CN110186832B - 一种沉积物结构变化的可视实验装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种沉积物结构变化的可视实验装置，包括反应釜、分别与所述反应釜连接的状态调节***和CT扫描***，在所述反应釜内安装有数据采集***，且所述数据采集***通过处理器与状态调节***反馈连接；所述反应釜包括均为无磁透明空心的外管和内管，所述内管与所述外管之间设有间隔，在所述间隔内通过电动变焦杆安装有CCD相机支架，所述CT扫描***包括外置的CT成像装置和若干根设置在内管的磁性校准杆，所述磁性校准杆设置有磁性标识条；本发明通过综合应用CT扫描和动态摄像，将整个实验过程全部纳入观察的范围内，而且在实验过程中能够随时调整和监控水合物的反应过程，精确获取不同应力作用下水合物的变化过程。
Description
技术领域
本发明涉及地质领域，特别是涉及利用工业级CT对沉积物中水合物合成分解进行定量观测，以探究水合物降压/升温开采过程中储层微观结构变化及对宏观物性影响的可视化实验装置及模拟方法。
背景技术
我国广阔的管辖海域蕴藏着巨大的水合物资源前景。天然气水合物由于具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越，且产出的天然气能满足能源、经济、环境和效率需要等特点，是国际公认的最具商业开发前景的新型清洁能源，也是石油天然气最理想的接替能源。开展天然气水合物试采对保障国家能源安全具有重大战略意义。
南海水合物储集于无固结泥质粉砂岩储层中，其特性决定了在压力降低过程中，水合物分解易导致沉积层的沉降变形，甚至剪切破坏，造成井底砂堵等一系列工程问题。同时，储层结构变化进一步影响储层孔隙度及渗透率性质，直接影响水合物分解气、水的产出。因此对于水合物分解过程沉积物的结构变化研究是水合物降压开采过程重要部分。目前，对于水合物泥质粉沙储层的结构变化的研究较少，对于水合物储层的渗透率研究中多忽略了储层在有效应力对沉积物造成的结构改变。在用于可视化的研究储层结构变化的实验装置及实验方法领域几乎一片空白。因此，研发可观察泥质粉砂储层在水合物分解过程中储层结构变化的测量装置，可以尝试性的开展海域水合物储层结构变化导致的储层渗透率孔隙度变化的测量实验，掌握不同应力条件下水合物分解过程储层微观结构变化过程以及渗透变化特征等多方面的信息。
发明内容
本发明的目的是要提供一种涉及利用工业级CT对沉积物中水合物合成分解进行定量观测，以探究水合物降压/升温开采过程中储层微观结构变化及对宏观物性影响的可视化实验装置及可视化实验模拟方法。
特别地，本发明提供一种天然气水合物分解过程中沉积物结构变化的可视实验装置，包括反应釜、分别与所述反应釜连接的状态调节***和CT扫描***，在所述反应釜内安装有数据采集***，且所述数据采集***通过处理器与状态调节***反馈连接；
所述反应釜包括均为无磁透明空心的外管和内管，所述内管与所述外管之间设有间隔，所述间隔内设置有若干个均匀分布的点状支撑座，在点状支撑座之间通过减振硅胶垫绕着内管表面设置有若干个安装凹槽，在每个所述安装凹槽上均设置有CCD相机支架，所述CCD相机支架上安装有电动变焦杆；
所述CT扫描***包括外置的CT成像装置和若干根设置在内管的磁性校准杆，若干根所述磁性校准杆以内管的初始位置为零点均匀分布在内管的内壁，且位于不同位置上的磁性校准杆按照与零点转动的角度设置不同长度和不同磁性强度的磁性标识条。
在本发明的一个实施方式中，所述外管两端分别设置有内置连接通道的上安装座和下安装座，所述内管的两端分别设有带有空心通道的上接头和下接头，所述上接头和下接头分别与所述上安装座和下安装座对应连接将内管固定所述外管的内部。
在本发明的一个实施方式中，所述上安装座和下安装座分别设置有带外螺纹的插头，所述外管通过两端的内螺纹拧在所述插头上，在所述插头上设置有内螺纹孔，所述上接头和下接头的一端分别通过外螺纹拧在所述插头的内螺纹孔中，所述上接头和下接头的另一端分别密封***所述内管的两端内，所述上接头和下接头之间的内管空间为样品的反应空间。
