一种多孔介质中气水合物模拟实验测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油气勘探技术领域，特别涉及一种天然气水合物储层的勘探技术，具 体为一种多孔介质中气水合物模拟实验测试系统。
【背景技术】
[0002] 天然气水合物是一种具有巨大潜力的能量资源，主要分布于陆地永久冻土带和大 陆架边缘的海底沉积物中，其具有分布广、储量大、能量密度高、清洁等特点，对天然气水合 物资源的勘探与开发引起了世界各国的广泛重视。
[0003] 天然气水合物储层是一种特殊类型的储层，目前对其评价主要沿用油气评价理论 与方法，即将天然气水合物作为流体来处理。实际上天然气水合物是以固态形式存在，而且 其物理化学性质、赋存状态、成藏模式也与油气有较大差异。因此，在借鉴油气评价理论与 方法的同时，需要针对天然气水合物的特性探索新的理论、技术和方法，以更有效地对天然 气水合物储层进行识别、对水合物的赋存状态和饱和度进行评价，为制定和优化水合物开 采方案提供理论和数据支撑。
[0004] 地球物理测井是对天然气水合物储层进行定量评价的重要手段，利用地球物理测 井技术可以在原位高压低温环境下对储层物理性质进行探测，数据可靠性较高，通过测井 解释技术进一步可以获得岩石孔隙度、含水合物饱和度、储层厚度等参数，为天然气水合物 储层的定量评价提供必要的信息。国内外对天然气水合物资源调查中大都实施了测井作 业，由于天然气水合物的电学和声学性质与储层岩石其他组分之间的差异最为显著，目前 对水合物饱和度的评价主要基于传统的电阻率测井响应和声波测井响应开展解释工作。如 前所述，与油气储层相比天然气水合物储层具有其特殊性，因此在对测井响应进行解释之 前需要构建适用于天然气水合物储层的测井解释模型。构建测井解释模型不仅需要建立理 论模型，而且需要收集大量的测井数据资料以及岩石物理实验数据对理论模型进行验证和 参数优化。
[0005] 因此，大量地开展针对天然气水合物的岩石物理模拟实验，获取高质量的声学与 电学实验测试数据，对于构建天然气水合物储层的声波与电法测井解释模型具有不可替 代的重要意义，进而为声波与电法测井技术应用于天然气水合物储层精细评价提供模型基 础。除此之外，在针对天然气水合物开展岩石物理模拟实验过程中，深入研究新的声学和电 学测试系统和方法也为开发新的测井技术（包括测井仪器和相应的数据解释模型与方法） 提供理论基础，同时也为探索天然气水合物生成/分解过程的动力学规律以及多孔介质内 各相物质的空间分布状态变化规律提供有效的探测技术手段。
[0006] 声学和电学测试技术的优点在于：激励信号与测量信号安全无辐射；测试过程为 非侵入式，对被测体系干扰小；传感器制作成本较低而且可根据不同的测量需求灵活设计； 电信号与声信号（声信号通常也转换为电信号）测量和处理所需的电路性能高、模块化、可 靠性强，信号采集速度快；数据分析处理方法灵活多样且易于软件实现。
[0007] 现有的天然气水合物模拟实验测试系统及测试方法中，所涉及到的声学和电学测 试技术绝大多数采取各自独立实施的方式。申请号为2013102252657的专利公布了 "天然 气水合物沉积物动三轴力学-声学-电学同步测试的实验装置及方法"，但是其测试系统 和方法有以下特点：利用了传统的电阻率测试技术，即仅获取了被测介质的电阻信息而忽 视了容抗信息；仅使用一对电极作为传感器，测试的空间范围较窄；没有考虑电学传感器 与声学传感器在测试空间的复合，导致声学传感器和电学传感器的测试对象（空间测试范 围）不完全一致，从而导致两类传感器所获取的信息无法统一，无法对两类传感器的测量 数据进行联合（融合）处理。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种多孔介质内天然气水合物模拟实验测试系统，可实现实验室环境 下沉积物中天然气水合物生成分解过程的模拟、声学与电学参数联合测试的实施。利用此 系统和对应的测试方法可以高效地开展天然气水合物相关的物理模拟实验，获取蕴含丰富 信息的声学和电学测试参数数据，建立准确的天然气水合物饱和度计算模型，从而为探索 天然气水合物生成/分解过程的动力学规律以及多孔介质内各相物质的空间分布状态变 化规律提供有效的探测技术手段，同时也为开发新的测井技术（包括测井仪器和相应的数 据解释模型与方法）提供理论基础。
[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的多孔介质中气水合物模拟 实验测试系统，主要包括反应釜、传感系统、硬件接口设备和数据处理系统，反应釜用以盛 装被测介质，传感系统安装在反应釜内，传感系统通过硬件接口设备接入数据处理系统；
[0010] 传感系统主要由声学传感器、电学传感器、温度传感器和压力传感器组成，
[0011] 硬件接口设备包括：
[0012] 波形发生器，用以产生传感系统所需的激励信号，作为传感系统的输入；
[0013] 声电信号数据采集模块、阻抗测量电路和超声激励信号功率放大器，超声激励信 号经超声激励信号功率放大器放大后作为声学传感器的输入，声学传感器的输出由声电 信号数据采集模块采集，声电信号数据采集模块经阻抗测量电路采集电学传感器的信号输 出；
