天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统及方法与流程

本发明涉及一种天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统，以及基于该系统实现的天然气水合物储层原位性质参数模拟测试方法，属于天然气水合物勘探开采领域。

背景技术：

据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照21世纪的消耗速度，再有50～60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。天然气水合物的发现，让陷入能源危机的人类看到了新希望。天然气水合物(甲烷水合物，俗称可燃冰)是一种潜在的地质能源，储量大，分布广泛。据国际地质勘探组织估算，地球深海中水合甲烷的蕴藏量足以超过2.84×10²¹m³，是常规气体能源储存量的800倍，其中，可燃冰层中可能蕴藏着1.135×10²⁰m³的气体。水合甲烷一旦得到开采，将使人类的燃料使用史延长几个世纪。但要进行可燃冰开采，必须掌握可燃冰储层的基本性质，获得相关参数。从实际开采来看，由于天然气水合物易分解的特性，且其分解导致强烈的储层结构变化，要获得其储层原位参数所面临的技术挑战很大，目前还没有成熟的直接性测试技术条件和能力。由此可见，设计出一种天然气水合物储层原位性质参数模拟测试技术，无疑是前景广阔的技术发展方向，对于天然气水合物资源评价和开采工程技术研究来说具有很高的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统，以及基于该系统实现的天然气水合物储层原位性质参数模拟测试方法，其可获得被模拟的天然气水合物储层的孔隙度、渗透率、水合物饱和度等天然气水合物储层性质参数与其声波、电阻率等地球物理参数之间的关联关系，为认识被模拟的天然气水合物储层的地质性质特征和开采工程条件提供了可靠的实验数据。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统，其特征在于：它包括装填填料的模拟室，填料用于模拟天然气水合物储层；模拟室与温度测量单元、温度控制单元、电阻率测量单元、渗透率测量单元、声波测量单元和气体体积标定室连接，压力控制单元与模拟室、气体体积标定室连接，气体体积标定室安装有温度传感器、压力传感器，温度测量单元、温度控制单元、压力控制单元、电阻率测量单元、渗透率测量单元、声波测量单元，以及气体体积标定室的温度传感器、压力传感器与数据处理和信号管控单元连接。

一种基于所述的天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统实现的天然气水合物储层原位性质参数模拟测试方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)用工作气体清洗系统，检测系统空载状态下的气密性；

2)测量系统空载状态时的系统总空间体积，并基于净腔体体积，标定出系统死体积；

3)制备用于模拟天然气水合物储层的填料；

4)用制备的填料填满所述模拟室的腔体，腔体两端口分别通过注入堵头、输出堵头封堵住；

5)检测腔体载料状态下的气密性；

6)用工作气体清洗填满填料的所述模拟室腔体及与其相连通的空间；

7)借由所述渗透率测量单元测量并控制腔体输出的气体流量，以及测量腔体的气体输入、输出端口的压力，计算出所述模拟室腔体内填料的初始渗透率；

8)测量腔体载料状态下的系统总空余空间体积，并基于标定的系统死体积和净腔体体积，计算出腔体内填料的初始空隙体积，从而得到填料的初始孔隙度；

9)合成天然气水合物，监测合成过程中及合成完成后的声波参数和电阻率参数；

10)测量天然气水合物合成完成后的系统总空余空间体积，并基于标定的系统死体积和净腔体体积，计算出含天然气水合物的填料的空隙体积，从而得到含天然气水合物的填料的孔隙度，进而计算天然气水合物饱和度；

11)借由所述渗透率测量单元测量并控制腔体输出的气体流量，以及测量腔体的气体输入、输出端口的压力，计算出含天然气水合物的填料的渗透率；

12)将温度和压力调控到被模拟的天然气水合物储层的温度和压力，测定获得储层环境条件下的含天然气水合物的填料的声波参数和电阻率参数；

13)天然气水合物储层原位性质参数模拟测试结束。

本发明的优点是：

本发明针对被模拟的天然气水合物储层，基于声波和电学地球物理测试原理，通过模拟实验方式获得储层的孔隙度、渗透率、水合物饱和度等储层性质参数与其声波、电阻率等地球物理参数之间的关联关系，可有效地服务于天然气水合物的资源评价和开采工程方案设计，为通过地球物理测试技术手段获得天然气水合物储层的原位状态关键储层性质参数提供了有关数据关联的可靠依据。

