一种测量水合物储层沉降变形场的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种测量水合物储层沉降变形场的装置及方法，包括天然气水合物储层模拟反应釜模块、流体供给与控制模块、开采过程模拟模块和光纤沉降场感测模块。本发明专利技术是一种基于受激布里渊时域分析技术的水合物储层沉降变形场模拟装置及模拟方法，实现了模拟水合物生成的高压低温条件，形成含水合物模拟储层，能够模拟一定上覆地层压力条件和开采条件，观察水合物储层在纵向的沉降变形规律，也能模拟当下伏地层存在一定上拱压力的条件下，水合物储层在纵向的沉降变形规律。本发明专利技术实现了模拟测量水合物深部储层沉降变形，能够获得整个变形场的变形特征，对评价工程资质风险发生、发展及其对开采影响意义重大。

【技术实现步骤摘要】
一种测量水合物储层沉降变形场的装置及方法
本专利技术属于水合物开采过程室内实验评价领域，具体涉及一种测量天然气水合物开采过程中储层沉降规律及其纵向分布特征的装置及方法。
技术介绍
海洋天然气水合物开采储层的沉降主要来源于地层物质亏空和应力状态改变两种因素。地层物质亏空主要包括水合物分解产出、地层出砂两种因素，而应力状态改变则主要是指水合物分解导致沉积物力学性能降低、流体产出导致孔隙压力降低，综合作用结果就是沉积物所受的有效应力增大。因而发生水合物储层的沉降，可能导致一系列的工程地质风险。对现场实际水合物开采过程而言，无法测量实际天然气水合物储层的沉降变形特征，通过室内实验研究水合物开采过程中的沉降行为是预测水合物开采风险的必然需求，但目前缺乏相应的模拟装备及相应的方法。传统测试储层变形场的方法为点式测量，如采用沉降标的形式，观察储层中具体的某一点的沉降变形特征，这种点式测量结果无法获取整个沉积物深度剖面上的变形变化规律，形不成“场”的概念，因此储层中的很多信息是通过点式测量结果进行推断的，数据精度有待商榷；极端情况下，水合物成藏、开采过程中的储层变形量突出位置可能不会发生在点式测量传感器所处的位置，此时点式测量就完全无法满足模拟需求。因此，一方面，发展天然气水合物成藏、开采过程中(重点是开采过程)中水合物储层的沉降及其纵向分布规律是预测开采引发的工程地质风险发生、发展及其对开采的潜在影响的基础，亟需开发相应的实验装备及方法来进行此方面的研究；另一方面，目前已有的点式沉降量监测手段无法满足水合物储层沉降场分布监测的需求。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术将分布式光纤感测技术引入到水合物开采过程室内实验评价领域，提出一种能够连续测量水合物深部储层变形量场的装置，其采用如下技术方案予以实现：一种测量水合物储层沉降变形场的装置，包括：天然气水合物储层模拟反应釜模块，该模块包括反应釜本体、包裹反应釜本体的水浴循环制冷腔体，安装在反应釜本体内部的模拟水合物储层样品、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞、分流板、模拟开采井管；分别安装在上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞上的热电偶及位移传感器；密封反应釜端面的反应釜端盖；流体供给与控制模块，用以提供流体供给，实现对反应釜内部沉积物、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞和流体总量的控制；开采过程模拟模块，用以控制开采过程的模拟压力；光纤沉降场感测模块，包括BOTDA光纳仪，所述光纳仪上的BOTDA光缆穿越反应釜本体中部，在含水合物沉积物储层布置成二维或三维网格，回路再次穿越本体中部，返回光纳仪。进一步地，所述反应釜内光缆上间隔安装有若干垂直于光纤的塑料片，所述塑料片平行于反应釜端盖底面。进一步地，所述反应釜本体中部安装有连接所述BOTDA光缆的航空插头。