多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置及用途的制作方法

本发明属于海洋天然气水合物开采技术领域，涉及一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置及用途。

背景技术：

天然气水合物是由水和甲烷等烃类气体在高压低温条件下形成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，具有高密度、高热值、分布广、储量大等特点。天然气水合物广泛分布于大陆岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架海洋和深水环境。全世界天然气水合物总储量大约为当前已探明的所有化石燃料含碳量总和的两倍，我国南海海域天然气水合物储量为649700亿立方米。因此，天然气水合物有望成为继页岩气、致密气、煤层气、油砂等之后的储量最为巨大的接替能源。

世界上许多国家都正在加大力度开展天然气水合物开采研究，目前较为成熟的开采方法包括降压开采法、热激发开采法、化学试剂注入开采法、二氧化碳置换开采法及海底开采挖掘法。这些方法各有其优点与缺点。降压法是通过降低天然气水合物储层压力促使其分解的一种方法。降压法不需要连续激发，适合大面积开采且成本低，是天然气水合物开采中最具有前景的方法。相比于降压法，注热开采、注化学药剂开采与海底采掘开采的方法成本较高。

目前天然气水合物开采方法研究的主要技术手段包括室内物理模拟和数值分析，而天然气水合物开采模拟实验装置是一套集天然气水合物生成、分解、参数测量等多功能于一体的高度集成系统，其形状及尺度的设计在很大程度上决定了实验系统的规模、投资、性能及实验结果的有效性。国内外相关研究机构依据自身需求分别搭建了不同形状、尺寸、技术指标和主要功能的模拟开采装置，如下表1所示：

表1国内外天然气水合物开采模拟实验反应釜对比

然而，这些装置普遍尺寸较小，实验周期长，设备成本高，探测手段少，功能单一，操作安全性低且不能模拟真实工况下天然气水合物开采过程，尤其是无法获取空间效应，如降压开采的波及区域、多井生产时的井间空间并联性等，也无法考察成藏/开采过程中的气液运移规律。

技术实现要素：

基于现有技术中天然气水合物模拟开采装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置及用途。该装置通过多釜互联贯通的方式，可增大天然气水合物模拟成藏/开采装置的尺度，降低成本和操作难度，提高操作灵活性；采用该方法能够从更大维度上模拟研究海底天然气水合物的成藏/开采规律，能够有效监测成藏/开采过程中的气液运移情况及水合物的生成/分解状态。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一方面，本发明提供一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置，该多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置包括多个能够独立模拟天然气水合物成藏/开采的高压反应釜；

所述高压反应釜相互之间的釜壁底部通过联通管路互联贯通。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，各高压反应釜的内联和外延具有无限性，即各釜之间的互联方式是可以变化多样的，相互之间可以任意组合，通过联通管路互联贯通尺度可以达到从数米到数十米，高压反应釜的个数也是无限定的，可以根据需要及资金条件随时增加高压反应釜、扩大系统的尺度和贯通性。釜体间联通管的长度和内径均可根据实验要求进行调整，以此可以考察降压开采过程中的径向最大波及区域和速率。

