一種多孔介質(zhì)中氣水合物模擬實驗測試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于油氣勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種天然氣水合物儲層的勘探技 術(shù)，具體為一種多孔介質(zhì)中氣水合物模擬實驗測試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物是一種具有巨大潛力的能量資源，主要分布于陸地永久凍土帶和大 陸架邊緣的海底沉積物中，其具有分布廣、儲量大、能量密度高、清潔等特點，對天然氣水合 物資源的勘探與開發(fā)引起了世界各國的廣泛重視。
[0003] 天然氣水合物儲層是一種特殊類型的儲層，目前對其評價主要沿用油氣評價理論 與方法，即將天然氣水合物作為流體來處理。實際上天然氣水合物是以固態(tài)形式存在，而且 其物理化學(xué)性質(zhì)、賦存狀態(tài)、成藏模式也與油氣有較大差異。因此，在借鑒油氣評價理論與 方法的同時，需要針對天然氣水合物的特性探索新的理論、技術(shù)和方法，以更有效地對天然 氣水合物儲層進行識別、對水合物的賦存狀態(tài)和飽和度進行評價，為制定和優(yōu)化水合物開 采方案提供理論和數(shù)據(jù)支撐。
[0004] 地球物理測井是對天然氣水合物儲層進行定量評價的重要手段，利用地球物理測 井技術(shù)可以在原位高壓低溫環(huán)境下對儲層物理性質(zhì)進行探測，數(shù)據(jù)可靠性較高，通過測井 解釋技術(shù)進一步可以獲得巖石孔隙度、含水合物飽和度、儲層厚度等參數(shù)，為天然氣水合物 儲層的定量評價提供必要的信息。國內(nèi)外對天然氣水合物資源調(diào)查中大都實施了測井作 業(yè)，由于天然氣水合物的電學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)與儲層巖石其他組分之間的差異最為顯著，目前 對水合物飽和度的評價主要基于傳統(tǒng)的電阻率測井響應(yīng)和聲波測井響應(yīng)開展解釋工作。如 前所述，與油氣儲層相比天然氣水合物儲層具有其特殊性，因此在對測井響應(yīng)進行解釋之 前需要構(gòu)建適用于天然氣水合物儲層的測井解釋模型。構(gòu)建測井解釋模型不僅需要建立理 論模型，而且需要收集大量的測井?dāng)?shù)據(jù)資料以及巖石物理實驗數(shù)據(jù)對理論模型進行驗證和 參數(shù)優(yōu)化。
[0005] 因此，大量地開展針對天然氣水合物的巖石物理模擬實驗，獲取高質(zhì)量的聲學(xué)與 電學(xué)實驗測試數(shù)據(jù)，對于構(gòu)建天然氣水合物儲層的聲波與電法測井解釋模型具有不可替 代的重要意義，進而為聲波與電法測井技術(shù)應(yīng)用于天然氣水合物儲層精細評價提供模型基 礎(chǔ)。除此之外，在針對天然氣水合物開展巖石物理模擬實驗過程中，深入研究新的聲學(xué)和電 學(xué)測試系統(tǒng)和方法也為開發(fā)新的測井技術(shù)（包括測井儀器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)解釋模型與方法） 提供理論基礎(chǔ)，同時也為探索天然氣水合物生成/分解過程的動力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)內(nèi) 各相物質(zhì)的空間分布狀態(tài)變化規(guī)律提供有效的探測技術(shù)手段。
[0006] 聲學(xué)和電學(xué)測試技術(shù)的優(yōu)點在于：激勵信號與測量信號安全無輻射；測試過程為 非侵入式，對被測體系干擾??；傳感器制作成本較低而且可根據(jù)不同的測量需求靈活設(shè)計； 電信號與聲信號（聲信號通常也轉(zhuǎn)換為電信號）測量和處理所需的電路性能高、模塊化、可 靠性強，信號采集速度快；數(shù)據(jù)分析處理方法靈活多樣且易于軟件實現(xiàn)。
[0007] 現(xiàn)有的天然氣水合物模擬實驗測試系統(tǒng)及測試方法中，所涉及到的聲學(xué)和電學(xué)測 試技術(shù)絕大多數(shù)采取各自獨立實施的方式。申請?zhí)枮?013102252657的專利公布了 "天然 氣水合物沉積物動三軸力學(xué)-聲學(xué)-電學(xué)同步測試的實驗裝置及方法"，但是其測試系統(tǒng) 和方法有以下特點：利用了傳統(tǒng)的電阻率測試技術(shù)，即僅獲取了被測介質(zhì)的電阻信息而忽 視了容抗信息；僅使用一對電極作為傳感器，測試的空間范圍較窄；沒有考慮電學(xué)傳感器 與聲學(xué)傳感器在測試空間的復(fù)合，導(dǎo)致聲學(xué)傳感器和電學(xué)傳感器的測試對象（空間測試范 圍）不完全一致，從而導(dǎo)致兩類傳感器所獲取的信息無法統(tǒng)一，無法對兩類傳感器的測量 數(shù)據(jù)進行聯(lián)合（融合）處理。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 本實用新型提供一種多孔介質(zhì)內(nèi)天然氣水合物模擬實驗測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)實驗室 環(huán)境下沉積物中天然氣水合物生成分解過程的模擬、聲學(xué)與電學(xué)參數(shù)聯(lián)合測試的實施。