一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置及方法

摘要

本发明属于气体水合物技术领域，针对现有技术中存在的目前水合物储层毛管压力测量方法欠缺的现状，本发明的目的在于提供一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置及方法，该装置包括样品夹持器以及与其相连的环压冷却系统、气体注入/排出系统、液体注入/排出系统、数据采集系统。此方法结合低场核磁共振技术，可以精确获取水合物饱和度，时时监测水合物稳定性，完成在不同水合物饱和度下多孔介质的毛管压力曲线准确测量，为水合物开采数值模拟提供基础数据。

说明书

技术领域

本发明属于气体水合物技术领域，具体涉及一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置及方法。

背景技术

气体水合物是一种气体与水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质。在自然界中已经发现大量天然气与水形成的水合物，是一种潜在的新型清洁能源。在水合物的产量数值模拟研究中，需要获取储层毛细管压力模型。对于水合物储层，毛细管压力不仅受到储层流体润湿性、储层孔隙结构影响，同时还受到水合物饱和度影响。由于水合物在温度和压力改变的条件下极易发生相变，因此，对含水合物沉积物毛管力测试成功的关键是将测试系统的温度和压力稳定在水合物相变条件以上。目前针对含水合物储层的毛管力测量方法技术鲜有提出。

针对目前水合物储层毛管压力测量方法欠缺的现状，涉及研发获取含气体水合物多孔介质毛细管压力的装置和方法，为水合物开采数值模拟提供基础数据，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的目前水合物储层毛管压力测量方法欠缺的现状，本发明的目的在于提供一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置及方法。

本发明采取的技术方案为：

一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置，包括样品夹持器以及与其相连的环压冷却系统、气体注入/排出系统、液体注入/排出系统、数据采集系统；

所述样品夹持器的外部主体设置为夹持管，夹持管具体设置为内部中空的PEEK管(聚醚醚酮树脂管)，样品夹持器的内部设置为中空内腔结构，样品夹持器的两端部分别设置为气体进口和液体进口，气体进口和液体进口均通过压帽、堵头a和夹持管连接。

进一步的，所述样品夹持器的中空内腔中嵌设样品，样品的外侧设置有热缩套，热缩套的两端设置有堵头b，堵头b具体设置为PEEK堵头(聚醚醚酮树脂堵头)，堵头b的内侧自由端部设置为堵头环形纹路，堵头b的外侧自由端嵌设气体/液体进出口管线，堵头b和热缩套的连接处通过橡胶圈密封，热缩套通过加热收缩将样品密封，通过橡胶圈的密封将流体分流。

进一步的，所述环压冷却系统包括液体冷却仪、环压跟踪泵、环压注入泵，所述液体冷却仪的输入端通过冷却管和环压液入口连接，输出端和环压跟踪泵的输入端连接，环压跟踪泵的输出端分别通过冷却管和环压液出口端、环压注入泵连接，通过环压注入泵向样品夹持器内注入环压液，通过液体冷却仪中的低温防冻液将通过的环压液制冷。

为水合物生成提供低温环境，同时为多孔介质提供环压，以模拟真实地层压力。环压液为氟化液(FC-70)，在低场核磁共振技术中不会产生信号。液体冷却仪中的冷却液体为防冻液，主要作用是将通过的环压液制冷。通过控制冷却仪中冷却液温度设定以及环压泵流速精准控制系统温度变化，可精确到±0.1℃。

进一步的，所述气体注入/排出系统包括气体注入系统和气体排出回压系统，

所述气体注入系统包括依次连接的气源、气体冷却仪、气体调压阀、气体流量控制器，气体流量控制器通过注气管和样品夹持器连接，气体流量控制器通过控制线路和数据采集器19连接，气体冷却仪中的冷却液体为防冻液，通过气体冷却仪中的低温防冻液将注入夹持器的气体冷却，防止气体温度过高注入夹持器中导致水合物温度环境变化而分解；通过气体调压阀控制水合物合成时样品夹持器内压力，精度为±0.01MPa；在气体驱替水过程中，通过气体流量控制器将气体以设定速度持续注入样品夹持器中对饱和水样品进行驱替，精度为0.01ml/min；

所述气体排出回压系统包括依次连接的回压阀控制泵a、气体排出回压阀、气体干燥器，气体干燥器通过排气管和样品夹持器连接，通过气体排出回压阀保持实验过程中向样品夹持器注水挤压气体排出过程中系统气体压力不变；所述气体干燥器采用耐高压有机玻璃制成，内置无水硫酸铜，通过气体干燥器监测实验过程向样品夹持器注水的完成时刻。

