[发明专利]一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置

权利要求书

1.一种模拟水合物开采过程中储层参数多维监测装置，其特征在于：包括反应釜、监测系统、供气系统、控温系统和数据采集系统；

反应釜的表面均匀分布有26根毛细管路，其与反应釜的腔体内部相通；反应釜的顶端设置有直通管，其上部伸出反应釜外一段长度，连接有第一压力表；其内部中空，用于流经气体或液体；其底端深入反应釜的内部至腔体中心处；直通管连接有平流泵，平流泵连接有液体容器；

监测系统，包括27套热—TDR探针、27套温度传感器、27套压力传感器和27套电阻率测量单元；其中，在反应釜的腔体中心处安装1套热—TDR探针、1套温度传感器、1套压力传感器和1套电阻率测量单元；其余26套热—TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元分别安装在26根毛细管路的末端中心轴线处；即总共有27个监测点，对每一根毛细管路按照自上而下，由左向右进行编号，编号为Mi，其中i＝1,2,...,26，反应釜中心检测点标号为C；

供气系统，被配置为用于为水合物形成提供稳定的可计量的气源，包括甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表和单向阀，甲烷气瓶、稳压阀、第二压力表、单向阀通过管路依次连接，单向阀通过管路分别连接至第一压力表和平流泵；

控温系统，包括步入式自动控温箱，反应釜通过反应釜支架置于步入式自动控温箱中；第一压力表、热—TDR探针、直通管、毛细管路、电阻率测量单元和毛细管路都置于步入式自动控温箱中；

数据采集系统，包括计算机和CR100电子采集仪；计算机，是数据采输的终端，装有CR100电子采集仪控制软件，被配置为用于对CR100电子采集仪的控制和实验数据进行存储和处理；CR100电子采集仪，被配置为用于实时采集数据并将数据传输到计算机；CR100电子采集仪通过线路连接有脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪，脉冲发射系统和TDR—100时域反射仪分别通过线路与热-TDR探针连接；

反应釜为圆球状，采用304不锈钢研制而成，内径25cm，耐压20MPa；

反应釜和毛细管路均填充有沉积物颗粒；

每一条毛细管路均是任意弧度弯曲而成；

步入式自动控温箱的工作温度范围为233.15～333.15K，恒温波动度为±0.1K，数字显示设置温度和实际温度，分辨率均为0.1K；

反应釜的具体设计为：

设球状反应釜的半径为R，以球心O为原点建立空间坐标系，这样首先就有xoy平面，xoz平面，yoz平面，在三个二维平面中，每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路，现球状反应釜被xoz平面和yoz平面平均分成四瓣，再引入平面a和平面b，将球状反应釜均匀分割为8瓣，在平面a、b每间隔45°角为一点，并从该点引出一条毛细管路，平面a、b与xoz平面，yoz平面空间夹角为45°；所有点确定以后，表现在球面为26个点，即引出26根毛细管路14；

监测手段的具体实施方案：

在毛细管路的两端，分别布置正、负电极，利用外加电源和毫伏表装置，形成一个电阻率测量单元，该电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，使用计算机监测被测点的电阻率的变化；毛细管路共有26根，在每根毛细管路均布置一个电阻率测量单元，即共有26个；为和毛细管路的水合物状态形成对比，须在反应釜的中心处再布置一个电阻率测量单元，用来监测反应釜中心处的水合物电阻率的变化；

每个监测点均安装了热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元，监测点均匀分布于反应釜的表面周围，总共27个监测点，形成了一个空间多维的监测点分布，用于监测水合物生成、分解过程中的参数变化，并且能够将反应釜中心的水合物参数与周围各个方位上的水合物参数进行相比较，分析周围各个方位上的水合物的热导率、沉积物孔隙含水量、温度、压力和电阻率的变化规律；

该装置能够监测水合物分解时三维空间储层参数变化，即利用实验装置对水合物开采过程的随机特性进行模拟研究，以得到开采点及周围区域的热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含水合物饱和度变化情况；通过统计分析和空间相关性分析之后得到反映全研究区的包括热导率、温度、压力、电阻率、孔隙度、含天然气水合物饱和度在内的三维的参数分布情况，为天然气水合物资源勘探和开采提供必要的参数和依据；

水合物的生成方法包括如下步骤：

(1)打开计算机采集系统，准备开始记录反映时间、温度、压力参数；

(2)先将反应釜内腔用蒸馏水清理2-3次，然后将沉积物样品装满反应釜并加入沉积物孔隙水至饱和状态，使用移液器抽走多余液体后将热-TDR探针插入沉积物中，并使探针位于反应釜的中心位置；

