联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种联合X‑CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法，所述测量装置包括X射线穿透式反应釜、X‑CT扫描分析系统、抽真空系统、温压控制系统、水合物样品制备系统、出砂监测系统以及渗透率测量系统；通过微观尺度多因素耦合作用下的出砂‑渗流系统的整合应用，能够定量描述多因素协同作用下的储层结构和物性时空演化与流固体产出之间的耦合关系，并可根据实验需要选择不同的水合物生成方式，模拟研究自然沉积物中不同水合物赋存状态，可用于研究水合物聚散和有效应力条件下沉积物孔隙结构时空演变特征及其对沉积物流固体产出的影响规律，从而突破水合物开采过程中水合物储层结构和物性演化与流固体产出机制这一理论瓶颈，对于深刻理解我国南海水合物降压开采规律并切实改善其产气效率以及完善降压开采技术体系具有重要的工程意义。

Solid Output Measuring Device and Measuring Method of Hydrate Sediment Flow Based on X-CT Technology

The invention discloses a solid output measurement device and a measurement method for hydrate sediment flow by combining X CT technology. The measurement device includes X-ray penetrating reactor, X CT scanning and analysis system, vacuum pumping system, temperature and pressure control system, hydrate sample preparation system, sand production monitoring system and permeability measurement system under the coupling effect of micro-scale and multi-factors. The integrated application of sand-seepage system can quantitatively describe the coupling relationship between reservoir structure and physical property evolution under the synergistic action of multiple factors and fluid-solid production. Different hydrate formation modes can be selected according to the experimental needs to simulate different Hydrate Occurrence States in natural sediments. It can be used to study sediment pore under hydrate dispersion and effective force conditions. The spatial-temporal evolution characteristics of structure and its influence on the solid output of sediment flow break through the theoretical bottleneck of hydrate reservoir structure and physical property evolution and fluid-solid production mechanism in the process of hydrate exploitation, which is of great engineering significance for deeply understanding the law of depressurization exploitation of South China Sea hydrate, improving its gas production efficiency and perfecting the depressurization exploitation technology system.