利 用此系統(tǒng)和對應(yīng)的測試方法可以高效地開展天然氣水合物相關(guān)的物理模擬實驗，獲取蘊含 豐富信息的聲學(xué)和電學(xué)測試參數(shù)數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的天然氣水合物飽和度計算模型，從而為 探索天然氣水合物生成/分解過程的動力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)內(nèi)各相物質(zhì)的空間分布狀 態(tài)變化規(guī)律提供有效的探測技術(shù)手段，同時也為開發(fā)新的測井技術(shù)（包括測井儀器和相應(yīng) 的數(shù)據(jù)解釋模型與方法）提供理論基礎(chǔ)。
[0009] 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本實用新型的多孔介質(zhì)中氣水 合物模擬實驗測試系統(tǒng)，主要包括反應(yīng)釜、傳感系統(tǒng)、硬件接口設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，反應(yīng) 釜用以盛裝被測介質(zhì)，傳感系統(tǒng)安裝在反應(yīng)釜內(nèi)，傳感系統(tǒng)通過硬件接口設(shè)備接入數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)；
[0010] 傳感系統(tǒng)主要由聲學(xué)傳感器、電學(xué)傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器組成，
[0011] 硬件接口設(shè)備包括：
[0012] 波形發(fā)生器，用以產(chǎn)生傳感系統(tǒng)所需的激勵信號，作為傳感系統(tǒng)的輸入；
[0013] 聲電信號數(shù)據(jù)采集模塊、阻抗測量電路和超聲激勵信號功率放大器，超聲激勵信 號經(jīng)超聲激勵信號功率放大器放大后作為聲學(xué)傳感器的輸入，聲學(xué)傳感器的輸出由聲電 信號數(shù)據(jù)采集模塊采集，聲電信號數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)阻抗測量電路采集電學(xué)傳感器的信號輸 出；
[0014] 溫度采集模塊和壓力采集模塊分別采集溫度傳感器和壓力傳感器的信號；
[0015] 多路切換模塊I用以切換波形發(fā)生器與傳感系統(tǒng)的連通；
[0016] 多路切換模塊II用以切換各采集模塊和相應(yīng)傳感系統(tǒng)的連通；
[0017] 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收并處理各數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。
[0018] 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)經(jīng)遠程控制器接收并處理各數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。
[0019] 反應(yīng)釜為同軸雙筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒同軸置于外筒內(nèi)，外筒上端設(shè)置頂蓋用于密封，反應(yīng) 釜底部安裝濾網(wǎng)，同一平面上反應(yīng)釜內(nèi)筒和外筒經(jīng)內(nèi)、外筒同一直徑上對應(yīng)設(shè)置若干個孔， 孔內(nèi)對應(yīng)安裝聲學(xué)傳感器和電學(xué)傳感器，反應(yīng)釜底部設(shè)置若干孔，孔內(nèi)安裝溫度傳感器，反 應(yīng)釜頂蓋開兩個孔，分別安裝氣體導(dǎo)管和引出傳感器的連接導(dǎo)線，氣體導(dǎo)管上安裝閥門和 壓力傳感器，反應(yīng)釜底部開兩個孔，分別連接氣體導(dǎo)管和液體導(dǎo)管。
[0020] 同一直徑上的內(nèi)筒和外筒上設(shè)置用以發(fā)射和接收的聲學(xué)傳感或用以發(fā)射和接收 的電學(xué)傳感器。
[0021] 聲學(xué)傳感器和電學(xué)傳感器為一體化的聲電傳感器，同一直徑上的內(nèi)筒和外筒上設(shè) 置用以發(fā)射和接收的聲電傳感器。
[0022] 一體化聲電傳感器的聲學(xué)傳感器采用圓柱形，電學(xué)傳感器采用環(huán)形，聲學(xué)傳感器 的一端置于電學(xué)傳感器的環(huán)內(nèi)。
[0023] 一體化聲電傳感器的聲學(xué)傳感器采用圓柱形，電學(xué)傳感器采用矩形，矩形中心具 有圓孔，聲學(xué)傳感器的一端置于電學(xué)傳感器的圓孔內(nèi)。
[0024] 矩形上沿反應(yīng)釜軸向設(shè)置若干個圓孔，聲學(xué)傳感器的一端置于電學(xué)傳感器的圓孔 內(nèi)。
[0025] 該測試技術(shù)借鑒了現(xiàn)代信息領(lǐng)域的多傳感器復(fù)合與數(shù)據(jù)融合的思想，針對天然氣 水合物的特點而提出。