附图说明

图1是本发明天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统的组成示意图。

图2是本发明天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统的一较佳实施例示意图。

图3是增压组件的构成示意图。

图4是声波测量单元的组成示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统包括装填填料的模拟室10，填料用于模拟天然气水合物储层；模拟室10与温度测量单元50、温度控制单元40、电阻率测量单元20、渗透率测量单元70、声波测量单元30和气体体积标定室80连接，压力控制单元60与模拟室10和气体体积标定室80连接，气体体积标定室80安装有温度传感器81、压力传感器82，温度传感器81、压力传感器82分别用来测量气体体积标定室80内的温度、压力，温度测量单元50、温度控制单元40、压力控制单元60、电阻率测量单元20、渗透率测量单元70、声波测量单元30中的传感器及开关阀等作动器件、气体体积标定室80的温度传感器81、压力传感器82均与数据处理和信号管控单元(图中未示出)连接。

如图2，模拟室10包括腔体，腔体两端口分别安装有注入堵头13、输出堵头14，腔体内壁为绝缘材质制成，注入堵头13的注入口、输出堵头14的输出口内安装有防堵塞滤网，腔体外安装有加强模拟室10轴向强度以防止因受压发生轴向弯曲的加强丝杠。

在本发明中，注入堵头13、输出堵头14应密封设计，其可根据各单元需要连接相关器件，如阀门等，注入堵头13、输出堵头14与腔体之间应为密封连接且可拆卸，以方便装填、更换腔体内填料。

在实际实施时，因天然气水合物合成需要在高压低温的环境下进行，所以模拟室10腔体需要采用耐高压材料制成，其耐压能力应保障35mpa，温度承受能力范围覆盖-20℃～50℃，腔体可设计呈圆柱体。

在实际设计中，参考图2，温度控制单元40包括紧附于腔体外壁上的制冷流体夹套41，制冷流体夹套41连接制冷流体供输流路(图中未示出)，制冷流体夹套41外设有保温层42，其中，制冷流体供输流路对进出制冷流体夹套41的流体进行控制，以达到制冷流体夹套41调节腔体内温度，使腔体处于设定温度的目的，制冷流体供输流路受数据处理和信号管控单元的控制。制冷流体供输流路、制冷流体夹套41为本领域的已有设备和常规设计。

在本发明中，温度测量单元50包括安装在腔体内壁上的若干温度传感器52和安装在腔体外壁上、介于腔体与制冷流体夹套41之间的若干温度传感器51，温度传感器51、52的信号端口与数据处理和信号管控单元的相应信号端口连接。温度传感器51用于检测腔体内温度，温度传感器52用于检测腔体制冷流体温度，它们均将温度数据反馈给数据处理和信号管控单元进行处理等操作。

参考图3，压力控制单元包括气体调压阀和增压组件61，增压组件61的输气进口通过第一多通控制阀101与甲烷气源200和工作气源300连接，增压组件61的输气出口与气体调压阀62的进气口连接，气体调压阀62的出气口与第二多通控制阀102的进气口连接，第二多通控制阀102的一出气口与注入堵头13的注入口连接，第二多通控制阀102的另一出气口与气体体积标定室80的气体入口连接，气体体积标定室80的气体出口、贯通外部的排放口90与注入堵头13的注入口三者之间通过第三多通控制阀103连接。气体调压阀62、增压组件61、第一多通控制阀101、第二多通控制阀102、第三多通控制阀103的信号端口与数据处理和信号管控单元的相应信号端口连接。

在本发明中，压力控制单元60用于调节与控制腔体内的压力，以及气体体积标定室80的压力。

如图3，增压组件61包括增压泵612，增压泵612的进气口通过第一多通控制阀101与甲烷气源200和工作气源300连接，增压泵612的出气口经由高压气体储罐613与气体调压阀62的进气口连接，增压泵612的进气口、高压气体储罐613的进气口、高压气体储罐613的出气口安装有防止流体返回的背压阀614。增压泵612连接空气压缩机611，增压泵612在空气压缩机611的辅助驱动下工作。增压泵612的输出压力应能达到60mpa。