在本发明的一个实施方式中，所述状态调节***包括进气***、注液***、环压冷却***和回压***，所述进气***由所述反应釜的底端向所述反应釜内供指定压力的甲烷气体，所述注液***由所述反应釜的底端向所述反应釜内注入液体，所述环压冷却***用于通过向所述反应釜中注入循环冷冻液来使所述样品保持在指定压力下的低温环境中，同时提供实验所需样品环压，所述回压***与所述反应釜的顶端连接，用于在实验中保持***压力处于任一设定压力不变。
在本发明的一个实施方式中，所述环压冷却***的输入管路与所述上安装座的连接通道连接，以向所述外管的内壁与所述内管之间的空间注入冷冻液，所述上安装座通过连接通道与所述环压冷却***的输出管路连接以排出冷冻液。
在本发明的一个实施方式中，所述外管两端外侧均设置有托举架，所述托举架上均安装有旋转齿轮，所述旋转齿轮通过设置在托举架内部的伺服电机驱动，在所述旋转齿轮侧面安装有环形旋转标定盘，在所述外管的两端端部固定安装有与旋转齿轮啮合的齿形转盘，所述旋转齿轮在齿形转盘内转动0-360°，且在所述旋转齿轮和齿形转盘之间设置有防晃动弹性垫。
另外，本发明还提供了天然气水合物分解过程中沉积物结构变化的可视化实验模拟方法，包括如下步骤：
步骤100、选取相应地区的水合物泥质粉砂层原料作为样品，干燥后加入反应釜的内管中，组装好反应釜后放置在CT扫描***内，然后连接各辅助***，然后通过数据采集***控制实验过程；
步骤200、通过状态调节***向反应釜内注入液体，并且调节内管和外管的温度、环压和驱替压力梯度；
步骤300、在零点位置启动CT扫描***对样品开始扫描并得到当前状态下的样品图像，与此同时启动CCD相机通过变焦作用拍摄样品表面变换的动态图，对该过程进行扫描和摄像以获取样品反应过程的图像；
步骤400、转动反应釜，调整内管的不同位置重复上述步骤直至完成设定的次数，实验完成后，结合CCD动态图像对所获得的CT图像进行灰度处理及三维重建。
在本发明的一个实施方式中，驱替的具体步骤为：
步骤201、控制注液***由下安装座向内管中注入液体，控制环压冷却***向外管内循环注入冷冻液以对内管降温并同时提供环压，其中，内管中液体的驱替压力梯度为3MPa/m，而外管中的环压保持比驱替压力大0.2MPa；反应釜的出口压力为大气压；
步骤202、在内管中的样品水饱和后关闭注液***，打开气体注入***由下安装座向内管中注入气体，气体驱替压力梯度小于3MPa/m，在气体流量稳定后持续按1.5-2pv注入气体；
步骤203、在驱替完成后，连接反应釜的出口端和回压***，设置回压压力与进气压力相同，同时同步增大围压，在样品的孔隙压力达到预定气体压力；
步骤204、将回压压力设置低于进口压力0.01MPa，同时将围压降至设定压力，持续进行水合合成过程，并直至水合物合成完成，再增大环压压力以模拟地层压力下的水合物储层状态；
还包括模拟开采步骤：在对样品模拟地层压力的状态下，设置回压压力，使样品两端的压力形成开采状态下的压差，在该过程中样品内的水合物逐步分解。
在本发明的一个实施方式中，所述注液***注入的单相液体为蒸馏水，所述样品水饱和后注入的气体为甲烷，所述冷冻液为防冻液，温度为2℃。
在本发明的一个实施方式中，在实验前，还需要通过所述注气***利用氦气进行气密性检测。
本发明相对于现有技术，其有益效果在于：
(1)本发明的可视实验装置利用无磁透明的外管和内管可实现CT扫描，同时还可观察到实验过程，能够随时调整和监控水合物的反应过程，精确获取在储层有效应力作用下，水合物分解过程中，储层孔隙度降低，渗透率减小的变化过程，为实际开采地层水合物提供切实可靠的数据；
(2)本发明一方面通过CT扫描可以观察到模拟过程中样品内部的变化，从而可以准确获得储层在应力作用下的变化过程，另外还可以结合CCD相机的动态摄录，可以同时获得样品表面直观的变化过程，在两者图像数据的结合下可以更加准确的把握样品的变化过程；
