本發(fā)明涉及天然氣水合物研究的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可觀的儲量推動開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，技術(shù)的創(chuàng)新又將帶動儲量的高效動。

本世紀(jì)以來，全世界都認(rèn)識到天然氣水合物是一種替代常規(guī)化石燃料的清潔能源。全球已發(fā)現(xiàn)水合物礦藏點(diǎn)超過200處，以目前的能源消費(fèi)趨勢，僅開采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的穩(wěn)定溫壓條件，決定了其開采方式的特殊性，另外其開采過程中對與環(huán)境的影響還有待進(jìn)一步的評估。因此，目前對水合物開采的研究除少數(shù)國家和地區(qū)進(jìn)行過單井或單一井組的試開采以外，絕大部分研究還處于實(shí)驗(yàn)室物理模擬和數(shù)值模擬的階段。

為了對這種儲量巨大的能源進(jìn)行開發(fā)利用，研究人員提出了很多方法：①注熱法：利用注入熱水、蒸汽或者熱鹽水將水合物加熱到平衡溫度之上分解；

②降壓法：將水合物藏的壓力降低到平衡分解壓力以下；

③化學(xué)劑法：注入化學(xué)藥劑，比如甲醇或者乙二醇以改變水合物平衡生成條件。

針對陸域凍土區(qū)水合物，繼加拿大、日本、美國等在mallik地區(qū)開展小尺度下天然氣水合物注熱試采后，我國陸域天然氣水合物團(tuán)隊(duì)也先后在祁連山凍土區(qū)開展了天然氣水合物的試采工作，并取得了成功。

截止目前，國內(nèi)外在實(shí)驗(yàn)內(nèi)研究熱力法開采甲烷水合物的研究僅限于一維長巖心夾持器、二維垂直井模擬。然而，水合物開發(fā)與常規(guī)油氣無異，同樣是一個(gè)三維滲流場壓力不斷降落的過程。為了更加真實(shí)有效的了解掌握水合物的合成、分解以及開采過程中不同開發(fā)方式、不同開發(fā)井組條件下的儲層物性、溫度、壓力、產(chǎn)量變化規(guī)律等影響試采的重要敏感參數(shù)，進(jìn)行三維水合物開采實(shí)驗(yàn)?zāi)M，特別是在三維尺度上研究水合物的分解行為，意義重大。

一般來說，水合物的電阻率值要高于水或氣的電阻率值，低于氣體在水合物相、氣相和水相等體系中的電阻率值。水合物沉積物產(chǎn)氣的過程中，水合物逐漸分解成水和氣，引起沉積物電阻率值隨時(shí)間而變化。因此，水合物分解過程中的電阻率變化可以用來表征水合物沉積物的變化特征——即水合物飽和度場變化的規(guī)律。目前水合物生成分解過程的電阻率特性實(shí)驗(yàn)研究僅限于小型反應(yīng)釜，三維開采實(shí)驗(yàn)過程中的電阻率變化研究鮮有研究。

另外，通過幾十年的不斷摸索與創(chuàng)新，利用水平井以及水平井-直井混合井網(wǎng)開發(fā)常規(guī)油氣，已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)手段。在天然氣水合物開發(fā)中選用水平井更具有無可比擬的優(yōu)勢：水平井初始開采速度、控制儲量和最終評價(jià)可采儲量是直井的幾倍；水平井與裂縫型儲集層相交機(jī)會大，比直井鉆遇此類儲層的機(jī)會多幾十倍，有效改善儲層流體的流動狀況；水平井遇有邊、底水或是上下圍巖的特殊情況，能有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；水平井還可減少地面設(shè)施，延伸開采范圍，避免地面不利條件的干擾。目前在國內(nèi)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行三維水合物開采模擬實(shí)驗(yàn)中，幾乎還沒有用到水平井。

針對這種情況，本申請人研發(fā)了一種天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，但是在使用中需要控制模型內(nèi)溫度和壓力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng),其能夠在使用中精確控制模型內(nèi)溫度和壓力。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括：注入系統(tǒng)、鉆井液井口環(huán)空循環(huán)系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括回壓控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，通過回壓控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)壓力保持為指定壓力，通過溫度控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)溫度保持為指定溫度。

本發(fā)明通過回壓控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)壓力保持為指定壓力，通過溫度控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)溫度保持為指定溫度，因此能夠在使用中精確控制模型內(nèi)溫度和壓力。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的三維模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，這種天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括：注入系統(tǒng)、鉆井液井口環(huán)空循環(huán)系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括回壓控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，通過回壓控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)壓力保持為指定壓力，通過溫度控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)溫度保持為指定溫度。

本發(fā)明通過回壓控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)壓力保持為指定壓力，通過溫度控制系統(tǒng)將模型系統(tǒng)內(nèi)溫度保持為指定溫度，因此能夠在使用中精確控制模型內(nèi)溫度和壓力。

另外，所述回壓控制系統(tǒng)包括：回壓閥、回壓緩沖容器、調(diào)壓閥。

另外，所述回壓閥的回壓調(diào)節(jié)范圍為0～30mpa，控制波動幅度在±0.1mpa范圍內(nèi)，回壓閥為頂部加載式，預(yù)先給定一控制壓力，當(dāng)模型內(nèi)壓力超過給定壓力時(shí)自動泄壓，保持模型出口壓力不變，工作壓力：30mpa。

另外，所述溫度控制系統(tǒng)為恒溫室。

另外，所述恒溫室通過熱風(fēng)對流循環(huán)方式進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

