天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测量技术领域，具体涉及一种天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量装置，本发明还涉及一种天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量方法。
【背景技术】
[0002]天然气水合物勘探开发受到各国政府、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，其涉及的含水合物沉积物结构较常规土体结构更为复杂，对岩土工程相关理论的工程应用提出了更高的要求。我国南海海域和青藏高原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，然而在水合物成藏理论与开采机理方面仍然存在一些问题，特别是不同饱和度和微观赋存形式的水合物对其沉积物渗透率的影响规律及理论模型研究仍然不能较好的满足工程实际需求。
[0003]由于现场取芯技术的难度大、成本高，而人工合成的样品具有操作简便、参数可控和成本低廉等特点，常被选为室内实验研究的主要对象。水合物饱和度与微观赋存形式是其沉积物渗透率的重要影响因素，而水合物成藏过程与开采过程中水合物微观赋存形式随水合物饱和度的变化规律存在着较大差异。水合物勘探开发引起的沉积物有效应力变化会造成微观孔隙结构的扰动，进而导致含水合物沉积物渗透率的变化。近年来，国内外许多高校以及研究机构开展了含水合物沉积物渗透率的实验测量工作，研制了多套实验测量装置，能够一定程度上模拟水合物成藏与开采过程，根据气量变化间接确定水合物饱和度，采用稳态渗流法测量沉积物渗透率。但是目前已有的含水合物沉积物渗透率测量装置无法对水合物饱和度进行实时动态测量，测量时难以形成理想的稳态渗流状态，特别是对于我国南海海域以粘土质粉砂等细颗粒为主的含水合物沉积物而言，测量精度低，消耗时间长，水合物饱和度易发生变化，无法实现水合物饱和度及其沉积物渗透率的同步瞬态测量，制约了水合物合成与分解过程中沉积物渗透率随水合物饱和度变化规律及理论模型的研究工作。
【发明内容】
[0004]为了克服现有测量装置存在的上述问题，本发明提供一种水合物饱和度及其沉积物渗透率同步瞬态测量装置及技术。该装置能够模拟自然条件下水合物储层的温度、压力和孔隙度等参数，能够模拟水合物成藏过程与开采过程，能够实时动态测量水合物饱和度，无需稳态渗流状态即可快速测量沉积物渗透率，能够实现水合物饱和度及其沉积物渗透率的同步瞬态测量，测量精度高，消耗时间短，测量时水合物饱和度不会发生变化。
[0005]本发明的另一目的是提供一种天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量方法。
[0006]本发明所采用的第一技术方案是，一种天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量装置，包括倒置的反应釜，反应釜的底端分别连接有抽真空系统、围压控制系统和循环制备样品系统，反应釜的顶端分别连接有渗透率瞬态测量系统、水合物饱和度测量系统和数据采集系统，渗透率瞬态测量系统、水合物饱和度测量系统和数据采集系统分别与计算机相连接;反应釜、循环制备样品系统和渗透率瞬态测量系统均设置于温度控制系统内。
[0007]进一步地，反应釜内设有成型模盒，成型模盒内设置导热导压的橡胶筒，橡胶筒与数据采集系统相连接，橡胶筒内包裹沉积物样品，沉积物样品的顶部和底部分别设置有第一透水石和第二透水石，沉积物样品与水合物饱和度测量系统相连接;反应釜之内且在橡胶筒之外的围压环腔内充满液体;反应釜整体放置于温度控制系统内。
[0008]进一步地，水合物饱和度测量系统包括两根平行的时域反射探针、同轴电缆、时域反射仪和计算机;时域反射探针设置于沉积物样品内部，时域反射探针设置有2个，2个时域反射探针平行设置;两个时域反射探针均通过同轴电缆与时域反射仪相连接;时域反射仪与计算机相连接。
[0009]进一步地，时域反射仪为TDRl00时域反射仪。
[0010]进一步地，渗透率瞬态测量系统包括上游渗透容器、下游渗透容器、第二高压注液栗、第二储水容器；
[0011 ]上游渗透容器通过第一管道与反应釜的顶端相连接;下游渗透容器通过第二管道与反应釜的底端连接，第一管道和第二管道通过第三管道相连接;上游渗透容器和下游渗透容器均与第二高压注液栗、第二储水容器、数据采集系统和温度控制系统相连接;上游渗透容器与循环制备样品系统相连接。
[0012]进一步地，循环制备样品系统包括高压气瓶、第一储水容器、饱和水容器、磁力搅拌器、第一高压注液栗、第一压力表、第二压力表、真空栗和回压阀；围压控制系统包括第三高压注液栗和第一储液箱;抽真空系统包括真空栗；
[0013]上游渗透容器通过第四管道与第二储水容器相连接，下游渗透容器通过第五管道与第四管道相连接；围压环腔通过第六管道依次连接有第六阀门、第三高压注液栗和第三储水容器;饱和水容器的底部盛放有超饱和气的水，饱和水容器内且在超饱和气的水上方盛放有气体，超饱和气的水中盛放有磁力搅拌器；
[0014]饱和水容器的底端通过第七管道与第一管道相连接，饱和水容器的顶端分别通过第八管道、第九管道和第十管道与高压气瓶、第一储水容器和第二管道相连接;第九管道通过第十一管道连接有真空栗；