【技术实现步骤摘要】
联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法
本专利技术属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测量
，具体涉及一种联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法。
技术介绍
天然气水合物在自然界中广泛存在，主要分布在大陆架和冻土区域，由于其储量巨大、高效、清洁无污染等特点，被认为是一种潜在的能源资源。近年来，天然气水合物勘探开发逐渐受到各个国家的高度重视，积极开发利用天然气水合物对于缓解能源供应、调整能源结构和减少大气污染具有重要的意义。然而，根据试采产水、产气的资料显示，试采产气率无法满足现阶段商业化开采的需求，仍存在很多关键难题需要解决。水合物复杂的相变过程及有限的研究方式，致使水合物的开采方式存在很大争议。目前，降压开采是公认最有效的开采方式，渗透率是评价水合物降压开采中产水、产气的一个重要参数，而沉积物中的水合物分解和二次形成、骨架颗粒的脱落以及多相流运移使得渗透率呈现出复杂的动态变化特征。降压过程中水合物的分解增加孔隙度和有效渗透率，改变还未分解水合物和骨架颗粒之间的接触模式，而随着水气运移，储层有效应力增加，固结压缩使孔隙度变小，有效渗透率降低，水气运移阻力增加，而且当骨架颗粒受力达到某一临界值时，固体骨架颗粒(如泥、砂等)会发生位移，反过来又影响水气产出。水合物降压开采实质上是水合物聚散与应力作用下水气和固体(泥、沙等)运移与产出过程，因此，定量描述流固体运移产出之间的复杂耦合机制成为了突破水合物藏开采产能和出砂模拟瓶颈的关键技术问题，成为了评价水合物开采过程中安全高效产气的核心要点。近年来，国内外许多高校及研究机构开展了含水合物沉积物流固体产出的实验测量工作，并研制了一系列实验测量装置，能够在一定程度上模拟水合物开采过程，但目前已有的含水合物沉积物流固体产出测量都是基于宏观尺度的解耦实验，得到的出砂及产水、产气规律应用于实际工程中存在很大偏差。沉积物流固体产出特征很大程度上取决于骨架压缩与水合物分解共同作用的微观孔隙结构演化，准确刻画水合物聚散过程及应力条件下孔隙结构演化规律及流固体运移产出响应机理显得十分重要。室内实验中天然气水合物生成是随机的，其在沉积物孔隙中的分布是不均匀的，测量结果无法反映水合物聚散过程中流固体运移与沉积物基本结构参数的响应规律，进而无法准确评估水合物降压开采过程中的流固体产出量。因此，为满足我国南海水合物资源的开发需求，突破水合物开采中水合物储层结构和物性演化与流固体运移产出机制这一基础理论瓶颈，准确评估天然气水合物开采过程中的产水、产气量，亟待设计一种能实时观测含水合物沉积物微观结构变化特征的流固体产出测量装置。
技术实现思路
本专利技术为了定量描述水合物聚散和应力条件下沉积物孔隙结构时空演化及流固体运移耦合响应机制，提出了一种联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置及测量方法，能够直观观测水合物聚散和应力条件下水合物赋存状态及流固体运移产出特征，探究沉积物孔隙结构时空演化及流固体耦合运移响应机制，为水合物开发方案制定与开采产能评价提供坚实的理论基础。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置，包括X射线穿透式反应釜以及与X射线穿透式反应釜相连的X-CT扫描分析系统、抽真空系统、温压控制系统、水合物样品制备系统、出砂监测系统以及渗透率测量系统，且X-CT扫描分析系统、温压控制系统、出砂监测系统和渗透率测量系统均与一计算机相连；所述X射线穿透式反应釜用于水合物的合成和分解；X-CT扫描分析系统用于实时扫描沉积物微观结构，温压控制系统用以模拟水合物储层真实温度和地层应力环境，为水合物生成和分解提供合适的温度与压力；水合物样品制备系统提供水合物生成所需的反应物，所述出砂监测系统用以监测不同应力条件下的出砂量，所述渗透率测量系统为渗流实验提供相应的流体，采集并存储沉积物样品温度、压差和流体流量实验数据，根据达西定律计算渗透率；所述X射线穿透式反应釜设置在X-CT扫描分析系统内，试验过程中，能够通过X-CT扫描分析系统实时扫描含水合物沉积物微观结构特征，探究水合物聚散和应力条件下沉积物时空演化特征及