海域天然气水合物生成与开采过程动态可视化的实验装置

本发明属于岩土工程、能源工程领域，涉及一种水合物生成与开采过程模拟实验装置，具体涉及一种基于piv粒子图像测速方法的海域天然气水合物生成与开采过程动态可视化的实验装置。适用于实时观测天然气水合物生成和开采过程中水合物储层变化和开采井响应，并进行实时图像数据采集，实现天然气水合物生成与开采过程动态实时观测。

背景技术：

1、天然气水合物是指在低温、特定高压条件下以甲烷为主的烃类气体分子与水形成的似冰状结晶化合物，以固态形式赋存于海底浅表层沉积物。天然气水合物作为一种潜在的新兴能源，具有大储量、高能效和低污染等优点，得到世界各国学者的关注，成为各国力争的未来能源战略制高点之一。

2、目前，天然气水合物资源开采本质上都是通过打破天然气水合物的相态平衡，使其分解产气，这是一个涉及改变天然气水合物稳定赋存热力条件、固态水合物分解、液态水迁移、天然气产出与迁移的复杂进程。降压法开采是通过抽取沉积物岩土体裂隙中的流体或下伏游离气层自由气的方式降低压力，促使水合物分解。降压法由于操作简单且不需要外部向水合物储层注入额外能量，被认为是技术层面和经济层面上最有望用于商业化的一种开采方式。但是，在深海天然气开采过程中水合物储层涉及复杂的多物理场作用，引起储层孔隙结构改变，进而影响土层有效应力，导致变形甚至屈服，而导致工程设施灾变、环境受扰等系列问题。因此，亟需通过模拟天然气水合物开采过程分析开采时的储层变形机理、水合物产气量影响因素，探索安全高效开采方法，为现场商业化开采天提供重要理论支撑，缓解日趋增长的能源压力。

3、深海天然气水合物赋存于高水压、低温的极端条件，常规实验装置和监测手段难以对水合物开采过程和储层状态有效反应，水合物分解导致沉积物固相损失和产气产液，引起颗粒运移乃至出砂形成砂堵，该过程复杂，目前缺乏有效模拟装置和监测手段。可视化监测可以有效观测水合物分解气体迁移路径，监测沉积物不同深度、距离开采井不同位置的土体结构变化和变形特性，追踪记录水合物开采诱发储层沉积物隆起或沉降演变过程。研制一种可视化装置监测水合物开采过程中气体运移路径和储层变化，探索开采时储层动态响应特性，可望深入揭示水合物开采储层变形机制，探明水合物开采诱发储层灾变内在原因。

技术实现思路

1、为了满足实验需求和弥补现有测试技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种海域天然气水合物生成与开采过程动态可视化的实验装置，以准确、便捷地在天然气水合物生成与开采过程中对水合物储层内部变化和开采井响应动态观测并实时采集记录图像及数据。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种海域天然气水合物生成与开采过程动态可视化的实验装置，包括水合物合成控制系统、超重力开采控制系统、冷水浴温控系统、数据采集系统及中央控制器；还包括可视化高压釜、可视化开采井；可视化高压釜为一个半圆柱型釜体，在半圆柱釜体的侧曲面外设置密封的水浴夹套，半圆柱釜体的侧平面为可视化蓝宝石视窗，通过螺栓固定在高压釜壁；可视化蓝宝石视窗的外侧正对设有piv高速相机，piv高速相机和可视化高压釜间设置led照明光源；在可视化高压釜的圆心处设置垂直的可视化开采井，所述可视化开采井为对圆柱管腔从中轴线剖开得到的半圆柱管，其与可视化蓝宝石视窗紧密贴合并密封处理；试验过程中透过可视化蓝宝石视窗结合piv高速相机，实时观测水合物开采时可视化开采井内部的变化，实现开采时模型内部液气流动和颗粒运移动态观测。

4、所述的可视化高压釜能承受一定气体高压能力，能在超重力环境下工作；所述的可视化高压釜上通过螺栓固定有釜盖，釜盖处采用半圆形密封圈进行密封处理，预留测点处采用压环压帽密封处理；在可视化高压釜圆心处设置垂直的可视化开采井，开采井经高压釜盖顶部伸入到高压釜内腔。高压釜内由下至上依次设置水合物储层模型、模型上覆隔水层及天然气水合物模型上覆水层。高压釜釜盖顶部设有顶部注气通道，其中顶部注气通道通过调压阀与气瓶相连；高压釜底部注水通道连通平流泵。高压釜周围均匀布设一定数量测孔，用于布置孔压传感器和温度传感器。可视化高压釜侧平面为可视化蓝宝石视窗，可视化蓝宝石视窗通过螺栓与釜体曲面相固定，螺栓顶端设有耐高压压帽，并套有橡胶圈保证釜体的密封性。