进一步地，所述上覆地层压力模拟加载活塞安装在反应釜端盖下部，上覆地层压力模拟加载活塞采用凹槽式设计，凹槽向上安装，凹槽内紧贴上覆地层压力模拟加载活塞安装热电偶和位移传感器；所述下伏地层应力模拟加载活塞安装在反应釜底部，下伏地层应力模拟加载活塞采用凹槽式设计，凹槽向下安装，凹槽内紧贴下伏地层模拟活塞安装热电偶和位移传感器。进一步地，所述模拟开采井管与反应釜端盖之间采用胶圈密封，模拟开采井管与反应釜端盖两侧接触位置安装限位器。本专利技术另外还提出一种测量水合物储层沉降变形场的方法，包括：(1)光纤准备光纤应变标定：在天然气水合物模拟实验所需的恒定温度条件下，采用分布式光纤标定系统，通过逐级加载/卸荷，获得光纤轴向应变-布里渊频域漂移量之间的关系曲线；光纤预拉伸与塑料片安装：拉伸应变根据光纤校准的应变系数和预估计的沉积物压缩量确定；然后将塑料片间隔安装在光缆上；(2)试样安装：依次安装下伏地层压力模拟加载活塞、分流板、光缆、沉积物、上覆地层压力模拟加载活塞，其中光缆在反应釜内部布局、成二维或三维网格；(3)上覆地层压力/下伏地层压力模拟：控制轴向加载流体输送泵，分别按照设定的上覆地层压力至或下伏地层压力值，向上覆地层压力模拟加载活塞上部和(或)下伏地层应力模拟加载活塞下部注入加载流体，压力达到预设值以后维持恒压模式；(4)制备含水合物模拟储层样品(5)开采模拟：控制背压阀和气液分离器，降压分解天然气水合物；(6)沉降变形监测：在步骤(3)、(4)、(5)全程开启BOTDA光纳仪，监测和采集在上覆/下伏地层应力加载、水合物合成、水合物分解过程中的受激布里渊散射光功率或频移变化量信息，通过控制上覆地层压力/下伏地层压力水平验证地层压力水平对水合物成藏、开采过程中的地层沉降变形场的影响；(7)获取位于上覆地层压力模拟加载活塞上部的位移传感器和位于下伏地层模拟加载活塞下部的位移传感器在步骤(6)过程中的读数，将位移传感器数据与光缆监测数据进行横向对比，相互验证，精确测量整个水合物储层中的变形场；(8)改变步骤(7)中的上覆地层压力或下伏地层压力值，重复步骤(3)-(7)，验证不同的上覆、下伏地层应力条件对水合物成藏、开采过程中的变形场的影响。进一步地，所述步骤(2)中，沉积物安装过程中分层填装，保证每一层与光缆上的塑料片是平行的，塑料片垂直于光缆走向安装。进一步地，所述步骤(2)中BOTDA光缆在反应釜内部按照径向半圆、轴向等距方式布局，即光缆从反应釜中部穿入沉积物内部后，首先向上绕模拟开采井缠绕1/2圈，形成径向第一量测段，然后从距离光缆入口最远端平行于模拟开采井筒向下，形成第一纵向量测段；在沉积物下部转折后，以平行于第一纵向量测段向上穿越储层，形成第二纵向量测段；在径向第一量测段所处平面内缠绕1/2圈形成径向第二量测段。如此往复，将模拟开采井与径向第一量测段之间划分为等间距的N个径向半圆形量测段；将模拟开采井与第一纵向量测段之间划分为等间距的N个轴向沉降量测段，最后从沉积物下部返回光缆出口。进一步地，所述步骤(4)包括：打开反应釜上端盖的孔隙流体出口，从反应釜底面孔隙流体注入孔注入液体，沉积物水饱和后流体从孔隙流体出口流出，停止注水；调整高精度气体压力体积控制器和高压甲烷气瓶，缓慢注气排水；孔隙流体出口产气不产水时，关闭出口阀门，继续注气至设定压力；开启水浴循环降温至预设温度生成水合物，当沉积物内部压力不再降低时，认为水合物生成结束。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术提出一种基于受激布里渊时域分析技术的水合物储层沉降变形场模拟装置及模拟方法，实现了模拟水合物生成的高压低温条件，形成含水合物模拟储层，能够模拟一定上覆地层压力条件和开采条件，观察水合物储层在纵向的沉降变形规律，也能模拟当下伏地层存在一定上拱压力的条件下，水合物储层在纵向的沉降变形规律。本专利技术实现了模拟测量水合物深部储层沉降变形，能够获得整个变形场的变形特征，对评价工程资质风险发生、发展及其对开采影响意义重大。...

