CN115979823A - 基于ct的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气水合物开采模拟技术领域，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。包括高压反应***、压裂液注入***、固定旋转***、供气***、围压控制***、CT扫描***和数据收集处理***，固定旋转***位于高压反应***的下方，压裂液注入***、供气***、围压控制***分别与高压反应***连接，CT扫描***位于高压反应***的外侧。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。

Description

基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采模拟技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

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***、压裂液注入***、固定旋转***、供气***、围压控制***、CT扫描***和数据收集处理***，固定旋转***位于高压反应***的下方，压裂液注入***、供气***、围压控制***分别与高压反应***连接，CT扫描***位于高压反应***的外侧；

所述高压反应***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；

所述压裂液注入***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。

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***通过压裂液流动通道与水合物沉积物连通，供气***通过注气通道与水合物沉积物连通；

所述下堵头与固定旋转***连接，下堵头的顶部设有温度探针，温度探针***水合物沉积物内。

所述固定旋转***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。

所述供气***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。

所述围压控制***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；

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。

所述CT扫描***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。

所述数据收集处理***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。

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：

S1.实验装置的连接；

S2.合成水合物；

S3.模拟裂缝扩展过程：

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；

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；

S4.观测裂缝特征：

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；

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。

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***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。

本发明的有益效果是：

(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***对高压釜体施加水平方向的加载力，通过固定旋转***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；

(2)扩展裂缝的实时观测及裂缝形态分析：通过X-CT扫描***，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；

(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。

附图说明

图1是水合物沉积物裂缝扩展过程模拟实验装置的结构示意图。

图中：11水合物沉积物；12橡胶套；13温度探针；14围压液腔；15围压液进口；16上堵头；17高压釜体；18压块；19下堵头；21导管；22高压膜；23压裂液腔；24接头；25固定块；26一号压力传感器；27一号阀门；28注入泵；29弹性套；31承压块；32轴压加载装置；33固定装置；34转盘；41气瓶；42二号阀门；43一号流量计；44二号压力传感器；51制冷循环装置；52增压泵；53三号阀门；54二号流量计；55三号压力传感器；56四号阀门；61接收器；62x射线发射器；71数据处理器；72计算机。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置包括高压反应***、压裂液注入***、固定旋转***、供气***、围压控制***、CT扫描***和数据收集处理***，其中，固定旋转***位于高压反应***的下方，压裂液注入***、供气***、围压控制***分别与高压反应***连接，CT扫描***位于高压反应***的外侧。

高压反应***包括高压釜体17，本申请中的高压釜体由高强度钢材和碳纤维制成，能够在承受一定高压的同时满足x射线-CT扫描装置的穿透要求。高压釜体17的圆柱形腔体的中部设有环形的橡胶套12，高压釜体17的内侧面和橡胶套12的外侧面之间存在间隙，该间隙形成了围压液腔14，高压釜体17的上部设有围压液进口15，高压釜体17的下部设有围压液出口，围压液进口15和围压液出口分别与围压控制***连通，实现低温围压液在围压液腔内的循环流动。橡胶套12内设有水合物沉积物11。高压釜体17的顶部密封固定有上堵头16，高压釜体17的底部密封设置有下堵头19，上堵头16和下堵头19均与水合物沉积物11接触。橡胶套12的上、下两端与堵头之间均设有密封圈，实现了橡胶套12与高压釜体堵头之间的密封连接。

上堵头16的上方设有压块18，通过压块18实现了上堵头16的固定。上堵头16内设有压裂液流动通道和注气通道，压裂液注入***通过压裂液流动通道与水合物沉积物11连通，供气***通过注气通道与水合物沉积物11连通。下堵头19与固定旋转***连接，从而实现了高压反应***与固定旋转***之间的连接。下堵头19的顶部设有温度探针13，温度探针13***水合物沉积物11内，用于实时监测水合物沉积物11的温度变化情况。

压裂液注入***包括导管21、高压膜22、接头24和注入泵28，其中导管21和高压膜22位于水合物沉积物11的中部，导管21沿高压釜体的轴向设置，导管21设置在高压膜22内，导管21和高压膜22之间形成压裂液腔23，导管21的外壁上均匀间隔设置数个通孔。导管21和高压膜22的上端和下端分别通过接头24与固定块25连接，导管上方的固定块与上堵头16固定连接，导管下方的固定块与下堵头19固定连接，通过上、下两侧的接头24和固定块25将导管21和高压膜22固定在高压釜体的中部。上、下两侧的接头24和固定块25内分别设有压裂液通道，其中注入泵28通过上方接头和固定块的压裂液通道与导管21内部的腔体连通，注入泵28与压裂液通道的连接管路上设有一号阀门27和一号压力传感器26，通过一号阀门27和一号压力传感器26控制压裂液的注入压力。通过注入泵28将压裂液注入导管21内后，导管21内的压裂液通过导管侧壁上的通孔进入高压膜22和导管21之间的压裂液腔23内，压裂液推动高压膜22发生膨胀变形，挤压高压膜22外侧的水合物沉积物11产生裂缝并促进裂缝发育。本申请中的导管21主要用于实现压裂液流入压裂液腔23内从而使高压膜22膨胀变形，导管21还起到了一定的支撑作用，因此本实施例中的导管21可以采用具有孔眼分布特征的刚性导管。

