一种地质储层径向流模拟装置的制作方法

本发明涉及地质领域，特别涉及一种模拟地层水合物分解后的地层覆压条件下的径向渗流模型装置。

背景技术：

本世纪以来，全世界都认识到天然气水合物是一种替代常规化石燃料的清洁能源。全球已发现水合物矿藏点超过200处，以目前的能源消费趋势，仅开采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的稳定温压条件，决定了其开采方式的特殊性，另外其开采过程中对与环境的影响还有待进一步的评估。因此，目前对水合物开采的研究除少数国家和地区进行过单井或单一井组的试开采以外，绝大部分研究还处于实验室物理模拟和数值模拟的阶段。

目前为了对这种储量巨大的能源进行开发利用，研究人员提出了很多方法：

①注热法：利用注入热水、蒸汽或者热盐水将水合物加热到平衡温度之上分解；

②降压法：将水合物藏的压力降低到平衡分解压力以下；

③化学剂法：注入化学药剂，比如甲醇或者乙二醇以改变水合物平衡生成条件。

目前国内外在实验内研究热力法开采甲烷水合物的研究仅限于一维长岩心夹持器、二维垂直井模拟。然而水合物开发与常规油气无异，同样是一个三维渗流场压力不断降低的过程。为了更加真实有效的了解掌握水合物的合成、分解以及开采过程中不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数，需要一个多功能三维水合物开采实验模拟，以在三维尺度上全面研究水合物的产生和分解行为。而现在研制领域缺少一种能够全方位加工该套天然气水合物开发模拟实验装置，以对我国陆域冻土区钻探岩心在室内研究合成、分解天然气水合物机理，以及为掌握陆域水合物试采过程中在不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数提供物理模拟方面的支撑。

技术实现要素：

特别地，本发明提供一种模拟地层水合物分解后的地层覆压条件下的径向渗流模型装置。

具体地，本发明提供的一种地质储层径向流模拟装置，包括：

径向模拟腔，包括两端开口用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的圆柱腔体，分别通过螺栓固定封闭圆柱腔体两端开口的上盖板和下盖板，下盖板与圆柱腔体接触的一面设置有凸出且与圆柱腔体内径相同的挤压台，上盖板的圆心处设置有贯穿孔；

空心模拟井筒，用于模拟开采井，包括由所述贯穿孔处插入圆柱腔体内的井筒，将井筒限制在上盖板处的弹簧压盖；所述井筒伸入圆柱腔体内的侧壁上设置有与外部相通的通孔，所述弹簧压盖包括一端为开口端另一端为封闭端的管体，管体利用开口端套在井筒伸出圆柱腔体的一端后由螺栓将开口端固定在上盖板上，在管体的封闭端设置有供井筒伸出的通孔，在管体的内部安装有套在井筒外的弹簧，和通过螺纹拧在井筒上的调节螺帽，调节螺帽利用与封闭端的相对位置来调节弹簧的弹力大小；

囊式覆压加载套，用于模拟施加至多孔介质上的地层覆压，包括一端封闭的橡胶套，提高橡胶套密封性能的压圈及扶正圈，及测量橡胶套位移的位移传感器；橡胶套通过螺纹拧在下盖板的挤压台上，与下盖板之间形成一个封闭空间，位移传感器穿过下盖板后伸入该封闭空间；

参数测量系统，用于测量多孔介质在不同模拟实验中数据，包括测量压力的囊式测压器、测量温度的温度传感器和测量电阻的电极，在上盖板上设置有多个通孔，所要囊式测压器、所述温度传感器、所述电机同时安装在一个通孔中或分散安装在不同的通孔中；

数据采集处理单元，包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出。

在本发明的一个实施方式中，在所述弹簧压盖内部还安装有密封所述井筒与所述上盖板之间连接缝的固定件，固定件包括套在所述井筒外利用螺栓固定的压套，和安装在连接缝内的密封圈，固定件固定后对密封圈进行挤压密封。

在本发明的一个实施方式中，在所述圆柱腔体的侧面设置有分别与加装多孔介质的空间和所述囊式覆压加载套的封闭空间相通的围压注入孔；在围压注入孔与多孔介质之间设置有隔离泥沙的过滤器。

在本发明的一个实施方式中，在所述井筒的外圆周设置有隔绝多孔介质进入的防砂网；在所述圆柱腔体的内圆周和所述井筒的外圆周处分别设置有用于分散液体渗透路径的陶粒渗透层。