[0014]温度采集模块和压力采集模块分别采集温度传感器和压力传感器的信号；
[0015]多路切换模块I用以切换波形发生器与传感系统的连通；
[0016]多路切换模块II用以切换各采集模块和相应传感系统的连通；
[0017]数据处理系统接收并处理各数据采集模块发送的数据。
[0018]数据处理系统经远程控制器接收并处理各数据采集模块发送的数据。
[0019] 反应釜为同轴双筒结构，内筒同轴置于外筒内，外筒上端设置顶盖用于密封，反应 釜底部安装滤网，同一平面上反应釜内筒和外筒经内、外筒同一直径上对应设置若干个孔， 孔内对应安装声学传感器和电学传感器，反应釜底部设置若干孔，孔内安装温度传感器，反 应釜顶盖开两个孔，分别安装气体导管和引出传感器的连接导线，气体导管上安装阀门和 压力传感器，反应釜底部开两个孔，分别连接气体导管和液体导管。
[0020] 同一直径上的内筒和外筒上设置用以发射和接收的声学传感或用以发射和接收 的电学传感器。
[0021] 声学传感器和电学传感器为一体化的声电传感器，同一直径上的内筒和外筒上设 置用以发射和接收的声电传感器。
[0022] 一体化声电传感器的声学传感器采用圆柱形，电学传感器采用环形，声学传感器 的一端置于电学传感器的环内。
[0023] 一体化声电传感器的声学传感器采用圆柱形，电学传感器采用矩形，矩形中心具 有圆孔，声学传感器的一端置于电学传感器的圆孔内。
[0024] 矩形上沿反应釜轴向设置若干个圆孔，声学传感器的一端置于电学传感器的圆孔 内。
[0025] 该测试技术借鉴了现代信息领域的多传感器复合与数据融合的思想，针对天然气 水合物的特点而提出。
[0026] 通过设计新型的反应釜并对传感器进行阵列式排布，实现多传感器的不同复合方 式，使得传感器覆盖面更广、其可靠性和鲁棒性更强，从而针对同一被测对象或状态可以获 取多类相关且具有一致性的信息，所获得的信息量更大、置信度更高。
[0027] 通过对传感器测量数据进行不同层次的融合、采用不同的融合系统结构和融合算 法，从而可以构建不同的数据融合模型，以此为基础可以更加深入地挖掘蕴含在声学与电 学传感器测量数据中的信息，为建立水合物饱和度计算模型和探索水合物生成/分解过程 的动力学规律以及多孔介质中各相物质的空间分布状态变化规律提供更多的有用信息。
[0028] 基于含天然气水合物多孔介质的电性参数频散特性参数（如复电阻率频散度）来 获取天然气水合物饱和度信息。现有的基于介质电学性质计算水合物饱和度的方法中，主 要利用电阻率数据并结合阿尔奇经验公式对水合物饱和度进行估算，在此类方法中仅利用 了介质的部分电学性质（即电阻特性）来描述多孔介质中水合物饱和度的变化规律。对介 质电学性质的刻画不足是导致水合物饱和度计算误差的重要原因之一，另外阿尔奇经验公 式本身的局限性（如对含油气等流体的多孔介质所提出的众多假设条件是否适用于水合 物的实际情况）也导致误差的产生。电性参数频散特性参数（如复电阻率频散度）不仅同 时包含介质的电阻率和介电常数信息，而且能够刻画两者随测试频率变化而变化的特性， 因此可以更全面、深刻地描述含天然气水合物介质的电学性质，为提高天然气水合物饱和 度计算的准确度提供了更加丰富的信息。
[0029] 通过灵活的编码激励技术对声学传感器进行激励，相对于目前普遍采用的单脉冲 单次激励方式具有抑制噪声能力强、所需信号幅值低、激励信号频率和波形可灵活调整等 优点，接收端声学传感器接收的信号信噪比更高、蕴含的信息更加丰富，从而为后续的数据 分析处理提供更多高质量的信息。
[0030] 测试系统采用虚拟仪器的架构，以计算机为核心、配以软件化和模块化的仪器。模 块化的仪器系统采用标准的数据总线技术（如PXI总线），系统支持灵活的配置，系统的 集成度和可靠性强；开发的图形化测控软件能够按照需求灵活配置硬件设备，对硬件设备 (仪器、板卡等）进行控制并实现高速高精度的数据采集和处理，友好的人机交互界面支持 参数的灵活设定、数据和波形的预处理、实时显示和保存等功能。
[0031] 所发明的测试系统
[0032] 模拟实验测试系统主要用于对含天然气水合物多孔介质体系进行声学参数、电学 参数以及温度和压力的实时测量，该系统主要包括四部分：反应釜、传感器（声学传感器、 电学传感器、温度传感器和压力传感器）、硬件接口设备、软件系统（测控软件和监控计算 机）。测试系统中的硬件接口设备与软件系统采用虚拟仪器的架构，即以计算机为核心、配 以软件化和模块化的仪器。
[0033] (1)反应釜
[0034] 反应釜为天然气水合物的生成和分解提供场所、为传感器的安装提供支撑。所设 计的反应釜采用同轴双圆筒型结构。
[0035] 反应釜可分为五部分：外筒（包括筒底和可拆卸的衬里）、可拆卸内筒、可拆卸顶 盖、可拆卸滤网、其他用于密封和连接等的附件。
[0036] 反应釜的外筒采用耐腐蚀和耐高压的金属材料，可采用不锈钢或者高强度铝合金 (可用于X-CT扫描），外筒的衬里（底部无衬里）采用绝缘材料，如聚四氟乙烯；内筒采用 金属材料（不锈钢或者高强度铝合金）或者采用绝缘材料（如聚四氟乙烯等）。
[0037]内筒为可拆卸部分，外筒底部与顶盖加工有对内筒和外筒的相对位置进行定位的 凹槽