摘 要

摘　要：現(xiàn)有的天然氣水合物(以下簡稱水合物)成藏模擬裝置側重于合成少量均相水合物或含水合物沉積層，受制于裝置體積，而某些影響因素如地溫梯度等難以在室內實驗中再現(xiàn)。為此，提

摘　要：現(xiàn)有的天然氣水合物(以下簡稱水合物)成藏模擬裝置側重于合成少量均相水合物或含水合物沉積層，受制于裝置體積，而某些影響因素如地溫梯度等難以在室內實驗中再現(xiàn)。為此，提出了建立水合物成藏大型三維物模實驗系統(tǒng)來解決相關問題的技術思路。首先通過調研分析，確定了系統(tǒng)的設計指標：最大工作壓力為32MPa，模擬地溫梯度介于3～6K／100m，可再現(xiàn)自然界擴散、滲漏、原位3種水合物成藏機理。據(jù)此建立了物模實驗系統(tǒng)：①系統(tǒng)主體高壓反應釜容積為l96L，內置30個PTl00溫度傳感器、30個電阻率探測電極、16對聲偶極子，構成覆蓋整個沉積層的傳感器點陣；②系統(tǒng)可在海底和陸地水合物成藏典型溫壓條件下模擬多種天然氣供氣方式，考察水合物的動態(tài)生成行為，以及成藏后新鮮海水循環(huán)下的水合物動態(tài)演化行為。試運行結果表明：該系統(tǒng)滿足設計指標中提出的各項要求，實驗流程可確保安全、穩(wěn)定、長期運行；傳感器經(jīng)過標定后，可以準確測定各個物理量。最后，通過測定實驗介質的多項物性參數(shù)值，進一步驗證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。

關鍵詞：天然氣水合物  成藏  三維物模實驗系統(tǒng)  地溫梯度  電阻率  聲速  孔隙介質  高壓反應釜

A large-scale three-dimensional device for simulating natural gas hydrates accumulation and distribution process in sediments

Abstract：The current device for simulating the formation of a natural gas hydrate reservoir only focuses on composing a small amount of homogeneous hydrates or hydrate-bearing sediments；so restricted by the device volume，such influencing factors as geothermal gradient are too difficult to present in the simulation process．In view of this，a novel large-scale three-dimensional natural gas hydrate physical simulation device，with a capacity of l96L and the maximum operation pressure of 32MPa，was designed and developed to study the hydrate accumulation and the methane recovery from hydrate-bearing sediments in a natural environment．Acoustic，electrical，and thermal properties at different positions can be collected in real time to analyze the evolution of hydrate-bearing porous media during the accumulation of hydrate or the production of natural gas．The formation system of this device contained a high-pressure vessel，the inner space of which was divided into three parts by two porous stainless steel plates and the porous medium to simulate the hydrate stability zone in natural environment and sensors were placed in the space between the two plates．For the sensors system of this device，30 resistance temperature detectors，30 electrical resistance electrodes，and l6 acoustic dipoles were inserted into the porous medium to detect the variation of physical properties due to hydrate formation or dissociation．A heating coil was mounted on the bottom lid of the reactor and hot water circulates in the heating coil driven by apump to simulate the actual geothermal gradient(3-6K／100m)in sediments，reappearing the formation mechanisms of the in situ hydrates，hydrate transport by diffusion or seepage in sediments．Initial experiments showed that this device can be used to produce large amounts of hydrate-bearing sediments under a wide range of experimental conditions．

Keywords：natural gas hydrate，formation，geothermal gradient，migration of gas，resistivity，acoustic velocity，porous media，high pressure vessel

