一种天然气水合物开发模拟实验装置

摘要

本发明公开了一种天然气水合物开发模拟实验装置，包括相互独立的三维模型系统和一维长管模拟系统，所述三维模型系统由模型支撑底座和设在模型支撑底座上的模型主体组成，并且在所述模型主体上设有模拟井网，所述模型主体包括回字型框架板，所述回字型框架板内设有与其上下板平行的变压板，在所述回字型框架板内表面设置有透明的高压钢化玻璃，所述高压钢化玻璃内由底至顶依次设置有若干组模拟地层，在所述模拟地层内均设有自然纹理，且在相邻每组模拟地层之间设有过渡韵律层；本发明通过真实的模拟地层结构，使得模拟效果能够符合真实的采收效果，促使模拟的成果能够直接应用于实际采收的指导。

权利要求

1.一种天然气水合物开发模拟实验装置，包括相互独立的三维模型系统和一维长管模拟系统，所述三维模型系统由模型支撑底座(1)和设在模型支撑底座(1)上的模型主体(2)组成，并且在所述模型主体(2)上设有模拟井网(5)，其特征在于：所述模型主体(2)包括回字型框架板(201)，所述回字型框架板(201)内设有与其上下板平行的变压板(202)，在所述回字型框架板(201)内表面设置有透明的高压钢化玻璃(205)，所述高压钢化玻璃(205)内由底至顶依次设置有若干组模拟地层(206)，在所述模拟地层(206)内均设有自然纹理，且在相邻每组模拟地层(206)之间设有过渡韵律层；

位于顶板的变压板(202)和位于最顶层的模拟地层(206)之间设有塑性软流层(207)，且在所述模拟地层(206)内或者在相邻模拟地层(206)之间均设有夹矸层(208)，所述夹矸层(208)内均固定安装有注液充压中转装置(209)，所述注液充压中转装置(209)上连接有若干个相互独立设置在不同模拟地层(206)内的充压导向管(210)，其中，所述模拟地层(206)的界面上设置有随机分布的储集体(211)；

所述模拟井网(5)包括设置在回字形框架板(201)上呈网格状均匀分布的注采基座(501)，所述注采基座(501)上固定安装有依次穿过变压板(202)和塑性软流层(207)的注采井管(502)，所述注采井管(502)内设置有均匀分布的传感器探头(503)，且在所述注采井管(502)上设置有斜井井管(504)和水平井井管(505)。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述回字型框架板(201)的底部设有用于推动变压板(202)移动的施力气缸(203)，所述变压板(202)的外圈上设有提高密封性的增压橡胶圈(204)。

3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述回字形框架板(201)的每个表面均设有若干均匀分布的温度传感器接口(15)和压力传感器接口(16)，所述回字形框架板(201)的每个表面还设有若干反映注热温度的电阻传感器电极(17)，所述温度传感器接口(15)、压力传感器接口(16)和电阻传感器电极(17)对应的回字形框架板(201)内表面上均设有安装定位螺纹孔(18)，每个所述温度传感器接口(15)、压力传感器接口(16)和电阻传感器电极(17)对应的回字形框架板(201)外表面上均设有内沉式凹槽(19)。

4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述模拟地层由被模拟区域的级配颗粒泥沙组分组成，并且其制备方法包括如下步骤：

步骤101、通过地震和测井资料获得被模拟区域地层的组分、颗粒级配以及物性参数；

步骤102、基于被模拟区域地层的组分、颗粒级配以及物性参数使用相同颗粒级配的泥沙通过胶水进行混合，并且在设定模拟地层内的自然纹理和位于边界的过渡韵律层；

步骤103、按照上述步骤同步制作全部的模拟地层，将其同步放入高压钢化玻璃内，根据物性参数确定模压压力并驱动变压板对其进行压实。

5.根据权利要求4所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：在上述步骤中，各组模拟地层内至少分2次装入按照颗粒级别混合的泥沙，并在每组模拟地层内分组进行预压实，分次加压的次数不少于3次。

6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述注液充压中转装置(209)包括设置在夹矸层(208)内的缓冲气囊(209A)，所述缓冲气囊(209A)内通过若干组隔片将其分为若干个相互独立的注液充压室(209B)，且在所述注液充压室(209B)之间通过顺次连接的注液导管连通，所述注液导管上均设有控压单向阀，所述充压导向管(210)通过并列分液管(209C)与位于最末端的注液充压室(209B)连接。

7.根据权利要求6所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述并列分液管(209C)包括充液分配腔(209D)，所述充液分配腔(209D)上固定安装有若干个相互独立的充液连接柱(209E)，所述充液连接柱(209E)分别与充压导向管(210)连通，且在每个充液连接柱(209E)内均设置有控压补液阀，所述控压补液阀上设有延伸进充压导向管(210)内的压力传感器，所述充压导向管(210)上每隔相同距离设有一组用于将充压导向管(210)固定在模拟地层内的镶嵌扣，且在位于充压导向管(210)的末端设有两组相互交叉的镶嵌扣。

8.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述储集体(211)根据模拟区域的地层的组分、颗粒级配以及物性参数通过胶水预先模压成型，并且根据模拟区域的地质构造在模压成型后设置微裂缝和断层。

9.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述塑性软流层(207)表面设置有厚度不均匀地半塑性变形层(207A)，且在所述半塑性变形层(207A)内均匀地设置有用于支撑半塑性变形层(207A)的液压顶板(207B)，所述液压顶板(207B)的另一端固定安装在回字形框架板(201)的上板内表面。

说明书

一种天然气水合物开发模拟实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及水合物模拟装置技术领域，具体为一种天然气水合物开发模拟实验装置。

