一种模拟底辟活动对水合物成藏影响规律的装置及方法与流程

本发明涉及天然气水合物地质过程室内实验模拟研究领域，具体涉及一种能够模拟海底底辟侵入活动并分析其对天然气水合物动态成藏影响的装置及方法。

背景技术：

海域水合物的聚集和动态演化过程受到区域构造背景和构造活动的控制，断裂、泥底辟、泥火山、气烟囱等对水合物成藏过程均有重要影响。野外实测资料解释结果显示，泥底辟等局部活动构造对水合物成藏的意义主要表现在如下三个方面：①底辟内部发育的厚层泥源层为水合物形成提供气源；②底辟在形成过程中会引起构造侧翼和顶部沉积层的倾斜和破裂，形成深部气源向上运移的良好通道；③泥底辟既可能形成局部高压，促进水合物的形成；又可影响地温场的变化，进而影响水合物成藏的稳定性。

然而，目前对底辟活动与天然气水合物在储层中分布规律的上述解释都限于定性评价，缺乏定量刻画。其主要原因是：目前的研究成果均基于现场尺度的地震资料解释，缺乏对底辟侵入过程的精细化定量表征，底辟温压条件对不同地层中水合物的动态聚散过程影响规律没有厘清。特别是缺乏从微细观尺度对底辟活动与水合物动态分布间的关系进行定量识别的技术手段。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的缺陷，提出一种模拟底辟活动对海洋天然气水合物成藏影响规律的装置及方法，为定量刻画底辟活动与水合物动态成藏间的关系提供基本的技术手段。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种模拟底辟活动对水合物成藏影响规律的装置，包括底辟侵入反应釜以及与底辟侵入反应釜连接的模拟附件，所述底辟侵入反应釜用以模拟海底地层所受的上覆地层压力，模拟天然气水合物储层温压条件，制备天然气水合物储层样品并模拟底辟物质侵入，具体的：

所述底辟侵入反应釜包括反应釜本体，反应釜本体的上下两端设置有反应釜上端盖和反应釜下端盖，反应釜上端盖上设置有活塞容器，反应釜本体内侧壁上设有电阻率层析成像测量绝缘板，反应釜本体内部不同高度布置数组温度探头组，反应釜本体内部自上而下安装有地层上覆应力加载板、气体分流板和气室，地层上覆应力加载板与活塞容器相连，在活塞容器驱动下，地层上覆应力加载板在反应釜本体内上下移动，反应釜下端盖设置与气室8连通的高压气体入口；反应釜本体的底部设置有底辟流体注入孔，气体分流板上设有与底辟流体注入孔配合的通孔，即底辟流体注入孔穿透反应釜下端盖、气体分流板并与二者密封，；

所述模拟附件包括低温控制模块、气体供给模块、液体供给模块、底辟流体制备与供给模块、有效应力加载模块和数控中心模块，底辟流体制备与供给模块通过底辟流体注入孔与底辟侵入反应釜相连，所述低温控制模块用以维持底辟侵入反应釜内部水合物合成所需的温度环境，所述气体供给模块和液体供给模块用以向底辟侵入反应釜和底辟流体制备与供给模块提供制备所述气体和液体，所述有效应力加载模块用以对上覆应力加载板施加相应应力；数控中心模块实现对模拟过程中是参数控制及数据记录。

进一步的，所述底辟流体制备与供给模块包括柱塞式高压缸，柱塞式高压缸内部设置有底辟输送盘管、搅拌桨、高压缸内芯和气体注入盘管，柱塞式高压缸外围设置有波尔贴，底辟输送盘管从柱塞式高压缸顶部延伸到高压缸内芯上部，所述气体注入盘管从高压缸内芯下部延伸至柱塞式高压缸底部；

所述柱塞式高压缸顶部设置有底辟制备液体入口、放空口以及与底辟输送盘管相连的底辟流体出口，柱塞式高压缸底部安装有高压缸底座，高压缸底座上设置有搅拌桨驱动器、底辟制备气体入口、柱塞推动液体入口；