其主要因素，包括由不屏蔽X射线的PEEK材料制作的反应釜外腔体和反应釜内腔体，反应釜内腔体外壁与反应釜外腔体内壁之间密封形成冷却水循环腔室，反应釜外腔体上设置有冷却循环介质入口和冷却循环介质出口，冷却循环介质入口和冷却循环介质出口呈180度对角布置；反应釜内腔体内设有一容纳沉积物样品的样品腔室，沉积物样品的两端分别设置有上透水石和下透水石，样品腔室的一端设置有一活塞柱体，反应釜外腔体与活塞柱体之间通过上法兰盖螺纹锁紧，反应釜外腔体和反应釜内腔体之间通过一下法兰盖螺纹锁紧；所述活塞柱体与反应釜外腔体和反应釜内腔体之间密封连接形成轴压腔室；反应釜内腔体上设置有与样品腔室连通的渗流入口，活塞柱体上设置有与样品腔室连通的渗流出口；样品腔室的两侧还分别设置有烧结板和出砂口，烧结板的上端连接有压力流体接口，所述压力流体接口包括气体接口和液体接口，出砂口处设置有防砂管，所述防砂管外连接有一螺旋堵塞柱体，所述螺旋堵塞柱体轴向垂直于所述反应釜内腔体，在出砂实验结束后用于堵塞出砂口，开展渗流实验，防砂管下端连接出砂监测系统，渗流出口端与一回压控制模块相连，所述回压控制模块包括回压泵和回压阀，回压阀与渗流出口端之间还设置有第三阀门，该反应釜结构设计新颖，整体能够快速拆卸、试验后方便清洗；所述的水合物样品制备系统与X射线穿透式反应釜的渗流入口相连，包括高压气瓶、蒸馏水罐、冷却气水容器、第二平流泵以及设置在冷却气水容器内的磁力搅拌器，高压气瓶与冷却气水容器相连，高压气瓶内的高压气根据实验要求选择CH4或CO2，蒸馏水罐通过第二平流泵与冷却气水容器相连，磁力搅拌器用以促进高压气体溶解于水；冷却气水容器包括气水容器和第一冷却循环机，气水容器设置于第一冷却循环机中；高压气瓶的出口端设置有第二阀门，高压气瓶通过第二阀门分为三路：一路通过第七阀门与气体接口相连，一路通过第五阀门与冷却气水容器相连，另一路通过第九阀门与渗流入口相连；冷却气水容器与渗流入口之间还设置有第三阀门，第二平流泵与蒸馏水罐之间设置有第六阀门，实验过程中可根据实验需要开启对应的阀门，选择不同的水合生成方式(过量气法、过量水法、饱和气水法)，从而模拟研究自然沉积物中不同水合物赋存状态，可用于研究水合物聚散和有效应力条件下沉积物孔隙结构时空演变特征及其对沉积物流固体产出的影响规律。所述渗透率测量系统包括自动压力追踪泵、第一压力表、第二压力表、压差计以及流量计，自动压力追踪泵用以实现孔隙流体压力控制，自动压力追踪泵的一端与冷却气水容器相连，另一端分为两路：一路通过第十阀门与渗流入口相连，另一路通过第八阀门与液体接口相连，第一压力表和第二压力表分别设置在渗流入口端和渗流出口端，压差计设置在渗流入口和渗流出口之间，用以实时监测沉积物样品两端压差变化；自动压力追踪泵用以实现孔隙流体压力控制，并实现自动追踪；流量计、回压阀和第三阀门设置在渗流出口与冷却气水容器之间，流量计用以对出渗流出口端出液管流出的液体流量进行监测，渗透率测量系统通过连接计算机采集并存储沉积物样品的温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合X‑CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置，其特征在于，包括X射线穿透式反应釜以及与X射线穿透式反应釜相连的X‑CT扫描分析系统、抽真空系统、温压控制系统、水合物样品制备系统、出砂监测系统以及渗透率测量系统，且X‑CT扫描分析系统、温压控制系统、出砂监测系统和渗透率测量系统均与一计算机相连；所述X射线穿透式反应釜用于水合物的合成和分解；X‑CT扫描分析系统用于实时扫描沉积物微观结构；温压控制系统用以模拟水合物储层真实温度和地层应力环境，为水合物生成和分解提供合适的温度与压力；水合物样品制备系统提供水合物生成所需的反应物，所述出砂监测系统用以监测不同应力条件下的出砂量，所述渗透率测量系统为渗流实验提供相应的流体，采集并存储沉积物样品温度、压差和流体流量实验数据，根据达西定律计算渗透率；所述X射线穿透式反应釜设置在X‑CT扫描分析系统内，包括由PEEK材料制作的反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)，反应釜内腔体(25)外壁与反应釜外腔体(30)内壁之间密封形成冷却水循环腔室(N)，反应釜外腔体(30)上设置有冷却循环介质入口(29)和冷却循环介质出口(39)，冷却循环介质入口(29)和冷却循环介质出口(39)呈180度对角布置；反应釜内腔体(25)内设有一容纳沉积物样品(1)的样品腔室，沉积物样品(1)的两