在本发明的一个实施方式中，所述参数测量系统还包括将用于固定测量部件的固定座，限制片和防脱套，所述固定座密封固定在所述通孔内且内部设置有中心通道，所述限制片为柔性或金属圆片且设置有多个轴向贯穿插孔，其多个组合后水平安装在固定座的中心通道内，所述防脱套通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端，其前端顶紧所述限制片；所述囊式测压器、温度传感器和电极穿过防脱套和限制片上的插孔后伸入所述圆柱腔体内，所述防脱套与所述固定座接触一端的外圆周上设置有密封件，另一端设置有防止信号线缆松动的防转螺栓，所述防转螺栓的径向上设置有通孔，在所述防脱套上设置有对应的限制孔，当防转螺栓转到位后，通过固定螺栓拧入防转螺栓上的通孔和限制孔来避免防转螺栓转动。

在本发明的一个实施方式中，所述囊式测压器包括测压管，套在测压管外部的引压管，位于引压管端部且密封容纳测压管端部的囊式隔离套，向所述引压管内注入防冻液的注入装置；所述引压管的端部外表面设置有多道径向凸环，所述囊式隔离套为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环对应的凹环，所述囊式隔离套利用凹环与所述引压管上的凸环卡合后连接在一起，在内部形成容纳防冻液的保护空间。

在本发明的一个实施方式中，所述囊式测压器、温度传感器和电极沿所述圆柱腔体内的气液流动方向依次分布；一个所述通孔中安装一个囊式测压器、一个温度传感器或一个电极，或一个测量孔中同时安装多个囊式测压器、温度传感器和电极。

在本发明的一个实施方式中，所述径向模拟腔安装在角度调整装置上，所述角度调整装置包括水平对称固定在所述圆柱腔体两个相对面外侧上的固定柱，其中一根固定柱的端部通过带有轴承的轴承座安装在一个支撑在地面上的支座内，所述轴承座与所述支座为弧形滑动接触；另一根通过轴承与蜗轮升降机构连接，蜗轮升降机构通过控制固定柱实现圆柱腔体实现水平旋转和垂直高度上的升降。

本发明能够在按比例定量注入气体、液体的情况下利用安装的多孔介质形成水合物，进而模拟地层下水合物的合成过程，通过降压或升温模拟水合物的分解，还可通过对水合物分解后的砂层施加一定覆压来模拟覆压条件下水合物开采后的砂层位移情况，达到研究水合物开采后是否会因为砂层运移而导致塌方等目的。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的径向模拟腔结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的空心模拟井筒结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的测量组件安装示意图；

图4是本发明一个实施方式的囊式测压器结构示意图；

图5是本发明一个实施方式的角度调整装置安装结构示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，各系统的模拟方式和操作过程都采用已有的方法，各系统内部及与圆柱腔体之间都通过带有控制阀的管路连接，除特别说明外，不再一一表明每一个管路和控制阀，而仅以工作过程或实验步骤进行说明。

如图1所示，本发明一个实施方式公开一种地质储层径向流模拟装置，其一般性地包括：作为模拟主体的径向模拟腔1，模拟实际开采井的空心模拟井筒2，模拟地层覆压的囊式覆压加载套7，进行实验过程数据测量的参数测量系统3，以及对实验过程和结果进行分析的数据采集处理单元。

该径向模拟腔1包括两端开口用于填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的圆柱腔体11，分别通过螺栓固定封闭圆柱腔体两端开口的上盖板12和下盖板13；上盖板12和下盖板13的底面可以直接与圆柱腔体11的端面接触，同时在相互的接触面上设置用于安装密封圈的密封槽；在上盖板12与圆柱腔体11接触的一面设置有凸出的圆形挤压台121，挤压台121的直径大于圆柱腔体11的内径但小于圆柱腔体11的外径，在圆柱腔体11相对的端面上设置有内凹的台阶，挤压台121的直径与台阶的内径相同且可插入台阶内，两者的接触面上设置有密封槽和密封条；在下盖板13上设置有与圆柱腔体11内部相通以安装测量组件的贯穿孔131，贯穿孔131间隔分布在圆柱腔体11的内侧壁至圆心之间的路径上。贯穿孔131的数量和分布方式在不影响圆柱腔体11结构时可尽量多设置，然后根据不同的实验要求在相应的贯穿孔131中安装相应的测量组件，不使用的贯穿孔131则可以临时封闭。

