技术领域
[0001] 本
发明涉及
天然气水合物动态监测实验装置领域，尤其涉及一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置。
背景技术
[0002] 天然气水合物(NaturalGasHydrate/GasHydrate)，有机化合物，化学式CH4·nH2O。即可燃
冰，是分布于深海
沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”(Combustibleice)或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态
块状物。1立方米“可燃冰”可含164立方米甲烷气和0.8立方米的水。“可燃冰”是天然气的附生产品，应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代品。“可燃冰”极易燃烧，在同等条件下，“可燃冰”燃烧产生的
能量比
煤、石油、天然气要高出数十倍，被誉为“属于未来的超级
能源”。天然气水合物的资源
密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，因而成为油气工业界长期研究热点。
[0003] 目前天然气水合物开采技术仍处于摸索阶段，世界各国对天然气水合物的开发尚未制定出一套成型的标准，室内实验研究的方法仍是天然气水合物开采技术研究的主体，常用的检测天然气水合物的方法有光学方法、声学方法和电学方法等。例如，天然气水合物在纯水中的生成和分解可以根据光通率的变化进行判断，在一定压
力下降低
温度，水合物大量生成时光通率突然降低，随后慢慢升温，水合物分解时光通率又突然上升。但是为了模拟海洋天然气水合物，需采用水、砂、天然气等混合物，因其不透明，光通率检测方法的效果不明显。其他监测方法，如超声监测方法、时域反射(TDR)技术和成像(CT)技术等，也可以直观、准确、定量观察和计算天然气水合物的生成和分解。
[0004] 而目前模拟海域天然气水合物在储层中的形成与开采过程中，井周、井间水合物
电阻率成像监测模拟实验装备并没有报道。
发明内容
[0005] 为克服
现有技术中存在的模拟井周、井间水合物电阻率成像监测模拟实验装置研发不足的问题，本发明提供了一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置。
[0006] 一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置，包括水合物电学参数动态监控模块(1)、沉积物物性参数测量模块(2)、孔隙水离子分析模块(3)、水合物合成与分解模块(4)、
数据采集与监控模块(5)，所述水合物电学参数动态监控模块(1)包括两对二维成像
电极系、一套数据采集模块和一套反演与
图像处理软件。
[0007] 在本发明一优选
实施例中，所述二维成像电极系由24个环状电极组成，电极中心距10mm；电极高度2mm。
[0008] 在本发明一优选实施例中，所述数据采集模块的扫描
电压为0.1-1V；视电阻范围为0.1-1MΩ，测量
精度为0.1％；
频率范围为50Hz-100KHz；点扫描速率为500ms/点，电极扫描周期小于10min/次。
[0009] 在本发明一优选实施例中，所述沉积物物性参数测量模块(2)包括气路系统、分析站、控制程序，所述气路系统包括样品仓、外气室仓、控制
阀、压力
传感器。
[0010] 在本发明一优选实施例中，所述沉积物物性参数测量模块(2)的测试精度≤±0.03％，重复性≤±0.01％，测试
分辨率≤0.0001g/ml，测试范围大于0.0001g/ml。
[0011] 在本发明一优选实施例中，所述分析站至少一个，所述样品仓为上装式样品仓，所述样品仓标配KIT.100cc可进行超细粉末、块状、颗粒等样品的精确测试，所述样品仓采用
正压测试法进行检测，
压力传感器不小于2bar，常规测试压力范围不低于1个
大气压，测试气体采用氦气或者氮气，测试温度范围为常温恒温测试。
[0012] 在本发明一优选实施例中，所述孔隙水离子分析模块(3)包括电导检测器、进样阀、高压平流
泵、流路系统、抑制器、工作站、恒温系统。
[0013] 在本发明一优选实施例中，所述电导检测器采用五极电导池，还设有
电子恒温及温度补偿装置，所述电导检测器的检测量程为0-35000uS，可调，具有手动及自动选档功能，