天然氣水合物(以下簡稱水合物)廣泛分布于陸地凍土帶和海底沉積層中，由于儲量巨大，被視為一種潛在的能源。如何建立起儲層物理量與水合物飽和度之間的定量關系，是長期以來的研究熱點。Winters等^[1]在水合物和沉積物測試實驗裝置(GHASTLI)上研究了沉積層中水合物飽和度對介質聲速的影響；Phelps等^[2]建立了設計壓力為20MPa的72L海底過程模擬裝置(SPS)；Madden等^[3]和Rawn等^[4]在SPS上考察了滲漏體系的動態(tài)成藏過程；Li等^[5]報道了ll7.8L的三維實驗裝置，該裝置反應釜直徑為500mm，內高600mm，通過釜內49個熱電阻組成的溫度探測點陣來監(jiān)測水合物的生成分解過程；關進安等60建立了一套7.5L的實驗系統(tǒng)，用于模擬滲漏型水合物的形成分解過程。

現(xiàn)有裝置側重于合成少量均相水合物或含水合物沉積層，考察水合物生成分解過程和含水合物沉積層物性變化。當用于水合物成藏過程研究時，受制于裝置體積，某些影響因素如地溫梯度難以在模擬裝置上再現(xiàn)。對于水合物飽和度的測定，通常使用單一手段進行表征，如聲速、電阻率、CT等，且探測點有限，可以得到水合物樣品的平均飽和度，但無法得到水合物在沉積層中的具體分布情況。

為此，中國石油大學(北京)建立了天然氣水合物成藏大型三維物模實驗系統(tǒng)，反應釜體積大于圍內外已報道類似裝置，可模擬包括地溫梯度在內的自然成藏環(huán)境，通過多種探測手段來監(jiān)測成藏及演化過程水合物藏的變化。

1　方案設計

通過文獻調研得到典型地區(qū)水合物成藏條件匯總于表l。根據(jù)調研結果，設計了大型水合物成藏三維物模實驗系統(tǒng)(圖1)，其特點如下。

 

 

1．1　提供了一個容積為l96L的低溫、高壓環(huán)境

該三維物模實驗系統(tǒng)提供了一個Æ500mm×1000mm，容積為l96L低溫高壓環(huán)境。較大的釜內空間允許在其內部合成大型人工水合物礦體，為考察不同成藏機理的水合物生成與演化過程提供基礎；大體積的反應釜能夠有效減小實驗環(huán)境變化對成藏過程的干擾，相對于已有的小型反應釜，大型反應釜更接近于自然界的生成環(huán)境；同時，某些影響因素(如地溫梯度)和探測手段(傳感器點陣)更便于在具有一定體積的沉積層樣品中實現(xiàn)。

1．2　可模擬自然界成藏環(huán)境

通過反應釜底的加熱裝置，首次將地溫梯度作為一個影響因素加以考察。以l000mm的實驗介質來模擬l00m的沉積層(含水合物穩(wěn)定帶及其上、下邊界)。同時在反應釜內部設置加熱裝置，以相同比例模擬100m沉積層的溫度梯度。系統(tǒng)可模擬滲漏型成藏、擴散型成藏，原位成藏3種典型成藏機理下的成藏過程，以及水合物藏形成后受溫度、壓力，海水滲流影響的演化情況。

1．3　集成多種傳感器

該三維物模實驗系統(tǒng)最多可同時容納30個Ptl00溫度傳感器、30個電阻率探測電極、16對聲偶極子，構成覆蓋整個釜內空間的傳感器點陣；既可考察某一個物理量在整個沉積層的梯度分布，也可以對局部的水合物飽和度以多種手段進行分析。

2　實驗系統(tǒng)的建立

整個實驗系統(tǒng)由水合物形成模擬子系統(tǒng)、參數(shù)測定子系統(tǒng)、溫壓控制子系統(tǒng)3部分構成。

2．1　形成模擬子系統(tǒng)

子系統(tǒng)包括設計壓力32MPa的高壓反應釜及其附屬設備(圖2)。高壓反應釜內高l000mm，內徑為500mm，釜容積為196L。反應釜內設置有料桶，由上下多孔篩板和不銹鋼圓筒組成，作用是容納孔隙介質，各種傳感器和導線。多孔篩板直徑為420mm，整個截面上均布Æ3mm光孔?？蓪牡撞恳氲牧黧w再分配，均勻導入孔隙介質內，減少流體分布不均對水合物生成和聚集的影響。