所述底辟制备气体入口与气体供给模块连接，底辟制备液体入口、柱塞推动液体入口与液体供给模块连接，底辟流体出口与底辟流体注入孔连接，搅拌桨驱动器与数控中心模块通讯。

进一步的，所述有效应力加载模块包括与活塞容器相连的压力跟踪泵、储液罐以及设置在上浮应力加载版上的位移传感器，储液罐出口与压力跟踪泵入口连接，压力跟踪泵出口与活塞容器的加载柱塞入口连接，实验过程中设定上覆地层施加的有效应力值，压力跟踪泵自动控制，位移传感器用于实时记录上覆应力加载板的纵向位移。

进一步的，所述低温控制模块包括低温水浴系统、包裹在反应釜本体外围的水浴腔及包裹在水浴腔外围的保温层，水浴腔与低温水浴系统相连，主要用以给反应釜系统降温。

进一步的，所述气体供给模块包括高压甲烷气瓶和气体流量控制器，在水合物合成阶段，气体流量控制器出口与反应釜下端盖上的高压气体入口连接，向气室中注入甲烷，气室甲烷穿透多孔分流板，均匀向上渗入沉积物，并在沉积物中与水反应合成天然气水合物；在底辟侵入模拟阶段，气体流量控制器出口与底辟流体制备与供给模块连接，向底辟流体制备与供给模块注入甲烷，使底辟流体制备与供给模块中的泥水混合物饱和甲烷气体。

进一步的，所述气体分流板采用耐压带孔板材和透气不透水的半透膜压制而成，气体分流板的下方与反应釜下端盖内侧壁之间形成的空隙即为气室。

进一步的，所述电阻率层析成像测量绝缘板以环状形式嵌入到反应釜本体内侧壁上，每个电阻率层析成像测量绝缘板上等间距安装若干个测量电极。

本发明另外还提出一种模拟底辟活动对水合物成藏影响规律的方法，包括以下步骤：

步骤a：天然气水合物模拟储层制备：

(1)安装装置，测量沉积物的孔隙度，按照预设的天然气水合物饱和度将蒸馏水与沉积物混合均匀，然后将沉积物分层压实填装到反应釜本体内部，抽真空并降温；

(2)向气室中注入高压甲烷气体，甲烷气体均匀穿透多孔分流板，在沉积物中合成天然气水合物，测试水合物合成过程中沉积物内部的温度变化，并实时获取沉积物内部的水合物分布规律，完成天然气水合物模拟储层样品的制备；

步骤b：底辟模拟流体的制备：

(1)将模拟所用的泥质沉积物装入柱塞式高压缸，并向柱塞式高压缸中注入盐水，启动搅拌桨搅拌，使盐水和泥质沉积物充分混合；

(2)而后向柱塞式高压缸中注入高压甲烷气体，同时进行搅拌，并对柱塞式高压缸内部混合物加热；待柱塞式高压缸内部流体被甲烷饱和、流体温度达到预设的温度值后，转入底辟侵入模拟步骤；

步骤c：底辟侵入模拟：

(1)调节底辟流体出口压力与天然气水合物模拟储层孔隙压力相等，然后接通底辟流体制备与供给模块和底辟侵入反应釜；

(2)以恒定速率向柱塞式高压缸下部注入蒸馏水，驱动高压缸内芯向上运动，底辟模拟流体以恒定速率挤入天然气水合物模拟储层；

(3)同步地，记录底辟侵入模拟过程中沉积物内部空间温度数据、位移传感器数据、电阻率层析成像数据和孔隙压力数据，用于分析底辟流体侵入过程中水合物储层的动态响应特征，当底辟模拟流体注入量达到预设值后，停止侵入模拟；

步骤d：底辟冷静期水合物再成藏过程模拟：

关闭底辟侵入反应釜出入口所有阀门，持续观察底辟侵入后内部沉积物中温度、压力及电阻率层析成像值的变化，记录底辟侵入结束后沉积物的纵向位移变化情况，从而达到模拟底辟冷静期水合物再成藏过程的目的；当监测到的所有数据维持稳定后，则底辟冷静期模拟结束；