进一步的，所述液体注入/排出系统包括液体注入系统和液体排出回压系统，

液体注入系统包括依次连接的水源、液体冷却仪和高压液体注入泵，高压液体注入泵通过注液管和样品夹持器连接；通过高压液体注入泵将液体在设定流速和压力下注入样品，通过液体冷却仪将注入样品夹持器的液体制冷；防止过高温度液体进入样品导致样品内稳压环境波动水合物分解；

液体排出回压系统包括依次连接的回压控制泵b和液体排出回压阀，液体排出回压阀通过排液管和样品夹持器连接，通过液体排出回压阀控制气体驱替水过程系统内水压力不变，通过回压控制泵b控制液体排出回压阀压力设置。

进一步的，所述数据采集系统包括温度传感器、核磁仪器、差压传感器、数据采集器、计算机，温度传感器设置在与样品夹持器相连的冷却管上，通过温度传感器测试环压液温度；核磁仪器设置在样品夹持器外侧，通过核磁仪器进行核磁信号采集和处理；差压传感器设置在与样品夹持器进出口相连的管路上，通过差压传感器获取样品进出口压差即毛细管压力；通过数据采集器采集各仪器信号并记录在计算机上。

一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量方法，采用所述一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置，包括如下步骤：

(1)在样品中生成稳定的水合物；

(2)在不改变水合物饱和度的情况下，向样品中注水；

(3)利用注入气体逐步排驱试样中的水，同时监测注气侧与被驱替水侧压力差；

(4)连接到实验装置不同部分的温度和压力传感器连接到以计算机为基础的数据采集设备，以5秒的间隔记录数据。

进一步的，一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量方法，具体包括如下步骤：

a、制备样品：将样品装入第一层热缩套的管套中，采用第二层热缩套将两端堵头b与样品连接并加热收缩，控制样品与堵头b之间保持紧贴，将样品装入夹持器中；

b、开启制冷系统，对样品进行降温，抽真空、测试气密性；

c、降温完成后，通过气体泵将气体缓慢注入样品中，同时将气体排出回压系统的回压泵压力设定到实验所需压力，在设定的温度和压力下进行水合物生成；

d、在水合物形成后，通过气体排出回压系统缓慢排放甲烷气体逐渐降低压力，通过调节系统压力条件，使系统温度、压力条件维持在水合物相平衡曲线左右，通过低场核磁共振监测样品中信号量，保持其不变，则水合物生成达到稳定状态；保持水合物的压力和温度条件在水合物稳定的条件下是非常重要的，以保证水合物饱和度在液态水注入和排驱的过程中不发生变化。

e、水合物合成达到稳定后，关闭气体注入阀门，打开气体排出回压系统阀门，通过高压液体注入泵将蒸馏水以设定压力和速度快速注入，待气体干燥器中监测到水分排出则关闭液体注入及气体排出阀门，完成液体注入过程；

开启气体排出回压系统阀门，为保证气体及时排出，注入过程系统内气体压力不变。完成液体注入后关闭此回压系统阀门。液体注入过程同时打开液体排出回压系统阀门，让回压系统中充满相同压力的液体。此过程保持液体注入速度平稳快速，防止气体在样品中形成气泡滞留。润湿前缘将以活塞式驱替方式前进，而导致气体截留的毛细管驱动流动的可能性最小。

f、开启气体注入泵，以一定压力和速度对样品中水进行驱替，驱替过程通过液体排出回压系统排出液体，并控制气压和水压压力保持稳定；

g、重复步骤e-f，改变气体驱替压力，获取不同含水饱和度下毛管压力，最后得到此水合物饱和度下毛细管压力随含水饱和度变化曲线；

h、重复过程1-5可得到不同水合物饱和度下毛管压力曲线。

进一步的，在样品中生成稳定的水合物过程中，

所述步骤a中将待测样品饱和水，形成设定含水饱和度Sw，利用低场核磁共振仪对样品中水质量进行测量，获取样品中水的体积V

所述步骤c中保持系统温度稳定，利用低场核磁共振仪对样品中水质量进行测量，获取水合物生成后样品中水的体积V

进一步的，所述步骤f中水在非常低的流速下被驱替，保持驱替过程缓慢进行，根据低场核磁共振仪获取样品中水的量V

本发明的有益效果为：

本专利提出了一种获取含气体水合物多孔介质毛细管压力的方法。此方法结合低场核磁共振技术，可以精确获取水合物饱和度，时时监测水合物稳定性，完成在不同水合物饱和度下多孔介质的毛管压力曲线准确测量，为水合物开采数值模拟提供基础数据。

