基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及天然气水合物开采模拟，特别是基于ct扫描的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、随着天然气水合物开发技术的进步和试采的成功，水合物开发逐步进入商业化开采探索阶段。世界各国大力发展水合物开发技术以实现增产需求，中国也将实现天然气水合物商业化开发作为能源战略的目标。在水合物商业化开采阶段，如何大幅提高单井产量是研究的重点。因而，发展增产技术达到商业化试采的目标产能，成为目前天然气水合物开发研究的重点。

2、目前，天然气水合物开采方式主要有降压法、注热法、气体置换法、化学剂法以及固态流化法等。天然气水合物试采一般是通过上述一种或几种组合进行，实现了水合物的试采目标，并且证明了海域天然气水合物的技术可采性。但是，上述传统方法试采产量与商业化开采需求产量还存在很大的差距。为了解决上述问题，国内外研究人员提出了以水力压裂、水力割缝等为代表的储层改造技术，以期能够实现大幅增产的需求。其中，水力压裂技术能够在储层中行程大量裂缝，提高储层泄流面积，改善储层流动条件，从而促进水合物分解过程，增加产能。该技术已经在传统油气藏中广泛使用，并取得了良好的效果。但是，由于天然气水合物储层胶结差、强度低，压裂过程中裂缝扩展过程及裂缝形态与传统油气藏存在明显差异，造成水合物储层水力压裂的实施缺少相应的理论和实验基础，特别是在裂缝扩展规律和裂缝形态特征对产量的影响方面。因而，深入研究水合物储层裂缝扩展规律及裂缝形态特征，成为目前水力压裂增产中亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种基于ct的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法，通过膨胀法模拟水合物沉积物裂缝扩展过程，并通过ct扫描装置进行实时观测，能够分析水合物沉积物裂缝扩展规律和不同工况下的裂缝形态特征，从而实现对水合物沉积物可压性评价，能够为天然气水合物藏水力压裂改造及增产目标的实现提供理论和实验参考。

2、本发明的技术方案是：一种基于ct的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其中，包括高压反应系统、压裂液注入系统、固定旋转系统、供气系统、围压控制系统、ct扫描系统和数据收集处理系统，固定旋转系统位于高压反应系统的下方，压裂液注入系统、供气系统、围压控制系统分别与高压反应系统连接，ct扫描系统位于高压反应系统的外侧；

3、所述高压反应系统包括高压釜体，高压釜体的圆柱形腔体的中部设有环形的橡胶套，高压釜体的内侧面和橡胶套的外侧面之间形成围压液腔，橡胶套内设有水合物沉积物，高压釜体的顶部密封固定有上堵头，高压釜体的底部密封设置有下堵头，橡胶套与上堵头、下堵头之间均为密封连接；

4、所述压裂液注入系统包括导管、高压膜、接头和注入泵，导管和高压膜位于水合物沉积物的中部，导管沿高压釜体的轴向设置，导管的外壁上间隔设置数个通孔，导管设置在高压膜内，导管和高压膜之间形成压裂液腔，导管和高压膜的上、下端分别通过接头和固定块与高压釜体固定连接，上、下两端的接头和固定块内分别设有压裂液通道，注入泵通过上端的接头和固定块内的压裂液通道与导管内部的腔体连通。

5、本发明中，所述高压釜体的上部设有围压液进口，高压釜体的下部设有围压液出口，上堵头的上方设有压块，上堵头内设有压裂液流动通道和注气通道，压裂液注入系统通过压裂液流动通道与水合物沉积物连通，供气系统通过注气通道与水合物沉积物连通；

6、所述下堵头与固定旋转系统连接，下堵头的顶部设有温度探针，温度探针插入水合物沉积物内。

7、所述固定旋转系统包括承压块、轴压加载机构、固定支撑架和转盘，承压块位于高压釜体的下方，承压块的顶部与其上方的下堵头固定连接，承压块的下方与轴压加载机构连接，轴压加载机构设置在固定支撑架上，固定支撑架的底部设有转盘。

8、所述供气系统包括气瓶，气瓶与上堵头的注气通道之间通过连接管路连接，该连接管路上设有二号阀门、一号流量计和二号压力传感器。

9、所述围压控制系统包括制冷循环机构和增压泵，制冷循环机构的出液口与增压泵的进液口连接，增压泵的出液口通过连接管路与高压釜体上的围压液进口连通，增压泵与围压液进口之间的连接管路上依次设有三号阀门、二号流量计和三号压力传感器；

10、制冷循环机构通过连接管路与高压釜体的围压液出口连通，制冷循环机构与围压液出口的连接管路上设有四号阀门。

11、所述ct扫描系统包括接收器和x射线发生器，接收器和x射线发生器对称设置在高压釜体的外侧。

12、所述数据收集处理系统包括数据处理器和计算机，数据处理器分别通过数据线与各流量计、压力传感器和温度探针连接，数据处理与计算机连接。

13、本发明还包括一种利用上述水合物沉积物裂缝扩展过程模拟实验装置进行实验的方法，其中，包括以下步骤：

14、s1.实验装置的连接；

15、s2.合成水合物；

16、s3.模拟裂缝扩展过程：

17、启动注入泵，使压裂液沿着导管进入压裂液腔内，使高压膜膨胀变形，压裂液通过高压膜挤压水合物沉积物，从而使水合物沉积物内产生裂缝；持续注入压裂液，高压膜不断膨胀挤压水合物沉积物，使水合物沉积物内部裂缝不断扩展发育；

18、注入过程中通过调整制冷循环机构和轴压加载机构，使水合物沉积物的应力状态保持不变；

19、s4.观测裂缝特征：

20、裂缝扩展过程中，通过控制注入泵保持压裂液注入压力不变，启动x射线发射器和接收器，启动转盘转动，通过x射线发射器和接收器对水合物沉积物进行ct扫描，观测水合物沉积物内部结构的变化情况；

21、s5.裂缝形态的重构和分析、以及对水合物储层可压性的评价。

22、上述步骤s2中，向橡胶套内填入与水充分混合的沉积物，将导管和高压膜通过接头和固定块安装在水合物沉积物内部的中部位置，密封好整个实验装置，然后通过供气系统向沉积物内注入甲烷气体，然后通过制冷循环机构和轴向加载机构施加固定的轴压和围压，然后调整制冷循环装置机构，使高压釜体降温，在高压釜体内合成水合物。

23、本发明的有益效果是：

24、(1)本发明可以模拟不同应力状态下天然气水合物沉积物裂缝扩展过程：通过围压控制系统对高压釜体施加水平方向的加载力，通过固定旋转系统对高压釜体施加竖直方向的加载力，实现了对整个装置的三轴模拟应力状态，基于膨胀法通过注入压裂液使沉积物中间部分发生裂缝起裂、扩展并逐渐发育，从而实现不同应力状态下水合物沉积物裂缝扩展过程模拟；

25、(2)扩展裂缝的实时观测及裂缝形态分析：通过x-ct扫描系统，可对不同时刻的裂缝发育状态进行实时观测，进一步通过重构和建模，可准确分析沉积物中裂缝的形态、位置，评价不同应力状态和扩展过程中裂缝特征和发育程度；

26、(3)水合物沉积物可压性分析：通过对比不同工况下水合物沉积物的裂缝发育程度，可以分析水合物饱和对对裂缝特征和发育程度的影响，探究不同应力状态下水合物沉积物的可压性。