在实际操作中，甲烷气源200、工作气源300中的气体可通过增压泵612、气体调压阀62、第二多通控制阀102、注入堵头13的注入口直接送入模拟室10腔体，也可通过增压泵612、气体调压阀62、第二多通控制阀102送入气体体积标定室80内。气体体积标定室80内的气体可通过第三多通控制阀103、注入堵头13的注入口送入模拟室10腔体中。

在本发明中，参考图2，电阻率测量单元20包括环布于腔体上、与腔体绝缘的若干圈电阻率测量电极，电阻率测量电极的信号端口与电阻率测量装置(图中未示出)的相应信号端口连接，电阻率测量装置为接收电阻率测量电极反馈的电信号并基于电信号计算出电阻率的电子设备(本领域已有设备)，电阻率测量装置的信号端口与数据处理和信号管控单元的相应通讯端口连接，其中：各圈电阻率测量电极沿模拟室长度方向等间隔均匀布设；每圈电阻率测量电极上均匀设有若干电阻率测量点21，电阻率测量点21上的探针贯穿腔体探入内腔，探针与腔体间具有良好的绝缘性和密封性。

如图2和图4，声波测量单元30包括安装在腔体内壁上的若干对声偶极子，各对声偶极子相向安装、沿模拟室长度方向等间隔均匀分布在腔体的中间段，其中：对于每对声偶极子，一个声偶极子31贯穿腔体与外部的声波发射装置33连接，另一个声偶极子32贯穿腔体与外部的声波接收装置34连接，声波发射装置33、声波接收装置34的信号端口与数据处理和信号管控单元的相应通讯端口连接，声偶极子31、32与腔体间具有良好的绝缘性和密封性。声波发射装置33经由声偶极子31将声波信号向相对的声偶极子32发射，当声波信号穿过填料，被声偶极子32接收到后，声偶极子32将接收的声波信号传送给声波接收装置34，从而完成一个声波检测。声波接收装置34可连接有示波器。

在本发明中，渗透率测量单元70包括与注入堵头13的注入口连接的气体压力测量计71，以及与输出堵头14的输出口连接的输出气体流量测控阀73、气体压力测量计72，气体压力测量计71、72、输出气体流量测控阀73的信号端口分别与数据处理和信号管控单元的相应通讯端口连接。

在实际操作中，输出气体流量测控阀73用于测量并控制模拟室10输出的气体流量处于恒定状态，从而在此状态下，基于气体压力测量计71、72测量出模拟室10的气体输入、输出端口处的气体压力，以便用于计算渗透率。

在本发明中，数据处理和信号管控单元用于接收温度测量单元50、电阻率测量单元20、渗透率测量单元70、声波测量单元30等反馈的测量数据，以及对温度控制单元40、压力控制单元60等进行操控，数据处理和信号管控单元可包括单片机或微处理器，也可以是计算机系统，其构成为本领域的熟知技术，故不在这里详述。

在本发明中，由于模拟室10腔体的管径不大，且被制冷流体夹套41包裹，因此在腔体径向方向上，温度、压力差异很小。但是在腔体长度方向上，由于制冷流体夹套41的进出液口通常设置在其长度方向的两端上，因此在腔体长度方向上的温度、压力的差异就不可忽略了。因此，本发明采用沿模拟室10长度方向等间隔均匀分布温度传感器，沿模拟室长度方向等间隔均匀布设电阻率测量电极。对于声偶极子，其相对位置不可发生变化，必须成对布设，一般将若干对声偶极子沿模拟室长度方向等间隔均匀分布在腔体的中间区域(即沿模拟室长度方向看的中间部分)。

由于模拟室10内的混合气体存在易燃易爆的危险隐患，因此，腔体内壁应涂布有防静电涂层或腔体内衬有绝缘套筒。另外，腔体还可进行防开裂、增强度处理，来保证容器的安全性能。