端分别设置有上透水石(28‑2)和下透水石(28‑1)，样品腔室的一端设置有一活塞柱体(35)，反应釜外腔体(30)与活塞柱体(35)之间通过上法兰盖(34)螺纹锁紧，反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)之间通过一下法兰盖(26)螺纹锁紧；所述活塞柱体(35)与反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)之间密封连接形成轴压腔室(M)；反应釜内腔体(25)上设置有与样品腔室连通的渗流入口(24)，活塞柱体(35)上设置有与样品腔室连通的渗流出口(37)；样品腔室的两侧还分别设置有烧结板(32)和出砂口(42)，烧结板(32)的上端连接有压力流体接口，所述压力流体接口包括气体接口(31)和液体接口(33)，出砂口(42)处设置有防砂管(41)，所述防砂管(41)外连接有一螺旋堵塞柱体(40)，所述螺旋堵塞柱体(40)轴向垂直于所述反应釜内腔体(25)，在出砂实验结束后用于堵塞出砂口，开展渗流实验，防砂管下端连接出砂监测系统，渗流出口(37)端与一回压控制模块相连，所述回压控制模块包括回压泵和回压阀(15)，回压阀(15)与渗流出口(37)端之间还设置有第三阀门(23‑3)；所述的水合物样品制备系统与X射线穿透式反应釜的渗流入口(24)相连，包括高压气瓶(17)、蒸馏水罐(18)、冷却气水容器(19)、第二平流泵(12‑2)以及设置在冷却气水容器内的磁力搅拌器，高压气瓶(17)与冷却气水容器(19)相连，蒸馏水罐(18)通过第二平流泵(12‑2)与冷却气水容器(19)相连，磁力搅拌器用以促进高压气体溶解于水；冷却气水容器(19)包括气水容器和第一冷却循环机，气水容器设置于第一冷却循环机中；高压气瓶(17)的出口端设置有第二阀门(23‑2)，高压气瓶(17)通过第二阀门(23‑2)分为三路：一路通过第七阀门(23‑7)与气体接口(31)相连，一路通过第五阀门(23‑5)与冷却气水容器(19)相连，另一路通过第九阀门(23‑9)与渗流入口(24)相连；冷却气水容器(19)与渗流入口(24)之间还设置有第三阀门(23‑3)，第二平流泵(12‑2)与蒸馏水罐(18)之间设置有第六阀门(23‑6)；所述渗透率测量系统包括自动压力追踪泵(20)、第一压力表(2‑1)、第二压力表(2‑2)、压差计(4)以及流量计(14)，自动压力追踪泵(20)的一端与冷却气水容器(19)相连，另一端分为两路：一路通过第十阀门(23‑10)与渗流入口(24)相连，另一路通过第八阀门(23‑8)与液体接口(33)相连，第一压力表(2‑1)和第二压力表(2‑1)分别设置在渗流入口(24)端和渗流出口(37)端，压差计(4)用以实时监测沉积物样品(1)两端压差变化；自动压力追踪泵(20)用以实现孔隙流体压力控制，并实现自动追踪；流量计(14)、回压阀(15)和第三阀门(23‑3)设置在渗流出口(37)与冷却气水容器(19)之间，流量计(14)用以对出渗流出口(37)端出液管流出的液体流量进行监测。...

【技术特征摘要】
1.一种联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置，其特征在于，包括X射线穿透式反应釜以及与X射线穿透式反应釜相连的X-CT扫描分析系统、抽真空系统、温压控制系统、水合物样品制备系统、出砂监测系统以及渗透率测量系统，且X-CT扫描分析系统、温压控制系统、出砂监测系统和渗透率测量系统均与一计算机相连；所述X射线穿透式反应釜用于水合物的合成和分解；X-CT扫描分析系统用于实时扫描沉积物微观结构；温压控制系统用以模拟水合物储层真实温度和地层应力环境，为水合物生成和分解提供合适的温度与压力；水合物样品制备系统提供水合物生成所需的反应物，所述出砂监测系统用以监测不同应力条件下的出砂量，所述渗透率测量系统为渗流实验提供相应的流体，采集并存储沉积物样品温度、压差和流体流量实验数据，根据达西定律计算渗透率；所述X射线穿透式反应釜设置在X-CT扫描分析系统内，包括由PEEK材料制作的反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)，反应釜内腔体(25)外壁与反应釜外腔体(30)内壁之间密封形成冷却水循环腔室(N)，反应釜外腔体(30)上设置有冷却循环介质入口(29)和冷却循环介质出口(39)，冷却循环介质入口(29)和冷却循环介质出口(39)呈180度对角布置；反应釜内腔体(25)内设有一容纳沉积物样品(1)