本实施方式中径向模拟腔1的内部尺寸为φ300×210mm，容量15l，最高工作压力30mpa，设计压力30mpa；整体采用316双相合金不锈钢材料加工而成，该材料具有较高的力学性能，同时材料具有好的耐腐蚀性。

如图2所示，该空心模拟井筒2包括由通孔处插入圆柱腔体11内的井筒21，和将插入后的井筒21限制在上盖板处的弹簧压盖22；井筒21伸入圆柱腔体11内的侧壁上设置有与外部相通的通孔，以方便多孔介质中的水合物进入井筒21内部。该弹簧压盖22包括一端为开口端另一端为封闭端的管体221，管体221利用开口端222套在井筒21伸出圆柱腔体11的一端后由螺栓将开口端222固定在下盖板13上，在管体221的封闭端设置有供井筒21伸出的通孔223，在管体221的内部安装有套在井筒外的弹簧224，和通过螺纹拧在井筒21外圆周上的调节螺帽225，调节螺帽225通过与封闭端的相对拧动位置来调节弹簧224的弹力大小。

该囊式覆压加载套7用于模拟施加至多孔介质上的地层覆压，包括一端封闭的橡胶套71，和提高橡胶套71密封性能的压圈72及扶正圈73，及测量橡胶套位移的位移传感器74。橡胶套71通过设置在圆周的螺纹拧在上盖板12的挤压台121上，被挤压台121与圆柱腔体11挤压密封固定，固定后的橡胶套71与上盖板12之间形成一个封闭空间，位移传感器74穿过上盖板12后伸入该封闭空间。

在圆柱腔体11的侧面设置有分别与加装多孔介质的空间和囊式覆压加载套7的封闭空间相通的围压注入孔14，围压注入孔14用于连接稳压供液供气单元及其它的配套装置，通过稳压供液供气单元向囊式覆压加载套7的封闭空间内注压，以对圆柱腔体11中的多孔介质施加地层覆压，橡胶套71在压力变化时会发生胀缩现象，而安装后的位移传感器74与橡胶套71接触，因此通过橡胶套71的位移变化，即可测量出当前覆压变化。

为防止多孔介质随气液的流动而进入井筒21，在井筒21的外圆周处可设置将多孔介质间隔开的过滤器15，过滤器15可以由金属网和滤网共同组成，过滤器15本身的目数不影响气液的通道，但能够防止多孔介质通过。

如图3所示，该参数测量系统3包括安装在各贯穿孔131中以测量多孔介质在不同模拟实验中数据的测量组件，具体的测量组件可以包括测量压力的囊式测压器306、测量温度的温度传感器307和测量电阻的电极305；其中的囊式测压器306可以防止低温下冻结。囊式测压器306、温度传感器307和电极305在安装时可相互组合，可以在一个贯穿孔131中同时安装三者或安装多个其中之一，或是一个贯穿孔131中仅安装三者中的一个。具体的测量组件也可以不局限于上述三种，可根据特定的实验选择相应的测量件。所有的测量组件都与数据采集处理单元连接，以便随时控制实验过程和分析实验结果。

该数据采集处理单元包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出，控制系统可以是pc机、工控机等具备数据处理和分析功能的设备，其包括接收并转换数据的数据采集卡、操作数据采集卡的数据采集软件、控制整个实验过程的数据处理系统等组成。其中，数据采集卡主要用于采集囊式测压器、温度传感器、电极的测量信号，并传递至数据采集软件，其输入端口为8路差动；输入类型为ma，输入范围4～20ma，采样速率每秒15次，分辨率是16位，带宽15.75hz，精确度±0.02％。

数据采集软件是整个系统的中枢，保证各个系统的测试精度，并实现各个系统的智能化。所有采集的数据以数据库形式记录，程序根据输入的基本参数和实验采集内容进行记录，原始数据存于excel表格中，用户可以通过excel程序和功能模块对数据进行调出处理，并可根据要求自动生成实验报告。

使用时，可先行将上盖板固定在圆柱腔体上，再安装上盖板上的井筒和各测量组件，再填充作为样品的多孔介质，将囊式覆压加载套安装在下盖板上后再与圆柱腔体固定，最后安装各实验装置的连接管线。

通过按比例定量注入气体、液体形成水合物，可模拟地层下水合物的合成过程，通过降压或升温模拟水合物的分解，通过对水合物分解后的砂层施加一定覆压来模拟覆压条件下水合物开采后的砂层位移情况，达到研究水合物开采后是否会因为砂层运移而导致塌方等目的。此外还可以研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理等；通过控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数等目的。

