天然氣水合物近井儲(chǔ)層滲流規(guī)律模擬裝置

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層近井區(qū)域二次水合物飽和度時(shí)空演化規(guī)律研究”（41902321）。

李響，劉藝倬，李冰，等.天然氣水合物近井儲(chǔ)層滲流規(guī)律模擬裝置10-18

Li Xiang，Liu Yizhuo，Li Bing，et al.A simulator for flow in gas hydrate reservoir near wellbore10-18

為了模擬天然氣水合物開采過程中近井儲(chǔ)層內(nèi)的滲流過程，分析不同開采參數(shù)下井周溫壓場(chǎng)的變化規(guī)律，研究二次水合物飽和度的時(shí)空變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了模擬天然氣水合物近井儲(chǔ)層滲流規(guī)律的試驗(yàn)裝置。該裝置包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應(yīng)釜系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)和低溫恒溫系統(tǒng)5個(gè)部分。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)釜系統(tǒng)可以模擬近井儲(chǔ)層中二維徑向流，能實(shí)時(shí)、完整地檢測(cè)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化；真空系統(tǒng)在提高真空度以降低反應(yīng)釜與外界環(huán)境熱傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)外界對(duì)水合物試驗(yàn)系統(tǒng)無傳熱等方面具有關(guān)鍵作用；該裝置可以較好地模擬近井周天然氣水合物儲(chǔ)層在開采過程中物質(zhì)傳遞和水合物相變的過程。研究結(jié)論可為天然氣水合物降壓開采技術(shù)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

天然氣水合物；近井儲(chǔ)層滲流；模擬裝置；反應(yīng)釜；節(jié)流膨脹效應(yīng)

TE38

A

002

A Simulator for Flow in Gas Hydrate Reservoir Near Wellbore

Li Xiang" Liu Yizhuo" Li Bing" Wu Ziyannbsp; Yan Xiangyu" Zhang Hao" Zhang Guobiao

（School of Engineering and Technology，China University of Geosciences （Beijing））

In order to simulate the flow process in the reservoir near wellbore during the gas hydrate exploitation，analyze the variation law of the temperature and pressure field around the wellbore under different exploitation parameters and study the spatiotemporal variation law of the secondary hydrate saturation，a test device for simulating the flow law of gas hydrate reservoir near wellbore was designed.The device consists of five parts such as data acquisition system，reactor system，vacuum system，high-pressure system and low-temperature and constant temperature system.The simulation test results show that the reactor system can simulate 2D radial flow in the reservoir near wellbore，and can wholly detect the changes in temperature and pressure fields in real time；the vacuum system plays a crucial role in improving the vacuum degree to reduce heat conduction between the reactor and the external environment and achieve zero heat transfer from the outside to the hydrate test system；and this device can effectively simulate the process of material transfer and hydrate phase change in gas hydrate reservoirs near the wellbore during the exploitation process.The research conclusions provide a theoretical basis for the improvement of depressurization exploitation technology for gas hydrates.

gas hydrate；flow in reservoir near wellbore；simulator；reactor；throttling expansion effect

0" 引" 言

天然氣水合物作為一種目前尚未開發(fā)的非常規(guī)天然氣資源，具有清潔、儲(chǔ)量高、分布廣的特點(diǎn)，是一種重要的潛在油氣資源［1-3］。我國南海地區(qū)已被探明出巨大的天然氣水合物儲(chǔ)量［4］，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物的高效開采，將是我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要一環(huán)。目前，降壓開采技術(shù)是天然氣水合物開采的主流技術(shù)［5-6］，中國地質(zhì)調(diào)查局在南海實(shí)施的2次天然氣水合物試采均采用的該方法，試采均取得成功，產(chǎn)氣量分別為30.9萬m3和86.14萬m3［7-8］。但試采過程中也出現(xiàn)了井周溫度和產(chǎn)氣速率周期性波動(dòng)的問題，導(dǎo)致產(chǎn)氣不連續(xù)、效率低，推測(cè)這種波動(dòng)是近井儲(chǔ)層天然氣水合物的二次生成與分解所致［9］。為分析這一現(xiàn)象，需開展試驗(yàn)研究。目前國內(nèi)針對(duì)近井儲(chǔ)層二次水合物的模擬試驗(yàn)多是采用一維長管反應(yīng)釜反映天然氣水合物的節(jié)流膨脹效應(yīng)［10-11］，無法模擬出實(shí)際開采過程中井筒周圍存在的收斂流效應(yīng)。由于大尺度二維或三維反應(yīng)釜存在加工難度大、成本高和操作復(fù)雜等問題，故本文將多個(gè)內(nèi)徑不同的短反應(yīng)釜連接組成一個(gè)變徑長反應(yīng)釜以模擬不同的過流面積，進(jìn)而分析收斂流對(duì)井周溫度、壓力及二次水合物飽和度的影響，并通過低溫恒溫系統(tǒng)和真空系統(tǒng)聯(lián)合作用來模擬實(shí)際儲(chǔ)層溫度，以更好地模擬實(shí)際開采環(huán)境。