(3)本发明一方面利用CT扫描处理后的模拟图像，另外一方面还可以利用直接摄录的动态摄像，可以在两种不同类型的图像的结合中可以观察到更加准确的变化过程。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的实验装置连接示意图；
图2是本发明一个实施方式的反应釜结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的注液***结构示意图；
图4是本发明一个实施方式的回压***结构示意图；
图5是本发明一个实施方式的进气***结构示意图；
图6是本发明一个实施方式中合成水合物后CT扫描图；
图7是图6合成水合物后的孔隙结构图；
图8是本发明另一个实施方式的中水合物分解后CT扫描图；
图9是图8中的水合物分解后的孔隙结构图；
图10是本发明一个实施方式的间隔的结构示意图；
图11是本发明一个实施方式的托举架的结构示意图。
图中：1-反应釜；2-数据采集***；3-CT扫描***；4-环压冷却***；5-进气***；6-注液***；7-间隔；8-托举架；9-回压***；
11-外管；12-内管13-下安装座；14-上安装座；15-上接头；16-下接头；17-底座；
131-下连接通道；141-上连接通道；
501-空气压缩机；502-气体增压泵；503-低压储罐；504-高压储罐；505-调压阀；506-流量控制器；507-气体润湿装置；508-冷却器；
601-恒速恒压泵；602-压力调节活塞；603-四通阀；
71-点状支撑座；72-减振硅胶垫；73-安装凹槽；74-CCD相机支架；75-电动变焦杆；76-磁性校准杆；77-磁性标识条；
81-旋转齿轮；82-防晃动弹性垫；83-环形旋转标定盘；84-齿形转盘；
901-回压阀；902-回压表A；903-回压表B；904-回压容器；905-气液分离器；906-气罐；907-计重装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施方式提供一种天然气水合物分解过程可视化实验装置，以模拟水合物在预定条件下的分解状态，为实际地层的水合物开采提供参考。该实验装置包括反应釜1、分别与所述反应釜1连接的状态调节***和CT扫描***3，在所述反应釜1内安装有数据采集***2，且所述数据采集***2通过处理器与状态调节***反馈连接。所述状态调节***进气***5、注液***6、环压冷却***4和回压***9，上述各个***的工作过程由数据采集***2控制。
如图2所示，该反应釜1用于盛装样品并作为反应场所，主要包括空心的外管11和内管12，两者采用套装结构，外管11和内管12分别由无磁的透明材料制作，以便于观察样品反应过程和方便CT扫描，具体的透明材料可以采用聚酰亚胺。其中，在外管11的两端分别安装有具备下连接通道131和上连接通道141的上安装座14和下安装座13，下连接通道131和上连接通道141用于供各***输入的气体和液体进出，内管12的两端分别通过带有空心通道的上接头15和下接头16与上安装座14和下安装座13连接后固定在外管11的内部，固定后的内管12与外管11的内壁之间有间隔。
上安装座14和下安装座13分别设置有带外螺纹的插头，外管11通过两端的内螺纹分别拧在上安装座14和下安装座13的插头上，在插头的中心设置有带内螺纹的内凹孔，上接头15和下接头16的一端分别通过外螺纹拧在插头的内凹孔中，上接头15和下接头16的另一端分别密封***内管12的两端内，而且上接头15和下接头16***后两者之间间隔的距离，即为样品的放置空间和反应场所，该反应场所需要位于CT扫描***的扫描范围内。
为提高密封性，在上接头15和下接头16***内管12的一端套有与内管12内壁密封的密封环，在另一端同样套有与上安装座14和下安装座13的内螺纹孔密封接触的密封环。同样，在上安装座14和下安装座13的插头上也设置有与外管11内壁密封的密封环。
在上安装座14和下安装座13上的上连接通道141、和下连接通道131分别包括与外管11和内管12之间空隙连通的外连接通道，和与内管内部连通的内连接通道，如环压冷却***4的输入端和输出端即分别与上、下安装座14、13上的外连接通道连通，注液***6和进气***5则与内连接通道连通，两者通过相应的控制阀门实现各自的运行。