需要提及的是，检测沉积物体系中电阻率的变化是一个难点。已有检测方法是采用插入式的电极柱布置在测量腔内。由于电极柱本身以及引线都处于测量腔内，因此会对被测量电阻率场产生一定影响，导致电阻率的采集结果存在较大的误差。针对已有检测方法的不足，本发明将测量工具由电极柱改为电阻率测量点，如图2，布置方式由插入式改为圆柱形环状分布方式，即将电阻率测量电极的测量点环状绕布在腔体上，这样引线处于腔体外，长度仅3mm的探针探入腔体内进行测量，所以影响很小。并且，由于处于填料最内部的天然气水合物的电阻率不易直接测量，故在实际实施时，本发明采取间接测量方法，即向填料供电后，在同一电阻率测量电极上，测量其上两个电阻率测量点21之间的电压降来达到测量电阻率的目的。

在本发明中，压力传感器优选为平膜式压力传感器。

基于上述本发明天然气水合物储层原位性质参数模拟测试系统，本发明还提出了一种天然气水合物储层原位性质参数模拟测试方法，包括如下步骤：

1)用工作气体清洗系统，检测系统空载状态下的气密性；

2)测量系统空载状态时的系统总空间体积，并基于净腔体体积，标定出系统死体积；

3)制备用于模拟天然气水合物储层的填料；

4)用制备的填料填满模拟室10的腔体，腔体两端口分别通过注入堵头13、输出堵头14封堵住；

5)检测腔体载料状态下的气密性；

6)用工作气体(如氮气等)清洗填满填料的模拟室10腔体及与其相连通的空间；

7)借由渗透率测量单元70测量并控制腔体输出的气体流量，以及测量腔体的气体输入、输出端口的压力，计算出模拟室10腔体内填料的初始渗透率；

8)测量腔体载料状态下的系统总空余空间体积，并基于标定的系统死体积和净腔体体积，计算出腔体内填料的初始空隙体积，从而得到填料的初始孔隙度；

9)合成天然气水合物，监测合成过程中及合成完成后的声波参数和电阻率参数；

10)测量天然气水合物合成完成后的系统总空余空间体积，并基于标定的系统死体积和净腔体体积，计算出含天然气水合物的填料的空隙体积，从而得到含天然气水合物的填料的孔隙度，进而计算天然气水合物饱和度；

11)借由渗透率测量单元70测量并控制腔体输出的气体流量，以及测量腔体的气体输入、输出端口的压力，计算出含天然气水合物的填料的渗透率；

12)将温度和压力调控到被模拟的天然气水合物储层的温度和压力，测定获得储层环境条件下的含天然气水合物的填料的声波参数和电阻率参数；

13)天然气水合物储层原位性质参数模拟测试结束，后续对数据进行分析处理。

在实际操作中，步骤1)和步骤5)中的气密性检测过程通常包括检测模拟室10腔体和注入堵头13、输出堵头14自身的密封性，检测各单元自身的密封性，检测腔体与相关单元之间连通的各管道的密封性，检测注入堵头13与相关单元之间连通的各管道以及输出堵头14与相关单元之间连通的各管道的密封性。在本发明中，气密性检测采用本领域的熟知技术方法，故不在这里详述。

在本发明中，系统总空间体积是指系统空载状态下，模拟室10净腔体体积及与模拟室连通的相关各管道、各部件内腔体积的总和；净腔体体积是指模拟室10的腔体自身固有的体积；系统死体积是指模拟室10腔体之外与其连通的相关各管道、各部件内腔体积的总和；系统总空余空间体积是指腔体载料状态下，腔体填料内的所有空隙所占体积，及与模拟室10连通的相关各管道、各部件内腔体积的总和。

在实际操作中，步骤2)包括如下步骤：

2-1)在确认处于系统空载状态的模拟室10与气体体积标定室80已相互连通，但对外封闭的情况下，切断气体体积标定室80与模拟室10之间的气路，向气体体积标定室80注入工作气体，直至压力处于设定范围内，测量气体体积标定室80内工作气体的温度t0和压力p0，测量模拟室10的温度t和压力p，根据实际气体状态方程通过下式1)计算出气体体积标定室80内工作气体的原始摩尔数n0：