步骤e：改变天然气水合物模拟储层中沉积物的组份、天然气水合物饱和度、上覆地层应力水平、底辟模拟流体的注入流速参数，通过重复上述步骤a-步骤d，实现对底辟侵入过程对水合物动态成藏影响的敏感性分析。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过对底辟侵入反应釜和底辟流体制备与供给模块的特殊设计，实现对海底原位条件下水合物的成藏过程的模拟，底辟侵入过程对水合物藏中水合物饱和度空间分布影响的模拟以及底辟侵入边界及其对水合物藏宏观物性的控制规律的模拟：

(1)通过气室的设计及底辟流体注入口的配合，保证没有底辟侵入前提下地层中的水合物分布已知或处于均匀分布状态；

(2)通过上覆地层加载板在水合物合成过程中对沉积物施加一定的应力，使水合物的生长环境尽量接近原位地层有效应力条件，并采用位移传感器记录水合物生长过程中沉积物的纵向膨胀/沉降值，将此值作为底辟侵入过程中沉积物纵向变形的背景值；而在底辟侵入过程中，底辟流体侵入不但可能导致沉积物中水合物再分布，也可能使地层产生纵向位移，考虑了海底地层中一定埋深条件下有效应力的影响和底辟侵入对储层纵向变形的影响两种作用；

(3)采用纵向上分布的数层电阻率层析成像联合反演，刻画底辟流体侵入后在沉积物中的分布规律；并且按中心对称模式设计温度传感器布局，可以监测底辟侵入过程中径向的传热特征，判断水合物分解和再合成位置与底辟侵入位置间的关系；

(4)针对底辟流体的特殊性，特别设计底辟流体制备与供给模块，将泥质成份提前装入柱塞式高压缸内部，然后通水搅拌并通气饱和，然后利用高压缸内芯的运动推动气水泥底辟流体流入沉积物中，模拟底辟的侵入过程，以解决常规液体输送泵无法输送带泥流体的问题。

附图说明

图1为本发明实施例模拟底辟活动对水合物成藏影响规律的装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例所述底辟流体制备与供给模块结构示意图；

图3为本发明实施例所述温度探头组和电阻率层析成像测量绝缘板布局方式的俯视示意图；

图4为本发明实施例所述温度探头组和电阻率层析成像测量绝缘板布局方式的侧视结构示意图；

其中：1、反应釜本体；2、反应釜上端盖；3、反应釜下端盖；4、电阻率层析成像测量绝缘板；5、地层上覆应力加载板，6、温度探头组，7、气体分流板，8、气室；9、底辟流体注入孔；10-1、活塞容器外缸；10-2、活塞容器内芯；11、活塞容器装位移传感器；12、反应釜放空口；13、高压气体入口；14、低温水浴系统；15、水浴腔；16、保温层；17、高压甲烷气瓶；18、气体流量控制器；19、底辟流体制备与供给模块；20-1、20-2、液体输送泵；21、数据控制器；22、数据采集器；23、计算机；24、压力跟踪泵；25、储液罐；26、水槽；v1～v9、阀门；p1～p4、压力监测点；19-1、柱塞式高压缸；19-2、底辟制备液体入口；19-3、放空口；19-4、底辟流体出口；19-5、波尔贴，19-6、底辟输送盘管；19-7、搅拌桨；19-8、高压缸内芯；19-9、气体注入盘管；19-10、高压缸底座；19-11、搅拌桨驱动器；19-12、底辟制备气体入口；19-13、柱塞推动液体入口。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1、一种模拟底辟活动对水合物成藏影响规律的装置，包括底辟侵入反应釜及其模拟附件，所述底辟侵入反应釜主要用以模拟海底地层所受的上覆地层压力，模拟天然气水合物储层温压条件，制备天然气水合物储层样品并允许模拟底辟物质侵入，具体的，如图1所示：