背景技术

[0002] 可观的储量推动开发技术的不断进步，技术的创新又将带动储量的高效动。本世纪以来，全世界都认识到天然气水合物是一种替代常规化石燃料的清洁能源。全球已发现水合物矿藏点超过200处，以目前的能源消费趋势，仅开采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的稳定温压条件，决定了其开采方式的特殊性，另外其开采过程中对与环境的影响还有待进一步的评估。因此，目前对水合物开采的研究除少数国家和地区进行过单井或单一井组的试开采以外，绝大部分研究还处于实验室物理模拟和数值模拟的阶段。

[0003] 为了对这种储量巨大的能源进行开发利用，研究人员提出了很多方法：

[0004] ①注热法：利用注入热水、蒸汽或者热盐水将水合物加热到平衡温度之上分解；

[0005] ②降压法：将水合物藏的压力降低到平衡分解压力以下；

[0006] ③化学剂法：注入化学药剂，比如甲醇或者乙二醇以改变水合物平衡生成条件。

[0007] 基于上述方法，一般在进行实际开采之前还需要进行模拟，国内外在实验内研究热力法开采甲烷水合物的研究仅限于一维长岩心夹持器、二维垂直井模拟。然而，水合物开发与常规油气无异，同样是一个三维渗流场压力不断降落的过程。为了更加真实有效的了解掌握水合物的合成、分解以及开采过程中不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数，进行三维水合物开采实验模拟，特别是在三维尺度上研究水合物的分解行为，意义重大，为实际开采提供理论依据。而现有模拟装置中还存在以下的缺陷：

[0008] (1)现有的模拟装置不能够根据实际的地质资料来构建具体的地层结构，或者通过地层结构来模拟实际所处的环境，由于该过程难以进行有效的模拟，使得模拟的效果与实际结果不一致或者有明显的区别，导致模拟的结果并不能够直接用于指导实际的生产，只能作为理论指导的辅助依据；

[0009] (2)现有的模拟装置往往是一个封闭式的，其所模拟的条件就受限于模型本体，而且其所有的参数和模拟条件均不能够被结合起来形成动态平衡，不能够模拟水合物所处的动态环境，特别是在开采的过程中，其所处的环境是处于建立平衡和破坏平衡中循环过程中，因此不能够模拟动态的开采过程；

[0010] (3)在现有模拟装置中，模型主体和基座之间是一个固定的结构，但是这个固定的结构就限制了模型的适用范围，即对于一个模型来说，预先设定用来模拟什么类型的井网就只能够模拟该种类型，不能够超出这个范围，这显然是不科学的。

发明内容

[0011] 为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种天然气水合物开发模拟实验装置，能有效的解决背景技术提出的问题。

[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0013] 一种天然气水合物开发模拟实验装置，包括相互独立的三维模型系统和一维长管模拟系统，所述三维模型系统由模型支撑底座和设在模型支撑底座上的模型主体组成，并且在所述模型主体上设有模拟井网，所述模型主体包括回字型框架板，所述回字型框架板内设有与其上下板平行的变压板，在所述回字型框架板内表面设置有透明的高压钢化玻璃，所述高压钢化玻璃内由底至顶依次设置有若干组模拟地层，在所述模拟地层内均设有自然纹理，且在相邻每组模拟地层之间设有过渡韵律层；

[0014] 位于顶板的变压板和位于最顶层的模拟地层之间设有塑性软流层，且在所述模拟地层内或者在相邻模拟地层之间均设有夹矸层，所述夹矸层内均固定安装有注液充压中转装置，所述注液充压中转装置上连接有若干个相互独立设置在不同模拟地层内的充压导向管，其中，所述模拟地层的界面上设置有随机分布的储集体；

[0015] 所述模拟井网包括设置在回字形框架板上呈网格状均匀分布的注采基座，所述注采基座上固定安装有依次穿过变压板和塑性软流层的注采井管，所述注采井管内设置有均匀分布的传感器探头，且在所述注采井管上设置有斜井井管和水平井井管。

[0016] 进一步地，所述回字型框架板的底部设有用于推动变压板移动的施力气缸，所述变压板的外圈上设有提高密封性的增压橡胶圈。

[0017] 进一步地，所述回字形框架板的每个表面均设有若干均匀分布的温度传感器接口和压力传感器接口，所述回字形框架板的每个表面还设有若干反映注热温度的电阻传感器电极，所述温度传感器接口、压力传感器接口和电阻传感器电极对应的回字形框架板内表面上均设有安装定位螺纹孔，每个所述温度传感器接口、压力传感器接口和电阻传感器电极对应的回字形框架板外表面上均设有内沉式凹槽。

[0018] 进一步地，所述模拟地层由被模拟区域的级配颗粒泥沙组分组成，并且其制备方法包括如下步骤：

[0019] 步骤101、通过地震和测井资料获得被模拟区域地层的组分、颗粒级配以及物性参数；

[0020] 步骤102、基于上述参数使用相同颗粒级配的泥沙通过胶水进行混合，并且在设定模拟地层内的自然纹理和位于边界的过渡韵律层；

[0021] 步骤103、按照上述步骤同步制作全部的模拟地层，将其同步放入高压钢化玻璃内，根据物性参数确定模压压力并驱动变压板对其进行压实。

[0022] 进一步地，在上述步骤中，各组模拟地层内至少分2次装入按照颗粒级别混合的泥沙，并在每组模拟地层内分组进行预压实，分次加压的次数不少于3次。

[0023] 进一步地，所述注液充压中转装置包括设置在夹矸层内的缓冲气囊，所述缓冲气囊内通过若干组隔片将其分为若干个相互独立的注液充压室，且在所述注液充压室之间通过顺次连接的注液导管连通，所述注液导管上均设有控压单向阀，所述充压导向管通过并列分液管与位于最末端的注液充压室连接。