另外，所述恒溫室具有保溫層。

另外，所述恒溫室的保溫層與工作室隔板間內(nèi)置冷卻盤管，冷卻盤管內(nèi)通冷卻液。

另外，所述恒溫室設(shè)有觀察用的玻璃窗門。

另外，模型系統(tǒng)包括一維長管巖心夾持器和三維模型系統(tǒng)，所述一維長管巖心夾持器對含水合物地層的滲流性能進(jìn)行測試，三維模型系統(tǒng)通過控制改變生產(chǎn)井井底壓力、注熱溫度來優(yōu)化開發(fā)參數(shù)，如圖3所示，該一維長管模型系統(tǒng)包括：一維長管巖心夾持器5、襯套6、測壓孔7、測溫孔8、電阻率測量電極9；該一維長管模型系統(tǒng)用于φ50×1200mm規(guī)格的巖心，驅(qū)替工作壓力16mpa，最大環(huán)壓25mpa；在襯套上布置測壓孔、測溫孔和電阻率測量電極。

另外，如圖2所示，所述三維模型系統(tǒng)包括：模型主體1、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、模型井網(wǎng)2、模型支架3、底水腔；模型主體通過其兩端的短軸4架在模型支架上，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使模型主體圍繞短軸旋轉(zhuǎn)到指定角度，模型井網(wǎng)設(shè)在模型主體上，底水腔設(shè)在模型主體的下部，底水腔是一個(gè)大的空腔，流體通過底水腔均勻進(jìn)入模型主體內(nèi)的砂層，模型支架的一端設(shè)置升降機(jī)構(gòu)來使模型主體的對應(yīng)端抬升或降低，在模型主體上布置13個(gè)溫度傳感器接口、5個(gè)壓力傳感器接口、13×3個(gè)電阻傳感器電極。

本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使模型主體圍繞短軸旋轉(zhuǎn)到指定角度，通過升降機(jī)構(gòu)來使模型主體的對應(yīng)端抬升或降低，從而能夠使模型主體模擬垂直井的情況，再加上溫度傳感器、壓力傳感器，因此能夠控制改變生產(chǎn)井井底壓力，通過電阻傳感器電極來控制注熱溫度，因此能夠控制改變注熱溫度，從而優(yōu)化開發(fā)參數(shù)，能夠用于研究水合物合成和分解過程中溫度場的空間分布、飽和度場的空間分布、水合物分解前沿的推進(jìn)速度、水合物的分解機(jī)理。

模型主體可繞軸轉(zhuǎn)到任何傾角，然后再鎖緊。同時(shí)轉(zhuǎn)軸還可傾斜一定角度，這樣可模擬從垂直到水平的各種情況，又可背斜一定角度，大大擴(kuò)展了研究范圍。

該三維模型系統(tǒng)可以對比不同井網(wǎng)模式、井網(wǎng)密度條件下水合物的開采動態(tài)特征，優(yōu)化井網(wǎng)開發(fā)方案。

在三維平面模型上布置垂直井網(wǎng)接口，可模擬不同井網(wǎng)開采天然氣水合物過程。

三維模型系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：內(nèi)工作室尺寸300mm×300mm×80mm，其中厚度可調(diào)；最高工作壓力25mpa，設(shè)計(jì)壓力30mpa；工作溫度-15～50℃，恒溫箱溫度-20～60℃，與天然氣水合物開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的一維巖心夾持器共用。

另外，該三維模型系統(tǒng)的模型主體包括上模板和下模板，下模板為可軸向移動的活塞式結(jié)構(gòu)。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)模型主體的體積可變。

另外，所述下模板的活塞可動距離小于等于60mm，所述下模板的厚度為20-80mm。

另外，所述上模板一端為鋼體結(jié)構(gòu)，另一端為視窗和金屬承壓板的換裝結(jié)構(gòu)。通過玻璃可直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或進(jìn)行觀察和攝像。更換一端壓板為單面視窗，可以用來模擬水平井開采底水層時(shí)水脊脊進(jìn)過程,研究水脊形成與發(fā)展機(jī)理、見水時(shí)間和采收率的變化規(guī)律。

另外，所述視窗為鋼化玻璃且向下凸起。

另外，所述鋼化玻璃與周圍框架之間設(shè)有橡膠密封圈。

另外，所述橡膠密封圈通過矩形鋼法蘭固定在周圍框架上。

另外，所述矩形鋼法蘭為橫豎柵板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。同時(shí)加強(qiáng)筋網(wǎng)格與矩形鋼法蘭實(shí)現(xiàn)組合式連接，可在常壓下和帶壓下觀察。

另外，所述模型井網(wǎng)為正方形，在模型井網(wǎng)的中心、四個(gè)邊角各設(shè)置一個(gè)井點(diǎn)接口，構(gòu)成垂直井網(wǎng)。

另外，在所述底水腔的下部側(cè)面設(shè)置4個(gè)注水孔，流體通過4個(gè)注入孔同時(shí)注入底水腔。三維平面模型由水平轉(zhuǎn)到垂直位置時(shí)，模型的下部設(shè)計(jì)有底水腔，為保證從底水腔進(jìn)入砂層的流體能均勻進(jìn)入砂層，流體成均勻推進(jìn)，底水腔設(shè)計(jì)成一個(gè)大的空腔，使之對進(jìn)入底水腔的流體產(chǎn)生緩沖吸收沖擊能量能夠均衡向前推進(jìn)，底水腔下部側(cè)面設(shè)計(jì)有4個(gè)注入口，可從4個(gè)注入孔同時(shí)注入底水腔。當(dāng)裝置模型轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，底水腔又變成了邊水層，可以用來提供邊水模擬。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。