5、所述的可视化开采井为细长半圆柱体的管腔结构，设置于可视化高压釜的圆心位置，顶部固定在釜盖圆心处，开采井在竖向与可视化蓝宝石视窗紧密贴合，二者连接处采用橡胶密封处理避免模型砂土从缝隙中进入开采井；开采井在釜顶产气口处通过回压阀连接储液罐和储气罐，开采井上设置不同形式和大小的开采射孔，并在其表面包裹一定目数的滤网。试验过程中透过可视化蓝宝石视窗实时观测水合物开采时开采井内部的变化。

6、所述的led照明光源、piv高速相机共同构成图像采集系统led照明光源与piv高速相机通过螺栓分别固定于光源支架与相机支架上。其中，led照明光源布置在piv高速相机和可视化高压釜之间，数量不少于2个；led照明光源要求是面光源，保证光源照射在可视化蓝宝石视窗上光线均匀，避免形成局部高亮光斑。

7、所述的超重力开采控制系统包括柱塞泵、高压截止阀、回压阀、缓冲容器、储液罐和储气罐；回压阀一端通过缓冲容器与柱塞泵相连，二者协同控制可视化高压釜内压力，另一端连接储液罐，储液罐与储气罐连接；储液罐内设有液气分离器可以将水、气分离，并通过内部的磁性浮子液位计测量产水量。储气罐和储液罐的进口位置均设置压力传感器，实时监测储气罐和储液罐的压力。

8、所述的水合物合成控制系统包括注气模块和注水模块。注水模块包括平流泵和汇流板，平流泵和汇流板之间通过离心机旋转接头连接，汇流板输出端由管道连接至可视化高压釜底部注水通道；注气模块包括气瓶、调压阀、空气压缩机组成，气瓶出口端通过调压阀连接至空气压缩机，空气压缩机的输出端由管道连接至可视化高压釜顶部注气通道。

9、所述的冷水浴温控系统包括制冷机组、低温水浴箱、制冷循环泵和水浴夹套。其中，水浴夹套布置于可视化高压釜内腔壁外侧；低温水浴箱通过制冷管道、回流管道与水浴夹套、制冷机组连接形成回路；低温水浴箱的输出端经制冷循环泵由制冷管道连接到水浴夹套的底部入口，其接头处由水浴通路与离心机旋转接头连接；水浴夹套中部出口由回流管道连接到低温水浴箱的输入端，其接头处由水浴通路与离心机旋转接头连接。

10、所述的数据采集系统与温度传感器、孔压传感器、磁性浮子液位计、压力传感器、柱塞泵及调压阀连接；数据采集系统通过离心机快接航空插头连接中央控制器。

11、进一步的，所述的piv高速相机能够瞬态、多点、无接触式的测量水合物开采过程中砂粒运移速度。piv高速相机利用激光片光照射到所测流场的切面区域(即可视化蓝宝石视窗)连续摄取两次或多次曝光的粒子图像；再分析所拍摄的piv图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维流体速度分布，以达到实时监测开采时不同深度土层的固相颗粒迁移和出砂过程，实现天然气水合物生成与开采过程动态实时观测的目的。

12、进一步的，所述回压阀具有三个开口，对应上部压力控制端、下部前端入口和下部后端出口；前端入口连接开采井出口，后端出口连接储液罐，上部压力控制端连接缓冲容器，通过缓冲容器前的柱塞泵控制出口回压阀，从而控制可视化高压釜输出的液体和气体能否经过采集管路到达储液罐。

13、本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

14、(1)本发明可以通过可视化高压釜侧平面可视化蓝宝石视窗直观观测水合物分解产气现象，记录气泡迁移引起液体流动并导致沉积物隆起或塌陷过程，直接观测天然气水合物生成与开采过程中水合物储层结构变化，同时，采用piv粒子图像测速方法，瞬态、多点、无接触式的测量水合物开采过程中砂粒运移速度，实时监测开采时不同深度土层的固相颗粒迁移和出砂过程，实现天然气水合物生成与开采过程动态实时观测。为海域天然气水合物安全开采和灾变防控提供创新观测和研究手段。

15、(2)本发明的实验装置能够通过超重力离心机模拟深海储层应力场，通过超重力水压控制系统模拟深海水压力，相比于常重力环境下的实验装置，本装置能更真实的还原大尺度深海原位天然气水合物储层应力场，为探究海域水合物开采时的工程灾变机理提供支撑。

16、(3)通过超重力开采控制模块中的柱塞泵、缓冲容器和出口回压阀伺服控制可以精确、便捷地在超重力环境下控制开采井口压力。通过可视化蓝宝石视窗和可视化的开采井，可实时观测并记录开采过程中井内气泡运移和固相颗粒迁移情况、土-井界面变形过程，实现开采井内部状态变化的可视化。