一种冻土带水合物岩心的制作方法与流程

本发明涉及非常规能源领域天然气水合物储层模拟实验技术，特别涉及一种模拟冻土带水合物地层岩心的制备方法。

背景技术：

天然气水合物是由水和天然气(主要为甲烷)在高压低温条件下形成的类似冰的结晶状固体物质，又称“可燃冰”。天然气水合物具有极高的能量密度，己被各国视为未来石油、天然气等常规能源的有效替代的清洁能源，极具商业开采价值。目前国内已经宣布在南海神狐海域首次天然气水合物试采成功，相较深海区域的水合物而言，冻土带水合物的储量虽然相对较小，但其相对开采难度和成本都要低很多，在世界范围内也被认为更具开采可行性。水合物岩样取芯需要保温保压装置，岩芯强度低取芯成本高难度大，因此有必要对岩心仿制进行研究。

目前水合物岩样的研究和专利已经有很多，但是还是存在一些问题需要解决：实现水合物在岩心中能够均匀分布一种方式是通过在岩心上下端部产生高低压差，使得气体在岩心中流动，来提高水合物分布的均匀性，使用该方式对实验设备要求较高，另一种方式采用升温-降温的温度震荡方式，反复的进行，使得水合物分解再合成，从而使得水合物在孔隙中流动实现均匀的分布，该方式缺点是需要反复的操作温度。同时甲烷气体难溶于水，水合物生成耗时较长，一次实验只能生成一个岩样，导致实验周期较长。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，

本技术：
提出一种冻土带水合物岩心的制备和水合物饱和度控制方法，克服了现有技术在操作步骤上的复杂性，水合物生成过程中实验周期长的问题，提出了一种能够加速水合物生成的方法，且在一次实验中，能够生成多个水合物饱和度不同的岩心，大大缩短实验制备周期。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

根据所要模拟的冻土带水合物地层的岩石组成成分以及颗粒大小与含量，选取粒径大小相匹配的石英砂颗粒，选择固井水泥作为冻土带水合物岩心颗粒的胶结物，其含量为岩心总质量的4％～12％。配置饱和岩心的溶液，该溶液中十二烷基硫酸钠的的浓度为300mg/l，四氢呋喃的质量分数为1％。将岩心浸没在溶液中，一并放入真空干燥箱，抽真空处理，真空干燥箱真空度为0.08mpa，处理2小时后，使得溶液能够全饱和岩心。用密封袋密封该岩心后，放入真空干燥箱中干燥处理，根据所要制备的水合物饱和度，计算出岩心中溶液的质量，控制真空干燥箱中温度和岩心干燥的时间得到不同含液量的岩心。干燥后计算岩心中溶液的质量，若与所需值比要高，那么则再次放入真空干燥箱中干燥一定时间后再次取出计算。满足岩心中溶液的质量要求后，将不同含液量的岩心放入高压釜中，通过降低高压釜所处环境温度，来降低高压釜内温度至-20℃～-10℃，让岩心内溶液凝固，至少20分钟后再对高压釜内抽真空处理。抽完真空后，调节冷库使得高压釜内温度至0℃～10℃之间，关闭抽真空阀门，注入高压甲烷气体，水合物反应生成的时间保证在72小时以上。

本发明提供的一种冻土带水合物岩心的制备方法，针对冻土带水合物地层骨架强度，通过固井水泥胶结岩心颗粒，使得岩心的强度能够与实际地层匹配。通过控制岩心在真空干燥箱中的温度和岩心干燥的时间得到不同饱和度的岩心，干燥蒸发的方式能够使溶液能均匀分布在岩心孔隙中，保证生成的水合物均匀分布于岩心中。使用高压釜模拟水合物的生成环境，将处理好的岩心放入高压釜中，一次实验能够同时生成多个不同饱和度的水合物岩心，缩短了实验周期。

附图说明

图1为制备水合物岩心的设备连接图。

图中：1—甲烷气瓶；2—甲烷气瓶阀；3—高压釜进气阀；4—高压釜排气阀；5～7—压力表；8—减压阀；9—气体流量计；10—高压釜；11—安全阀；12—冷库；13—真空泵

具体实施方式

下面结合具体的实例，对本发明的技术方案作详细的说明，能够使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案。

