水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置及方法，包括注入组件、切片模型组件、出口计量组件、高低温控制组件和数据与图像采集组件，模拟不同的孔隙结构及其对应出砂规律，注入系统可按要求将纯液相、纯气相、气液混合相及气液固三相混合物注入微观切片模型中，并维持压力稳定，模拟不同水合物开采状态下的出砂情况，温度控制系统可以对切片模型进行加热或降温，用以模拟不同水合物开采的温度状态。与现有技术相比，本发明装置可以模拟天然气水合物开采出砂，可以直接观察到细颗粒在气、液混合多相流体驱动下的微观运移全过程，从而分析出砂规律，对水合物储层的出砂机理进行研究，为天然气水合物的高效开采提供理论依据。

说明书

技术领域

本发明涉及水合物微观出砂模拟实验装置的技术领域，尤其是涉及一种水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置。

背景技术

天然气水合物是一种由天然气和水在低温和高压条件下形成的似冰状笼型结晶化合物，广泛分布于高纬度极地冻土地层和海洋湖泊等深水地层中，具有储量大和能量密度高等特点，被认为是一种潜在能源。水合物储层岩石骨架通常属于未固结、弱固结或裂隙发育地层，人为开采水合物将引起地层胶结强度、孔隙度、有效应力的改变，胶结作用变弱引起井壁稳定性变差造成井塌，引起生产井出砂，严重影响水合物资源的有效开发利用。因此，地层出砂与防砂是水合物分解过程中面临的关键问题之一。而水合物储层的出砂问题是一个多相相变环境中的动态变化过程，目前对出砂机理的认识并不清晰，大多停留在出砂现象的研究。现有的实验手段多是通过测量出砂量来判断出砂程度，无法实时地观察到气、水及固体颗粒的运移情况，无法分析出砂肇始机理、动态出砂机理。

因此，如何设计一种能够模拟水合物开采温压状态下水合物储层颗粒在储层孔隙网络结构中运移的可视化模拟实验装置，直观地捕获在不同水气条件驱动下颗粒在孔隙网络中的运移全过程，对于研究出砂量与孔隙网络结构特征参数、多相流场参数的定量关系，建立复杂储层条件下水合物开采井的定量出砂判据和预测模型具有重要意义。

中国专利CN107478809A公布了一种弱胶结砂岩油藏微观出砂可视化模拟实验装置及应用，在岩石膜片模型中填装砂粒和胶结剂混合物的方式模拟并观察砂粒的剥落、运移和堵塞等微观运动情况。但此种设计无法量化储层孔隙网络的空间特征，无法建立出砂规律和孔隙特征参数的定量关系，而且装置也无法模拟水合物开采的温度场和压力场，无法研究多场耦合条件下水合物储层的出砂过程和规律。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置，可以直接观察到细颗粒在气、液混合多相流体驱动下的微观运移全过程，从而分析出砂规律，对水合物储层出砂进行机理研究，为天然气水合物的高效开采提供理论基础。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置，包括注入组件、切片模型组件、出口计量组件、高低温控制组件和数据与图像采集组件；

所述注入组件、切片模型组件、出口计量组件依次连接；

所述切片模型组件中设有刻蚀模型构成的孔隙通道结构；

所述注入组件将气液混合物注入切片模型组件中，并调节气液混合物的注入比例、流量和压力；

所述高低温控制组件、数据图像采集组件分别与切片模型组件连接；

所述数据与图像采集组件记录切片模型组件的实验全过程；

所述出口计量组件收集从切片模型组件中流出的混砂液并记录液体流量、含砂量、出砂粒径；

所述高低温控制组件设于切片模型组件外部，实现切片模型组件的程序升温或降温的控制，以此获取不同温度条件下水合物储层的出砂渗流数据；

所述高低温控制组件能够进行竖直升降，以此增加与所述切片模型组件的间距，从而适配切片模型组件的安装和更换。

进一步地，所述高低温控制组件通过设于其外部的自动升降台实现升降动作，以此满足切片模型组件的安装和更换。

进一步地，所述注入组件包括第一注入支路、第二注入支路、第三注入支路、第四支路，其中具体地：

第一注入支路包括依次通过管路串联的注入泵和搅拌活塞容器，所述搅拌活塞容器的出口与所述切片模型组件连接；

第二注入支路包括依次通过管路串联的气瓶、稳流阀、气体质量流量控制器，所述气体质量流量控制器的出口与所述切片模型组件连接；

第三注入支路，包括依次通过管路串联的注入泵和搅拌活塞容器，及依次通过管路串联的气瓶、稳流阀、气体质量流量控制器和搅拌活塞容器，所述搅拌活塞容器的出口与所述切片模型组件连接。