如图10所示，所述内管11与所述外管12之间设有间隔7，所述间隔内设置有若干个均匀分布的点状支撑座71，在点状支撑座71之间通过减振硅胶垫72绕着内管11表面设置有若干个安装凹槽73，如前所述，该间隔位于CT扫描***的扫描范围以内，在该间隔7内设置的点状支撑座71其作用可以起到支撑的作用，而且在支撑其它结构的同时还不会影响整体装置的运作，通过多个均匀分布的点状支撑座71可以形成一个镂空的支撑结构，一方面不会影响内管11的CT扫描，另外一方面具备变焦的空间。而设置的减振硅胶垫72则是防止在扫描过程中由于外力作用产生的振动对摄像装置产生影响，同时其呈环形设置可以起到遮光的作用，从而便于摄像装置的聚焦和摄录的清晰度。
在每个所述安装凹槽73上均设置有CCD相机支架74，所述CCD相机支架74上安装有电动变焦杆75，设置的CCD相机支架74是便于安装CCD相机等摄录装置，在本实施方式中优选CCD相机，当然其它能够满足分辨率的相机也是可以的，而且在本实施方式中为了保证最佳的摄录效果，还设置了电动变焦杆75，该电动变焦杆75的作用在于通过电控伸缩的方式来控制安装在其上相机的焦距，以满足不同状态下的摄录需求。
综合上述内容，在本实施方式中，其具体方式是综合考虑CT扫描对内部变化的观察，同时还通过外置的摄像装置来捕捉清洗的外表面变化，通过这两种方式能够更加直观的获得样品在应力作用下的变化过程。而且在本发明中，通过设置多组相对位置不同的摄像装置，能够同时捕捉到不同状态时样品在不同位置时的表面变化图像，由于获得了内部的CT反演图像，综合这两部分的内容就可以直观的得到样品的三维变化过程。
另外，在本发明中还需要进一步考虑CT切面的问题，在同一个位置获得的CT图像是一个切面，它仅仅只能表征一个方向上的变化过程，对于其三维的变化，其还存在一定的缺陷，因此为了能够获得多个角度的扫描结果，还需要在扫描的过程变换样品的实际位置。
在变换具体的位置之前，首先需要对样品的位置进行有序的标定，为了达到相应的标定，在本实施方式中，所述CT扫描***3包括两个部分，分别为外置的CT成像装置和若干根设置在内管11的磁性校准杆76，
其中以内管11的初始位置为零点，若干根所述磁性校准杆76均匀分布在内管11的内壁，且位于不同位置上的磁性校准杆76按照与零点转动的角度设置不同长度和不同磁性强度的磁性标识条77。
在这里需要说明的是，在同一个实施例中，与零点转动的角度是相等的，而在不同的实施例中，该角度是可变的，可以根据不同样品的实际需求来设置相应的角度，其角度的设定根据样品测试的试验结果来决定。
与现有技术区别的是，在本发明中不仅是通过简单的标杆来进行区分，这是因为普通的标杆只是在试验过程中起到标定的作用，在生成的扫描图像中却是没有任何标识的。因此，在本实施方式中，通过设置不同长度和磁性强度的磁性标识条来进行区分，一方面可以在试验的过程中有直观的区别，另外一方面则是通过磁性干扰CT扫描的结构，将其标识显示在CT扫描图像上，以便后期的对比和处理。
如图11所示，所述外管12两端外侧均设置有托举架8，所述托举架8上均安装有旋转齿轮81，所述旋转齿轮81通过设置在托举架8内部的伺服电机驱动，在所述旋转齿轮81侧面安装有环形旋转标定盘83，在所述外管12的两端端部固定安装有与旋转齿轮81啮合的齿形转盘84，所述旋转齿轮81在齿形转盘84内转动0-360°，且在所述旋转齿轮81和齿形转盘84之间设置有防晃动弹性垫82。
在本发明中，是通过伺服电机和齿轮间的啮合来实现角度调整的，换种表达即转动的角度受到伺服电机的控制，而伺服电动的动力为了保证传递过程中的稳定，以齿轮啮合的方式来进行传动，另外，为了减少振动影响摄像的效果，在本发明中还通过弹性的垫子来填充齿轮啮合间的间隙。
具体地，注液***6、进气***5与下安装座13上与内管11连通的连接通道连接，环压冷却***4与下安装座13、上安装座14上与外管11和内管12之间空隙连通的连接通道连接，环压***9与上安装座14上内管12排出气液的连接通道连接。