本文將重點(diǎn)介紹試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理、主要系統(tǒng)組成和測(cè)試結(jié)果，以此為研究天然氣水合物開采中近井儲(chǔ)層溫度、壓力和二次水合物飽和度時(shí)空變化規(guī)律提供試驗(yàn)平臺(tái)，為降壓開采技術(shù)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1" 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理

1.1" 近井儲(chǔ)層天然氣水合物二次生成原理

開采過程中近井儲(chǔ)層形成天然氣水合物溫壓示意圖如圖1所示。開采前，儲(chǔ)層中天然氣水合物的溫壓狀態(tài)位于天然氣水合物相平衡曲線之上，天然氣水合物能夠穩(wěn)定存在，見圖1中A點(diǎn)；降壓開采時(shí)，近井儲(chǔ)層壓力率先降低，降至相平衡線之下，水合物開始發(fā)生分解，見圖1中B點(diǎn)；水合物分解吸熱，井周儲(chǔ)層溫度小幅降低，見圖1中C點(diǎn)，隨著遠(yuǎn)井儲(chǔ)層壓力不斷降低，遠(yuǎn)井儲(chǔ)層中水合物逐漸發(fā)生分解［12］。

遠(yuǎn)井儲(chǔ)層產(chǎn)生的氣體在壓差作用下向井口匯聚，在近井儲(chǔ)層及井筒中會(huì)產(chǎn)生節(jié)流膨脹現(xiàn)象，同時(shí)由于過流面積逐漸減小，氣體流速進(jìn)一步加速，導(dǎo)致節(jié)流膨脹效應(yīng)加劇，近井儲(chǔ)層溫度大幅度降低［13-15］。當(dāng)天然氣的溫度下降到一定程度，其溫壓狀態(tài)回到相平衡曲線之上，例如圖1中D點(diǎn)，此時(shí)會(huì)在近井儲(chǔ)層重新生成天然氣水合物。同時(shí)，由于水合物儲(chǔ)層相對(duì)較厚，對(duì)于中間水合物層無法從上覆層和下履層獲取熱量，相當(dāng)于一個(gè)近似絕熱地層［16］。為此在開展近井儲(chǔ)層二次水合物試驗(yàn)時(shí)需要考慮反應(yīng)釜絕熱保溫的設(shè)計(jì)。

1.2" 等效二維反應(yīng)釜設(shè)計(jì)原理

水合物開采過程中，氣水由遠(yuǎn)井端逐漸運(yùn)移至近井端，同時(shí)近井儲(chǔ)層的收斂流效應(yīng)對(duì)于水合物的二次生成有著較重要的影響，在開展近井儲(chǔ)層二次水合物形成與分解試驗(yàn)時(shí)，需要考慮收斂流的影響［5-7］。平面徑向滲流模擬示意圖如圖2所示。雖然大型二維圓盤狀反應(yīng)釜可較好地反映井周氣液滲流及二次水合物演變規(guī)律，但存在加工難度大、溫度控制難、成本高等問題。根據(jù)等效原理，可將不同半徑的過流面積等效為不同直徑的反應(yīng)釜以近似模擬收斂流效應(yīng)，故可以采用多個(gè)直徑不同的圓柱反應(yīng)釜來等效二維圓盤反應(yīng)釜。

將地層從遠(yuǎn)井區(qū)域到近井區(qū)域劃分成n個(gè)流動(dòng)區(qū)域的小扇形體（見圖2）。每個(gè)小扇形體可以用同孔隙比的圓柱巖心代替，從遠(yuǎn)井區(qū)域到近井區(qū)域，圓柱巖心直徑按從大到小依次串聯(lián)以模擬地層。

馬宏煜等［17］關(guān)于物理模擬試驗(yàn)以及理論計(jì)算的結(jié)果說明，當(dāng)劃分成的流動(dòng)區(qū)域個(gè)數(shù)n≥3時(shí)，物理模擬的流動(dòng)與儲(chǔ)層實(shí)際流動(dòng)有較高的相似程度。雖然圓柱巖心模擬地層時(shí)，2個(gè)圓柱巖心連接處過流面積會(huì)發(fā)生突變，但其模擬的地層宏觀流動(dòng)規(guī)律與連續(xù)性地層的流動(dòng)規(guī)律基本一致。