该装置可以模拟近乎真实工况下天然气水合物的开采过程；实现在不同维度、尺度下研究天然气水合物开采过程的产气/水规律；既可以获取开采过程所需的空间效应，达到与其尺度相当的单一高压釜内的实验效果，又可以降低造价、提高实验的方便性和安全性。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述高压反应釜的釜壁底部开设有上下两组螺孔，每组螺孔包括多个螺孔，两组螺孔分别为大孔径螺孔组和小孔径螺孔组；两组螺孔中大小孔径的螺孔可根据高压反应釜的联通方式任意选用，未选用的螺孔用管堵封闭；螺孔的数量和位置可根据实际操作设定。两组螺孔设置于反应釜釜壁底部的四周，上下排列。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，选用进行联通的螺孔与联通管路之间通过法兰连接，通过调节所述法兰改变所述联通管路的长度和内径。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述联通管路的内径为50-200mm；更加优选地，所述联通管路的内径为80-120mm，但不限于此。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述联通管路上设置有用于监测温度和压力的温度传感器探头和压力传感器探头。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述小孔径螺孔组的螺孔的孔径为50-100mm，但不限于此；所述大孔径螺孔组的螺孔的孔径为100-200mm，但不限于此。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述高压反应釜为圆柱形三维釜式反应器。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述高压反应釜装配有完善的进气系统、排气系统、温度监测系统、压力监测系统、数据采集系统、进液系统和排液系统。各高压反应釜分别放置于独立的操作平台上，各高压反应釜间具有很高的独立性，可以独立开展模拟研究。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，该装置可以研究成藏模拟实验过程中，流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律，在进行水合物开采模拟时，根据不同开采模式的需求，优选地，所述高压反应釜由其釜顶穿于釜中布设有一个井；所述井包括生产井、注入井或观测井。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，预先在各反应釜及联通管管道中装填含水沉积物，然后通过给/排气、水等流体进行水合物成藏过程模拟和水合物开采过程模拟。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，该多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置在进行模拟开采时，其放置于装有制冷设备的封闭厂房内，控温范围为-15℃至50℃。由于厂房封闭空间大，外界扰动对温度的波动影响小，温度可以相应的准确控制。同时，为了达到更好的制冷效果，减小外界温度扰动的影响，可以加装夹套。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述高压反应釜的数量为5个，包括1个中央反应釜和4个副反应釜；所述中央反应釜分别与所述副反应釜互联；所述副反应釜依次相串联。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，在降压开采模拟实验过程中，所述中央反应釜由其釜顶穿于釜中布设有一个生产井，所述生产井连通采出井管道用于对釜中水合物进行单井降压开采；所述副反应釜由其釜顶穿于釜中均布设有一个观测井，用于研究开采过程中压力场变化、流体流动和沉积物迁移规律。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，在注热、注气强化开采模拟实验过程中，所述中央反应釜由其釜顶穿于釜中布设有一个注入井；所述副反应釜由其釜顶穿于釜中布设有一个观测井或生产井，用于研究注入流体的流动规律及对水合物分解/再生成过程的影响规律，评价开采效率。

上述的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置中，优选地，所述高压反应釜体积为200l-250l，但不限于此体积，各高压反应釜的尺寸规格可不相同。每个反应釜均配备有完善的进气排气系统、监测系统、数据采集系统、进液排液系统等。每个反应釜均可独立进行天然气水合物的生成、开采以及监测操作，且分别放置于独立的操作平台上。

本发明的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置采用多个高压釜通过管道互联贯通，组成尺度从数米到数十米、可无限内联和外延的大尺度实验模拟装置，可模拟近乎真实工况下天然气水合物成藏/开采过程。由于天然气水合物成藏/开采实验模拟需要在高压(10-30mpa)下进行，大尺度高压釜的造价十分昂贵，且实验周期长、操作安全性低。而在小尺度的高压釜上进行开采模拟，无法获取空间效应，如降压开采的波及区域、多井生产时的井间空间关联性等。本发明的多釜互联贯通，则可获取所需的空间效应，达到与其尺度相当的单一高压釜内的实验效果，且造价大大降低、实验的方便性和安全性大大提高。实际上，在目前的技术条件下，建造直径10米以上的20-30mpa高压釜是不可能的，本发明装置的优势还体现在其内联和外延的无限性，即各釜之间的互连方式是可以变化多样的，高压釜的个数也是无限定的，可以根据需要及资金条件随时增加高压釜、扩大系统的尺度和贯通性。

本发明的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置可设置传统的探测手段外，如温度、压力、声波和电阻率，还可将电子计算机断层扫描技术(ct)以及磁共振成像技术(mri)应用其中，以此可以有效监测成藏/开采过程中的气液运移情况及水合物的生成/分解状态。

另一方面，本发明还提供上述多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置在成藏模拟实验中的应用。

再一方面，本发明还提供上述多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置在降压开采模拟实验中的应用。

再一方面，本发明还提供上述多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置在注热、注气强化开采模拟实验中的应用。

本发明的多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置可以用于模拟水合物成藏过程中流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律，不同开采模式下压力场的变化、流体流动和沉积物迁移规律以及空间效应，从更大维度上模拟研究海底天然气水合物的成藏/开采规律；此外，通过多釜互联贯通的方式，可增大天然气水合物模拟成藏/开采装置的尺度，降低成本和操作难度，提高操作灵活性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中提供的一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置示意图；

附图符号说明：

1中央反应釜，2第一副反应釜，3第二副反应釜，4第三副反应釜，5第四副反应釜，6联通管路，7法兰，8管堵，9中央反应釜布设井，10第一副反应釜布设井，11第二副反应釜布设井，12第三副反应釜布设井，13第四副反应釜布设井，14采出井管道。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实施例提供一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置，该多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置包括多个能够独立模拟天然气水合物成藏/开采的高压反应釜；所述高压反应釜相互之间的釜壁底部通过联通管路互联贯通。