输出电压为-6000mv～+6000m，自动调零范围为-6000mv～+6000mv；所述高压平流泵的耐压≥36MPa，流量范围为0.001ml/min～9.999ml/min，压力传感器的压力显示精度为0.1MPa，所述高压平流泵还设有过压保护；所述流路系统使用PEEK材料制造；所述抑制器连续自动再生电化学微膜。
[0014] 在本发明一优选实施例中，所述水合物合成与分解模块(4)包括反应釜、制冷系统、气体
增压系统、温压测量系统；所述反应釜的直径为300mm，高度300mm，有上下气室；制冷方式为水夹套制冷，低温恒温
循环水浴控温在-20-90℃，流量17L/min，制冷功率1400W；所述气体增压系统的最高
增压压力45MPa，输出压力17MPa；所述压力传感器的量程为
25MPa，精度±0.1％；所述水合物合成与分解模块(4)的管阀件采用不锈
钢材质。
[0015] 在本发明一优选实施例中，所述数据采集与监控模块(5)包括台式电脑、数据采集模块、采集监控软件；所述数据采集模块的测试速度为30次/s，通道数量为16或者48，两电极供电，所述采集监控软件采用Delphi编程，自动采集所有压力、流量，计算机采集的数据经处理可生产原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成
数据库文件格式。
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0017] (1)本
申请通过模拟海域天然气水合物在储层中的形成与开采过程，并以电阻率成像为主要监测手段模拟单监
测井、双监测井对储层水合物
饱和度的动态实时监控；
[0018] (2)通过测试实验过程中的温度、压力及孔隙水离子浓度的变化，为建立含水合物储层电学动态监控技术及其影响因素提供实验平台；
[0019] (3)通过水合物合成与分解模块，实现沉积物中水合物形成与分解模拟实验；
[0020] (4)通过水合物电学参数动态监控模块，阵列式电阻率传感器，来实现模拟单监测井和双监测井条件下储层电学参数动态测量；
[0021] (5)通过沉积物物性参数测量模块，测量储层沉积物孔隙度等物性参数；
[0022] (6)通过孔隙水离子分析模块，测量反应不同阶段孔隙水离子成分及其含量；
[0023] (7)通过5个一体化的模块来实现动态监测，结构简单，准确率高，对天然气水合物的物性研究提供了指导作用。
附图说明
[0024] 图1是本发明一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的模块化示意图；
[0025] 图2是本发明一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的二极装置采集过程示意图；
[0026] 图3是本发明一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的四极装置采集过程示意图；
[0027] 图中1-水合物电学参数动态监控模块，2-沉积物物性参数测量模块，3-孔隙水离子分析模块，4-水合物合成与分解模块，5-数据采集与监控模块。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029] 请参看图1，是本发明一种一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的模块化示意图，一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置，包括水合物电学参数动态监控模块1、沉积物物性参数测量模块2、孔隙水离子分析模块3、水合物合成与分解模块4、数据采集与监控模块5，所述水合物电学参数动态监控模块1包括两对二维成像电极系、一套数据采集模块和一套反演与图像处理软件，主要用于实现以电阻率成像为主要监测手段模拟单监测井/双监测井对储层水合物饱和度的动态实时监控。
[0030] 在本实施例中，所述二维成像电极系由24个环状电极组成，电极中心距10mm；电极高度2mm。
[0031] 在本实施例中，所述数据采集模块的扫描电压为0.1-1V；视电阻范围为0.1-1MΩ，测量精度为0.1％；
频率范围为50Hz-100KHz；点扫描速率为500ms/点，电极扫描周期小于10min/次。
[0032] 在本实施例中，反演与图像处理软件对采集的视电阻率数据进行反演和二维成像，获得二维电阻率剖面图像。
[0033] 进一步的，在本实施例中，数据采集方式有两种，分别为二极装置和四级装置。