在天然氣水合物的開采過程中，近井地帶流體滲流以平面徑向滲流為主［18］，每一個(gè)平面的徑向滲流規(guī)律狀態(tài)均相同。平面徑向流中從遠(yuǎn)井區(qū)域到近井區(qū)域過流面積逐漸變小，代替小扇形體的圓柱巖心的直徑也在逐漸變小。以井眼為圓心，將地層劃分成一個(gè)個(gè)圓柱體，那么從遠(yuǎn)井區(qū)域到近井區(qū)域就會(huì)形成直徑逐漸減小的一系列空心圓柱體。

綜上，本文裝置將5個(gè)直徑不同的圓柱形反應(yīng)釜通過錐形管串聯(lián)，以模擬研究天然氣水合物在儲(chǔ)層中的平面徑向滲流規(guī)律。

2" 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置主要模擬開采過程中近井儲(chǔ)層溫壓分布及二次水合物形成與分解規(guī)律，為天然氣水合物的降壓開采提供理論數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應(yīng)釜系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)和低溫恒溫系統(tǒng)5個(gè)部分（見圖3）。試驗(yàn)裝置的特色為：①反應(yīng)釜系統(tǒng)可模擬近井儲(chǔ)層中二維徑向流；②真空系統(tǒng)可使反應(yīng)釜系統(tǒng)處于絕熱環(huán)境中。

2.1" 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1.1" 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能為將反應(yīng)釜中壓力、溫度、電阻率以及恒溫水浴的溫度等進(jìn)行采集、顯示和保存。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、電阻掃描儀、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊、計(jì)算機(jī)及收集記錄軟件等。

壓力傳感器的型號(hào)為JYB-KO-H（見圖4a），其量程為0～100 MPa，精度為±0.20% FS，輸出信號(hào)類型為4～20 mA直流電流類信號(hào)。

溫度傳感器采用的是PT100型溫度傳感器（見圖4b），量程為-20～100 ℃，精度為0.2 ℃。

電阻掃描儀采用的是TH2518A直流電阻掃描儀，測(cè)試掃描范圍10～200 kΩ，精度為0.05%的高電阻。

各傳感器將采集到的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊連接著計(jì)算機(jī)，得到溫度、壓力和電阻率等數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并上傳至計(jì)算機(jī)；采用MCGS監(jiān)測(cè)采集軟件每隔5 s記錄一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保留至計(jì)算機(jī)中，以便實(shí)時(shí)反映模擬地層的溫度和壓力變化情況。壓力、溫度、熱電偶傳感器主要作用是對(duì)反應(yīng)釜中滲流的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.2" 傳感器連接

先在每段反應(yīng)釜中將土樣填充，再按照口徑大小依次連接，最后將溫度、壓力傳感器和電阻率探頭插入其中。由于在反應(yīng)釜任一截面的邊緣處和中心處地層的壓力相同，而溫度不同，所以為了節(jié)省空間，將壓力傳感器安裝在真空箱外部，通過高壓管線連接至反應(yīng)釜內(nèi)部，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了減小誤差，試驗(yàn)所要求監(jiān)測(cè)的溫度是反應(yīng)釜中心軸線處的溫度，故在連接溫度傳感器的時(shí)候，需要將連接處的土樣挖出一小部分，以保證溫度傳感器的探頭位于反應(yīng)釜中心軸線處，使試驗(yàn)結(jié)果更加貼合實(shí)際情況。電阻掃描儀的探頭接在反應(yīng)釜同一截面徑向兩側(cè)，并深入土樣一定深度，以測(cè)量2個(gè)探頭間沉積物的電阻率。

當(dāng)沉積物中有水合物生成時(shí)，此處沉積物的電阻率會(huì)發(fā)生變化，因此可通過測(cè)量沉積物中電阻率的變化來判斷水合物的生成情況。同時(shí)，也可根據(jù)溫度、壓力傳感器的變化來輔助判斷是否有二次水合物形成與分解。通過在每段反應(yīng)釜中安裝多組傳感器監(jiān)測(cè)出二次水合物生成區(qū)域及變化規(guī)律。

2.2" 反應(yīng)釜系統(tǒng)