[0024] 进一步地，所述并列分液管包括充液分配腔，所述充液分配腔上固定安装有若干个相互独立的充液连接柱，所述充液连接柱分别与充压导向管连通，且在每个充液连接柱内均设置有控压补液阀，所述控压补液阀上设有延伸进充压导向管内的压力传感器，所述充压导向管上每隔相同距离设有一组用于将充压导向管固定在模拟地层内的镶嵌扣，且在位于充压导向管的末端设有两组相互交叉的镶嵌扣。

[0025] 进一步地，所述储集体根据模拟区域的地层的组分、颗粒级配以及物性参数通过胶水预先模压成型，并且根据模拟区域的地质构造在模压成型后设置微裂缝和断层。

[0026] 进一步地，所述塑性软流层表面设置有厚度不均匀地半塑性变形层，且在所述半塑性变形层内均匀地设置有用于支撑半塑性变形层的液压顶板，所述液压顶板)的另一端固定安装在回字形框架板的上板内表面。

[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过真实的模拟地层结构，使得模拟效果能够符合真实的采收效果，促使模拟的成果能够直接应用于实际采收的指导。

附图说明

[0028] 图1为本发明模型主体整体结构示意图；

[0029] 图2为本发明模型主体顶部结构示意图；

[0030] 图3为本发明夹矸层结构示意图；

[0031] 图4为本发明旋转机构整体结构示意图；

[0032] 图5为本发明旋转机构侧视结构示意图；

[0033] 图6为本发明角度垂直板结构示意图；

[0034] 图7为本发明模型本体旋转角度较小时的锁紧结构示意图；

[0035] 图8为本发明模型本体旋转角度较大时的锁紧结构示意图；

[0036] 图9为本发明锁紧机构俯视结构示意图；

[0037] 图10为本发明一维长管模型系统结构示意图；

[0038] 图11为本发明岩心夹持器结构示意图；

[0039] 图12为本发明补偿性岩心筒结构示意图；

[0040] 图13为本发明开放式温度维持装置结构示意图；

[0041] 图14为本发明气动压力补偿装置结构示意图；

[0042] 图15为本发明注入系统结构示意图；

[0043] 图16为本发明注入系统仰视结构示意图；

[0044] 图17为本发明的阀杆转动结构示意图；

[0045] 图18为本发明控制系统的结构框图；

[0046] 图19为本发明装置使用方法流程图。

[0047] 图中标号：1-模型支撑底座；2-模型本体；3-旋转机构；4-锁紧机构；5-模型井网；6-外凸圆环；7-切割内沉式凹槽；8-限位长杆；9-耐磨滑块；10-光滑轨道；11-角度垂直板；
12-刻度线；13-镂空观察口；14-缓冲弹性垫；15-温度传感器接口；16-压力传感器接口；17-电阻传感器电极；18-安装定位螺纹孔；19-内沉式凹槽；20-密封橡胶垫；21-底水腔；22-注水孔；23-岩心模拟腔；24-驱替压力供应室；25-高压衬套；26-浮动内活塞；27-驱替室；28-气动压力浮动室；29-补偿性岩心筒；30-岩心夹持器；31-开放式温度维持装置；32-气动压力补偿装置；33-模拟地层压力注入系统；34-驱替压力注入系统；35-开关标识刻字；36-注水箱；37-分水器；38-注水管道；39-初级水压表；40-管道增压泵；41-注入水压表；42-通断控制阀；43-流量监测器；44-驱动电机；45-转动方向指示针；

[0048] 201-回字形框架；202-变压板；203-施力气缸；204-增压橡胶圈；205-高压钢化玻璃；206-模拟地层；207-塑性软流层；208-夹矸层；209-注液充压中转装置；210-充压导向管；211-储集体；

[0049] 207A-半塑性变形层；207B-液压顶板；

[0050] 209A-缓冲气囊；209B-注液充压室；209C-并列分液管；209D-充液分配腔；209E-充液连接柱；

[0051] 301-伺服电机；302-驱动齿轮；303-支撑立柱；304-光滑圆形穿孔；305-直行定杆；306-大直径弧形板；307-转动轴承；308-齿形条；309-推动长杆；

[0052] 401-锁紧套筒；402-旋转杆；403-锁紧螺纹杆；404-定位卡条；405-螺纹孔；406-螺纹段；

[0053] 501-注采基座；502-注采井管；503-传感器探头；504-斜井井管；505-水平井井管；

[0054] 2701-压力控制管；2702-阻尼管；

[0055] 2901-顶升底座；2902-长度补偿器；2903-螺旋底座；2904-补偿杆；2905-推升座；

[0056] 3001-气密性套筒；3002-推动塞；3003-环状波坎纹；3004-硬质复位弹簧；3005-压力缓冲柱；3006-环形导向基板；3007-导向杆；3008-扭矩基座；3009-套柱；

[0057] 3101-热辐射散热片；3102-热循环进管；3103-热循环回管；3104-天然气加热器；3105-调节阀；3106-燃气补充管；3107-温控装置；3108-内循环气泵；3109-闸阀；3110-止逆阀；

[0058] 3201-内压力基座；3202-顶阀；3203-嵌设套筒；3204-气动调节阀芯；3205-活塞杆；3206-滑动套筒；3207-活塞柱；3208-高压气体通道；

[0059] 3301-平衡高压生成间；3302-平衡压力增压泵；3303-抽取管道；3304-负压涡轮浆；3305-输送管道；3306-初级测压表；3307-二级加压泵；3308-控流调控阀；3309-平衡注入气压表；3310-开关阀门；