在本实施方式中的进气***5、注液***6、回压***9、环压冷却***4以及CT扫描***3可采用现有技术中已有的设备，下面分别进行说明。
注液***6的连接结构如图3所示，注液***6的恒速恒压泵601采用HAS-200HSB型双缸恒速恒压泵，用于驱替介质定量注入，为试验提供动力源。其工作压力为50MPa，流速0.01～20mL/min，具有压力保护及位置上下限保护，泵头材料采用316L，该泵配置通讯口，可与数据采集***2连接，其两个缸可实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业。具体以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制。在双缸恒速恒压泵601和下安装座之间并联安装有两台压力调节活塞602，在每个压力调节活塞602的两端分别安装有四通阀603，四通阀603既可输出气液，同时还方便接入其它管线，如清洗管线。压力调节活塞602的容积为2000mL，工作压力50MPa，材质为316L。压力调节活塞602作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输。在筒体内表面做平滑处理，以减小内壁摩擦力。
如图4所示。回压***9包括连接在上安装座14输出水合物的管路上的回压阀901，显示回压阀901上压力的回压表A902，调节回压阀901处压力在反应釜输出压力超出标准时自动泄压的回压泵B903和回压容器904，对接收的水合物进行气液分离的气液分离器905，接收分离后气体并计量的气罐906，称量分离后液体的计重装置907。
如图5所示，进气***5通过气体压缩机向内管12内注入气体以合成水合物或测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率。如通过注入等温单相甲烷气并精确测量出口的气体流量，并依据达西定律可测量气体渗透率。
进气***5包括产生压力气体的空气压缩机501，对空气压缩机501产生的气体进行增压的气体增压泵502，存储增压后低压气体的低压储罐503，存储增压后高压气体的高压储罐504，根据实验要求选择低压储罐503或高压储罐504向内管内输入指定压力的调压阀505，和控制输出气体流量大小的流量控制器506，冷却气体和液体的冷却器508；在调压阀505之前的气路上安装有气体润湿装置507，该气体润湿装置507为装有液体的耐压容器，使通过的气体自然润湿。
冷却器508用于冷却注入反应釜中的气体和液体，经过冷却处理后气体和液体不会对反应釜内的水合物平衡状态产生破坏。空气压缩机501可选用型号为GCS50的产品，其设计压力为1.0MPa，流量为0.465m3/min，空气压缩机501还可用于整个管路***的清洗扫气。该气体增压泵502可选用SITEC型气气增压泵，型号为GBD60，增压比60:1，最大出口压力498Bar，最大流量40L/min。低压储罐503主要用于贮存空气压缩机501增压后的空气，需要满足如下条件：容积0.1m3，工作压力0.8MPa，设计压力1MPa。高压储罐502需要满足如下：容积2000mL，最大工作压力50MPa。调压阀505除包括手动调压阀外，还有相应的压力指示表，主要用于将增压后的高压气体调整到所需的工作压力。其中手动调压阀最大入口压力为50MPa，出口压力在0～40MPa之间可调。流量控制器506采用布朗克高压流量计，其最大工作压力为40MPa，带通讯接口，可与数据采集***2实现通讯连接。
数据采集***2包括带有数据处理软件的控制***，控制***可以是PC机、工控机等具备数据处理和分析功能的设备。控制***通过数据处理软件控制实验过程，同时对CT扫描***3和实验过程实现图像和数据采集、分析和结果输出等。
CT扫描***用于容纳所述反应釜，以扫描反应釜中的样品在反应过程中的变化；具体的CT仪为三英公司生产的多尺度岩石三维扫描成像***(开放式微焦点X射线扫描)。