 

2．2　參數(shù)測定子系統(tǒng)

子系統(tǒng)包括溫度、壓力、流量、電阻率、聲速5項參數(shù)的采集與處理，各傳感器參數(shù)見表2。其中，溫度傳感器采用集成鎧裝形式，5個PTl00A級鉑電阻裝入l根316L的Æ6mm鋼管中，結構如圖3所示。

 

 

電阻率測量電極柱為自行設計，尺寸Æ20mm×700mm(圖4)。電極柱桿體材質選用聚四氟乙烯，5根鍍銀銅導線在桿體上環(huán)繞一周形成5個環(huán)狀測量電極，相鄰環(huán)狀電極間距l50mm。將相鄰2個環(huán)狀電極接入電路，即可測量環(huán)狀電極間所夾介質的電阻，進而可換算出所夾介質的電阻率。系統(tǒng)共配備有這樣的測量電極柱6根，共30路測量電極，可測量24路電阻率數(shù)據(jù)。

 

沉積層的聲速測量采用聲偶極子進行，結構如圖5所示。聲偶極子由中國科學院地質與地球物理研究所提供，2只間距為30mm的超聲波換能器由底部的夾板固定，中間填入含水砂凍結后再埋入沉積層中。由美國泛美元損檢測公司生產(chǎn)的NDTS058PR型發(fā)生器發(fā)射脈沖信號，通過一端換能器轉換為超聲波，穿過所夾持介質后由另一端換能器接收，由美國泰克公司生產(chǎn)的DP02012型示波器顯示分析得到介質聲速。

 

2．3　溫壓控制子系統(tǒng)

子系統(tǒng)包括釜內加熱管和釜外低溫恒溫室。U型加熱管展長l270mm，外徑為25mm，安裝于釜底蓋內側。U型管在實驗時通入熱水，形成高溫區(qū)域，與反應釜頂部的低溫區(qū)域構成溫度梯度。低溫恒溫室尺寸為4m(長)×3m(寬)×3.5m(高)，恒溫范圍253～313K，可模擬水合物藏在低溫下的形成過程以及受到高溫擾動后的演化過程。

3　實驗及效果

天然氣水合物三維成藏物模實驗裝置搭建完工后，通過數(shù)值模擬和水合物生成試驗來檢驗全系統(tǒng)是否滿足預期要求。

3．1　U型管加熱性能數(shù)值模擬

為了驗證實驗條件下通過U型加熱盤管是否能獲得類似自然條件下的地溫梯度，針對滲漏、擴散兩種成藏方式，利用Fluent軟件對釜內的溫度分布進行了模擬計算，計算所用到的物性參數(shù)列于表3。流體紅275K下進入反應釜，經(jīng)過U型加熱盤管換熱后，流經(jīng)石英砂構成的孔隙率為0.38的沉積層，由頂部的出口流出反應釜。平衡后的溫度分布如圖6所示。

 

 

滲漏型成藏模式中，游離甲烷氣以0.1g／s的流速自底部進氣口進入反應釜內，并迅速擴散至整個底部氣囊(0～100mm高度區(qū)間)。經(jīng)過氣囊緩沖，氣體的流速顯著降低。由于氣體熱容較低，當氣體離開底部氣囊滲流進入沉積層時，溫度已被U型管加熱至280K。因此，在沉積層底部靠近氣囊的區(qū)域，傳熱方式為甲烷氣與沉積層顆粒之間對流傳熱和底部氣囊與沉積層整體之間的導熱。隨著甲烷氣在滲流過程中溫度迅速降低，對流傳熱作用減小，導熱逐漸成為主要傳熱方式。因此，在圖6中沉積層區(qū)域底部的等溫線受滲流影響有明顯的起伏，而隨著位置的升高，起伏現(xiàn)象逐漸消失，等溫線與底面平行。沉積層整體高度為700mm，底面的溫度為278.8K，頂層溫度為276K，整體溫差2.8K，溫度梯度折合為4K／m，與表1中凍土帶水合物藏地溫梯度符合l：l00的比例，略小于海底水合物藏溫度梯度，但也可通過改變給熱溫度加以修正。