[0060] 3401-开采配气加水间；3402-开采气体增压泵；3403-活塞注水增压泵；3404-汇总管道；3405-负压涡轮浆；3406-抽水分管；3407-抽气分管；3408-注气箱；3409-抗氧化管道；3410-一级气压表；3411-连续加压泵；3412-开采注入气压表。

具体实施方式

[0061] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0062] 如图1至图19所示，本发明提供了一种天然气水合物开发模拟实验装置，包括相互独立的三维模型系统和一维长管模拟系统，其中，三维模型系统由模型主体和转动机构组成，在模型主体上设置有注入系统，该注入系统分为包括模拟系统地层压力注入系统和驱替压力注入系统。

[0063] 在上述中，三维模拟系统是实现三维注采模拟的，在本发明中其显著的优点在于可以根据被模拟地层的实际地质参数来模拟真实的原始环境，并且基于原始环境来再现注采过程。另外，一维长管模拟系统则是对实采岩心的渗流性能进行测试，掌握水合物地层渗透率和饱和度关系及水和物分解对地层渗透率的影响，能模拟不同条件下钻井液侵入对水合物地层导电特性的影响，从而通过宏观和微观上的模拟过程，真实的再现开发过程。

[0064] 该模拟装置包括相互独立的三维模型系统和一维长管模拟系统，所述三维模型系统包括模型支撑底座1，在模型支撑底座1上安装有模型主体2，在该模型支撑底座1上还设置有用于驱动模型主体2转动的旋转机构3，并且在所述模型本体2上还设有用于保持倾斜状态稳定性的锁紧机构4，所述模型本体1的上端表面设有模型井网5。

[0065] 所述模型主体2包括回字型框架板201，所述回字型框架板201内设有与其上下板平行的变压板202，所述回字形框架板201的底部设有推动所述变压板202上下移动的施力气缸203，所述变压板202的外圈上设有提高密封性的增压橡胶圈204。

[0066] 另外，在所述回字型框架板201内表面设置有透明的高压钢化玻璃205，所述高压钢化玻璃205内由底至顶依次设置有若干组模拟地层206，在所述模拟地层206内均设有自然纹理，且在相邻每组模拟地层206之间设有过渡韵律层。

[0067] 在本发明中，需要特别说明的，该模拟地层206是直接根据被模拟区域的地质参数进行模拟，其模拟的具体方法为：

[0068] 所述模拟地层由被模拟区域的级配颗粒泥沙组分组成，并且其制备方法包括如下步骤：

[0069] 步骤101、通过地震和测井资料获得被模拟区域地层的组分、颗粒级配以及物性参数；

[0070] 步骤102、基于上述参数使用相同颗粒级配的泥沙通过胶水进行混合，并且在设定模拟地层内的自然纹理和位于边界的过渡韵律层；

[0071] 步骤103、按照上述步骤同步制作全部的模拟地层，将其同步放入高压钢化玻璃内，根据物性参数确定模压压力并驱动变压板对其进行压实。

[0072] 在上述步骤中，各组模拟地层内至少分2次装入按照颗粒级别混合的泥沙，并在每组模拟地层内分组进行预压实，分次加压的次数不少于3次。

[0073] 基于上述方法，可以不难发现，该模拟地层能够完全模拟被模拟区域的地质构造，于此同时，其相对于常规模拟装置，其显著的特点在于以下两个方面：一方面通过准确的模拟该地区的地质情况，可以更加准确的基于该地质模拟来研究该区域的注采情况，为实际的开发提供理论基础；另外，由于采用的是先设置预压实、后整体模压的方式，在保留了原有地质因素的前提下还可以产生一些不可预测的情况，而该种情况的出现，可以更深入的模拟根据应力变化而衍生出来的结构，具有更实际的指导意义，克服了现有模拟单纯的为了模拟某个因素而进行模拟，认为的规避了复杂的应力因素，使得模拟结果不能应用于实际的缺陷。

[0074] 位于顶板的变压板202和位于最顶层的模拟地层206之间设有塑性软流层207，且在所述模拟地层206内或者在相邻模拟地层206之间均设有夹矸层208，所述夹矸层208内均固定安装有注液充压中转装置209，所述注液充压中转装置209上连接有若干个相互独立设置在不同模拟地层206内的充压导向管210，其中，所述模拟地层206的界面上设置有随机分布的储集体211。

[0075] 所述储集体211根据模拟区域的地层的组分、颗粒级配以及物性参数通过胶水预先模压成型，并且根据模拟区域的地质构造在模压成型后设置微裂缝和断层。

[0076] 在本发明中，另外一个优于常规模拟装置的特征在于可以动态的模拟地下压力，通过注入系统和注液充压中转装置的配合，可以在模拟地层206内的不同区域形成差异性的压力，并且配合压力的维持，使得地层内部的压力处于非均质，动态平衡的状态，而且该非均质性、动态平衡均是可以通过人为控制的，可以更加贴合的符合实际地质条件，使得模拟效果进一步的符合实际效果。

[0077] 所述模拟井网5包括设置在回字形框架板201上呈网格状均匀分布的注采基座501，所述注采基座501上固定安装有依次穿过变压板202和塑性软流层207的注采井管502，所述注采井管502内设置有均匀分布的传感器探头503，且在所述注采井管502上设置有斜井井管504和水平井井管505。

[0078] 所述注液充压中转装置209包括设置在夹矸层208内的缓冲气囊209A，所述缓冲气囊209A内通过若干组隔片将其分为若干个相互独立的注液充压室209B，且在所述注液充压室209B之间通过顺次连接的注液导管连通，所述注液导管上均设有控压单向阀，所述充压导向管210通过并列分液管209C与位于最末端的注液充压室209B连接。