[0026] 通過設(shè)計新型的反應(yīng)釜并對傳感器進行陣列式排布，實現(xiàn)多傳感器的不同復(fù)合方 式，使得傳感器覆蓋面更廣、其可靠性和魯棒性更強，從而針對同一被測對象或狀態(tài)可以獲 取多類相關(guān)且具有一致性的信息，所獲得的信息量更大、置信度更高。
[0027] 通過對傳感器測量數(shù)據(jù)進行不同層次的融合、采用不同的融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和融合算 法，從而可以構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)融合模型，以此為基礎(chǔ)可以更加深入地挖掘蘊含在聲學(xué)與電 學(xué)傳感器測量數(shù)據(jù)中的信息，為建立水合物飽和度計算模型和探索水合物生成/分解過程 的動力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)中各相物質(zhì)的空間分布狀態(tài)變化規(guī)律提供更多的有用信息。
[0028] 基于含天然氣水合物多孔介質(zhì)的電性參數(shù)頻散特性參數(shù)（如復(fù)電阻率頻散度）來 獲取天然氣水合物飽和度信息?，F(xiàn)有的基于介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)計算水合物飽和度的方法中，主 要利用電阻率數(shù)據(jù)并結(jié)合阿爾奇經(jīng)驗公式對水合物飽和度進行估算，在此類方法中僅利用 了介質(zhì)的部分電學(xué)性質(zhì)（即電阻特性）來描述多孔介質(zhì)中水合物飽和度的變化規(guī)律。對介 質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的刻畫不足是導(dǎo)致水合物飽和度計算誤差的重要原因之一，另外阿爾奇經(jīng)驗公 式本身的局限性（如對含油氣等流體的多孔介質(zhì)所提出的眾多假設(shè)條件是否適用于水合 物的實際情況）也導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。電性參數(shù)頻散特性參數(shù)（如復(fù)電阻率頻散度）不僅同 時包含介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)信息，而且能夠刻畫兩者隨測試頻率變化而變化的特性， 因此可以更全面、深刻地描述含天然氣水合物介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)，為提高天然氣水合物飽和 度計算的準(zhǔn)確度提供了更加豐富的信息。
[0029] 通過靈活的編碼激勵技術(shù)對聲學(xué)傳感器進行激勵，相對于目前普遍采用的單脈沖 單次激勵方式具有抑制噪聲能力強、所需信號幅值低、激勵信號頻率和波形可靈活調(diào)整等 優(yōu)點，接收端聲學(xué)傳感器接收的信號信噪比更高、蘊含的信息更加豐富，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù) 分析處理提供更多高質(zhì)量的信息。
[0030] 測試系統(tǒng)采用虛擬儀器的架構(gòu)，以計算機為核心、配以軟件化和模塊化的儀器。模 塊化的儀器系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線技術(shù)（如PXI總線），系統(tǒng)支持靈活的配置，系統(tǒng)的 集成度和可靠性強；開發(fā)的圖形化測控軟件能夠按照需求靈活配置硬件設(shè)備，對硬件設(shè)備 (儀器、板卡等）進行控制并實現(xiàn)高速高精度的數(shù)據(jù)采集和處理，友好的人機交互界面支持 參數(shù)的靈活設(shè)定、數(shù)據(jù)和波形的預(yù)處理、實時顯示和保存等功能。
[0031] 所實用新型的測試系統(tǒng)
[0032] 模擬實驗測試系統(tǒng)主要用于對含天然氣水合物多孔介質(zhì)體系進行聲學(xué)參數(shù)、電學(xué) 參數(shù)以及溫度和壓力的實時測量，該系統(tǒng)主要包括四部分：反應(yīng)釜、傳感器（聲學(xué)傳感器、 電學(xué)傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器）、硬件接口設(shè)備、軟件系統(tǒng)（測控軟件和監(jiān)控計算 機）。測試系統(tǒng)中的硬件接口設(shè)備與軟件系統(tǒng)采用虛擬儀器的架構(gòu)，即以計算機為核心、配 以軟件化和模塊化的儀器。
[0033] (1)反應(yīng)釜
[0034] 反應(yīng)釜為天然氣水合物的生成和分解提供場所、為傳感器的安裝提供支撐。所設(shè) 計的反應(yīng)釜采用同軸雙圓筒型結(jié)構(gòu)。
[0035] 反應(yīng)釜可分為五部分：外筒（包括筒底和可拆卸的襯里）、可拆卸內(nèi)筒、可拆卸頂 蓋、可拆卸濾網(wǎng)、其他用于密封和連接等的附件。
[0036] 反應(yīng)釜的外筒采用耐腐蝕和耐高壓的金屬材料，可采用不銹鋼或者高強度鋁合金 (可用于X-CT掃描），外筒的襯里（底部無襯里）采用絕緣材料，如聚四氟乙烯；內(nèi)筒采用 金屬材料（不銹鋼或者高強度鋁合金）或者采用絕緣材料（如聚四氟乙烯等）。
[0037] 內(nèi)筒為可拆卸部分，外筒底部與頂蓋加工有對內(nèi)筒和外筒的相對位置進行定位的