附图说明

图1为本发明中含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明中样品夹持器的结构示意图；

图3为本发明中样品夹持器的内部结构示意图；

其中，1、气源；2、气体冷却仪；3、气体调压阀；4、气体流量控制器；5、气体排出回压阀；6、回压控制泵a；7、气体干燥器；8、环压液冷却仪；9、环压跟踪泵；10、环压注入泵；11、温度传感器；12、液体排出回压阀；13、回压控制泵b；14、高压液体注入泵；15、液体冷却仪；16、水源；17、核磁磁体；18、差压传感器；19、数据采集器；20、计算机；21、样品夹持器；22、气体进口；23、液体进口；24、压帽；25、堵头a；26、夹持管；27、样品；28、环压冷却液进口；29、环压冷却液出口；30、热缩套；31、堵头b；32、气体/液体进出口管线；33、橡胶圈；34、堵头环形纹路。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

如图1所示，一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置，包括样品夹持器21以及与其相连的环压冷却系统、气体注入/排出系统、液体注入/排出系统、数据采集系统；

如图2所示，所述样品夹持器21的外部主体设置为夹持管26，样品夹持器21的内部设置为中空内腔结构，样品夹持器21的两端部分别设置为气体进口22和液体进口23，气体进口22和液体进口23均通过压帽24、堵头a25(不锈钢堵头)和夹持管26连接，夹持管26具体设置为内部中空的PEEK管(聚醚醚酮树脂管)。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3所示，所述样品夹持器21的中空内腔中嵌设样品，样品27的外侧设置有热缩套30，热缩套30的两端设置有堵头b31，堵头b31具体设置为PEEK堵头(聚醚醚酮树脂堵头)，堵头b31的内侧自由端部设置为堵头环形纹路34，堵头b31的外侧自由端嵌设气体/液体进出口管线32，堵头b31和热缩套30的连接处通过橡胶圈33密封，热缩套30通过加热收缩将样品密封，通过橡胶圈33的密封将流体分流，实现外部环压液均匀驱替。

本发明的又一实施例，如图1所示，所述环压冷却系统包括环压液冷却仪8、环压跟踪泵9、环压注入泵10，所述环压液冷却仪8的输入端通过冷却管和环压液入口28连接，输出端和环压跟踪泵9的输入端连接，环压跟踪泵9的输出端分别通过冷却管和环压液出口29、环压注入泵10连接，通过环压注入泵10向样品夹持器21内注入环压液，通过环压液冷却仪8中的低温防冻液将通过的环压液制冷。

为水合物生成提供低温环境，同时为多孔介质提供环压，以模拟真实地层压力。环压液为氟化液(FC-70)，在低场核磁共振技术中不会产生信号。环压液冷却仪8中的冷却液体为防冻液，主要作用是将通过的环压液制冷。通过控制冷却仪中冷却液温度设定以及环压泵流速精准控制系统温度变化，可精确到±0.1℃。

本发明的又一实施例，如图1所示，所述气体注入/排出系统包括气体注入系统和气体排出回压系统，

所述气体注入系统包括依次连接的气源1、气体冷却仪2、气体调压阀3、气体流量控制器4，气体流量控制器4通过注气管和样品夹持器21连接，气体流量控制器4通过控制线路和数据采集器19连接，气体冷却仪2中的冷却液体为防冻液，通过气体冷却仪2中的防冻液将注入夹持器21的气体冷却，防止气体温度过高注入夹持器中导致水合物温度环境变化而分解；通过气体调压阀3控制水合物合成时样品夹持器21内压力，精度为±0.01MPa；在气体驱替水过程中，通过气体流量控制器4将气体以设定速度持续注入样品夹持器21中对饱和水样品进行驱替，精度为0.01ml/min；

本发明的又一实施例，如图1所示，所述气体排出回压系统包括依次连接的回压阀控制泵a6、气体排出回压阀5、气体干燥器7，气体干燥器7通过排气管和样品夹持器21连接，通过气体排出回压阀5保持实验过程中向样品夹持器21注水挤压气体排出过程中系统气体压力不变；所述气体干燥器7采用耐高压有机玻璃制成，内置无水硫酸铜，通过气体干燥器7监测实验过程向样品夹持器21注水的完成时刻。