[0079] 所述并列分液管209C包括充液分配腔209D，所述充液分配腔209D上固定安装有若干个相互独立的充液连接柱209E，所述充液连接柱209E分别与充压导向管210连通，且在每个充液连接柱209E内均设置有控压补液阀，所述控压补液阀上设有延伸进充压导向管210内的压力传感器，所述充压导向管210上每隔相同距离设有一组用于将充压导向管210固定在模拟地层内的镶嵌扣，且在位于充压导向管210的末端设有两组相互交叉的镶嵌扣。

[0080] 在本实施方式中，通过设置上述结构特征，使得注入系统给予的压力能够在该装置内部保持一个长时间的稳定，也就是说该装置能够保证冲注的地层压力处于一个设定的初始稳定状态，在模拟的后期可以不需要再次冲注压力，而且由于后期模拟开采的过程，地层压力不断的被减小，可以通过该装置的压力缓冲能力使得压力的缓慢补充，从而模拟实际高压采收的状态。

[0081] 所述塑性软流层207表面设置有厚度不均匀地半塑性变形层207A，且在所述半塑性变形层207A内均匀地设置有用于支撑半塑性变形层207A的液压顶板207B，所述液压顶板207B的另一端固定安装在回字形框架板201的上板内表面。通过优化模拟地层206的结构特征，在进行预先的压制后，再通过上述结构，能够在整体模压的时候使得塑性结构形成褶皱、刚性结构形成断层等，在模拟地层内部模拟不同的应力状态。

[0082] 所述旋转机构3包括两个安装在模型支撑底座1上表面的伺服电机301，两个所述伺服电机301的输出轴连接有驱动齿轮302，所述模型支撑底座1的一侧设有两个支撑立柱303，两个所述支撑立柱303顶部均设有光滑圆形穿孔304，穿过两个所述光滑圆形穿孔304固定安装有直行定杆305，所述直行定杆305上设有两个分别与模型本体2前后板平行的大直径弧形板306，两个所述大直径弧形板306均通过转动轴承307绕直行定杆305转动，所述大直径弧形板306的边缘位置与驱动齿轮302相互啮合的齿形条308，所述齿形条308通过与驱动齿轮302的相互啮合对大直径弧形板306驱动，两个所述大直径弧形板306的外侧面分别设有推动长杆309，两个所述推动长杆309的端部分别安装在所述模型本体2的前后板中心位置上，并且每个所述推动长杆309的两端分别绕模型本体2和大直径弧形板306转动。

[0083] 所述直行定杆305在大直径弧形板306的两侧均设有与直行定杆305一体化的外凸圆环6，所述外凸圆环6的下端均设有切割内沉式凹槽7，所述切割内沉式凹槽7内铰接有绕外凸圆环6转动的限位长杆8，所述限位长杆8的下端设有耐磨滑块9，沿着所述推动长杆309长轴方向设有光滑轨道10，所述耐磨滑块9可沿着光滑轨道10内部移动。

[0084] 所述回字形框架板201的前后两侧均固定安装有角度垂直板11，所述角度垂直板11的边缘设有0～90°角度范围的刻度线12，所述角度垂直板11的内部设有便于观察回字形框架板201倾斜角度的镂空观察口13。

[0085] 所述模型支撑底座1的上表面铺设有用于减少回字形框架板201垂直转动的缓冲弹性垫14。

[0086] 所述锁紧机构4包括设置在回字形框架板201前后两板的锁紧套筒401，所述锁紧套筒401的侧面连接有旋转杆402，所述锁紧套筒401分别设置在回字形框架板201前后两板的两个垂直边中心位置上，所述旋转杆402可分别绕回字形框架板201前后两板的垂直边底部转动，所述锁紧套筒401的内部设有锁紧螺纹杆403，所述模型支撑底座1上设有两个与回字形框架板201前后两板平行的定位卡条404，沿着所述定位卡条404的长轴上设有若干均匀分布的螺纹孔405。

[0087] 所述锁紧螺纹杆403的上下两端均设有螺纹段406，所述锁紧螺纹杆403上端的螺纹段406与锁紧套筒401通过螺纹咬合实现锁紧，所述锁紧螺纹杆403下端的螺纹段406与螺纹孔405通过螺纹咬合实现锁紧。

[0088] 所述回字形框架板201的每个表面均设有若干均匀分布的温度传感器接口15和压力传感器接口16，所述回字形框架板201的每个表面还设有若干反映注热温度的电阻传感器电极17，所述温度传感器接口15、压力传感器接口16和电阻传感器电极17对应的回字形框架板201内表面上均设有安装定位螺纹孔18。

[0089] 每个所述温度传感器接口15、压力传感器接口16和电阻传感器电极17对应的回字形框架板201外表面上均设有内沉式凹槽19，所述内沉式凹槽19通过螺纹连接有密封橡胶垫20。

[0090] 作为其中的一个实施例，所述变压板202上设有缓冲流体流速并吸收冲击能量的底水腔21，所述底水腔21上设有若干均匀分布的注水孔22，所述注水孔22的位置与模型井网5的下井点一一竖向匹配对应。