第四注入支路，包括围压跟踪泵以及与围压跟踪泵出口连接的切片模型组件。

进一步地，所述切片模型组件包括压力仓、耐压玻璃、刻蚀模型，其中具体地：

压力仓构成侧向外壁结构；

耐压玻璃盖合于所述压力仓的顶部和底部，构成上下侧的外壁结构，与压力仓共同构成密封腔体；

刻蚀模型设于所述密封腔体中，其上雕刻有多个规则圆柱，以此模拟不同孔喉尺寸的孔隙通道结构。

进一步地，所述压力仓上开设有围压口、切片模型入口、围压排气口、切片模型出口，其中具体地：

围压口与所述围压跟踪泵的出口连接；

切片模型入口与所述搅拌活塞容器和/或气体质量流量控制器的出口连接；

围压排气口上连接有排压阀；

切片模型出口与所述出口计量组件的入口连接。

进一步地，所述耐压玻璃与压力仓之间设有组合密封件；

所述切片模型组件还包括上压板和下压板，所述上压板和下压板，通过压紧螺丝实现紧固；

上压板和下压板分别在上方和下方同时压接于压力仓、组合密封件和耐压玻璃上，通过压紧螺丝实现紧固。

进一步地，所述组合密封件为组合密封圈。

进一步地，所述计量组件包括依次连接的气固液分离器、回压阀、回压泵；

所述计量组件还包括气液分离器，所述气液分离器的进料口与所述回压阀连接；

所述气固液分离器下方设有固体称量单元，实现过滤出固体的称重；

所述气液分离器上方设有气体流量器，气液分离器下方设有液体称量单元。

进一步地，所述高低温控制组件包括加热元件、设于切片模型组件中的热电偶和降温器件。

进一步地，所述数据与图像采集组件包括设于管路上多个点位的压力传感器、数显仪表、数据采集卡、体视显微镜；

压力传感器、数显仪表、数据采集卡、体视显微镜与外部计算机终端电连接；

所述体视显微镜镜头对准刻蚀模型的孔隙通道处。

本发明中水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验方法，包括以下步骤：

当模拟含游离气和自由水的I型水合物储层时，打开注入泵、搅拌活塞容器、气瓶、稳流阀和气体质量流量控制器，将气体、液体与细砂颗粒按照预设的比例在搅拌活塞容器中搅拌均匀，然后按照设定的流速，将气、液和砂颗粒混合物注入切片模型组件中，流经刻蚀模型，最后进入出口计量组件中，分析排出混合物中气体、液体、固体的含量，进行渗流出砂微观可视化模拟实验；

当模拟含自由水的Ⅱ型水合物储层时，打开注入泵和搅拌活塞容器，将液体和细砂颗粒在搅拌活塞容器内充分搅拌均匀；按照设计的流速，用注入泵恒速将液体和细砂颗粒混合物注入切片模型组件中，流经刻蚀模型，最后进入出口计量组件中，分析排出混合物中气体、液体、固体的含量，进行渗流出砂微观可视化模拟实验；

通过显微图像采集组件记录砂粒、气相和液相在模型中的微观运移过程和颗粒淤积分布特征，以此分析研究其流动机理；

通过气固液分离器、气液分离器、干燥器，收集切片模型组件出口处的气体、液体及砂粒，获取切片模型的驱替速度、各相流量、出砂量、流出砂最大粒径、驱替后切片模型渗透率。

进一步地，采用所述显微图像采集组件观测记录微米尺度下单相流、气液双相流、气液固三相混合流在孔隙网络中的流动状态。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)利用本发明中的装置进行的实验，可以直接观察到细颗粒在气、液混合多相流体驱动下的微观运移全过程，从而分析出砂规律，对水合物储层出砂进行机理研究，为天然气水合物的高效开采提供理论基础。具体实施时，将概化和量化后的含天然气水合物储层孔隙网络结构刻蚀至耐压玻璃上形成微观模型切片，用以模拟的不同含天然气水合物储层的孔隙特征情况。

