采集模块用于处理所述温度传感器、压力传感器、电阻率传感器采集到的信号，并将采集到的信号输送至数据处理模块。

26、进一步地，所述出口控制单元包括第四阀组和流量计；所述第四阀组安装于所述真空箱的端盖处并通过一段高压管线与反应釜的出口连通，用于控制反应釜的出口压力以模拟水合物开采过程中生产井的压力，所述流量计用于监测反应釜的出口处的气体流量。

27、进一步地，所述气体循环单元包括气液分离器、天平测量器、第一储气罐、第三增压泵、第二储气罐；

28、所述气液分离器用于分离所述反应釜的出口输出的产物，天平测量器位于气液分离器的出口端，用于测量分离后的液体重量，所述第一储气罐用于收集分离后的气体，所述第三增压泵将收集到的气体加压后泵送至所述第二储气罐，以重新输送所述第二储气罐内的气体至气体注入单元或反应釜实现气体循环。

29、为了便于所述模拟水合物二次形成的实验装置的实施，本发明实施例的目的还在于提供一种模拟水合物二次形成的实验方法，用于所述的模拟水合物二次形成的实验装置，所述方法包括以下步骤：

30、吹扫实验前准备：利用混有蒸馏水的模拟介质以分层压实的方法在各段单段反应釜内原位制备沉积物样品；连接各段单段反应釜以及相应的数据监测处理单元；将反应釜转移至真空箱内，将反应釜相应部位与真空箱连接固定、密封真空箱；检查反应釜和真空箱的气密性，确保气密性良好进行下一步实验；

31、预吹扫实验：用甲烷气体对反应釜进行预吹扫，观察到反应釜出口端不再出水后，称量收集到的水并计算反应釜内沉积物样品的残余水饱和度；关闭反应釜出口端，接着注气一段时间直至反应釜内充满一定量的气体，关闭反应釜注气口；

32、水合物初次形成和分解：降低恒温水浴箱温度至第一温度，待水合物完全形成以后打开反应釜出口端使水合物分解；待水合物完全分解以后调节恒温水浴箱温度至第二温度；第二温度稳定以后进行抽真空处理，待真空度到达100%后开始吹扫实验；

33、吹扫实验：吹扫实验过程中，实时监测反应釜不同位置温度、压力和电阻率的变化，利用监测数据综合判断水合物的二次生成以及二次生成的位置，结合流量的变化分析二次水合物饱和度的变化。

34、本发明实施例提供的一种模拟水合物二次形成的实验装置，所用反应釜为二维长管反应釜，由两段以上内径不同的反应釜通过法兰拼接而成，相比于现有的一维反应釜，具有以下有益效果：二维长管反应釜是基于相似原理设置的，可以模拟收敛流效应和节流膨胀效应对近井区域水合物储层温度场和压力场的影响；

35、反应釜采用分段式设计，可以通过改变实验中反应釜的段数来研究开采半径对二次水合物形成规律的影响；

36、每段反应釜上设有多个温度传感器、压力传感器和电阻率传感器，温度传感器、压力传感器沿反应釜轴向均匀分布且沿反应釜轴心对向设置，电阻率传感器的探头同样沿着反应釜轴向均匀分布并沿反应釜轴心对向设置，通过不同点位上温度、压力、电阻率的变化来判断二次水合物的形成并分析其时空演化规律；

37、反应釜放置于可抽真空的真空箱内，在反应釜与外界环境不发生热对流的条件下开展实验，真实地还原水合物开采过程中，储层温度场和压力场的变化特点；

38、可以重复利用从反应釜排出的气体，开展长时间维度下的气体吹扫实验。