式1)中，v0为气体体积标定室80的体积，r为普适气体常数(8.31kpa·l·mol^-1·k^-1)，a和b为工作气体的范德瓦耳斯修正量(可从相关专业工具途径查得)，

2-2)连通气体体积标定室80与模拟室10之间的气路，待气体体积标定室80与模拟室10之间达到气体压力平衡并稳定后，断开该气路，测量气体体积标定室80内工作气体的温度t1和压力p1，根据实际气体状态方程通过下式2)计算出气体体积标定室80内剩余工作气体的摩尔数n1：

2-3)待模拟室10内气体温度平衡在温度t后，测量模拟室10内气体压力p’，基于气体体积标定室80内工作气体摩尔数的变化，以及模拟室10内工作气体的压力变化，根据实际气体状态方程通过下式3)计算出系统总空间体积v：

2-4)从系统总空间体积v中扣除净腔体体积v’，得到系统死体积vs，即v-v’＝vs。

在实际操作中，步骤3)包括如下步骤：

3-1)取采自待模拟的天然气水合物储层的沉积物或为模拟待模拟的天然气水合物储层而配制的沉积物，以采自待模拟的天然气水合物储层的储层水或为模拟待模拟的天然气水合物储层而配制的储层水进行充分润湿、混匀，

3-2)将含水的待模拟的天然气水合物储层的沉积物或含水的模拟待模拟的天然气水合物储层而配制的沉积物置于-7℃以下冷冻，直至水分完全结冰成为“冰砂”，

3-3)将“冰砂”捣碎、混匀，置于低温(低于-5℃)下继续冷冻，备用。

本发明中提及的“冰砂”与现实存在的冰砂不同，其为被冰包裹与交结的沉积物或模拟沉积物颗粒。

在步骤1)和6)中，工作气体从工作气源300输出，经由用于增加气体压力的增压组件61、气体调压阀62送入模拟室10腔体，对空载或填满填料的模拟室10腔体及与腔体连通的空间进行清洗。

在实际操作中，步骤8)包括如下步骤：

8-1)在确认装有填料的模拟室10与气体体积标定室80已相互连通，但对外封闭的情况下，切断气体体积标定室80与模拟室10之间的气路，向气体体积标定室80注入工作气体，直至压力处于预定范围内，测量气体体积标定室80内工作气体的温度t0和压力p0，测量模拟室10的温度t和压力p，根据实际气体状态方程通过上式1)计算出气体体积标定室80内工作气体的原始摩尔数n0，

8-2)连通气体体积标定室80与模拟室10之间的气路，待气体体积标定室80与模拟室10之间达到气体压力平衡并稳定后，断开该气路，测量气体体积标定室80内工作气体的温度t1和压力p1，根据实际气体状态方程通过上式2)计算出气体体积标定室80内剩余工作气体的摩尔数n1，

8-3)待模拟室10内气体温度平衡在温度t后，测量模拟室10内气体压力p’，基于气体体积标定室80内工作气体摩尔数的变化，以及模拟室10内工作气体的压力变化，根据实际气体状态方程通过下式3a)计算出系统总空余空间体积vy1：

8-4)从系统总空余空间体积vy1中扣除系统死体积vs，得到模拟室10腔体内填料的初始空隙体积vf0，即vy1-vs＝vf0，

8-5)通过计算初始空隙体积vf0与净腔体体积v’的比值，得到填料的初始孔隙度

在实际操作中，步骤10)包括如下步骤：

10-1)在气体体积标定室80与模拟室10之间的气路处于切断的情况下，向气体体积标定室80注入工作气体，直至压力处于大于模拟室10压力的预设定范围内，测量气体体积标定室80内工作气体的温度t0和压力p0，测量模拟室10的温度t和压力p，根据实际气体状态方程通过上式1)计算出气体体积标定室80内工作气体的原始摩尔数n0，

10-2)连通气体体积标定室80与模拟室10之间的气路，待气体体积标定室80与模拟室10之间达到气体压力平衡并稳定后，断开该气路，测量气体体积标定室内工作气体的温度t1和压力p1，根据实际气体状态方程通过上式2)计算出气体体积标定室80内剩余工作气体的摩尔数n1，

