一种研究天然气水合物分解过程中多孔介质骨架变化的实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多孔介质中多相渗流和天然气水合物开采领域，特别涉及一种研究天然气水合物分解过程中多孔介质骨架变化的实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]天然气水合物(Natural gas hydrate, NGH)是一种在低温高压下由天然气和水生成的一种笼形结晶化合物，其外形如冰雪状，遇火既燃，俗称“可燃冰”。自然界的天然气水合物中的天然气成分主要是甲烷(>90% )，在常温常压下lm3的天然气水合物分解释放约160m3天然气，所以天然气水合物具有极高的能量密度。自然界中的天然气水合物主要存在于海洋大陆架的沉积物层和陆地冻土带。1964年，科学家在西伯利亚冻土带首次发现了自然存在的天然气水合物。不久之后，在黑海发现了赋存于海底沉积物中的天然气水合物。到上世纪90年代，业内学者一致认为，全球天然气水合物所储藏的能量超过所有石油、煤及天然气所储藏能量的总和。在过去的20年中，全球范围展开包括深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(1DP)对天然气水合物的矿藏资源进行调研。目前全球水合物总量的估计约1015?1018标准立方米，所以，天然气水合物(NGH)被认为是21世纪石油天然气最具潜力的替代能源。资源调查显示，我国南海、东海陆坡一冲绳海、青藏高原冻土带都蕴藏着NGH。因此，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日倶增的能源压力的有效途径。
[0003]所以天然气水合物开采技术是实现天然气水合物资源开发利用的关键环节之一。与常规化石能源不同，天然气水合物以固体形态存在于多孔介质中。它开采的基本思路是:通过改变天然气水合物稳定存在的温-压环境，即水合物相平衡条件，造成固体水合物在储层原位分解成天然气和水后再将天然气采出。据此，科学家提出了几种常规开采技术，如:降压法、热激法以及化学试剂法。由于水合物矿藏地质环境复杂，赋存形式多样，并且开采过程包含了复杂的天然气-水-沉积物-水合物-冰组成的多相体系的相变过程及多相渗流过程，水合物开采过程中伴随水合物分解的多孔介质骨架变化是目前水合物开采中所遇到的最大问题之一。由于固态赋存的天然气水合物变为流动的水和气，原先的水合物矿藏地质特性会发生巨大变化，例如渗透率、孔隙度、力学性质和孔隙压力都发生强烈变化。从而导致多孔介质骨架变形，引起气固液三相混合流动场，最终可能导致地层变形。所以研究天然气水合物分解过程中多孔介质骨架变化对于水合物开采技术是否能够顺利完成以及水合物开采技术的安全性有着重要的作用。
[0004]目前世界上较为先进的水合物开采研究，主要的研究重点在不同的开采方法对水合物相变分解的效果，以及水合物分解过程中热量的消耗传递。但是对于真实条件下，水合物分解过程的复杂相变渗流机理的认识还处于模糊的状态。目前的主要水合物开采模拟实验中几乎全部忽略水合物分解对水合物藏多孔介质骨架变化的影响，在以往的模拟实验中利用大颗粒组成多孔介质(粒径>100um)，令水合物分解过程中的多孔介质骨架无法变化。但实际水合物矿藏中的多孔介质粒径是由0.0lum的微颗粒至500um的大颗粒共同组成的，并且在水合物开采过程中多孔介质骨架变形是不可避免的。目前水合物开采技术的其中一个难点就是对含多孔介质骨架变化的气固液三相渗流机理还缺少认识，需要获取实验数据，并且水合物分解过程中的相变渗流对水合物沉积物骨架的影响缺乏基本的实验数据，而这是水合物开采安全性评价的关键问题，需要实验研究。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种可以直观观察到随水合物分解多孔介质骨架的形态变化的实验装置和实验方法。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]—种研究天然气水合物分解过程中多孔介质骨架变化的实验装置，包括可快速取样高压反应釜、进口控制单元、出口控制单元、环境温度控制单元、气固液三相分离单元以及数据处理单元；
[0008]该可快速取样高压反应釜置于环境温度控制单元中，在可快速取样高压反应釜内填充多孔介质用以模拟地质环境；
[0009]进口控制单元用于向可快速取样高压反应釜中注入水和天然气；
[0010]出口控制单元用于控制天然气水合物分解实验过程中可快速取样高压反应釜的出口压力；
[0011]环境温度控制单元用于控制天然气水合物生成/分解过程以及取样过程的温度；
[0012]气固液三相分离单元用于将天气热水合物分解后排出的气固液混合物分离，并实时计量气固液三相产出的数据；
[0013]可快速取样高压反应釜、环境温度控制单元、气固液三相分离单元、出口控制单元、进口控制单元内的感应元件均通过信号线与数据处理单元连接；该数据处理单元用以采集和处理各感应元件的感应信号。
[0014]该实验装置的可快速取样高压反应釜可以直观观察到随水合物分解多孔介质骨架的形态变化，并且计量出口的气、固、液三相产量。用以研究不同开采方法，不同地层条件下水合物分解采气过程中的含固相迀移的多相渗流问题。
[0015]所述可快速取样高压反应釜包括釜盖、釜体以及用于快速取样的快速开启机构，该快速开启机构包括用于将釜盖和釜体固定连接的卡箍，以及将釜盖和釜体密封的橡胶圈。设置快速开启机构，使得釜盖和釜体快速闭合/开启，采用卡箍固定，橡胶圈密封使得可快速取样高压反应釜包括釜盖的最高压力能够到25MPa。
[0016]所述可快速取样高压反应釜内部为圆柱形或长方体，且其内壁设有一层薄内套。在快速开启釜盖后，设置的薄内套能够方便快捷完整的取出多孔介质样块。可快速取样高压反应釜开启时间短于30s。而目前水合物开采研究相关高压反应釜基本使用螺栓固定釜盖和釜体，开启时间往往在I个小时以上，由于现有技术中的釜盖和釜体开启时间过长，多孔介质骨架已经在外界条件的改变下发生了形态变化，则失去观测多孔介质骨架随天然气水合物分解时的形态变化条件。
[0017]所述气固液三相分离单元包括筛网除砂器以及与筛网除砂器串联的气液分离器。
[0018]所述可快速取样高压反应釜内部容积大于0.5L。使得高压反应釜反映真实水合物藏开采中的多相渗流流动条件。
[0019]所述多孔介质粒径小于lOOum。在以往的模拟实验中利用大颗粒组成多孔介质(粒径>100um)，令水合物分解过程中的多孔介质骨架无法变化。本发明的多孔介质粒径小于lOOum，够直观观察到由于水合物分解弓I起的多孔介质骨架变化。
[0020]在所述可快速取样高压反应釜内按照需求布置模拟注入井及开采井。能够获得更加真实的地质模拟环境。
[0021]所述出口控制单元采用直管或者大弧度弯角管与所述气固液三相分离单元相连。能够使气固液三相混合物顺利产出，有效避免混合物在管道内堵塞。
[0022]—种采用上述的研究天然气水合物分解过程中多孔介质骨架变化的实验装置的实验方法，包括以下步骤:
[0023]S1:将