所述底辟侵入反应釜包括反应釜本体1、反应釜上端盖2、反应釜下端盖3，反应釜上端盖2、反应釜下端盖3与反应釜本体1之间采用侧面密封，反应釜本体1内侧壁上设有电阻率层析成像测量绝缘板4，反应釜本体1内部自上而下安装有地层上覆应力加载板5、温度探头组6、气体分流板7、气室8和底辟流体注入孔9；电阻率层析成像测量绝缘板4以环状形式嵌入到反应釜本体1内，每个绝缘板上等距离安装16个或32个测量电极，测量绝缘板和测量电极4安装后其形成的环状结构内径略大于反应釜本体通径，以防止后期样品挤出时的损坏，根据所需测量精度，可沿反应釜本体纵向不同高度布设数组电阻率层析成像测量绝缘板4。

继续参考图1，为了测量底辟侵入时储层不同部位的温度变化，本实施例在反应釜本体1内部不同高度布置数组温度探头组6，每组温度探头组6沿反应釜本体1的直径方向排布，即由中心向反应釜外缘延伸的数个温度传感器，参考图3和图4，本实施例以三组温度探头组示意，纵向上相邻两组温度探头组之间的布设呈正交方式，且所述温度探头组6与电阻率层析成像测量绝缘板4的安装高度不在同一水平面；另外，所述的地层上覆应力加载板5为外缘略小于反应釜本体内径的耐压带孔板材，地层上覆应力加载板5的上部与安装在反应釜上端盖2上的活塞容器的底部接触。所述的活塞容器包括外缸10-1和内芯10-2，外缸10-1和内芯10-2之间采用滑动密封，外缸10-1外缘与反应釜上端盖2配合并密封，内芯10-2在液压作用下上行或下行，实际实验过程中液压推动活塞容器内芯10-2向下运动，进而推动地层上覆应力加载板5给下部沉积物施加有效应力。

所述的地层上浮应力加载版5上方安装位移传感器11，用于测量底辟侵入过程导致的天然气水合物纵向位移量；所述的气体分流板7采用耐压带孔板材和透气不透水的半透膜压制而成，气体分流板7的下方与反应釜下端盖3内侧壁之间形成的空隙即为气室8；气体分流板7中央设通孔，与底辟流体注入孔9配合。所述底辟流体注入孔9穿透反应釜下端盖3、气体分流板7并与上述二者密封，其外部直接连接底辟流体混合容器(底辟流体制备与供给模块)；反应釜下端盖3设置高压气体入口13并与气室8连通。

所述模拟附件包括低温控制模块、气体供给模块、液体供给模块、底辟流体制备与供给模块、有效应力加载模块和数控中心模块。其中，低温控制模块包括低温水浴系统14、包裹在反应釜本体1外围的水浴腔15及包裹在水浴腔15外围的保温层16，其主要功能是给反应釜系统降温，从而维持反应釜内部水合物合成所需的温度环境；气体供给模块包括高压甲烷气瓶17和气体流量控制器18，主要用于向反应釜内部和底辟流体制备与供给模块提供高压甲烷气体；在水合物合成阶段，气体流量控制器出口与反应釜下端盖3上的高压气体入口13连接，向气室8中注入甲烷，气室甲烷穿透多孔分流板7，均匀向上渗入沉积物，并在沉积物中与水反应合成天然气水合物；在底辟侵入模拟阶段，气体流量控制器18出口与底辟流体制备与供给模块19连接，向底辟流体制备与供给模块19注入甲烷，使底辟流体制备与供给模块中的泥水混合物饱和甲烷气体。

如图2所示，所述底辟流体制备与供给模块19包括柱塞式高压缸19-1，设置在柱塞式高压缸顶部的底辟制备液体入口19-2、放空口19-3以及底辟流体出口19-4，设置在高压缸外围的波尔贴19-5，安装在柱塞式高压缸内部的底辟输送盘管19-6、搅拌桨19-7、高压缸内芯19-8、气体注入盘管19-9，安装在柱塞式高压缸底部的高压缸底座19-10、搅拌桨驱动器19-11及设置在高压缸底座上的底辟制备气体入口19-12、柱塞推动液体入口19-13。