(3)对反应釜进行密封，向反应釜充入少量实验气体，然后通过排气阀进行放空操作，重复上述操作2-3次，目的是排出反应釜内的空气，消除空气对水合物反应过程的影响；

(4)向反应釜内充入纯度为99.99％的高压甲烷气体至实验设定压力7.8MPa，将步入式自动控温箱温度设定至2℃，等待温度稳定，并静置3个小时，确保气体在液相中达到溶解平衡，然后开始水合物合成；当温度和压力长时间不发生变化时，说明反应过程完成；

(5)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物孔隙含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物诱导期、生成速率、饱和度以及水合物的各向生长分布情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

水合物开始合成时，压力下降，温度由于水合物生成放热而有小幅度的升高，并随着反应的进行温度逐渐下降，当反应结束时，温度和压力不再发生变化，即当温度和压力长时间不发生变化时，则说明反应过程完成；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；水合物合成过程将部分孔隙水由液态转化为固态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈下降趋势；水合物生长并非匀速进行，在反应开始后的第1个小时水合物增长速度较慢，饱和度增加至d₁，在第2个小时表现出快速大量生成的特征，饱和度增加至d₂，而在最后两个小时则是缓慢生长阶段，水合物饱和度增加至d₃，并最终稳定在d₃，d₁＜d₂＜d₃；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

水合物的分解方法：

气体水合物分解动力学的研究方法主要有两种：注热法和降压法，其中注热法又分为注热水法和注高浓度热盐水法两种；

降压法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为P₀，此时打开反应釜的放气阀开始放气，使气压缓慢降低1MPa，此时压力降为P₁，P₁＝P₀-1，然后维持P₁不变，当温度、沉积物孔隙含水量参数保持不变时，则说明分解过程结束；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物不断地分解，沉积物孔隙水由固态转化为液态，即沉积物孔隙含水量在水合物生成过程中总体呈上升趋势，即分解过程中水合物的饱和度不断下降，直至水合物完全分解；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲；热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

注热水法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为p₀，将准备好的温度为20℃的蒸馏水放置于液体容器中，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管注入到反应釜的中心位置，待温度压力参数稳定之后，即代表分解过程结；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况；所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

随着热水的注入，各测点温度依次升高；靠近注入端的测点处温度较高，且温度上升较快；同一时刻，由注入端至出口端温度逐渐降低，基本成指数规律衰减；随着热水的注入，温度增加幅度越来越小，这说明注入的热量的利用率越来越低；

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26；在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快；

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解；

热-TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

27套电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，使用计算机监测被测点的电阻率的变化；

(3)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，改变蒸馏水的温度，然后重复上述实验过程；

注热盐水法包括如下步骤：

(1)水合物合成阶段结束后，反应釜内压力稳定为p₀，将准备好的质量浓度为4％的温度为20℃盐水放置于液体容器中，设置流量速度为12ml/min，使蒸馏水通过直通管注入到反应釜的中心位置；待温度压力参数稳定之后，即代表分解过程结束；

(2)通过热-TDR探针、温度传感器、压力传感器和电阻率测量单元监测水合物反应过程中热导率、沉积物含水量以及温度、压力和电阻率的变化，从而确定水合物分解速率、饱和度以及水合物的各向分解情况，所有的数据信号通过CR100电子采集仪，实时采集并传输到计算机；

共27个压力监测点，中心处压力为P_c，毛细管路的压力为P_i,i＝1,2,3,...,26；在水合物分解过程中，观察哪一处监测点的压力发生变化，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最快，热量传递速度也最快；

计算P_i,i＝1,2,3,...,26与P_c之间的压差，即ΔP_i＝P_i-P_c，通过比较压差的大小，得出水合物分解过程中沿各个方位的分解速率，即ΔP_i越大，则说明水合物在分解过程中，沿该点方向水合物分解速度最慢，热量传递速度也最慢；

热-TDR探针引导传输过来的电磁波在反应釜含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换系统获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定反应釜内沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化；由于水合物分解产生大量的CH₄气体，使得含气饱和度迅速增大而含水饱和度相对降低，直至水合物完全分解；

热－TDR探针向沉积物发送热脉冲，热脉冲通过电压为12V的开关电源向热阻丝通电实现，单个热脉冲持续时间10s，发送间隔3600s，测量时间与温度变化通过CR100电子采集仪获得，然后根据瞬态热传导方程，计算出热导率；

27套电阻率测量单元与CR100电子采集仪连接，再连接到计算机，从而使用计算机1监测被测点的电阻率的变化；

(3)在保证制备相同样品的前提下，保持注入时间和注水速度不变，保持盐水的质量浓度而改变盐水温度，或保持盐水的温度改变盐水的质量浓度，然后重复上述实验过程。