[0034] 请参看图2，是本发明一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的二极装置采集过程示意图，所述二极装置的供电电极A在一个电极系上，
测量电极M在另一电极系上。供电电极A由上向下每移动一个极距，测量电极M均需完成所在电极系的所有测点观测，直至电极A逐点从首端移动到末端。
[0035] 请参看图3，是本发明一种水合物储层井间电学动态监控模拟实验装置一优选实施例的四极装置采集过程示意图，所述四极装置包括a、b图中的两种情况，其一是a图中，将供电电极A与测量电极M布置在同一个电极系上，供电电极B与测量电极N布置在另一个电极系上，保持AM＝BN＝固定电极距，电极A、M依次整体由首端移至末端，每移动一次，电极B、N也需整体移动，M、N完成所在电极系上测点的电压测量；另一种是b图中，将A、B电极布置在同一个电极系上，测量电极M、N位于另外一个电极系上，移动供电电极以此完成测量。
[0036] 在本实施例中，对采集的数据进行处理，结合正、反演方法形成二维剖面的电阻率图像，进而解释水合物的分布状况。
[0037] 进一步的，在本实施例中，有限单元法正演模拟，是将研究区的二维剖面进行自适应的三
角单元剖分。采用有限单元法求取稳定
电流场数值解。结合装置系数计算视电阻率，最终形成视电阻率分布图像。
[0038] 进一步的，在本实施例中，反投影
算法是一种动态成像算法，实现简单，成像速度快，可以做到实时成像。首先根据供电电极的配置计算出
电场等势线的分布，每一对激励电极采集的数据都可以计算出一个以等势线为边界的电阻率分布的情况，将所有图像进行
叠加得到最终的电阻率分情况。反投影算法的理论推导并不严谨，重构的
图像空间分辨率很低，模糊效应和拖尾伪影较为严重。
[0039] 进一步的，在本实施例中，地球物理反演方法可以得到更为精确的电阻率分布情况。使用全局正则化的高斯-
牛顿
迭代进行电阻率的反演，将剖面上剖分为三角形单元，给出每一个三角单元的电阻率值，作为初始模型，完成有限元正演模拟，然后对比正演结果和实际测量结果。不断的
修改模型直到正演结果和实际测量结果在误差允许的范围内，将最终的模型作为剖面上的是电阻率分布。与反投影算法相比，高斯—牛顿迭代法计算量大，速度较慢，但是更精确。
[0040] 在本实施例中，正反演研究
基础上，形成数据反演与图像处理软件。
[0041] 在本实施例中，所述沉积物物性参数测量模块2主要用于实现测试真密度、真体积、骨架密度、开孔孔隙率、闭孔孔隙率等参数功能，包括气路系统、分析站、控制程序，所述气路系统包括样品仓、外气室仓、
控制阀、压力传感器。
[0042] 在本发明一优选实施例中，所述沉积物物性参数测量模块2的测试精度≤±0.03％，重复性≤±0.01％，测试分辨率≤0.0001g/ml，测试范围大于0.0001g/ml。
[0043] 在本发明一优选实施例中，所述分析站至少一个，所述样品仓为上装式样品仓，所述样品仓标配KIT.100cc可进行超细粉末、块状、颗粒等样品的精确测试，所述样品仓采用正压测试法进行检测，压力传感器不小于2bar，常规测试压力范围不低于1个大气压，测试气体采用氦气或者氮气，测试温度范围为常温恒温测试。
[0044] 进一步的，在本实施例中，气路系统的样品仓、外气室仓、控制阀、压力传感器及相互之间的连接采用一体集装式设计，气路系统独特而不采用管路系统，无漏点，对于轻质样品测试不会引起样品飞溅至管路。
[0045] 进一步的，在本实施例中，控制程序采用完全自动化控制，应用简洁、方便；设USB
接口，方便数据导出；智能自检流程，自动判断样品池的
密封性。
[0046] 在本实施例中，沉积物物性参数测量模块采用一体机设计，具备恒温功能，
液晶触摸屏控制与显示，无需电脑控制。
[0047] 在本发明一优选实施例中，所述孔隙水离子分析模块3用于测量水合物合成、分解- -反应不同阶段孔隙水离子成分及其含量。无机阴离子检出种类：一次进样同时检测F、Cl 、NO2-、PO43-、Br-、SO42-、NO3-、ClO2-、BrO3-、ClO3-；阳离子检出种类：一次进样同时检测Li+、Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+；加进口阴分离柱，可检测HCO3-、CO32-。孔隙水离子分析模块3包括电导检测器、进样阀、高压平流泵、流路系统、抑制器、工作站、恒温系统。孔隙水离子分析模块3具有内置式池柱一体恒温系统，控温范围5-65℃，实现电导检测器、进样阀、高压平流泵、工作站、恒温系统等部件一体化。