2.2.1" 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反應(yīng)釜系統(tǒng)主要功能是為近井儲(chǔ)層二次水合物形成與分解提供一個(gè)合理的場(chǎng)所。變徑反應(yīng)釜在設(shè)計(jì)上可以等效于大型圓盤狀反應(yīng)釜，二者均可以較好地反映井周氣液滲流及二次水合物改變規(guī)律，且變徑反應(yīng)釜具有加工簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

反應(yīng)釜為反應(yīng)釜系統(tǒng)的主體，主要由法蘭、錐形管、5段不同直徑的反應(yīng)釜、上壓帽、下壓帽、密封圈、高壓接頭等組成（見圖5）。錐形管和反應(yīng)釜均需進(jìn)行內(nèi)壁打毛處理，使其內(nèi)壁粗糙，避免氣液流動(dòng)過程中出現(xiàn)“壁竄”現(xiàn)象。

5個(gè)內(nèi)徑不同的反應(yīng)釜通過法蘭和錐形管連接。每段反應(yīng)釜上設(shè)置有5對(duì)傳感器接口，可滿足安裝不同傳感器的需求，可根據(jù)需要確定每次試驗(yàn)安裝傳感器的類型和分布位置。

2.2.2" 反應(yīng)釜內(nèi)徑設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置的反應(yīng)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5段反應(yīng)釜，除遠(yuǎn)端第1段（反應(yīng)釜1）長度為50 cm外，另外4段反應(yīng)釜長度均為40 cm，每個(gè)錐形管長度為10 cm，反應(yīng)釜的總長為2.5 m。反應(yīng)釜最大半徑為25 mm。根據(jù)實(shí)際開采的情況，將井筒的半徑設(shè)計(jì)為12.5 cm。

根據(jù)上述地層儲(chǔ)層流體徑向滲流的特征，可將儲(chǔ)層劃分為n個(gè)流動(dòng)區(qū)域，設(shè)流動(dòng)區(qū)域的邊界半徑從小到大依次為R1、R2、…、Rn，各反應(yīng)釜的半徑可根據(jù)對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域的滲流截面積確定。

從井筒半徑R0（12.5 cm）開始計(jì)算，直到第一個(gè)流動(dòng)區(qū)域的邊界半徑R1處為地帶1；從第一個(gè)流動(dòng)區(qū)域的邊界半徑R1處到第2個(gè)流動(dòng)區(qū)域的邊界半徑R2處為地帶2。以此類推，劃分出5個(gè)地層儲(chǔ)層流體的滲流地帶（見表1）。

可根據(jù)井筒半徑及各段反應(yīng)釜設(shè)計(jì)長度，計(jì)算出各地段的邊界半徑。

根據(jù)流動(dòng)區(qū)域的滲流截面積，并利用滲流截面的相似性，確定出對(duì)應(yīng)反應(yīng)釜半徑的公式為：

（R0+R1）∶（R1+R2）∶…∶（Rn-1+Rn）=

r21∶r22∶…∶r2n（1）

式中：Rn為第n個(gè)流動(dòng)區(qū)域的邊界半徑（n=1，2，3，4，5）；rn為第n段反應(yīng)釜的半徑。

由式（1）可以得出：各反應(yīng)釜段的半徑從小到大依次為10.0、15.0、20.0、22.5和25.0 mm。在實(shí)際加工過程中，為了方便加工，實(shí)際反應(yīng)釜的半徑可近似取整數(shù)。

2.2.3" 反應(yīng)釜外徑設(shè)計(jì)

反應(yīng)釜外徑的設(shè)計(jì)計(jì)算公式：

μi=pcdi2σ-pc（2）

式中：μi為第i段反應(yīng)釜外徑計(jì)算厚度，mm；

di為第i段反應(yīng)釜內(nèi)直徑，mm；

Di為第i段反應(yīng)釜外直徑（Di=di+2μi），mm；

pc為計(jì)算壓力，MPa，pc=35 MPa；

［σ］為設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，MPa，取溫度150 ℃，［σ］=87 MPa；

為焊接接頭系數(shù)，=1。

為了保證反應(yīng)釜在實(shí)際試驗(yàn)過程中不會(huì)出現(xiàn)破損、泄漏等狀況，所以反應(yīng)釜加工的實(shí)際直徑為在計(jì)算出的外直徑基礎(chǔ)上加4.9 mm，以提高其安全性。各反應(yīng)釜段的外直徑從小到大依次為34.9、49.2、58.9、70.4和80.0 mm（見表2）。在實(shí)際加工過程中，為了方便加工，反應(yīng)釜外直徑可近似取整數(shù)。

2.3" 真空系統(tǒng)