在工作时，安装好的反应釜1的内管11和外管12，同时连接好各个***，对内管12注液、注水、注气可采用一根主管路连接，然后各***采用带控制阀的分管与主管连接，在需要时打开相应的控制阀即可。反应釜1放置在CT扫描***3的扫描室内，需要X光扫描源正对上、下接头14、13之间容纳样品的空间。其中，进气***5向反应釜1提供指定压力的甲烷气体；注液***6为反应釜1中的样品提供水；环压冷却***4向反应釜1中注入循环冷冻液来使样品保持在指定压力下的低温环境中；回压***9与反应釜1的顶端连接，用于在完成实验后保持顶端的压力与底端的压力相同；而CT扫描***3用于扫描样品在实验过程的变化图像；数据采集***2根据实验要求控制各个***的工作，并采集实验过程中的各种数据进行分析和输出。具体的工作过程在下面方法的描述中详细说明。
本实施方式利用无磁透明的外管和内管可实现CT扫描，同时还可观察到实验过程，能够随时调整和监控水合物的反应过程，精确获取在储层有效应力作用下，水合物分解过程中，储层孔隙度降低，渗透率减小的变化过程，为实际开采地层水合物提供切实可靠的数据。
在本发明的一个实施方式中，公开一种前述天然气水合物分解过程可视化实验装置的使用方法，一般包括如下步骤：
步骤100，选取相应地区的水合物泥质粉砂层原料作为样品，干燥后加入反应釜的内管中，组装好反应釜后放置在CT扫描***内，然后连接各辅助***，然后通过数据采集***控制实验过程；
样品干燥可以通过烧烤或干燥箱实现。这里的辅助***即指前面的进气***5、注液***6、环压冷却***4和回压***9。为方便使安装后的反应釜1保持稳定，可以在反应釜1的底部设置一个圆形底座17，反应釜1通过下安装座13固定在底座17的圆心处，然后将底座17连同反应釜1一同放置在CT扫描***3的放置台上，底座17通过螺丝与放置台形成固定连接。
在实验前，先通过进气***5对反应釜1内先行注入氦气进行密封性测试，以确定实验的精确性和安全性。
利用数据采集***2对CT扫描***3的X射线进行调整，使其与反应釜1的距离满足扫描要求。
步骤200，控制注液***由下安装座向内管中注入液体，控制环压冷却***向外管内循环注入冷冻液以对内管降温并同时提供环压，其中，内管中液体的驱替压力梯度为3MPa/m，而外管中的环压保持比驱替压力大0.2MPa；反应釜的出口压力为大气压；
液体的注入量需要使内部填充的样品达到饱和水状态，这里注入的液体为单相液体，具体为蒸馏水；确定注水量是否满足要求，可通过观察反应釜1的上安装座14与内管12连接的连接通道是否排出水，排出水时即表明内部已经处于饱和状态，可在出水后继续注入蒸馏水1.5-2PV，再停止注液***6的工作。环压冷却***4使用的冷冻液为防冻液，温度为2℃。
步骤300，在内管中的样品水饱和后关闭注液***，打开气体注入***由下安装座向内管中注入气体，气体驱替压力梯度小于3MPa/m，在气体流量稳定后持续按1.5-2pv注入气体；
这里注入的气体为甲烷，此时内管12上端出口处的压力为大气压力。待气体流速稳定后可继续注入1.5-2pv气体。
步骤400，在驱替完成后，连接反应釜的出口端和回压***，设置回压压力与进气压力相同，同时同步增大围压，在样品的孔隙压力达到预定气体压力时，启动CT扫描***对样品开始扫描并得到当前状态下的样品图像；
持续进气后可逐渐增大样品的孔隙压力，围压压力需要始终大于孔隙压力0.2MPa。CT扫描时，需要保持气体压力与围压稳定。
步骤500，然后将回压压力设置低于进口压力0.01MPa，同时将围压降至设定压力，持续进行水合合成过程，并直至水合物合成完成，再增大环压压力以模拟地层压力下的水合物储层状态，并对该过程进行扫描以获取样品反应过程的图像；
步骤600，实验完成后，对所获得的CT图像进行灰度处理及三维重建，即可得到设定条件下开采地层水合物时，水合物的分解状态及储层结构变化。