[0048] 在本发明一优选实施例中，所述电导检测器采用五极电导池，电极采用环形
钝化316
不锈钢电极，池体积＜0.8ul，有效克服电极极化现象。具有低噪声、高检测灵敏度特性。
还设有电子恒温及温度补偿装置，恒温精度5-65℃，温度补偿(1.7％-2.0％)/℃。所述电导检测器的检测量程为0-35000uS，可调，具有手动及自动选档功能。全量程检测分辨率：不低于1/40000(≤0.0020ns/cm)。输出电压为-6000mv～+6000m，自动调零范围为-6000mv～+
6000mv抑制器恒流源电流：0-150mA，增量1mA。
[0049] 在本实施例中，所述高压平流泵的耐压≥36MPa，流量范围为0.001ml/min～9.999ml/min，压力传感器的压力显示精度为0.1MPa，所述高压平流泵还设有过压保护，工作压力超过或低于设定的上限或下限时，泵将自行关闭且报警。
[0050] 在本实施例中，所述流路系统使用PEEK材料制造，通用性好，能使用强酸、强
碱的淋洗液，同时可跟百分之百的
有机溶剂兼容，可任意更换柱子和淋洗液。
[0051] 在本实施例中，所述抑制器连续自动再生电化学微膜，在线自动再生，高抑制容量，低背景电导，低噪声，基线稳定，免维护。稳定时间不大于12分钟，且重现性好。
[0052] 在本实施例中，孔隙水离子分析模块3的检测下限如下：
[0053] Cl-≤0.005μg/mL(进样量25μL，淋洗液
碳酸盐体系)
[0054] BrO3-≤0.005μg/mL(进样量25μL，淋洗液碳酸盐体系)
[0055] Li+≤0.005μg/mL(进样量25μL)
[0056] 线性相关系数≥0.999
[0057] 线性范围：≥103(以Cl-计)
[0058] 基线噪声：≤0.5％FS
[0059] 基线漂移：≤1.5％FS
[0061] 定性重复性≤0.5％
[0062] 定量重复性≤1.5％。
[0063] 在本发明一优选实施例中，所述水合物合成与分解模块4包括反应釜、制冷系统、气体增压系统、温压测量系统。水合物合成与分解模块4的最大工作压力为20MPa，精度±0.1％，
工作温度范围：-5℃-室温，精度±0.5℃。
[0064] 所述反应釜的直径为300mm，高度300mm，有上下气室；制冷方式为水夹套制冷，低温恒温循环水浴控温在-20-90℃，流量17L/min，制冷功率1400W，测点数量为2，间距为100mm；所述气体增压系统的最高增压压力45MPa，输出压力17MPa；所述压力传感器的量程为25MPa，精度±0.1％；所述水合物合成与分解模块(4)的管阀件采用不锈钢材质，含管线、接头、
单向阀、
截止阀等。
[0065] 在本发明一优选实施例中，所述数据采集与监控模块(5)包括台式电脑、数据采集模块、采集监控软件。
[0066] 在本实施例中，所述数据采集模块的测试速度为30次/s，通道数量为16或者48，两电极供电，电压为0.1-1V，测试频率为20Hz-100kHz。
[0067] 在本实施例中，所述采集监控软件采用Delphi编程，仪器工作流程显示在界面上，可实现人机对话，操作人员设定好参数后，就可以无人值守，计算机可以自动采集所有压力、流量，计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。
[0068] 在本实施例中，台式电脑的
操作系统为Windows10，CPU型号为Intel酷睿i78700，CPU频率：3.2GHz，内存容量为16GB，
硬盘容量为1TB，显卡芯片为独立显卡NVIDIAGeForceGTX1060。
[0069] 本申请通过模拟海域天然气水合物在储层中的形成与开采过程，并以电阻率成像为主要监测手段模拟单监测井、双监测井对储层水合物饱和度的动态实时监控；通过测试实验过程中的温度、压力及孔隙水离子浓度的变化，为建立含水合物储层电学动态监控技术及其影响因素提供实验平台；通过水合物合成与分解模块，实现沉积物中水合物形成与分解模拟实验；通过水合物电学参数动态监控模块，阵列式电阻率传感器，来实现模拟单监测井和双监测井条件下储层电学参数动态测量；通过沉积物物性参数测量模块，测量储层沉积物孔隙度等物性参数；通过孔隙水离子分析模块，测量反应不同阶段孔隙水离子成分及其含量；通过5个一体化的模块来实现动态监测，结构简单，准确率高，对天然气水合物的物性研究提供了指导作用。
[0070] 上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附
权利要求的保护范围内。