本实施方式中，径向模拟腔1、参数测量系统3和数据采集处理单元构成基本的实验框架，其它各个系统同时通过相应的管路与径向模拟腔1连通，根据不同的实验要求由人工或数据采集处理单元进行相应系统的控制，以实现不同的模拟过程，在模拟某个具体过程时，其它不需要参与的系统由相应的控制阀进行隔离。

本实施方式将目前单一的各模拟设备统合在一起，通过基本设备和径向模拟腔可为不同模拟实验提供基础的实验环境，可同时或分别用一套设备实现和控制不同的模拟实验，方便数据的整合和对比，同时能够保证实验条件的唯一性，减少实验误差。

本实施方式可通过换装不同类型沉积物来测定不同多孔介质的渗透率，通过常规的分析方法对各模拟过程中的各种数据进行分析和总结，从而获取选择储层在不同模拟实验中的所有数据信息，为实际开采提供可信的依据。通过精确控制进入径向模拟腔1的气体及液体注入量，同时精确计量径向模拟腔出口的气体和液体量，即可推算多孔介质孔隙内的气水饱和度。通过监测径向模拟腔1中不同位置水合物的生成情况以及注热开采过程中水合物的分解情况，可分析实验过程中多孔介质内温度、压力曲线的变化，以及根据气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的p-t平衡和分解条件。

利用参数测量装置3中的电极通过饱和度电性测点来检测不同区域的电阻率值，根据电阻率与饱和度之间的关系值来推算和检测不同区域的饱和度分布情况。电阻是甲烷水合物形成和分解良好的指示性参数，水合物形成时体系电阻快速增大，水合物分解时电阻急剧减小。

在本发明的一个实施方式中，为方便安装密封件，该上盖板上安装测量组件的贯穿孔可以设置成三段内径逐渐缩小的台阶结构，且内径最小的一端位于圆柱腔体101一侧，贯穿孔107的具体数量可以设置25～30个。上盖板104上贯穿孔107的中间段用来安装和限制密封件，直径最小段用于线缆通过，这样的结构可利用直径最大段来提供相应的安装空间，利用中间段形成密封段，最小段则可以减少泄漏。

在本发明的一个实施方式中，如图3所示，为方便固定测量组件，在贯穿孔131内安装有固定座301，限制片302和防脱套303，下盖板13上的贯穿孔131为圆形的通孔，固定座301的内部设置有中心通道，其密封固定在贯穿孔131内，具体固定方式可以是焊接或是螺纹拧接。

限制片302为柔性圆片或金属垫片且设置有多个轴向贯穿插孔，轴向贯穿插孔用于使各测量组件的线缆通过，其水平安装在中心通道内，限制片302可根据固定处的深度使用一至多个，各个限制片302可相互叠加安装，对穿过的线缆形成弹性固定和密封，同时方便调整相应测量组件的测量位置。

防脱套303同样是一个中间带有供线缆通过的通孔的管形结构，其通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端的内螺纹上，防脱套303的前端可通过拧紧的深度顶紧限制片302以防止限制片302轴向移动。

囊式测压器306、温度传感器307和测量电极305穿过防脱套303和限制片302上的通孔后伸入圆柱腔体11内，为提高连接处的耐压性能，防脱套303与固定座301接触一端的外圆周上可设置密封件308；在防脱套的另一端设置有防止信号线路松动的防转螺栓304，该防转螺栓304的径向上设置有通孔，在防脱套303上设置有对应的限制孔，当防转螺栓304转到位后，可通过固定螺栓拧入通孔和限制孔来避免防转螺栓303相对防脱套转动。

如图4所示，本实施方式中的囊式测压器306包括测压管3061，套在测压管3061外部的引压管3062，位于引压管3062端部且密封容纳测压管3061端部的囊式隔离套3063，向引压管3062内注入防冻液的注入装置；测压管3061将接收的插入处多孔介质的压力传递至外部的压力传感器，压力传感器通过自备的数显二次表直接进行显示或传递至数据收集处理单元10处。引压管3062用于保护测压管3061，内部的防冻液可防止测压管3061被多孔介质处的低温冻结。囊式隔离套3063可在测压管3061的端部形成一个充满防冻液的受压腔体3064，以精确传递承受的压力至测压管3061。

在引压管3062的端部外表面设置有多道径向凸环3065，囊式隔离套3063为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环3065对应的凹环3066，囊式隔离套3063利用凹环3066与引压管3062上的凸环3065套插后卡合在一起，在防止脱落的同时可在内部形成容纳防冻液的受压腔体3064。