2.3.1" 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將反應(yīng)釜置于真空環(huán)境下主要作用是降低反應(yīng)釜周圍的導(dǎo)熱系數(shù)，避免試驗(yàn)過程中外部能量影響反應(yīng)釜內(nèi)溫度分布規(guī)律，使反應(yīng)釜內(nèi)沉積物處于一個(gè)絕熱環(huán)境。真空系統(tǒng)主要包括真空泵、閥門、真空壓力表和真空箱等。

真空箱為316不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)槽的尺寸長280 cm，寬25 cm，槽深20 cm，真空箱蓋厚1 cm（見圖6），箱體與蓋之間采用橡膠墊進(jìn)行密封。真空箱蓋通過24個(gè)M6內(nèi)六角螺栓和真空箱連接，真空箱蓋上共有42個(gè)接口和4個(gè)螺栓孔，接口用于安裝傳感器接頭。因真空箱過重，所以4個(gè)螺栓孔連接吊環(huán)可搭配起吊裝置使用。真空箱中可放入若干吸水珠以保證真空箱中為干燥的環(huán)境，并在真空箱底部放置隔熱墊，避免接觸換熱。

真空泵型號(hào)為2X-15A，轉(zhuǎn)速520 r/min，電機(jī)功率1.5 kW，抽氣速率15 L/s，是一種旋片式真空泵。

2.3.2" 真空系統(tǒng)連接

真空泵通過真空箱上蓋的真空閥門與反應(yīng)釜箱連接，抽排反應(yīng)釜與反應(yīng)箱之間的空氣，以形成真空環(huán)境。真空泵閥門處安裝有真空表及壓力傳感器，用于判斷真空箱內(nèi)真空度。

2.4" 高壓系統(tǒng)

2.4.1" 高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓系統(tǒng)的主要功能是為反應(yīng)釜中提供高壓氣體甲烷，并使反應(yīng)釜中的壓力保持在一個(gè)安全且恒定的值。

高壓系統(tǒng)的主要設(shè)備包括甲烷氣罐、針閥、球閥、減壓閥、背壓閥、壓力表和氣路管線等部件。減壓閥出氣口連有安全閥，安全閥用來保護(hù)減壓閥，同時(shí)減壓閥發(fā)生故障，安全閥可用來報(bào)警。

試驗(yàn)裝置選用的是316不銹鋼減壓調(diào)壓閥。減壓閥的最大進(jìn)氣壓力為20 MPa，輸出壓力為0～10 MPa。反應(yīng)釜進(jìn)氣口處的壓力表量程為25 MPa，出氣口的壓力表量程為16 MPa。實(shí)驗(yàn)室設(shè)置進(jìn)氣口壓力為5 MPa。

2.4.2" 高壓系統(tǒng)連接

為保證實(shí)驗(yàn)室安全，甲烷氣罐和進(jìn)氣口設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室外，進(jìn)氣口處設(shè)置減壓閥，以降低甲烷氣體的壓力，避免進(jìn)氣口壓力過大所帶來的安全隱患。甲烷氣體經(jīng)氣路管線進(jìn)入室內(nèi)，通過室內(nèi)的球閥和流量控制器控制其流量。水浴箱中環(huán)繞真空箱安置一圈氣路管線，經(jīng)過低溫恒溫系統(tǒng)所創(chuàng)造的低溫環(huán)境，在達(dá)到進(jìn)入反應(yīng)釜的甲烷氣體溫度降低且穩(wěn)定的目的后，與反應(yīng)釜粗直徑一端的進(jìn)氣口相連。進(jìn)入反應(yīng)釜的甲烷氣體，流過反應(yīng)釜中的沉積物樣品后在反應(yīng)釜細(xì)直徑一端的出氣口處排出。在反應(yīng)釜細(xì)直徑一端的出氣口處設(shè)置有背壓閥，由背壓閥控制排氣口處甲烷氣體的壓力，以保證輸出的流量穩(wěn)定及使反應(yīng)釜內(nèi)的壓力恒定。

2.5" 低溫恒溫系統(tǒng)

2.5.1" 低溫恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低溫恒溫系統(tǒng)主要功能是為了創(chuàng)造初始低溫環(huán)境，模擬地層條件，同時(shí)使甲烷氣體降溫，使之與反應(yīng)系統(tǒng)溫度一致。其主要設(shè)備由水浴箱、注水管、三通閥、球閥、恒溫槽及循環(huán)泵組成（見圖7）。