10-3)待模拟室10内气体温度平衡在温度t后，测量模拟室10内气体压力p’，基于气体体积标定室80内工作气体摩尔数的变化，以及模拟室10内工作气体的压力变化，根据实际气体状态方程通过下式3b)计算出系统总空余空间体积vy2：

10-4)从系统总空余空间体积vy2中扣除系统死体积vs，得到模拟室10内含天然气水合物的填料的空隙体积vf1，即vy2-vs＝vf1，

10-5)通过计算空隙体积vf1与净腔体体积v’的比值，得到含天然气水合物的填料的孔隙度

10-6)计算模拟室10腔体内填料的初始空隙体积vf0减去含天然气水合物的填料的空隙体积vf1的差值与模拟室10腔体内填料的初始空隙体积vf0的比值，得到模拟室10腔体内填料中的天然气水合物饱和度sh，即(vf0-vf1)/vf0＝sh。

在实际操作中，步骤9)包括如下步骤：

9-1)根据步骤8)测得的模拟室10腔体内填料的初始空隙体积vf0，以及所模拟的目标水合物饱和度s，基于下式4)计算出需要通入的甲烷气体处于标准状态下的体积v甲烷：

v甲烷＝164×vf0×s4)，

9-2)通过温度控制单元40控制模拟室10腔体内温度，使腔体温度降低至设定温度范围内，并维持在恒温状态，

9-3)根据理想气体状态方程，按照下式5)计算所需通入的甲烷气体的摩尔数n甲烷：

9-4)以甲烷气体清洗气体体积标定室80，

9-5)根据气体体积标定室80的体积v0及其当前甲烷气体的温度t甲烷，通过压力控制单元60向气体体积标定室80充注甲烷气体，直至气体体积标定室80内甲烷气体压力达到基于实际气体状态方程按下式6)计算得到的压力值p甲烷：

式6)中，a甲烷和b甲烷为甲烷气体的范德瓦耳斯修正量(可从相关专业工具途径查得)，

9-6)通过压力控制单元60通入工作气体，将气体体积标定室80中的甲烷气体压入模拟室10腔体，并使模拟室10腔体内气体压力升高至设定压力范围内，并维持在恒压状态，以合成天然气水合物，

9-7)在天然气水合物的合成过程中及合成完成后，通过声波测量单元30和电阻率测量单元20监测、记录并显示模拟室10腔体内填料的声波参数和电阻率参数，

9-8)当声波及电阻率参数信号均处于持续稳定状态时，表明已达到天然气水合物生成与分解平衡状态，此时停止声波参数和电阻率参数的监测。

在实际设计中，步骤7)的初始渗透率、步骤11)的渗透率通过公式计算出，在此公式中：

a为模拟室10腔体内腔的截面积(单位cm²)，

l为模拟室10腔体的内腔长度(单位cm)，

pin为模拟室10腔体的气体输入端口处的压力(单位0.1mpa)，

pout为模拟室10腔体的气体输出端口处的压力(单位0.1mpa)，

p00为环境大气压力(单位0.1mpa)，

μ为工作气体的粘度(单位mpa.s)，

q0为模拟室10腔体的气体输出端口处的气体流量(单位cm²/s)。

在实际操作中，在步骤12)中：

通过温度控制单元40、压力控制单元60将模拟室10腔体的温度和压力调控到被模拟的天然气水合物储层的温度和压力，然后通过声波测量单元30和电阻率测量单元20测定、记录并显示获得储层环境条件下的含天然气水合物的填料的声波参数和电阻率参数。

本发明的优点是：

本发明测试模拟结果准确可靠，安全性高，操作方便，针对被模拟的天然气水合物储层，基于声波和电学地球物理测试原理，通过模拟实验方式获得储层的孔隙度、渗透率、水合物饱和度等储层性质参数与其声波、电阻率等地球物理参数之间的关联关系，可有效地服务于天然气水合物的资源评价和开采工程方案设计，为通过地球物理测试技术手段获得天然气水合物储层的原位状态关键储层性质参数提供了有关数据关联的可靠依据。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。