[发明专利]一种可视大尺度的伸缩井热流固耦合天然气水合物开采实验模拟装置及方法

权利要求书

1.一种可视大尺度的伸缩井热流固耦合天然气水合物开采实验模拟装置，其特征在于，该可视大尺度的伸缩井热流固耦合天然气水合物开采实验模拟装置包括五个部分：大尺度水合物反应系统、流动注入系统、三井热流固耦合开采收集系统、微可视系统和数据检测采集系统；

所述的大尺度水合物反应系统 包括反应釜(4)、二级防砂装置(9)和第二恒温水浴(16-2)；反应釜(4)周围包有水套，并与所述第二恒温水浴(16-2)的水套连通，通过循环流动来控制反应釜(4)内温度达到恒定，为生成天然气水合物提供稳定的低温环境，模拟海底多孔介质孔隙天然气水合物储层；所述的二级防砂装置(9)共两个，分别装于注入井(5-1)和采出井(5-2)的井口处，防止水合物生成与分解过程中砂土泄露，模拟实际开采过程中的除砂装置，并保证实验安全性与可持续性；

所述的流动注入系统包括气源(1)、水源(17)、高精度气泵(2-1)、高精度水泵(2-2)、第一单向阀(18-1)、第二单向阀(18-2)、第三单向阀(18-3)、第四单向阀(18-4)和第一恒温水浴(16-1)；所述的第一单向阀(18-1)控制气源(1)的开关，将气体注入所述高精度气泵(2-1)中，再通过第二单向阀(18-2)控制注入注入井(5-1)中，用于反应釜(4)中水合物的生成；所述水源(17)中的水由第四单向阀(18-4)控制注入所述高精度水泵(2-2)中，再通过第三单向阀(18-3)控制将去离子水注入注入井(5-1)中，用于反应釜(4)中水合物的生成或流动侵蚀分解；所述第一恒温水浴(16-1)为高精度气泵(2-1)和高精度水泵(2-2)提供所需的恒定温度条件；

所述的三井热流固耦合开采收集系统包括背压调节阀(12)、储液罐(13)、储气罐(15)、第二恒温水浴(16-2)、注入井(5-1)、采出井(5-2)、注热井(5-3)、循环水泵(19)、第五单向阀(18-5)、第六单向阀(18-6)、第七单向阀(18-7)、电源(11)和高精度电子秤(14)；所述注入井(5-1)、采出井(5-2)和注热井(5-3)均位于反应釜(4)中；所述注入井(5-1)可伸缩，可模拟不同模式水流侵蚀辅助水合物开采过程；所述采出井(5-2)可伸缩，用于研究升降开采特性；所述注热井(5-3)用于水合物层注热；所述的储气罐(15)周围包有水套，此水套与反应釜(4)和第二恒温水浴(16-2)的水套均相联通，通过所述循环水泵(19)实现水套中水的循环流动，维持储气罐(15)的温度恒定；所述电源(11)与所述注热井(5-3)内的电阻连接，产生热量，用于水合物的分解；所述背压调节阀(12)用于控制分解时的背压，并分离分解产生的水和气；水合物分解所产生的气、水通过所述第五单向阀(18-5)流入背压调节阀(12)中，背压调节阀(12)将气、水分离后，分解产生的水流入所述储液罐(13)中，分解完成后，储液罐(13)中的水通过所述第六单向阀(18-6)排出；分解产生的气流入所述储气罐(15)中，待分解完成后，气体通过第七单向阀(18-7)排出；

所述的微可视系统包括放大可视窗口(20)、摄像机(3)、支架(22)和灯(23)；所述的放大可视窗口(20)对称开设在中间，通过摄像机(3)直观的观察水合物生成以及模拟开采时釜内情况；所述摄像机(3)在固定所述支架(22)上，其高度对准放大可视窗口(20)，拍摄反应釜(4)内水合物变化情况，灯(23)也固定于支架(22)上，用来增强图像采集效果；

所述的检测采集系统包括入口高精度压力传感器(10-1)、出口高精度压力传感器(10-2)、储气罐高精度压力传感器(10-3)、高精度多位置温度传感器(6)、数据采集模块(7)、第一高精度压力传感器(21-1)、第二高精度压力传感器(21-2)、第三高精度压力传感器(21-3)、高精度电子秤(14)和电脑(8)；所述入口高精度压力传感器(10-1)和所述出口高精度压力传感器(10-2)分别位于第三单向阀(18-3)与二级防砂装置(9)-1之间和二级防砂装置(9)-2与第五单向阀(18-5)之间，用于采集反应釜(4)内水合物生成时压力变化数据以及反应釜(4)内水合物在不同条件下分解时的压力数据，并将数据存于电脑(8)中；所述的高精度多位置温度传感器(6)有多个，分布如下：三个高精度多位置温度传感器(6)位于井筒旁，用于检测开采井不同位置的温度变化；四个高精度多位置温度传感器(6)采集反应釜(4)内固定位置的温度变化数据；所述数据采集模块(7)，一端与七个高精度多位置温度传感器(6)连接，另一端与电脑(8)连接，将得到的温度信号转变成数字信号并保存于电脑(8)中；所述储气罐高精度压力传感器(10-3)位于第七单向阀(18-7)与储气罐(15)出口之间，通过分解前后压力数据，计算得到水合物分解的产气量；所述的第一高精度压力传感器(21-1)从反应釜(4)底部安装，测量反应釜(4)轴线附近底层压力；所述的第二高精度压力传感器(21-2)从反应釜(4)底部安装，测量反应釜(4)轴线附近中层压力；所述的第三高精度压力传感器21-221-3从反应釜(4)底部安装，测量反应釜(4)轴线附近上层压力。