[0091] 另外，在本发明中的一维长管模型系统包括岩心模拟腔23和驱替压力供应室24，所述岩心模拟腔23内壁上均设有高压衬套25，且在所述岩心模拟腔23内部通过浮动内活塞26分为驱替室27和气动压力浮动室28，所述驱替室27内部通过补偿性岩心筒29安装有岩心夹持器30，该补偿性岩心筒29的作用在于，当实际采样的岩心长度不够时可以通过补偿机构来补充岩心的长度缺陷，通过设置该装置可以避免当岩心长度时需要人为制备岩心的测试缺陷，从而可以简化整体的操作过程，还可以避免人为制造岩心对测试结构的影响，在所述驱替室27和气动压力浮动室28侧面分别设置有开放式温度维持装置31和气动压力补偿装置32。

[0092] 所述补偿性岩心筒29包括固定安装在驱替室27两侧内壁上的顶升底座2901，所述顶升底座2901上均固定安装有长度补偿器2902，所述长度补偿器2902由固定安装在顶升底座2901上的螺旋底座2903和通过螺纹与螺旋底座2903咬合连接的补偿杆2904组成，通过调整咬合的长度即可整体调整补偿杆2904的延伸长度，从而达到补偿岩心长度的目的，所述补偿杆2904另一端固定安装有推升座2905。

[0093] 在本发明中需要进一步说明的是，通过采用本实施方式中的补偿性岩心筒29，其作用在于两个方面：首先，常规补偿机构是通过气动或者液压来实现长度调整的，还有就是通过内杆或者外杆的方式来实现，而在本发明中通过螺纹的多方向咬合作用来实现补偿，即可以避免在模拟过程中由于高压所造成的影响；其次，本实施方式中的螺纹咬合结构也与常规咬合结构不同，主要的不同点在于具有螺旋底座2903，该结构实现螺纹的多方向咬合作用，从而可以使得补偿杆2904在任意长度时均可以自由的固定，而不会受到模拟高压的影响。

[0094] 所述岩心夹持器30包括气密性套筒3001，所述气密性套筒3001两端设有可滑动的推动塞3002，所述推动塞3002内部呈中空的圆台状，且在所述推动塞3002内固定安装有呈阶梯状的环状波坎纹3003，在环状波坎纹3003中心固定安装有硬质复位弹簧3004，所述推动塞3004和推升座2905之间通过压力缓冲柱3005连接。通过设在推动塞3002内的环状波坎纹3003可以紧固的将岩心卡住，防止出现松动和跑位，而在设置的硬质复位弹簧3004和压力缓冲柱3005的配合作用下可以保护岩心的原始结构不被机械碰撞等作用影响。

[0095] 所述压力缓冲柱3005包括分别固定安装在推动塞3002和推升座2905上的环形导向基板3006，在两个环形导向基板3006边缘均设有相对应的定位孔，在每组相对应的定位孔之间通过套设的导向杆3007连接，且在导向杆3007两端均通过螺纹安装有握持螺母，在两个环形导向基板3006之间设置有贴附在环形导向基板3006上的扭矩基座3008，且在两个扭矩基座3008上均固定安装有相互对应的套筒，所述套筒之间通过可滑动的套柱3009连接。该压力缓冲柱3005的作用不仅仅是保护岩心，而且还可以抵消掉扭矩等剪切力的作用，由于在常规岩心实验的模拟中，通常会由于进入的压力不均匀或者方向的不可控性，导致高压直接破坏岩心结构或者在模拟高压驱替的时候产生剪切力来破坏岩心的夹持和内部结构。

[0096] 开放式的温度维持装置31可以使得温度控制处于一个较大的范围内，而且还可以灵活的根据需求进行温度的调整，并且在本实施方式中的开放式控制中可以更节能。具体的，所述开放式温度维持装置31包括设在驱替室27表面的热辐射散热片3101，所述热辐射散热片3101两端分别连接有热循环进管3102和热循环回管3103，且在热循环进管3102和热循环回管3103的连接处设置有天然气加热器3104，所述天然气加热器3104上设有通过调节阀3105设有燃气补充管3106，在热循环进管3102和热循环回管3103的端口处分别设置有温控装置3107和内循环气泵3108，所述温控装置3107的另一端连接有调节阀3105。

[0097] 需要进一步说明的是，常规模型的温度控制，是通过恒温水浴和加热罐来实现控温的，但是结合常识可知，仅仅通过上述结构很难实现温度的准确的控制，这是由于：恒温水浴的确能够保持温度的波动在一定的范围内，但是这仅仅是对于一个半开放半封闭或者一个开放的空间来说的，而对于一个全封闭的结构来说，由于恒温水浴也是需要温度来维持水浴本身的温度，因此必须持续不断的加热，这样将会导致温度的缓慢升高，而且在对比文件中，还涉及到了通过加热罐直接进行加热，并且在换热后进入三维模型中，这样又增加了温度控制不稳、不准确的因素。因此，常规模拟装置使用上述方法进行控温只能够模拟真实环境下的温度，而真实环境的下的理化条件是具有较大的波动，而且测量获得数据也是存在误差的，得不到严格控制精度的效果，只能够模拟出一个近似的波动范围即可。

[0098] 在本发明中上述温度维持装置，对于温度的控制是既有开放式的加热装置，也有开放式的冷却装置，其恒温室内部的温度升高和降低均通过开放的体系进行控制，而根据本发明的技术方案：其开放式的体系分别是热循环进管3102和热循环回管3103。通过上述开放式的控制方式，可以准确的控制其恒温室的温度，从而达到模型过程中的温度需求。

[0099] 所述燃气补充管3106上还固定安装有闸阀3109和止逆阀3110，所述调节阀3105设在闸阀3109和止逆阀3110之间，所述闸阀3109通过二分导管连接有解析管和供应瓶。