各高压反应釜的内联和外延具有无限性，即各釜之间的互联方式是可以变化多样的，相互之间可以任意组合，通过联通管路互联贯通尺度可以达到从数米到数十米，高压反应釜的个数也是无限定的，可以根据需要及资金条件随时增加高压反应釜、扩大系统的尺度和贯通性。釜体间联通管的长度和内径均可根据实验要求进行调整，以此可以考察降压开采过程中的径向最大波及区域和速率。

该装置可以模拟近乎真实工况下天然气水合物的开采过程；实现在不同维度、尺度下研究天然气水合物开采过程的产气/水规律；既可以获取开采过程所需的空间效应，达到与其尺度相当的单一高压釜内的实验效果，又可以降低造价、提高实验的方便性和安全性。

在一种优选的实施方式中，高压反应釜的釜壁底部开设有上下两组螺孔，每组螺孔包括多个螺孔，两组螺孔分别为大孔径螺孔组和小孔径螺孔组；两组螺孔中大小孔径的螺孔可根据高压反应釜的联通方式任意选用，未选用的螺孔用管堵封闭。选用进行联通的螺孔与联通管路之间通过法兰连接，通过调节所述法兰改变所述联通管路的长度和内径。

在一种优选的实施方式中，所述联通管路的内径为50-200mm；更加优选地，所述联通管路的内径为80-120mm，但不限于此。所述联通管路上设置有用于监测温度和压力的温度传感器探头和压力传感器探头。所述大孔径螺孔组的螺孔的孔径为50-100mm；所述小孔径螺孔组的螺孔的孔径为100-200mm，但不限于此。

在一种优选的实施方式中，高压反应釜为圆柱形三维釜式反应器。高压反应釜装配有完善的进气系统、排气系统、温度监测系统、压力监测系统、数据采集系统、进液系统和排液系统。各高压反应釜分别放置于独立的操作平台上，各高压反应釜间具有很高的独立性，可以独立开展模拟研究。该装置可以研究成藏模拟实验过程中，流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律，在进行水合物开采模拟时，根据不同开采模式的需求，优选地，所述高压反应釜由其釜顶穿于釜中布设有一个井；所述井包括生产井、注入井或观测井。进行水合物成藏过程模拟和水合物开采过程模拟时，将该模拟装置放置于装有制冷设备的封闭厂房内，控温范围为-15℃至50℃。由于厂房封闭空间大，外界扰动对温度的波动影响小，温度可以相应的准确控制；同时，为了达到更好的制冷效果，减小外界温度扰动的影响，可以加装夹套；模拟开采时，预先在各反应釜及联通管管道中装填含水沉积物，然后通过给/排气、水等流体进行水合物成藏过程模拟和水合物开采过程模拟。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，一种多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置，包括所述高压反应釜的数量为5个，包括1个中央反应釜和4个副反应釜；各高压反应釜的内联和外延具有无限性，即各高压反应釜之间的互联方式是可以变化多样的，高压反应釜的个数也是无限定的，可以根据需要及资金条件随时增加高压反应釜、扩大系统的尺度和贯通性。

在一种优选的实施方式中，中央反应釜1分别与第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5互联；第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5依次相串联。中央反应釜1、第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5的釜壁底部开设有上下两组螺孔，每组螺孔包括多个螺孔，例如：图1中中央反应釜1包括4个小螺孔和4个大螺孔；4个副反应釜包括3个大螺孔和1个小螺孔；其中，大螺孔的孔径为100-200mm，小螺孔的孔径为50-100mm(具体根据实际情况进行设定)。

中央反应釜1的3个大螺孔通过法兰7和联通管路6与第一副反应釜2、第二副反应釜3、和第四副反应釜5的1个大螺孔互联贯通，通过调节法兰7改变联通管路6的长度和内径，联通管路的内径为80-120mm(具体根据实际情况进行设定)；中央反应釜1的另外1个大螺孔设置为管堵封闭。中央反应釜1的1个小螺孔通过法兰7和联通管路6与第二副反应釜3的1个小螺孔互联贯通，通过调节法兰7改变联通管路6的长度和内径，联通管路的内径为80-120mm(具体根据实际情况进行设定)；中央反应釜1的另外3个小螺孔设置为管堵封闭。第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5的2个大螺孔通过法兰7和联通管路6依次互联贯通，通过调节法兰7改变联通管路6的长度和内径，联通管路的内径为80-120mm(具体根据实际情况进行设定)；第一副反应釜2、第三副反应釜4和第四副反应釜5的1个小螺孔设置为管堵封闭；第二副反应釜的剩余的1个大螺孔设置为管堵封闭。