水浴箱為316不銹鋼材質(zhì)，其內(nèi)槽長300 cm，寬35 cm，深30 cm。恒溫槽型號(hào)為XODC-20100，其最大制冷量7 900 W，功率5 kW，總?cè)莘e100 L。此恒溫槽采用內(nèi)外雙循環(huán)的方式，外循環(huán)泵排量13 L/min，恒溫槽外槽尺寸625 mm×400 mm×400 mm，工作槽開口尺寸625 mm×380 mm。恒溫槽的溫度波動(dòng)值為±0.05 ℃，溫度均勻度為±0.05 ℃，可控制的溫度范圍為-20～100 ℃；并配有溫度顯示裝置，其分辨率為0.01 ℃。恒溫槽安裝有PT100溫度傳感器，此傳感器為加長外接式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)恒溫槽外循環(huán)時(shí)的溫度并加以控制。恒溫槽槽體內(nèi)部配置有冷卻盤管，可以控制系統(tǒng)溫度并使系統(tǒng)溫度快速降低。考慮到恒溫槽在實(shí)際制冷過程中存在著能量損失，故選擇制冷量為7 900 W的恒溫槽。注水管直徑25 mm，總長10 m。

2.5.2" 低溫恒溫系統(tǒng)連接

恒溫槽使循環(huán)水的溫度保持在一個(gè)較低且穩(wěn)定的值，恒溫槽和水浴箱通過水管相連。

水浴箱的兩側(cè)設(shè)置有多個(gè)直徑為25 mm的子進(jìn)水口和子出水口，多個(gè)進(jìn)水口能有效地促進(jìn)水的循環(huán)。試驗(yàn)之前在水浴箱中循環(huán)注5 ℃的水，往水浴箱中注水時(shí)需要將水位沒過真空箱。其中總進(jìn)出水口通過若干個(gè)T形管劃分為多個(gè)子進(jìn)出水口，保證水浴箱流體循環(huán)在各個(gè)截面上的穩(wěn)定均一。

為了使試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)釜中的溫度保持穩(wěn)定，將反應(yīng)箱放入水浴箱中30～40 min后，方可進(jìn)行試驗(yàn)。

3" 試驗(yàn)裝置調(diào)試與測(cè)試

在試驗(yàn)裝置調(diào)試中只安裝反應(yīng)釜后4段，觀察氣體節(jié)流膨脹現(xiàn)象。

試驗(yàn)裝置調(diào)試與測(cè)試采用石英砂作為多孔介質(zhì)來模擬反應(yīng)系統(tǒng)中的地層沉積物，采用節(jié)流膨脹效應(yīng)顯著的二氧化碳作為試驗(yàn)氣體，以得到更加明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象。試驗(yàn)選用的石英砂密度2.65 g/cm3，壓力傳感器與溫度傳感器距進(jìn)氣口端的距離如表3所示。采用表3中距離能夠較好地反映整個(gè)反應(yīng)釜上的溫度和壓力的分布情況。

3.1" 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)裝置調(diào)試試驗(yàn)步驟如下。

（1）用蒸餾水清洗反應(yīng)釜并干燥內(nèi)外壁。

（2）按照試驗(yàn)?zāi)M地層的要求，配制好與地層有同樣孔隙比的水砂混合物；將配制好的水砂混合物分成若干次填入釜內(nèi)，每次填充后利用千斤頂和壓樣器壓實(shí)；將填滿樣品后的反應(yīng)釜及法蘭按直徑由大到小的順序依次用螺栓連接，放入反應(yīng)箱中后，在對(duì)應(yīng)位置接入溫度和壓力傳感器。

（3）整理傳感器的連線，調(diào)整出氣管線使其對(duì)準(zhǔn)背壓閥，連接進(jìn)氣管線。

（4）開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)記錄壓力及溫度信號(hào)，檢查并確保傳感器處于正常工作狀態(tài)；檢查線路連接狀態(tài)，是否有漏接、錯(cuò)接，觀察溫度示數(shù)變化。

（5）抽出密封墊固定螺栓；合上真空蓋，擰緊螺栓；將真空槽抽至真空，檢查氣密性，并打開制冷器。

（6）根據(jù)試驗(yàn)條件和要求通入相應(yīng)壓力的氣體。

（7）按照各試驗(yàn)預(yù)期分別完成各組試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（8）試驗(yàn)結(jié)束后，停止注氣，關(guān)閉氣瓶閥門和真空泵；反應(yīng)釜打開排氣口，使釜中氣體緩慢排出，直到壓力降至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，停止排氣；將試驗(yàn)儀器放置原位，整理與清潔儀器，結(jié)束試驗(yàn)。