[0100] 所述气动压力补偿装置32包括内压力基座3201和顶阀3202，所述内压力基座3201和顶阀3202之间通过闭合桩连接形成一体化结构，且在内压力基座3201和顶阀3202之间设有嵌设套筒3203，所述嵌设套筒3203设置有气动调节阀芯3204，所述气动调节阀芯3204内套设有穿过顶阀3202的活塞杆3205，在所述顶阀3202的顶部安装有滑动套筒3206，所述滑动套筒3206内设有可轴向滑动的活塞柱3207，所述活塞柱3207固定安装在活塞杆3205顶部，且该滑动套筒3206顶部设有与气动压力浮动室28连通的输导管。

[0101] 所述内压力基座3201内部设有两段呈Z字型的高压气体通道3208，两段所述的高压气体通道3208分别连接有高压气泵和气动压力浮动室28，所述嵌设套筒3203设在两个高压气体通道3208的连接处，且两段高压气体通道3208的连通口分别于滑动套筒3206的侧壁和底部，且所述气动调节阀芯3204在位于最底部时正好封闭两个连通口。

[0102] 在本发明提供的气动压力补偿装置32中，高压气泵就相当于上述的驱替压力供应室24，该装置中压力的补充其实是一个自我补偿的过程，即是一个自我调节的压力稳态平衡系统，其具体的过程为：

[0103] 由驱替压力供应室24提供的压力通过高压气体通道3208形成一个压力循环的通道，而驱替室27则通过活塞柱3207控制活塞杆3205的活动，当驱替室27内的压力充足时，活塞柱3207受到压力的作用将活塞杆3205向下压，从而封闭高压气体通道3208的连通口，使得压力不能够对驱替室27进行补充，而一旦当驱替室27内的压力不足时，活塞柱3207受到驱替压力小于复位压力，将在这两个压力差的作用将活塞杆3205向上拉，从而打开高压气体通道3208的连通口，使得压力对驱替室27进行补充，直至达到原来的动态平衡，即在这个过程中只要压力有一点异常即可通过自我调节作用来实现压力的平衡作用，因此，驱替室27在自我调节的作用下始终处于设定的压力下，由始至终完成相应的驱替作业。

[0104] 在本发明中，还可以进一步说明的是，在本技术方案中，就压力的调整，还具有以下技术特征，两根所述压力控制管2701内分别设有压缩阀和伸张阀，且在两根压力控制管2701之间设有连通驱替室27和驱替压力供应室24的阻尼管2702，该压力控制管2701均是起到防爆作用的，即实时压力达到临界值时将会按需打开对应的压力控制管2701，而阻尼管
2702的作用则是起到微平衡的调节作用，即在阻尼作用下，压力始终由高压向低压的放下扩散，从而使得这个压力平衡不断被破坏，而又由气动压力补偿装置32进行压力的补充，使得整个过程永远处于动态平衡中，更加能够真实模拟实际压力驱替的情况。

[0105] 一种天然气水合物开发模拟实验装置的注入系统，包括模拟系统地层压力注入系统和驱替压力注入系统，所述模拟地层压力注入系统通过内置的输导管与注液充压中转装置连接，所述驱替压力注入系统直接设在注采基座上，模拟地层压力注入系统33向模拟本体内注入气体，提高模拟本体内的气压，直至压强达到天然气水合物平衡稳定存在的高压环境，而驱替压力注入系统34用于保持或恢复天然气层压力，为天然气开采提供有很强的驱动力，提高天然气的压强，以提高天然气水合物的开采速度和采收率。

[0106] 其中作为本实施方式的一个创新点，模拟地层压力注入系统33包括平衡高压生成间3301，以及设置在平衡高压生成间3301内的平衡压力增压泵3302，所述平衡压力增压泵3302的进气管连接有抽取管道3303，所述抽取管道3303内设有用于将增压介质吸入到平衡压力增压泵3302的负压涡轮浆3304，负压涡轮浆3304首先将增压介质吸入到平衡压力增压泵3302，增压介质在平衡压力增压泵3302的作用下提高自身压强，本实施方式中，对模型本体进行平衡高压注入时，增压介质可以为注入水或者注入气，保持天然气水合物稳定存在的高压条件。

[0107] 平衡压力增压泵3302的出管连接有若干个输送管道3305，所述平衡压力增压泵3302的出管上设有用于检测显示气压的初级测压表3306，初级测压表3306主要检测增压介质经过平衡压力增压泵3302增压后的压强，压强值可智能读取。

[0108] 每个所述输送管道3305上均连接有可产生不同加压强度的二级加压泵3307，所述二级加压泵3307的出管与内置在模型本体的输导管连接，在本实施方式中，每个输送管道3305的增压强度各不相同，从而模拟天然气水合物的不同储存地层的压力，增压介质的最终压强是经过平衡压力增压泵3302和二级加压泵3307两者的共同作用，对高压进行两个加压过程的分解操作，可降低平衡压力增压泵3302和二级加压泵3307的工作强度，因此提高增压泵的使用寿命。

[0109] 二级加压泵3307的增压频率可根据工作强度进行变化，存在一定范围的调控，增压可调控范围广，可模拟多组不同压力下的开采情况，实用性高，而且每个输送管道3305的增压强度由平衡压力增压泵3302和二级加压泵3307共同作用，每个输送管道3305压强的需求各不相同，因此每个输送管道305的二级加压泵3307工作强度也不相同，保证输送管道3305之间存在差异压力。

[0110] 另外为了确保输送管道3305达到最低需求值，平衡压力增压泵3302的最大增压强度应不大于管道冲压的最小需求压强，例如输送管道3305的对水合物储存层的充入压强分别为5Mpa、10Mpa和15Mpa，则平衡压力增压泵3302的最大增压强度应不大于5Mpa。