底辟制备气体入口19-12与气体流量控制器18连接，底辟制备液体入口19-2、柱塞推动液体入口19-13分别与液体输送泵20-1、20-2连接，底辟流体出口19-4与专用反应釜底部的底辟流体入口9连接，所述的搅拌桨驱动器与数控中心21通讯。

底辟流体为饱和烷烃类气体的水、泥混合物，常规液体输送泵难以满足泥砂的输送，现场使用的泥浆泵不适宜在室内开展输入实验，为此本实施例特别设计的底辟流体制备与供给模块，将泥质成份提前装入柱塞式高压缸内部，然后通水搅拌并通气饱和，然后利用高压缸内芯的运动推动气水泥底辟流体流入沉积物中，模拟底辟的侵入过程，有效解决常规液体输送泵无法输送带泥流体的问题。

另外，本实施例采用底辟输送盘管输送底辟流体，主要考虑以下特点：(1)盘管从高压缸顶部延伸到高压缸内芯上部，始终保证从底辟流体制备与供给模块中输出的底辟流体是位于缸内下部的物质，这样能够防止缸内气体与泥、水混合不均匀而在上部分层，导致气体直接被注入专用反应釜的弊端；(2)高压缸内芯19-8向上运动过程中，底辟输送盘管19-6压缩，不影响流体输送，克服了直管输送底辟流体弊端；所述波尔贴的主要作用是控制底辟流体制备与供给模块内部的温度，使注入到反应釜中的底辟流体符合预设的温度条件。

与之对应地，所述的位于高压缸底座上的气体入口和位于高压缸内芯上的气体入口之间亦采用气体注入盘管19-9连接，这样能保证高压缸内芯上下运动过程中不影响气体注入管路的密封性。

特别地，如图2所示，所述高压缸内芯19-8上方采用“凹”型设计，即高压缸内芯19-8上方边缘设置有向上延伸的环形凸起，形成一凹槽，搅拌桨19-7位于凹槽内部，这样能够防止高压缸内芯向上运动过程中搅拌桨碰到高压缸的顶部，柱塞式高压缸内芯与缸体之间采用滑动密封。

所述有效应力加载模块包括安装在反应釜上端盖2并与地层上覆应力加载板5接触的加载柱塞10-1、10-2，位移传感器11，压力跟踪泵24和储液罐25。储液罐25出口与压力跟踪泵24入口连接，压力跟踪泵24出口与加载柱塞入口连接，实验过程中设定上覆地层施加的有效应力值，压力跟踪泵自动控制，位移传感器用于实时记录上覆应力加载板的纵向位移。

所述的数控中心模块主要包括计算机23、数据控制器21、数据采集器22，数据控制器主要用于控制气体的注入流速、流量，液体的注入流速、流量，地层上覆有效应力的跟踪；数据采集器主要用于采集电阻率层析成像数据、温度数据、压力数据，数据采集器和数据控制器的数据最终均在计算机23汇总。

本实施例所提供的装置能够模拟海底原位条件下水合物的成藏过程；模拟底辟侵入过程对水合物藏中水合物饱和度空间分布的影响；模拟底辟侵入边界及其对水合物藏宏观物性的控制规律：

为了研究底辟对水合物成藏过程的影响，室内实验必须首先保证没有底辟侵入前提下地层中的水合物分布已知或处于均匀分布状态；本发明通过气室的设计及底辟流体注入口的配合实现上述效果，在水合物合成过程中，关闭底辟流体入口，使甲烷气体均匀向上渗入到沉积物中，并与沉积物中的水反应生成天然气水合物，尽可能在底辟未侵入条件下使地层中的水合物在平面上均匀分布；而水合物在纵向上的分布特征则可以依托电阻率层析成像实时监测。