3.2" 反應(yīng)釜高壓氣密性測(cè)試

測(cè)試目的：本裝置為高壓反應(yīng)釜，需要保證試驗(yàn)裝置具有良好的氣密性。向反應(yīng)釜通入高壓氣體二氧化碳，觀測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)壓力狀態(tài)的變化，并記錄保持穩(wěn)定的時(shí)間。

試驗(yàn)步驟：調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的球閥以調(diào)整進(jìn)氣口壓力，通入高壓氣體之后，隨即擰緊進(jìn)氣口和出氣口的針閥，每隔一段時(shí)間記錄計(jì)算機(jī)上的壓力傳感器示數(shù)；若示數(shù)穩(wěn)定均一，且時(shí)間保持性良好，則表明本試驗(yàn)系統(tǒng)氣密性良好。

相關(guān)數(shù)據(jù)見圖8。從圖8中可以看出，從注入氣體開始的0～66 h內(nèi)，壓力保持良好，反應(yīng)釜內(nèi)壓力基本恒定，無太大變化，表明模擬裝置氣密性良好。

3.3" 絕熱性測(cè)試

測(cè)試目的：保證反應(yīng)系統(tǒng)處于真空狀態(tài)下，避免對(duì)流換熱和接觸換熱2種傳熱形式的出現(xiàn)，以達(dá)到絕熱的效果。避免外界對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)有傳熱作用，影響試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)步驟：檢查反應(yīng)釜?dú)饷苄院螅瑢⑵浞湃胝婵障渲校⒄婵障渖w好。將恒溫槽溫度設(shè)置為5 ℃后，向水浴箱中注水，使其沒過真空箱。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度降到5 ℃左右時(shí)，開啟真空泵，將真空箱中的環(huán)境抽至真空狀態(tài)。將恒溫槽溫度設(shè)置為15 ℃，采用MCGS軟件，記錄在不同真空度情況下，反應(yīng)釜內(nèi)溫度傳感器示數(shù)的變化及達(dá)到15 ℃的時(shí)間。

試驗(yàn)預(yù)期：真空度越高，溫度上升越慢。

將真空度設(shè)置為10 000 Pa，反應(yīng)釜的溫度-時(shí)間曲線如圖9所示。從圖9可見，當(dāng)真空度為10 000 Pa時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)溫度上升較為緩慢，大約在105 min時(shí)升至10 ℃。

當(dāng)真空度為100 000 Pa，即不抽真空時(shí)，反應(yīng)釜的溫度-時(shí)間曲線如圖10所示。從圖10可見，反應(yīng)釜內(nèi)溫度上升較快，大約在45 min時(shí)就達(dá)到10 ℃。

對(duì)比2組不同真空度測(cè)試數(shù)據(jù)及圖表，在將水浴溫度升高為15 ℃后，真空度從大到小的2組溫度傳感器到達(dá)10 ℃的時(shí)間分別大約為105、45 min。

與抽真空情況下不同的是，在真空度100 000 Pa時(shí)不對(duì)真空箱抽真空的試驗(yàn)中，溫度曲線僅隨著注氣時(shí)間而逐漸升高，沒有溫度較低時(shí)的平緩過渡區(qū)。

抽真空后，溫度曲線變化除時(shí)間長短有細(xì)微差別外，但基本走勢(shì)一致，都在最開始溫度較低時(shí)，趨于平緩后，隨著注氣時(shí)間變長而逐漸升高。由此可以看出，真空裝置在提高真空度以降低反應(yīng)釜內(nèi)溫度傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)外界對(duì)水合物試驗(yàn)系統(tǒng)無傳熱方面具有關(guān)鍵作用，滿足對(duì)模擬裝置設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

3.4" 吹掃測(cè)試

南海天然氣水合物儲(chǔ)層可視作天然的多孔介質(zhì)，當(dāng)氣體流經(jīng)沉積物時(shí)，流動(dòng)會(huì)因受到阻礙而出現(xiàn)壓力逐漸降低的情況。節(jié)流后壓力降低，質(zhì)量比容積增大，分子之間的距離增加，分子相互作用的位能增大。分子的運(yùn)動(dòng)速度減慢，其主要體現(xiàn)在溫度降低［19］。因此，一般情況下，二氧化碳?xì)怏w被節(jié)流后溫度和壓力都會(huì)有所降低。