的样品腔室，沉积物样品(1)的两端分别设置有上透水石(28-2)和下透水石(28-1)，样品腔室的一端设置有一活塞柱体(35)，反应釜外腔体(30)与活塞柱体(35)之间通过上法兰盖(34)螺纹锁紧，反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)之间通过一下法兰盖(26)螺纹锁紧；所述活塞柱体(35)与反应釜外腔体(30)和反应釜内腔体(25)之间密封连接形成轴压腔室(M)；反应釜内腔体(25)上设置有与样品腔室连通的渗流入口(24)，活塞柱体(35)上设置有与样品腔室连通的渗流出口(37)；样品腔室的两侧还分别设置有烧结板(32)和出砂口(42)，烧结板(32)的上端连接有压力流体接口，所述压力流体接口包括气体接口(31)和液体接口(33)，出砂口(42)处设置有防砂管(41)，所述防砂管(41)外连接有一螺旋堵塞柱体(40)，所述螺旋堵塞柱体(40)轴向垂直于所述反应釜内腔体(25)，在出砂实验结束后用于堵塞出砂口，开展渗流实验，防砂管下端连接出砂监测系统，渗流出口(37)端与一回压控制模块相连，所述回压控制模块包括回压泵和回压阀(15)，回压阀(15)与渗流出口(37)端之间还设置有第三阀门(23-3)；所述的水合物样品制备系统与X射线穿透式反应釜的渗流入口(24)相连，包括高压气瓶(17)、蒸馏水罐(18)、冷却气水容器(19)、第二平流泵(12-2)以及设置在冷却气水容器内的磁力搅拌器，高压气瓶(17)与冷却气水容器(19)相连，蒸馏水罐(18)通过第二平流泵(12-2)与冷却气水容器(19)相连，磁力搅拌器用以促进高压气体溶解于水；冷却气水容器(19)包括气水容器和第一冷却循环机，气水容器设置于第一冷却循环机中；高压气瓶(17)的出口端设置有第二阀门(23-2)，高压气瓶(17)通过第二阀门(23-2)分为三路：一路通过第七阀门(23-7)与气体接口(31)相连，一路通过第五阀门(23-5)与冷却气水容器(19)相连，另一路通过第九阀门(23-9)与渗流入口(24)相连；冷却气水容器(19)与渗流入口(24)之间还设置有第三阀门(23-3)，第二平流泵(12-2)与蒸馏水罐(18)之间设置有第六阀门(23-6)；所述渗透率测量系统包括自动压力追踪泵(20)、第一压力表(2-1)、第二压力表(2-2)、压差计(4)以及流量计(14)，自动压力追踪泵(20)的一端与冷却气水容器(19)相连，另一端分为两路：一路通过第十阀门(23-10)与渗流入口(24)相连，另一路通过第八阀门(23-8)与液体接口(33)相连，第一压力表(2-1)和第二压力表(2-1)分别设置在渗流入口(24)端和渗流出口(37)端，压差计(4)用以实时监测沉积物样品(1)两端压差变化；自动压力追踪泵(20)用以实现孔隙流体压力控制，并实现自动追踪；流量计(14)、回压阀(15)和第三阀门(23-3)设置在渗流出口(37)与冷却气水容器(19)之间，流量计(14)用以对出渗流出口(37)端出液管流出的液体流量进行监测。2.根据权利要求1所述的联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置，其特征在于：所述温压控制系统包括温度控制系统及压力控制系统，所述温度控制系统包括第二冷却循环机(13)及设置在冷却循环腔室(N)内的温度传感器(3)，第二冷却循环机(13)的进、出水口分别与冷却循环介质入口(29)和冷却循环介质出口(39)对应的相连接；所述压力控制系统包括水箱(11)、第一平流泵(12-1)以及第一压力表(2-1)和第二压力表(2-2)，压力控制系统与轴压入口(36)和轴压出口(38)相连并形成循环回路，第一平流泵(12-1)与水箱(11)相连，第一平流泵(12-1)与水箱(11)之间还设置有第一阀门(23-1)，水箱(11)为第一平流泵(12-1)提供压力载体介质，以通过第一平流泵(12-1)给沉积物样品(1)施加轴压。3.根据权利要求1所述的联合X-CT技术的水合物沉积物流固体产出测量装置，其特征在于，所述出砂监测系统包括防砂管(41)、液固分离器(5)、气体流量计(7)、气量收集装置(8)、液体流量计(9)、液体收集装置(10)和固体收集装置(6)；液固分离器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张准，刘昌岭，刘乐乐，宁伏龙，李承峰，孟庆国，李彦龙，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37