擴散型成藏模式下，同樣以0.2K的間距做等溫線，線密度要大于圖6，如圖7所示。作為流體主體的飽和甲烷水溶液，比熱和流速都要高于甲烷氣，更容易將熱量帶入沉積層中。同時，水充填了全部孔隙的衫C積層，其熱容要高于氣體填充下的沉積層，也使得等溫線分布更加密集。沉積層底部，流體對流傳熱的影響也比滲漏型成藏過程劇烈。在U型加熱管的進出口部分，由于換熱而積較大，此處溫度要高于底層其他區(qū)域，因此產(chǎn)生的等溫線彎曲現(xiàn)象，在0.35m高度處逐漸消失，比滲漏型成藏的0.2m要高出0.15m。沉積層頂部溫度為275K，底部溫度為279K，整體溫差4.0K，折合溫度梯度為5.7K／m，與表1中海底100m的溫差近似。通過對流動和傳熱數(shù)值模擬，U型加熱管的設置可以滿足不同成藏模式和不同地層條件下的地溫梯度要求。

 

3．2　水合物形成實驗

為進一步考察模擬實驗系統(tǒng)的工作情況，進行了甲烷原位成藏過程的模擬實驗。用分析純氯化鈉和玄離子水配置質量濃度為3.35％的鹽水，并與40-80目石英砂在釜中混合以模擬含水飽和度為0.95的沉積層。反應釜密封抽真空后由頂部通入甲烷至7MPa，制冷溫度設定為275K并保持恒定。實驗共持續(xù)50h，記錄實驗過程中的溫度、壓力隨時間變化情況如圖8所示。

 

圖中所測溫度Tl～T5均位于圓心，距離沉積層底面高度分別為50mm、200mm、350mm、500mm、650mm。在實驗開始l87min后，除T3以外的溫度均發(fā)生了突躍，結合此時壓力曲線的加速下降，可以判斷圓心處的水合物開始生成。由于模擬靜態(tài)生成過程，甲烷通過擴散作用進入沉積層，因此沉積層靠近上下氣囊的部分檢測到了水合物生成的溫度變化。溫度傳感器T3位于沉積層中心部分，誘導期進入沉積層內部的甲烷較少，沉積層表面開始生成水合物后，進一步增加了甲烷進入沉積層中心的阻力，因此未觀察到明顯的溫度變化。

4　結論

1)提出了天然氣水合物三維成藏物模實驗系統(tǒng)的設計指標：最大工作壓力為32MPa，模擬地層溫度梯度為3～6K／100m，并據(jù)此設計了天然氣水合物三維成藏物模實驗系統(tǒng)。

2)根據(jù)設計方案，建立了物模實驗系統(tǒng)。高壓反應釜容積為196L，耐壓32MPa，內置30個PTl00A溫度傳感器，30個電阻率探測電極，16對聲偶極子。系統(tǒng)可在典型水合物藏溫壓條件下模擬不同甲烷供氣方式，考察水合物的動態(tài)生成過程以及新鮮海水循環(huán)下的水合物動態(tài)演化行為。

3)對系統(tǒng)的試運行表明，系統(tǒng)達到了預期設計要求，流程也滿足實驗安全穩(wěn)定長期運行，傳感器可以準確測定各個物理量的變化，并進行了水合物的原位成藏模擬試驗。

 

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本文作者：粟科華  孫長宇  李楠  鐘小禹  陳光進

作者單位：中國石化石油勘探開發(fā)研究院

  中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室