具體試驗(yàn)步驟：當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度穩(wěn)定后，打開真空泵抽取至試驗(yàn)所需真空度，向反應(yīng)釜注入設(shè)定壓力的二氧化碳?xì)怏w，開始?xì)怏w吹掃試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中不斷調(diào)節(jié)氣瓶注氣口處減壓閥，以保證試驗(yàn)過程中注入反應(yīng)釜內(nèi)的壓力穩(wěn)定，直至試驗(yàn)結(jié)束。

設(shè)置二氧化碳注氣壓力為4 MPa、真空度為10 000 Pa，進(jìn)行吹掃試驗(yàn)，用向上排水法測(cè)得出氣口流量為9.48 L/min。壓力數(shù)據(jù)如圖11所示。

溫度數(shù)據(jù)如圖12所示。12號(hào)溫度傳感器測(cè)得從零時(shí)刻到160 min時(shí)氣體溫度下降22 ℃左右，約降至-9 ℃，符合試驗(yàn)預(yù)期。

從圖11、圖12均可看出，由于節(jié)流膨脹效應(yīng)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，二氧化碳?xì)怏w在由反應(yīng)釜注氣端逐漸流向出氣口的過程中，溫度和壓力都有所下降，符合試驗(yàn)預(yù)期。

由于二氧化碳在節(jié)流膨脹過程吸熱，反應(yīng)釜內(nèi)部的氣體溫度大幅度降低。結(jié)合圖11和圖12可以看出，受壓力和溫度分布的影響，試驗(yàn)中的氣體越靠近出口端，溫度下降越多，反應(yīng)釜出氣口端壓降最大，因此溫度下降幅度在最后段尤其是溫度傳感器12處表現(xiàn)尤為明顯。這在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)應(yīng)的是降壓井的部分。降壓井附近溫度和壓力都比較低，靠近恒溫層部分受傳熱作用明顯，溫度下降最多，最容易生成二次水合物，從而影響開采效率。

在二氧化碳注氣壓力為4 MPa 真空度為10 000 Pa試驗(yàn)中，由圖12可知，12號(hào)溫度傳感器測(cè)得從零時(shí)刻到160 min時(shí)氣體溫度下降22 ℃左右，約降至-9 ℃，二氧化碳?xì)怏w節(jié)流膨脹效應(yīng)十分明顯。

4" 結(jié)" 論

針對(duì)天然氣水合物開采過程中近井儲(chǔ)層滲流規(guī)律，專門研發(fā)天然氣水合物開采過程中近井儲(chǔ)層滲流規(guī)律模擬裝置。裝置主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應(yīng)釜系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)及低溫恒溫系統(tǒng)5大模塊，可用于模擬天然氣水合物在實(shí)際開采過程中，近井儲(chǔ)層周圍物質(zhì)傳遞和相變的過程。同時(shí)也可根據(jù)天然氣水合物的生成規(guī)律，進(jìn)一步地模擬降壓開采中天然氣水合物的二次生成現(xiàn)象。

該裝置有真空箱（可使反應(yīng)系統(tǒng)處于絕熱狀態(tài)）和變徑反應(yīng)釜（模擬二維徑向流）2大設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，可重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)外界對(duì)反應(yīng)釜系統(tǒng)無傳熱和模擬徑向收斂流的2大功能，通過相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試，裝置設(shè)計(jì)滿足預(yù)期。對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了高壓測(cè)試、真空測(cè)試以及氣體吹掃試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

（1）在高壓測(cè)試中反應(yīng)釜內(nèi)壓力保持基本恒定，表明模擬裝置氣密性良好。

（2）在真空測(cè)試中真空條件下，可有效避免外界對(duì)反應(yīng)釜的傳熱作用，表明真空裝置可以通過提高真空度來降低反應(yīng)釜與外界環(huán)境溫度傳導(dǎo)，以滿足裝置設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

（3）在氣體吹掃試驗(yàn)中，在二氧化碳?xì)怏w由反應(yīng)釜注氣端逐漸流向出氣口的過程中，該裝置能夠?qū)崟r(shí)、完整地監(jiān)測(cè)到溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化，表明了裝置的可靠性，可為研究滲流規(guī)律提供支持。試驗(yàn)現(xiàn)象符合二氧化碳節(jié)流膨脹效應(yīng)，可對(duì)天然氣水合物進(jìn)行試驗(yàn)，滿足反應(yīng)釜系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

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第一李響，生于2002年，現(xiàn)就讀于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)工程專業(yè)。地址：（100083）北京市海淀區(qū)。email：1002201116@cugb.edu.cn。

通信作者：張國彪，email：zhanggb@cugb.edu.cn。2024-02-06楊曉峰