【技术保护点】
1.一种测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于包括：/n天然气水合物储层模拟反应釜模块，该模块包括反应釜本体、包裹反应釜本体的水浴循环制冷腔体，安装在反应釜本体内部的模拟水合物储层样品、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞、分流板、模拟开采井管；分别安装在上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞上的热电偶及位移传感器；密封反应釜端面的反应釜端盖；/n流体供给与控制模块，用以提供流体供给，实现对反应釜内部沉积物、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞和流体总量的控制；/n开采过程模拟模块，用以控制开采过程的模拟压力；/n光纤沉降场感测模块，包括BOTDA光纳仪，所述光纳仪上的BOTDA光缆穿越反应釜本体中部，在含水合物沉积物储层布置成二维或三维网格，回路再次穿越本体中部，返回光纳仪。/n

【技术特征摘要】
1.一种测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于包括：
天然气水合物储层模拟反应釜模块，该模块包括反应釜本体、包裹反应釜本体的水浴循环制冷腔体，安装在反应釜本体内部的模拟水合物储层样品、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞、分流板、模拟开采井管；分别安装在上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞上的热电偶及位移传感器；密封反应釜端面的反应釜端盖；
流体供给与控制模块，用以提供流体供给，实现对反应釜内部沉积物、上覆地层压力模拟加载活塞、下伏地层应力模拟加载活塞和流体总量的控制；
开采过程模拟模块，用以控制开采过程的模拟压力；
光纤沉降场感测模块，包括BOTDA光纳仪，所述光纳仪上的BOTDA光缆穿越反应釜本体中部，在含水合物沉积物储层布置成二维或三维网格，回路再次穿越本体中部，返回光纳仪。


2.根据权利要求1所述的测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于，所述反应釜内光缆上间隔安装有若干垂直于光纤的塑料片，所述塑料片平行于反应釜端盖底面。


3.根据权利要求1所述的测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于，所述反应釜本体中部安装有连接所述BOTDA光缆的航空插头。


4.根据权利要求1所述的测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于，所述上覆地层压力模拟加载活塞安装在反应釜端盖上部，上覆地层压力模拟加载活塞采用凹槽式设计，凹槽向上安装，凹槽内紧贴上覆地层压力模拟加载活塞安装热电偶和位移传感器；所述下伏地层应力模拟加载活塞安装在反应釜底部，下伏地层应力模拟加载活塞采用凹槽式设计，凹槽向下安装，凹槽内紧贴下伏地层模拟活塞安装热电偶和位移传感器。


5.根据权利要求1或2所述的测量水合物储层沉降变形场的装置，其特征在于，所述模拟开采井管与反应釜端盖之间采用胶圈密封，模拟开采井管与反应釜端盖两侧接触位置安装限位器。


6.一种测量水合物储层沉降变形场的方法，其特征在于包括：
(1)光纤准备
光纤应变标定：在天然气水合物模拟实验所需的恒定温度条件下，采用分布式光纤标定系统，通过逐级加载/卸荷，获得光纤轴向应变-布里渊频域漂移量之间的关系曲线；
光纤预拉伸与塑料片安装：拉伸应变根据光纤校准的应变系数和预估计的沉积物压缩量确定；然后将塑料片间隔安装在BOTDA光缆上；
(2)试样安装：依次安装下伏地层压力模拟加载活塞、分流板、模拟开采井、BOTDA光缆、沉积物、上覆地层压力模拟加载活塞，其中光缆在反应釜内部布局、成二维或三维网格；
(3)上覆地层压力/...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦龙，吴能友，陈强，卜庆涛，孙建业，黄丽，万义钊，
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