为了尽可能模拟真实海底底辟侵入对水合物分布模式的影响，室内实验必须考虑海底地层中一定埋深条件下有效应力的影响和底辟侵入对储层纵向变形的影响两种作用，本方案中，上覆地层加载板在水合物合成过程中对沉积物施加一定的应力，使水合物的生长环境尽量接近原位地层有效应力条件，并采用位移传感器记录水合物生长过程中沉积物的纵向膨胀/沉降值，将此值作为底辟侵入过程中沉积物纵向变形的背景值；而在底辟侵入过程中，底辟流体侵入不但可能导致沉积物中水合物再分布，也可能使地层产生纵向位移，因此有必要在恒定纵向有效应力条件下开展模拟工作。

另外，底辟流体的侵入导致沉积物内部结构物的改变，可以采用纵向上分布的数层电阻率层析成像联合反演，刻画底辟流体侵入后在沉积物中的分布规律；并且，底辟流体侵入改变地层温度场是导致水合物重新分布的关键因素，因此本发明中按中心对称模式设计温度传感器布局，可以监测底辟侵入过程中径向的传热特征，判断水合物分解和再合成位置与底辟侵入位置间的关系。

实施例2、与实施例1所述天然气水合物底辟活动对海洋天然气水合物成藏影响规律模拟装置对应的，本实施例提出一种模拟底辟活动对海洋天然气水合物成藏影响规律的方法，包括以下步骤：

(1)天然气水合物模拟储层制备：安装装置，测量沉积物的孔隙度，按照预设的天然气水合物饱和度将蒸馏水与沉积物混合均匀，然后将沉积物分层压实填装到反应釜内部，抽真空并降温。向气室中注入高压甲烷气体，甲烷气体均匀穿透多孔分流板，在沉积物中合成天然气水合物，用温度传感器阵列测试水合物合成过程中沉积物内部的温度变化，用电阻率层析成像测试组件实时获取沉积物内部的水合物分布规律，完成天然气水合物模拟储层样品的制备；

(2)底辟模拟流体的制备：将模拟所用的泥质沉积物提前装入柱塞式高压缸，打开放空口向柱塞式高压缸中注入盐水，带放空口排水后关闭放空口阀门和底辟制备液体入口阀门，启动搅拌桨搅拌，使水、泥充分混合；而后向柱塞式高压缸中注入高压甲烷气体，同时进行搅拌，并启动波尔贴给柱塞式高压缸内部混合物加热。待柱塞式高压缸内部流体被甲烷饱和、流体温度达到预设的温度值后，转入底辟侵入模拟步骤；

(3)底辟侵入模拟：调节底辟流体出口压力与天然气水合物模拟储层孔隙压力，使两者压力水平相等，然后接通底辟流体制备与供给模块的底辟流体出口和底辟侵入反应釜的底辟流体注入孔间的阀门。以恒定速率从柱塞推动液体入口向柱塞式高压缸下部注入蒸馏水，驱动高压缸内芯向上运动，底辟模拟流体以恒定速率挤入天然气水合物模拟储层。

与上述步骤同步地，记录底辟侵入模拟过程中沉积物内部空间温度数据、位移传感器数据、电阻率层析成像数据、孔隙压力数据等，用于分析底辟流体侵入过程中水合物储层的动态响应特征。当底辟模拟流体注入量达到预设值后，停止侵入模拟。

(4)底辟冷静期水合物再成藏过程模拟：关闭反应釜出入口所有阀门，持续观察底辟侵入后内部沉积物中温度、压力及电阻率层析成像值的变化，记录底辟侵入结束后沉积物的纵向位移变化情况，从而达到模拟底辟冷静期水合物再成藏过程的目的。当监测到的所有数据维持稳定后，认为底辟冷静期模拟结束。

特别地，本发明中，可以通过改变天然气水合物模拟储层中沉积物的组份、天然气水合物饱和度、上覆地层应力水平、底辟模拟流体的注入流速等参数，通过重复上述步骤(1)～(4)，实现对底辟侵入过程对水合物动态成藏影响的敏感性分析。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。