本发明的水合物合成装置由管线依次紧密连接甲烷气瓶1，减压阀8，气体流量计9，高压釜进气阀3，高压釜10，真空泵13，高压釜10放置在冷库12中。根据目前较详细的勘探资料，模拟阿拉斯加北坡的mountelbert地区的水合物地层岩心，从实际地层取出的岩心的孔隙度35.6％、单轴抗压强度4mpa、密度1.86g/cm3，按照该目标制备岩心骨架。采用的制备原料主要是石英砂，伊利石，绿泥石以及固井水泥。石英砂的目数80～120目和120～200目的均占总质量的43.5％，伊利石和绿泥石分别占总质量的7％和6％，加入固井水泥和水的质量分别占原料总质量的9％和10％，将充分混合后的原料装入压制岩心的模具中，再将模具放入岩石伺服试验机上，施加载荷，压制30分钟后，拆掉模具后，取出岩心，用密封袋封装后，放入70℃恒温养护箱中，养护72小时，然后取出后，放入真空干燥箱中真空干燥24小时。实验所制备的岩心测量得到孔隙度35.75％、单轴抗压强度为4.47mpa、密度1.86g/cm3。匹配度良好，可以很好的模拟阿拉斯加北坡冻土区水合物地层骨架。

首先配置饱和岩心的溶液。该溶液中十二烷基硫酸钠浓度为300mg/l，四氢呋喃溶液的质量分数为1％。用烧杯装2000g的70℃的蒸馏水，加入0.6g的十二烷基硫酸钠粉末和20g四氢呋喃溶液，搅拌均匀。将干燥岩心称量质量后，放入到烧杯中，然后把烧杯放入真空干燥箱中，仅抽真空处理，打开真空泵，使得真空干燥箱中真空度为0.08mpa，抽真空饱和2小时后取出岩心。

目标是制作饱和度为40％时的水合物岩心，计算后得到岩心中饱和的溶液的质量应为2.766g。将全饱和溶液后的岩心放入密封袋中密封后，然后放入真空干燥箱中，仅进行干燥处理，保持干燥箱中的温度在50℃。放置15分钟后，取出岩心，并称量其岩心质量，然后用该值减去初始干燥岩心的质量，得到岩心中溶液的质量为3.5g，则再次放入干燥箱中继续干燥，直到岩心中溶液的质量在2.77g左右即可。

高压釜10处于冷库12环境中，调节冷库温度至-10℃，使整个高压釜处于低温环境中，将饱和处理后的岩心放入高压釜中，冷冻20分钟后，开启真空泵13去除高压釜中的杂质气体，抽真空5分钟，然后关闭真空泵。调节冷库温度至2℃。先打开高压釜进气阀3，然后打开甲烷气瓶阀门2，向高压釜内注入甲烷气体，根据所设置的冷库温度，调节减压阀8并观察压力表6，压力表上的数值表示高压釜内的压力，注入压力至少高于2.87mpa，若甲烷气瓶1压力充足，尽量使注入压力高于该温度下的相平衡压力。反应72小时以后，当气体流量计9的读数不再变化，表示甲烷气体停止消耗，水合物基本生成完毕。关闭甲烷气瓶阀门2和高压釜进气阀门3，断开高压釜排气阀门4与真空泵13的连接，打开高压釜排气阀门泄压，排尽高压釜中残余甲烷气体，打开高压釜盖，取出岩心。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种冻土带水合物岩心的制备方法。首先根据实际冻土带水合物地层岩样的矿物组分与含量，选取合适的原料，确定基砂的粒径大小和配比，采用固井水泥胶结岩心颗粒，制作骨架岩心。选取适量的水合物生成促进剂加入纯水中配置溶液，并使用配置后的溶液，利用抽真空的方式饱和岩心。根据所要制备岩心中的水合物饱和度，计算出岩心中所需溶液的质量，通过控制岩心在真空干燥箱中温度和干燥的时间来控制岩心中溶液的质量。将不同含液量的岩心放入高压釜中，通过降低高压釜内温度，增大通入高压釜内甲烷气体的压力，模拟冻土带水合物生成环境制备水合物岩心。通过使用本发明所述的制备方法，能够有效的控制岩心中水合物的饱和度，同时一次实验能够生成多种不同饱和度的水合物岩心，极大的缩短了实验周期。

技术研发人员：张卫东;李煜佳;曹钦亚;赵寿强;李天宇
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2017.06.07
技术公布日：2017.10.10