[0015]第一管道上设置有第九阀门，第九阀门设置于第一管道和第三管道的交点以及第一管道和第七管道的交点之间；第三管道上设置有第十阀门；第二管道上设置有第八阀门，第八阀门设置于第二管道和第三管道的交点以及第二管道和第十管道的交点之间；自第二储水容器开始，第四管道上依次设置有第十四阀门、第二高压注液栗、第二压力表、第十三阀门和第十一阀门，第五管道设置于第十三阀门和第十一阀门之间，第五管道上设置有第十二阀门；自第三储水容器开始，第六管道上依次设置有第三高压注液栗、第六阀门；自饱和水容器的底部开始，所述第七管道上依次设置有第五阀门、第一高压注液栗和第七阀门；自高压气瓶开始，第八管道上依次设置有第一压力表和第一阀门；第九管道上且在第九管道与第十一管道的交点之后设置有第二阀门；第十一管道上设置有第三阀门；自饱和水容器的顶部开始，第十管道上依次设置有回压阀和第四阀门。
[0016]进一步地，温度控制系统包括第一恒温水浴箱、第二恒温水浴箱和第三恒温水浴箱，反应釜设置于第一恒温水浴箱内，上游渗透容器、下游渗透容器和第二储水容器均设置于第二恒温水浴箱内，磁力搅拌器设置于第三恒温水浴箱内。
[0017]进一步地，数据采集系统包括第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头、第四温度探头和第五温度探头、压差传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器和数据采集模块；
[0018]数据采集模块分别与第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头、第四温度探头和第五温度探头、压差传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器和计算机相连接；
[0019]第一温度探头、第二温度探头、第三温度探头、第四温度探头和第五温度探头分别与橡胶筒、饱和水容器、上游渗透容器、下游渗透容器和第二储水容器相连接;第一管道和第三管道之间设置有压差传感器，压差传感器的一端设置于第一管道和第三管道的交点与第十阀门之间;压差传感器的另一端设置于第二管道和第三管道的交点与第八阀门之间；
[0020]第一压力传感器与饱和水容器相连接，第二压力传感器设置于第七管道上且设置于第七阀门以及第七管道和第一管道的交点之间；第三压力传感器设置于第十管道上且设置于第四阀门以及第十管道和第二管道的交点之间；第四压力传感器设置于第一管道上且在第九阀门以及第一管道和第三管道的交点之间；第五压力传感器设置于第二管道上且设置于第二管道和第三管道的交点以及压差传感器与第二管道的交点之间。
[0021]本发明所采用的第二技术方案是，一种天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量方法，采用上述的天然气水合物饱和度和沉积物渗透率同步测量装置，包括以下步骤:
[0022]步骤1、倒置反应釜，安装好第一透水石、橡胶筒和时域反射探针，将一定质量的干燥砂土分层均匀装入橡皮筒内；
[0023]步骤2、检查系统气密性:打开第六阀门，采用第三高压注液栗施加IMPa围压，关闭第二阀门、第三阀门和第十四阀门，打开其它阀门，注气至0.2MPa，关闭第一阀门，等待至少30分钟，若系统中气体压力保持不变，则系统气密性完好；
[0024]步骤3、抽真空:关闭第一阀门、第二阀门和第十四阀门，打开其它所有阀门，开启真空栗抽气至少一个小时，关闭第三阀门；
[0025]步骤4、注水饱和:打开第二阀门和第十四阀门，利用第一储水容器和第二储水容器对测量装置进行注水，使沉积物样品饱和，使上游渗透容器和下游渗透容器充满水，向饱和水容器内注水至一半后关闭第二阀门和第十三阀门；
[0026]步骤5、降温:开启步入式冷库和第一恒温水浴箱、第二恒温水浴箱和第三恒温水浴箱，将沉积物样品、饱和水容器、上游渗透容器和下游渗透容器的温度降低至同一个设定值并保持丨旦定；
[0027]步骤6、通入反应气体:打开第一阀门，向饱和水容器内注入气体至设定压力值后关闭第一阀门，开启磁力搅拌器搅拌至少十二小时，以加速气体溶解于水；
[0028]步骤7、循环制样:关闭第八阀门和第九阀门，开启第一高压注液栗，使超饱和气的水在反应釜内沉积物样品与饱和水容器之间循环流动，调整回压阀的压力至水合物相平衡压力之上以合成水合物，随后调整回压阀的压力至水合物相平衡压力之下以分解水合物；
[0029]步骤8、采用时域反射探针、同轴电缆和时域反射仪实时动态测量水合物饱和度；
[0030]步骤9、在步骤1-8中，根据实时动态测量的水合物饱和度实验数据对沉积物渗透率进行瞬态测量；
[0031]步骤10、初始压力平衡:关闭第八阀门和第九阀门，打开第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门和第十四阀门，开启第二高压注液栗注水，使上游渗透容器和下游渗透容器的压力与沉积物样品孔隙压力相当；
[0032]步骤11、压力脉冲产生:关闭第九阀门、第十阀门和第十一阀门，开启第二高压注液栗，使上游渗透容器的压力上升至设定值，然后关闭第十一阀门；
[0033]步骤12、瞬态测量:打开第九阀门，采用压差传感器测量