固定旋转***包括承压块31、轴压加载机构32、固定支撑架33和转盘34，承压块31位于高压釜体17的下方，承压块31的顶部与其上方的下堵头19固定连接，承压块31的下方与轴压加载机构32连接，通过轴向加载机构32，实现了对水合物沉积物11施加轴向压力，轴压加载机构32可以采用液压缸或者气缸，因此本申请中对轴压加载机构的结构不再赘述。轴压加载机构32设置在固定支撑架33上，固定支撑架33的底部设有转盘34，通过固定支撑架33，对轴压加载机构32和高压反应***起到了支撑作用，同时通过设置转盘34，实现了CT扫描过程中高压釜体17的360°旋转、以及高压釜体转动任意角度值后的位置固定。本实施例中，转盘34和轴向加载机构32的连接处安装有卡套和保护套等，从而实现对整个装置的360°旋转和在任意位置的启停，同时接触面还可以预防较大变形发生。通过固定旋转***不仅能够带动高压反应***转动，而且可以对高压反应***施加轴压。

供气***包括气瓶41，气瓶41与上堵头16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42、一号流量计43和二号压力传感器43，通过该供气***实现了水合物合成气体的注入和释放，通过一号流量计43和二号压力穿该43实现了注入气体的压力控制。

围压控制***包括制冷循环机构51和增压泵52，制冷循环机构51的出液口与增压泵52的进液口连接，增压泵52的出液口通过连接管路与高压釜体17上的围压液进口15连通，经过增压泵52增压后的围压液通过连接管路直接流入围压液腔14内。增压泵52与围压液进口15之间的连接管路上依次设有三号阀门53、二号流量计54和三号压力传感器55，通过二号流量计54和三号压力传感器55，控制流入围压液腔内的低温围压液的压力。同时制冷循环机构51还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56。通过围压控制***，可以准确控制流入围压液腔内的围压液的压力的温度，实现了对水合物沉积物的温度和围压的准确控制。

CT扫描***包括接收器61和X射线发生器62，X射线发生器62产生的射线穿过高压釜体17内的水合物沉积物11后，由接收器61接受穿过的射线，实现了对水合物沉积物11的扫描过程，通过重构模型可以观测到水合物沉积物11的内部微结构变化情况。

数据收集处理***包括数据处理器71和计算机72，数据处理器71上设有通过数据线与各流量计、压力传感器和温度探针13连接的接口，同时数据处理71与计算机72连接，实现了对整个装置中各***的压力、流量、温度等物性参数的实时监测和控制，从而完成数据的收集和处理。

通过本实施例中所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，能够实时观测水合物沉积物裂缝扩展过程，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。

本申请还公开了基于上述基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置进行实验的方法，该方法包括以下步骤。

第一步，实验装置的连接。

按照装置示意图连接好相关部件，然后检查整个实验装置的气密性，确保装置的气密性满足实验要求。

第二步，合成水合物。

向橡胶套12内填入一定量的与适量水充分混合的沉积物，如石英砂、粘土等，将导管21和高压膜22通过接头24和固定块25安装在水合物沉积物11内部的既定位置，密封好整个实验装置，然后通过供气***向沉积物内注入甲烷气体，然后通过制冷循环机构51和轴向加载机构32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17降温，在高压釜体17内合成水合物。

第三步，模拟裂缝扩展过程。

启动注入泵28，使压裂液沿着导管21进入压裂液腔23内，使高压膜22膨胀变形，压裂液通过高压膜22挤压水合物沉积物11，从而使水合物沉积物11内产生裂缝；持续注入压裂液，高压膜22不断膨胀挤压水合物沉积物11，使水合物沉积物11内部裂缝不断扩展发育。