天然气水合物具有高的电阻率(大约是水电阻率的50倍以上)，地层的电阻率约为0～15000ω.m。在本系统中，电极305的电阻率测量范围为0～15000ω.m，精度1％。为更加精确的测量水合物的分布，电极305采用均匀分散布置的方式，如按13×3的方式布置。

上述结构可以减少布置贯穿孔131的数量同时增强连接强度，减少泄漏点；采用多层组合式限制片302的结构可在承受压力越大时，限制片302与温度测点贴合越充分，确保测点密封的可靠性。

如图5所示，在本发明的一个实施方式中，为在不同角度下进行模拟实验，可以安装一个能够任意调整径向模拟腔摆放角度的角度调整装置16，该角度调整装置16包括水平对称固定在圆柱腔体11两个相对面外侧上的固定柱161，其中一根固定柱161的端部通过带有轴承的轴承座162安装在一个支撑在地面上的支座163内，轴承座162与支座163为弧形滑动接触；另一根固定柱161通过轴承与蜗轮升降机构164连接，蜗轮升降机构164通过控制固定柱161实现圆柱腔体11水平旋转和垂直高度上的升降。

本方案中，蜗轮升降机构164采用现有的蜗轮丝杆升降机，一般包括蜗轮减速机和升降丝杆，其通过蜗杆传动，利用蜗杆带动蜗轮实现减速，蜗轮中心是内螺纹结构，相当于升降丝杆的螺母和升降丝杆相匹配，升降速度等于蜗杆输入转速除以蜗轮蜗杆的减速比，然后乘以丝杆的螺距。其具备高精度的升降功能，同时又不影响径向模拟腔的径向旋转；使用时，径向模拟腔1以蜗轮升降机构164一端作为主动端，而另一端利用弧形滑动作为被动端，可绕轴转到任何倾角，然后再锁紧。同时还可通过蜗轮升降机构164倾斜一定角度，使得径向模拟腔1可模拟从垂直到水平的各种情况，又可背斜一定角度，大大扩展了研究范围。

此外，本发明的地质储层径向流模拟装置在用电方面还设置有用电接地保护，断电保护电路，超温保护，超压保护和电子电路安全保护。

其中用电接地保护和断电保护电路可避免突然停电后来电对设备和人体的伤害，每断电必须重新启动总电源，仪器才能通电工作，确保人身安全。

超温保护对加热的一些大功率仪器进行了分相处理，达到基本平衡，保持电路系统稳定，以防止电路中某一相功率过大造成相与相之间不平衡。通过系统设计的pid控制系统，可对恒温控制系统设定温度上下线，当实时温度超过测定温度上限或下限时则报警，提醒操作人员注意，且当系统温度超出设定度时，系统会立即自动停止当前操作，然后关断加热电源并报警。

超压保护处理方式包括选择满足国家《gb/t1220-2007不锈钢棒》标准的高压材料制作各装置；而压力部件严格按照国家《gb150.1～150.4-2011压力容器》标准进行设计、加工及检验。耐压检验包括液压试验和气压试验，液压试验压力为1.25倍的设计压力，气压试验压力为1.15倍的设计压力；容器及关键压力点均配有相应量程的进口压力传感器，实时监测各压力测点。可以根据试验需要设定最大压力值，当压力测点接近满量程或仪器极限指标时，动力元件停止工作，软件界面提示并声音报警。各系统的泵处装有安全阀，当压力超过极限压力时自动泄压。压力到达规定值后安全阀打开，并发出警报。

电子电路安全保护采用电接点压力表进行超压保护，电接点压力表由测量系统、指示系统、磁助电接点装置、外壳、调整装置和接线盒(插头座)等组成。一般电接点压力表是用于测量对铜和铜合金不起腐蚀作用的气体、液体介质的正负压力，不锈钢电接点压力表用于测量对不锈钢不起腐蚀作用的气体、液体介质的正负压力并在压力达到预定值时发出信号，接通控制电路，达到自动控制的报警的目的。电接点压力表基于测量系统中的弹簧管在被测介质的压力作用下，迫使弹簧管之末端产生相应的弹性变形一位移，借助拉杆经齿轮传动机构的传动并予放大，由固定齿轮上的指示(连同触头)逐将被测值在度盘上指示出来。与此同时，当其与设定指针上的触头(上限或下限)相接触(动断或动合)的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。