2.一种可视大尺度的伸缩井热流固耦合天然气水合物开采实验模拟方法，其特征在于，步骤如下：

(1)检查：所有阀门和泵处于关闭状态，保证所有装置、管道不漏水不漏气；

(2)天然气水合物的生成：采用气饱和生成来模拟真实情况的天然气水合物生成；玻璃砂的体积为反应釜(4)内体积减去开采井和高精度多位置温度传感器(6)体积，再由玻璃砂的密度算出玻璃砂的质量，将玻璃砂均匀紧实的填入反应釜(4)中；打开第一单向阀(18-1)，将气源(1)的气通入高精度气泵(2-1)中，关闭第一单向阀(18-1)，打开第二单向阀(18-2)，将气泵中的气体恒压通过注入井(5-1)注入反应釜(4)中；保持这个压力，通过第二恒温水浴(16-2)，使反应釜(4)内温度稳定在所需温度，待反应釜(4)内温度和压力稳定后，关闭第二单向阀(18-2)；水源(17)内为去离子水，放入第一恒温水浴(16-1)中，保持实验所需的温度；通过第四单向阀(18-4)将水源(17)中的去离子水注入高精度水泵(2-2)中，待泵中水温度稳定后关闭第四单向阀(18-4)；通过初始水饱和度的计算，得到所需要的水体积，打开第三单向阀(18-3)，恒压将高精度水泵(2-2)中定体积的水以与反应釜(4)内相同压力恒压定流速通过注入井(5-1)注入反应釜(4)中；水合物生成过程中，温度一直由第二恒温水浴(16-2)保持稳定，并且第一恒温水浴(16-1)和第二恒温水浴(16-2)的温度均设置为水合物生成温度；实验过程中的温度、压力变化由高精度多位置温度传感器(6)、入口高精度压力传感器(10-1)和出口高精度压力传感器(10-2)来检测记录；反应釜(4)底层压力由第一高精度压力传感器(21-1)检测记录，反应釜(4)中层压力由第二高精度压力传感器(21-2)检测记录，反应釜(4)上层压力由第三高精度压力传感器(21-3)检测记录，并由摄像机(3)实时拍摄釜内水合物生成图像；

(3)分解前准备：水合物生成完成后，关闭第三单向阀(18-3)；通过第四单向阀(18-4)往注水泵2-2中注满所需温度的去离子水，注满后关闭第四单向阀(18-4)，并维持一定时间，使泵中水的温度与第一恒温水浴(16-1)的温度平衡；若分解过程中还需要注气，则将高精度气泵(2-1)通过打开第一单向阀(18-1)注满气体，注满后关闭第一单向阀(18-1)，维持一定时间，也使其温度稳定到所需温度；将电源(11)线路与注热井(5-3)接通，待分解开始时，启动电源，注入热量；

(4)伸缩井热流固耦合开采过程：水合物生成完成后，关闭第三单向阀(18-3)；将背压调节阀(12)的压力设置在相平衡压力之上，以保证反应釜(4)内水合物不发生分解，打开第五单向阀(18-5)，反应釜(4)与背压调节阀(12)压力平衡；接下来，将已经备好的待注入水和气注入注入井(5-1)；将高精度气泵(2-1)设置为恒流状态，流速为实验所需流速；设置注入井(5-1)的模式；将高精度水泵(2-2)设置为恒流状态，流速为实验所需流速；启动高精度气泵(2-1)和高精度水泵(2-2)，打开第二单向阀(18-2)和第三单向阀(18-3)；将背压调节阀(12)的压力设置为实验所需的水合物分解压力；与此同时，启动电源(11)，通过给注热井(5-3)电阻通电放热模拟注热；整个系统处于同一分解压力下，此时水合物分解产生的气、水由采出井(5-2)排出，设置采出井(5-2)的模式；产生的气、水经过背压调节阀(12)的分离，分别流入储气罐(15)和储液罐(13)中；整个分解过程中，温度变化由高精度多位置温度传感器(6)检测记录；压力变化由入口高精度压力传感器(10-1)和出口高精度压力传感器(10-2)来检测记录；反应釜(4)底层压力由第一高精度压力传感器(21-1)检测记录，反应釜(4)中层压力由第二高精度压力传感器(21-2)检测记录，反应釜(4)上层压力由第三高精度压力传感器(21-3)检测记录，并由摄像机(3)实时拍摄釜内水合物变化图像；分解过程中产生的水的质量由高精度电子秤(14)检测记录；分解产生气体由储气罐(15)收集，储气罐(15)内压力变化数据由储气罐高精度压力传感器(10-3)检测记录；

(5)信号采集-记录-处理：整个实验过程中的温度压力信号通过数据采集模块(7)转化为数据信号，最终汇总与电脑(8)中进行记录和处理。