注入过程中通过调整制冷循环机构51和轴压加载机构32，使水合物沉积物11的应力状态保持不变。

第四步，观测裂缝特征。

裂缝扩展过程中，通过控制注入泵28保持压裂液注入压力不变，然后启动X射线发射器62和接收器61，启动转盘34转动，通过X射线发射器62和接收器61对水合物沉积物11进行CT扫描，观测水合物沉积物11内部结构的变化情况。

第五步，裂缝形态的重构和分析、以及对水合物储层可压性的评价。

通过接收器61获得的数据对裂缝形态进行处理和重构，可以得到水合物沉积物11内部裂缝的形态和位置等特性。

同时，还可以获得不同时刻不同工况下水合物沉积物11裂缝发育程度及裂缝形态特征，与现有的油气藏裂缝扩展规律和裂缝形态进行对比分析，进一步评价天然气水合物储层可压性。

在此过程中，可以记录的数据有：进气量、围压液进出量、压裂液注入量、沉积物重量、压力、流量、温度等。

以上对本发明所提供的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，包括高压反应***、压裂液注入***、固定旋转***、供气***、围压控制***、CT扫描***和数据收集处理***，固定旋转***位于高压反应***的下方，压裂液注入***、供气***、围压控制***分别与高压反应***连接，CT扫描***位于高压反应***的外侧；

所述高压反应***包括高压釜体(17)，高压釜体(17)的圆柱形腔体的中部设有环形的橡胶套(12)，高压釜体(17)的内侧面和橡胶套(12)的外侧面之间形成围压液腔(14)，橡胶套(12)内设有水合物沉积物(11)，高压釜体(17)的顶部密封固定有上堵头(16)，高压釜体(17)的底部密封设置有下堵头(19)，橡胶套(12)与上堵头(16)、下堵头(19)之间均为密封连接；

所述压裂液注入***包括导管(21)、高压膜(22)、接头(24)和注入泵(28)，导管(21)和高压膜(22)位于水合物沉积物(11)的中部，导管(21)沿高压釜体的轴向设置，导管(21)的外壁上间隔设置数个通孔，导管(21)设置在高压膜(22)内，导管(21)和高压膜(22)之间形成压裂液腔(23)，导管(21)和高压膜(22)的上、下端分别通过接头(24)和固定块(25)与高压釜体固定连接，上、下两端的接头(24)和固定块(25)内分别设有压裂液通道，注入泵(28)通过上端的接头和固定块内的压裂液通道与导管(21)内部的腔体连通。

2.根据权利要求1所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述高压釜体(17)的上部设有围压液进口(15)，高压釜体(17)的下部设有围压液出口，上堵头(16)的上方设有压块(18)，上堵头(16)内设有压裂液流动通道和注气通道，压裂液注入***通过压裂液流动通道与水合物沉积物(11)连通，供气***通过注气通道与水合物沉积物(11)连通；

所述下堵头(19)与固定旋转***连接，下堵头(19)的顶部设有温度探针(13)，温度探针(13)***水合物沉积物(11)内。

3.根据权利要求1所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述固定旋转***包括承压块(31)、轴压加载机构(32)、固定支撑架(33)和转盘(34)，承压块(31)位于高压釜体(17)的下方，承压块(31)的顶部与其上方的下堵头(19)固定连接，承压块(31)的下方与轴压加载机构(32)连接，轴压加载机构(32)设置在固定支撑架(33)上，固定支撑架(33)的底部设有转盘(34)。

4.根据权利要求2所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述供气***包括气瓶(41)，气瓶(41)与上堵头(16)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(42)、一号流量计(43)和二号压力传感器(43)。

5.根据权利要求2所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述围压控制***包括制冷循环机构(51)和增压泵(52)，制冷循环机构(51)的出液口与增压泵(52)的进液口连接，增压泵(52)的出液口通过连接管路与高压釜体(17)上的围压液进口(15)连通，增压泵(52)与围压液进口(15)之间的连接管路上依次设有三号阀门(53)、二号流量计(54)和三号压力传感器(55)；

制冷循环机构(51)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(56)。

6.根据权利要求1所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述CT扫描***包括接收器(61)和X射线发生器(62)，接收器(61)和X射线发生器(62)对称设置在高压釜体(17)的外侧。

7.根据权利要求1所述的基于CT的水合物沉积物裂缝扩展模拟实验装置，其特征在于，所述数据收集处理***包括数据处理器(71)和计算机(72)，数据处理器(71)分别通过数据线与各流量计、压力传感器和温度探针(13)连接，数据处理(71)与计算机(72)连接。

8.一种利用权利要求1-7任一所述装置进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.实验装置的连接；

S2.合成水合物；

S3.模拟裂缝扩展过程：

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；

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；

S4.观测裂缝特征：

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；

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。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，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***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。

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