本实施方式对于泥质粉沙储层样品，在1MPa有效应力下进行水合物合成及分解实验，实验结果显示在储层有效应力作用下，随着水合物分解，储层孔隙度降低，渗透率减小。对于泥质粉沙储层，当其中水合物分解，存在两种效应：1、水合物分解储层孔隙空间增大孔隙度增大；2、储层压力降低水合物分解，导致储层有效应力增大，在压缩作用下储层孔隙空间减小。实验结果显示在两种作用下最终导致储层孔隙度减小，渗透率减低，说明对于泥质粉沙储层，水合物分解过程中地层有效应力在储层孔隙度及渗透率变化中起主导作用。
在本发明的一个实施方式中，还可增加模拟开采步骤：在对样品模拟地层压力的状态下，设置回压压力，使样品两端的压力形成开采状态下的压差，利用CT扫描***获取该过程中样品内的水合物分解图像。
以下具体实施例说明，本实验装置的使用过程。
1.取泥质粉沙样品，在干燥箱内干燥12小时。取出样品碎成直径为2mm左右的颗粒。取6g样品装入反应釜内腔中。
2、组装低温高压***。将反应釜通过底座固定在焦点X射线CT仪的载物台上，连接气体注入***和围压循环***的管线。使用氦气对***的密封性进行测试。
3、关闭气体注入***阀门V1，打开注液***阀门V2和围压冷却循环***,设置冷循环温度为2℃，关闭气体回压***阀门V4，打开反应釜出口端阀门V3，出口端压力为大气压。设置液体注入的压力为0.7MPa。设置围压***压力为0.6MPa。打开液体注入泵，使用单相液体(蒸馏水)饱和样品。出口端见水后继续注入蒸馏水1.5-2PV。
4、关闭注液***的阀门V2。连通注液***和反应釜。使用0.7MPa甲烷气体对反应釜内饱和水样品进行驱替实验。进气口端通过气体流量计进行计量，待流体流速稳定后继续注入1.5-2pv气体。
5、驱替完成后，关闭阀门V3，打开阀门V4，将反应釜出口端与回压***连接。设置回压压力与进气压力相同。保持之前气体压力持续注气，并逐渐增大样品孔隙压力，同时同步增大围压，保持围压压力大于孔隙压力0.2MPa。将孔隙压力增大到8MPa，围压压力为8.2MPa。维持气体压力与围压稳定。此时进行X射线CT扫描。
6、CT扫描完成后将回压设置为7.98MPa循环液进行降压，保持进气口开放，持续给反应釜供气，使气体持续不断进入到反应釜中。降低环压循环的压力至设定压力，进行水合物合成实验。
7、将此状态维持12小时，直到水合物合成完成。
8、扫描完成后，增大围压循环***压力至9MPa，此时可以模拟1MPa地层压力情况下的水合物储层状态。然后进行CT扫描及三维重构。结果如图6和7所示。
9、模拟降压开采过程。关闭气体进口阀门，将设置回压压力为2MPa，同时将围压压力设置成3MPa使反应釜内甲烷分解。分解完成后对储层进行CT扫描，对所得的CT图像进行灰度处理及三维重建，观测水合物分解状态及储层结构变化。结果如图8和9所示。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种沉积物结构变化的可视实验装置，其特征在于，包括反应釜、分别与所述反应釜连接的状态调节***和CT扫描***，在所述反应釜内安装有数据采集***，且所述数据采集***通过处理器与状态调节***反馈连接；
所述反应釜包括均为无磁透明空心的外管和内管，所述内管与所述外管之间设有间隔，所述间隔内设置有若干个均匀分布的点状支撑座，在点状支撑座之间通过减振硅胶垫绕着内管表面设置有若干个安装凹槽，在每个所述安装凹槽上均设置有CCD相机支架，所述CCD相机支架上安装有电动变焦杆；
所述CT扫描***包括外置的CT成像装置和若干根设置在内管的磁性校准杆，若干根所述磁性校准杆以内管的初始位置为零点均匀分布在内管的内壁，且位于不同位置上的磁性校准杆按照与零点转动的角度设置不同长度和不同磁性强度的磁性标识条。
2.根据权利要求1所述的可视实验装置，其特征在于，所述外管两端分别设置有内置连接通道的上安装座和下安装座，所述内管的两端分别设有带有空心通道的上接头和下接头，所述上接头和下接头分别与所述上安装座和下安装座对应连接将内管固定所述外管的内部。