2)本发明中的装置从颗粒和孔隙的细观尺度入手，基于芯片刻蚀技术制备而成的微观孔隙网络模型，采用显微图像采集组件直观地观测记录微米尺度下单相流、气液双相流、气液固三相混合流在孔隙网络中的流动状态，而且采集到的流动图像分辨率高，能够满足深入细致研究水合物储层渗流出砂机理的要求。

3)本发明中的装置实现了水合物储层渗流出砂过程的微观可视化模拟，解决了水合物开采过程中气液固在储层内部结构中运移的直观性表征，有利于对水合物储层的渗流出砂进行机理研究，为天然气水合物的高效开发提供理论依据。

附图说明

图1为水合物储层出砂微观可视化模拟实验装置的结构示意图；

图2为水合物储层出砂微观可视化模拟实验装置的切片模型组件的结构示意图；

图3为水合物储层出砂微观可视化模拟实验装置的切片模型剖面结构示意图。

图1至图3中：1.围压跟踪泵；2.围压传感器；3.注入泵；4.搅拌活塞容器；5.入口压力传感器；6.安全阀；7.气体流量控制器；8.稳流阀；9.气瓶；10.外部计算机终端；11.体式显微镜；12.切片模型组件；13.回压传感器；14.气固液分离器；15.固体称量单元；16.回压阀；17.回压泵；18.气液分离器；19.液体称量单元；20.围压口；21.压力仓；22.切片模型入口；23.连接密封座；24.组合密封件；25.耐压玻璃；26.下压板；27.切片模型出口；28.刻蚀模型；29.压紧螺丝；30.围压排气口；31.上压板；32.高低温控制组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明中水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验装置，包括注入组件、切片模型组件12、出口计量组件、高低温控制组件32和数据与图像采集组件，参见图1，注入组件、切片模型组件12、出口计量组件依次连接，切片模型组件12中设有刻蚀模型构成的孔隙通道结构，注入组件将气液混合物注入切片模型组件12中，并调节气液混合物的注入比例、流量和压力，高低温控制组件32、数据图像采集组件分别与切片模型组件12连接，数据与图像采集组件记录切片模型组件12的实验全过程，出口计量组件收集从切片模型组件12中流出的混砂液并记录液体流量、含砂量、出砂粒径，高低温控制组件32实现切片模型组件12的程序升温或降温的控制，以此获取不同温度条件下水合物储层的出砂渗流数据。

注入组件包括第一注入支路、第二注入支路、第三注入支路、第四支路，其中第一注入支路包括依次通过管路串联的注入泵3和搅拌活塞容器4，所述搅拌活塞容器4的出口与所述切片模型组件12连接；第二注入支路包括依次通过管路串联的气瓶9、稳流阀8、气体质量流量控制器7，所述气体质量流量控制器7的出口与所述切片模型组件12连接；第三注入支路，包括依次通过管路串联的注入泵3和搅拌活塞容器4，及依次通过管路串联的气瓶9、稳流阀8、气体质量流量控制器7和搅拌活塞容器4，所述搅拌活塞容器4的出口与所述切片模型组件12连接；第四注入支路包括与围压跟踪泵1的出口与所述切片模型组件12连接。

切片模型组件包括压力仓21、耐压玻璃25、刻蚀模型28，其中压力仓21构成侧向外壁结构；耐压玻璃25盖合于所述压力仓21的顶部和底部，构成上下侧的外壁结构，与压力仓21共同构成密封腔体；刻蚀模型28设于所述密封腔体中，其上雕刻有多个规则圆柱，以此模拟均匀间距孔隙通道结构。

压力仓21上开设有围压口20、切片模型入口22、围压排气口30、切片模型出口27，其中围压口20与所述围压跟踪泵1的出口连接；切片模型入口22与所述搅拌活塞容器4和/或气体质量流量控制器7的出口连接；围压排气口30上连接有排压阀。切片模型出口27与所述出口计量组件的入口连接。耐压玻璃25与压力仓21之间设有组合密封件24；切片模型组件还包括上压板31和下压板26，所述上压板31和下压板26，通过压紧螺丝29实现紧固。上压板31和下压板26分别在上方和下方同时压接于压力仓21、组合密封件24和耐压玻璃25上，通过压紧螺丝29实现紧固。具体实施时，组合密封件24为组合密封圈。