本发明的又一实施例，如图1所示，所述液体注入/排出系统包括液体注入系统和液体排出回压系统，

液体注入系统包括依次连接的水源16、液体冷却仪15和高压液体注入泵14，高压液体注入泵14通过注液管和样品夹持器21连接；通过高压液体注入泵14将液体在设定流速和压力下注入样品，通过液体冷却仪15将注入样品夹持器21的液体制冷；防止过高温度液体进入样品导致样品内稳压环境波动水合物分解；

液体排出回压系统包括依次连接的回压控制泵b13和液体排出回压阀12，液体排出回压阀12通过排液管和样品夹持器21连接，通过液体排出回压阀12控制气体驱替水过程系统内水压力不变，通过回压控制泵b13控制液体排出回压阀12压力设置。

本发明的又一实施例，如图1所示，所述数据采集系统包括温度传感器11、核磁仪器17、差压传感器18、数据采集器19、计算机20，温度传感器11设置在与样品夹持器21相连的冷却管上，通过温度传感器11测试环压液温度；核磁仪器17设置在样品夹持器21外侧，通过核磁仪器17进行核磁信号采集和处理；差压传感器18设置在与样品夹持器21进出口相连的管路上，通过差压传感器18获取样品进出口压差即毛细管压力；数据采集器19采集各仪器信号并记录在计算机20上。

本发明的又一实施例，一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量方法，采用所述一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量装置，包括如下步骤：

(1)在样品中生成稳定的水合物；

(2)在不改变水合物饱和度的情况下，向样品中注水；

(3)利用注入气体逐步排驱试样中的水，同时监测注气侧与被驱替水侧压力差；

(4)连接到实验装置不同部分的温度和压力传感器连接到以计算机为基础的数据采集设备，以5秒的间隔记录数据。

本发明的又一实施例，一种含气体水合物的多孔介质毛细管压力测量方法，具体包括如下步骤：

a、制备样品：将热缩套加热，形成直径2.5cm，长度6cm的管套，将待测样品饱和水，形成设定含水饱和度Sw，将样品装入第一层热缩套中，然后选取12cm长热缩套，利用第二层热缩套将两端头b与样品连接并加热收缩，样品与堵头b之间保持紧贴，将样品装入夹持器中，将堵头组装；利用低场核磁共振仪对样品中水质量进行测量，获取样品中水的体积V

b、开启制冷系统，对样品进行降温，抽真空、测试气密性；

c、降温完成后，通过气体泵将气体缓慢注入样品中，保持注入气体速度1ml/min，同时将气体排出回压系统中回压泵压力设定到实验所需压力，在设定的温度和压力下进行水合物生成；

所述步骤c中保持系统温度稳定，利用低场核磁共振仪对样品中水质量进行测量，获取水合物生成后样品中水的体积V

d、在水合物形成后，通过气体排出回压系统缓慢排放甲烷气体逐渐降低压力，通过调节系统压力条件，使系统温度、压力条件维持在水合物相平衡曲线左右，通过低场核磁共振监测样品中信号量，保持其不变，则水合物生成达到稳定状态；保持水合物的压力和温度条件在水合物稳定的条件下是非常重要的，以保证水合物饱和度在液态水注入和排驱的过程中不发生变化。

e、水合物合成达到稳定后，关闭气体注入阀门，打开气体排出回压系统阀门，通过高压液体注入泵将蒸馏水以设定压力和速度快速注入，待气体干燥器7中监测到水分排出则关闭液体注入及气体排出阀门，完成液体注入过程；

开启气体排出回压系统阀门，为保证气体及时排出，注入过程系统内气体压力不变。完成液体注入后关闭此回压系统阀门。液体注入过程同时打开液体排出回压系统阀门，让回压系统中充满相同压力液体。此过程保持液体注入速度平稳快速，防止气体在样品中形成气泡滞留。润湿前缘将以活塞式驱替方式前进，而导致气体截留的毛细管驱动流动的可能性最小。

f、开启气体注入泵，以一定压力和速度对样品中水进行驱替，驱替过程保持液体排出回压系统阀门打开状态，系统内气体和液体压力保持稳定；

所述步骤f中水在非常低的流速(0.01-0.05ml/min)下被驱替，保持驱替过程缓慢进行，根据低场核磁共振仪获取样品中水的量V

g、重复步骤e-f，改变气体驱替压力，获取不同含水饱和度下毛管压力，最后得到此水合物饱和度下毛细管压力随含水饱和度变化曲线；

h、重复过程1-5可得到不同水合物饱和度下毛管压力曲线。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。