3.根据权利要求2所述的可视实验装置，其特征在于，所述上安装座和下安装座分别设置有带外螺纹的插头，所述外管通过两端的内螺纹拧在所述插头上，在所述插头上设置有内螺纹孔，所述上接头和下接头的一端分别通过外螺纹拧在所述插头的内螺纹孔中，所述上接头和下接头的另一端分别密封***所述内管的两端内，所述上接头和下接头之间的内管空间为样品的反应空间。
4.根据权利要求3所述的可视实验装置，其特征在于，所述状态调节***包括进气***、注液***、环压冷却***和回压***，所述进气***由所述反应釜的底端向所述反应釜内供指定压力的甲烷气体，所述注液***由所述反应釜的底端向所述反应釜内注入液体，所述环压冷却***用于通过向所述反应釜中注入循环冷冻液来使样品保持在指定压力下的低温环境中，同时提供实验所需样品环压，所述回压***与所述反应釜的顶端连接，用于在实验中保持***压力处于任一设定压力不变。
5.根据权利要求4所述的可视实验装置，其特征在于，所述环压冷却***的输入管路与所述上安装座的连接通道连接，以向所述外管的内壁与所述内管之间的空间注入冷冻液，所述上安装座通过连接通道与所述环压冷却***的输出管路连接以排出冷冻液。
6.根据权利要求5所述的可视实验装置，其特征在于，所述外管两端外侧均设置有托举架，所述托举架上均安装有旋转齿轮，所述旋转齿轮通过设置在托举架内部的伺服电机驱动，在所述旋转齿轮侧面安装有环形旋转标定盘，在所述外管的两端端部固定安装有与旋转齿轮啮合的齿形转盘，所述旋转齿轮在齿形转盘内转动0-360°，且在所述旋转齿轮和齿形转盘之间设置有防晃动弹性垫。
7.一种基于权利要求6中所述沉积物结构变化的可视实验装置的可视化实验模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、选取相应地区的水合物泥质粉砂层原料作为样品，干燥后加入反应釜的内管中，组装好反应釜后放置在CT扫描***内，然后连接各辅助***，然后通过数据采集***控制实验过程；
步骤200、通过状态调节***向反应釜内注入液体，并且调节内管和外管的温度、环压和驱替压力梯度；
步骤300、在零点位置启动CT扫描***对样品开始扫描并得到当前状态下的样品图像，与此同时启动CCD相机通过变焦作用拍摄样品表面变换的动态图，对该过程进行扫描和摄像以获取样品反应过程的图像；
步骤400、转动反应釜，调整内管的不同位置重复上述步骤直至完成设定的次数，实验完成后，结合CCD动态图像对所获得的CT图像进行灰度处理及三维重建。
8.根据权利要求7所述的可视化实验模拟方法，其特征在于，
驱替的具体步骤为：
步骤201、控制注液***由下安装座向内管中注入液体，控制环压冷却***向外管内循环注入冷冻液以对内管降温并同时提供环压，其中，内管中液体的驱替压力梯度为3MPa/m，而外管中的环压保持比驱替压力大0.2 MPa；反应釜的出口压力为大气压；
步骤202、在内管中的样品水饱和后关闭注液***，打开气体注入***由下安装座向内管中注入气体，气体驱替压力梯度小于3 MPa /m，在气体流量稳定后持续按1.5-2pv注入气体；
步骤203、在驱替完成后，连接反应釜的出口端和回压***，设置回压压力与进气压力相同，同时同步增大围压，在样品的孔隙压力达到预定气体压力；
步骤204、将回压压力设置低于进口压力0.01MPa，同时将围压降至设定压力，持续进行水合合成过程，并直至水合物合成完成，再增大环压压力以模拟地层压力下的水合物储层状态；
还包括模拟开采步骤：在对样品模拟地层压力的状态下，设置回压压力，使样品两端的压力形成开采状态下的压差，在该过程中样品内的水合物逐步分解。
9.根据权利要求8所述的可视化实验模拟方法，其特征在于，所述注液***注入的单相液体为蒸馏水，所述样品水饱和后注入的气体为甲烷，所述冷冻液为防冻液，温度为2℃。
10.根据权利要求7所述的可视化实验模拟方法，其特征在于，在实验前，还需要通过注气***利用氦气进行气密性检测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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