计量组件包括依次连接的气固液分离器14、回压阀16、回压泵17；计量组件还包括气液分离器18，所述气液分离器18的进料口与所述回压阀16连接；

气固液分离器14下方设有固体称量单元15，实现过滤出固体的称重；气液分离器18上方设有气体流量器7，气液分离器18下方设有液体称量单元19。

高低温控制组件32包括加热元件、设于切片模型组件12中的热电偶和降温器件。具体实施时，热电偶获取的数据实时传输至外部计算机终端10，降温器件可选用水冷、分冷、制冷剂循环均可。数据与图像采集组件包括设于管路上多个点位的压力传感器、数显仪表、数据采集卡、体视显微镜；压力传感器、数显仪表、数据采集卡、体视显微镜与外部计算机终端10电连接；体视显微镜镜头对准刻蚀模型28的孔隙通道处。

本发明中水合物储层渗流出砂微观可视化模拟实验方法，包括以下步骤：

将气体、液体与细砂颗粒按照预设的比例在搅拌活塞容器4中搅拌均匀，然后注入切片模型组件12中，流经刻蚀模型28，最后进入出口计量组件中，分析排出混合物中气体、液体、固体的含量；

通过显微图像采集组件记录砂粒、气相和液相在模型中的微观运移过程和颗粒淤积分布特征，以此分析研究其流动机理，同时采用显微图像采集组件观测记录微米尺度下单相流、气液双相流、气液固三相混合流在孔隙网络中的流动状态。

通过气固液分离器14、气液分离器18、干燥器，收集切片模型组件12出口处的气体、液体及砂粒，获取切片模型的驱替速度、各相流量、出砂量、流出砂最大粒径、驱替后切片模型渗透率。

在围压口20前设置有围压传感器2，在切片模型组件12前设有入口压力传感器5和安全阀6，在切片模型出口设有回压传感器13。

刻蚀模型28采用玻璃制作，具备透明、耐腐蚀性质。耐压玻璃设置上下两块，外部分别由上压板及下压板固定保护，流入口、流出口与刻蚀模型连接，围压口、排气口与压力仓连接。刻蚀模型28具有两种形式。一种形式是切片模型入口22一侧有集流嘴，中间留有通道，刻蚀模型28上雕刻出大量规则的圆柱来模拟孔隙结构，圆柱高度为100-300μm，圆柱直径为200-1200μm，孔隙通道宽度为100-1000μm；另一种形式是除了具备上述特性外，在28内部有试样池，可以预置粒径40-300μm的细颗粒，用以模拟天然气水合物储层地带的出砂粒度组成。

出口计量组件主要由回压组件、气固液分离器、气液分离器、干燥器、气体流量计、电子天平等组成。出口计量组件的作用是收集从切片模型中流出的混砂液并记录液体流量、含砂量、出砂粒径等。

本装置用于模拟不同的孔隙结构及其对应出砂规律，注入系统可按要求将纯液相、纯气相、气液混合相及气液固三相混合物注入微观切片模型中，并维持压力稳定，用于模拟不同水合物开采状态下的出砂情况，温度控制系统可以对切片模型进行加热或降温，用以模拟不同水合物开采的温度和压力状态。实验证明，该装置可以很好地模拟天然气水合物开采出砂，可以直接观察到细颗粒在气、液混合多相流体驱动下的微观运移全过程，从而分析出砂规律，对水合物储层出砂进行机理研究，为天然气水合物的高效开采提供理论基础。具体实施时，将概化和量化后的含天然气水合物储层孔隙网络结构刻蚀至耐压玻璃上形成微观模型切片，用以模拟的不同含天然气水合物储层的孔隙特征情况。从颗粒和孔隙的细观尺度入手，基于芯片刻蚀技术制备而成的微观孔隙网络模型，采用显微图像采集组件直观地观测记录微米尺度下单相流、气液双相流、气液固三相混合流在孔隙网络中的流动状态，而且采集到的流动图像分辨率高，能够满足深入细致研究水合物储层渗流出砂机理的要求。实现了水合物储层渗流出砂过程的微观可视化模拟，解决了水合物开采过程中气液固在储层内部结构中运移的直观性表征，有利于对水合物储层的渗流出砂进行机理研究，为天然气水合物的高效开发提供理论依据。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。