在一种优选的实施方式中，在进行降压开采模拟实验过程中，中央反应釜1由其釜顶穿于釜中布设有一个中央反应釜布设井9(该井设置为生产井)，生产井连通采出井管道14用于对釜中水合物进行单井降压开采；第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5由其釜顶穿于釜中分别布设有一个第一副反应釜布设井10、第二副反应釜布设井11、第三副反应釜布设井12和第四副反应釜布设井13，均设置为观测井，用于研究开采过程中压力场变化、流体流动和沉积物迁移规律。

中央反应釜1体积为200l，但不限于此体积，周围反应釜的尺寸规格可不相同。每个反应釜均配备有完善的进气排气系统、监测系统、数据采集系统、进液排液系统等。每个反应釜均可独立进行天然气水合物的生成、开采以及监测操作，且分别放置于独立的操作平台上。

在一种优选的实施方式中，在注热、注气强化开采模拟实验过程中，中央反应釜1由其釜顶穿于釜中布设有一个中央反应釜布设井9(该井设置为注入井)；第一副反应釜2、第二副反应釜3、第三副反应釜4和第四副反应釜5由其釜顶穿于釜中分别布设有一个第一副反应釜布设井10、第二副反应釜布设井11、第三副反应釜布设井12和第四副反应釜布设井13，根据实际操作可设置为观测井或生产井，用于研究注入流体的流动规律及对水合物分解/再生成过程的影响规律，评价开采效率。

中央反应釜1体积为200l，但不限于此体积，周围反应釜的尺寸规格可不相同。每个反应釜均配备有完善的进气排气系统、监测系统、数据采集系统、进液排液系统等。每个反应釜均可独立进行天然气水合物的生成、开采以及监测操作，且分别放置于独立的操作平台上。

多釜互联式天然气水合物成藏/开采仿真模拟装置进行模拟操作具体步骤为：

(1)预先将温度设定到某指定温度，然后将含水沉积物(其含水率必须是已知)装填到各反应釜和联通管路6中，并进行适当的压实处理，闭合反应釜；

(2)打开高压储气瓶，将高压天然气通过进气系统从反应釜底部缓慢引入到反应釜和联通管线中，使系统内逐渐生成水合物。在水合物生成过程中，监控和记录反应系统内的温度、压力、声波、电阻等参数，以此考察成藏过程中流体流动、水合物形成聚积及空间分布规律。

(3)待系统内各参数保持基本稳定后，说明系统内水合物生成完毕，关闭进气系统。

(4)进行单井降压开采：在中央反应釜1设生产井，其余副反应釜设观测井，通过采出井管道14对反应体系内的水合物进行单井降压开采。监测采出气的采出速率，并通过气体回收瓶进行回收和计量。开采过程中，通过监测系统和数据采集系统对各釜内的水合物藏参数进行监测和记录，以此来确定不同反应釜中水合物的分解情况和水合物藏径向的受影响情况。

(5)待产出气基本无采出时，说明采出基本完毕。对比各反应釜以及联通管路6不同位置参数的变化情况，可以得出开采过程径向的波及范围、水合物分解和气液运移情况。

(6)升温，待釜体及联通管内水合物基本分解完毕后，通过排气系统将釜内剩余气体全部排出，然后通过排液系统将釜内海水排出。打开反应釜，将沉积物清出，并清洗反应釜及联通管。

(7)通过调节法兰7，更换法兰间联通管路的长度或内径，重复上述步骤(1)到(6)，以考察降压开采的径向波及范围。

(8)模拟开采方法包括：从中央反应釜进行单井降压开采；从中央反应釜1注气、注热，从其他副反应釜联合开采等。根据不同开采模式需求，可以在每个釜中布设一个井(或生产井、或注入井、或观测井)。如在注热、注气强化开采实验模拟中，可在处在中央的反应釜设注入井，其周围的反应釜设生产井或观测井，研究注入流体的流动规律及对水合物分解/再生成过程的影响规律，评价开采效率。

综上所述，常规天然气水合物模拟开采装置普遍尺寸小、功能单一、设备成本高和操作灵活性差，已不能满足模拟更大尺度下真实海底沉积物中天然气水合物的成藏/分解过程，也无法有效地考察开采过程中孔隙流体(气、水)的运移规律以及空间效应。本套模拟装置将多个反应釜之间通过联通管互联贯通，有效地扩大了模拟装置的尺度。基于本模拟装置，可以研究不同成藏范围、不同开采模式、不同井间距下天然气水合物开采的空间效应以及产气、产水规律。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。