[0111] 在所述二级加压泵3307的出管与内置在模型本体的输导管之间设有控流调控阀3308，所述控流调控阀3308与内置输导管之间还设有平衡注入气压表3309和开关阀门
3310，控流调控阀3308可配合平衡压力增压泵3302和二级加压泵3307工作，实现对增压介质的压强调整，因此平衡注入气压表3309的示数靠平衡压力增压泵3302、二级加压泵3307和平衡注入气压表3309共同决定。

[0112] 基于上述，本实施方式的工作过程具体为：使用平衡压力增压泵3302、二级加压泵3307和控流调控阀3308对空气进行共同加压处理，模拟天然气水合物的高压平衡存储条件，并且每个输送管道3305的气压主要根据二级加压泵3307和控流调控阀3308的不同工作强度和开关状态而存在差异压力，在输送管道3305实现差异分压之前，使用平衡压力增压泵3302进行增压预处理，减少二级加压泵307的工作强度，防止二级加压泵307的工作压力过大发生损坏，并且二级加压泵3307和控流调控阀3308在调控过程中，可进一步增加模拟高压平衡条件的压力，提高高压模拟的调控范围，实现对水压或者气压的连续性增压处理，扩大模拟天然气水合物平衡稳定的高压范围。

[0113] 作为本实施方式的另一个创新点，驱替压力注入系统34包括开采配气加水间3401、设置在开采配气加水间3401内的开采气体增压泵3402，以及与开采气体增压泵3402独立并列工作的活塞注水增压泵3403，所述开采气体增压泵3402和活塞注水增压泵3403的进口管道共同连接有汇总管道3404，所述汇总管道3404内也设有负压涡轮浆3405，所述汇总管道3404的端口分叉连接有抽水分管3406和抽气分管3407，所述抽气分管3407的端口连接有注气箱3408。

[0114] 在不断开采抽取甲烷的过程中，模拟本体内的压强不断降低，根据模拟本体自身的高压情况，已不能很好的采集甲烷，本实施方式利用驱替压力注入系统34模拟利用注水或者注气方式使得甲烷气藏恢复压力，实现二次采气，提高产量和采收率，进行二次采气，防止开采不干净造成资源浪费。

[0115] 抽水分管3406和抽气分管3407上分别设有通断控制阀42，所述开采气体增压泵3402和活塞注水增压泵3403的进口管道上也设有通断控制阀42，因此在甲烷二次开采时，可单独使用注气增压或者注水独立并列的增压模式实现二次采气，或者将注气增压和注水增压结合使用进行二次采气，降低注水成本和注气成本，同时还增加对采集层的压力，提高提高产量和采收率。

[0116] 所述开采气体增压泵3402的出水管连接有可产生持续加压的连续加压泵3411，并且所述开采气体增压泵3402的出气管上设有用于检测显示气压的一级气压表3410，所述连续加压泵3411的出气管通过若干个抗氧化管道3409与内置在模型本体的注采基座连接，并且所述抗氧化管道3409上也设有控流调控阀3308，所述控流调控阀3308与注采基座之间还设有开采注入气压表3412和开关阀门3310，所述连续加压泵3411的出气管上设有开关标识刻字35。

[0117] 所述抽水分管3406连接有注水箱36，所述活塞注水增压泵3403的输出端连接有可产生连续加压强度的管道增压泵40，并且所述活塞注水增压泵3403的出水管上设有用于检测气压的初级水压表39，所述连续加压泵3411的出水管通过分水器37连接有若干个注水管道38，所述注水管道38与内置在模型本体的注采基座连接，并且在所述注水管道38上也设有控流调控阀3308，所述控流调控阀3308与内置在模型本体的注采基座之间还设有注入水压表41和开关阀门3310，所述管道增压泵40的出水管上也设有开关标识刻字35。

[0118] 驱替压力注入系统34的增压过程与模拟地层压力注入系统33的增压过程类似，在注气增压时，首先使用开采气体增压泵3402进行一次增压，然后使用连续加压泵3411进行二次增压，控流调控阀3308可进行三次微调增压，三次增压后的压强提高模拟开采过程中的注压范围，便于试验归纳注压强度与开采效率、开采量之间的关系，同时使用开采气体增压泵3402进行增压预处理，减小连续加压泵3411的工作强度，防止连续加压泵3411的工作压力过大发生损坏，并且连续加压泵3411和控流调控阀3308在调控过程中，实现对气压的连续性调整，提高对甲烷开采的压力调整范围，从而可模拟不同注气压强下的天然气水合物开采情况。另外注水增压的实施方式与注气增压类似，在本实施方式中不做赘述。

[0119] 另外作为优选的实施方式，控流调控阀3308还关联有流量监测器43，控流调控阀3308的阀杆上通过传动组件连接有驱动电机44，并且在所述控流调控阀3308的阀杆上设有转动方向指示针45，所述二级加压泵3310的出气管上设有开关标识刻字35，所述驱动电机
44可与控制系统连接，控流调控阀3308的常用状态为常开状态，当需要控流调控阀3308辅助加压泵进行二次加压或者调整压力作用范围时，驱动电机带动控流调控阀3308的阀杆转动，通过控流改变压强，当压力表达到设定值时，驱动电机停止工作，控流调控阀3308保持当前的状态。

[0120] 控流调控阀3308辅助加压泵进行二次加压，扩大变压调整的范围，提高变压调整效率，从而提高整个模拟实验的工作效率。

[0121] 另外，在基于上述装置和系统的基础上，本发明提供了一种天然气水合物开发模拟实验装置的控制系统，包括主控制处理器、模拟不同井网开采模式的井网区别控制模块、向模型主体内部增压的高压平衡维持模块、监测模型主体内部压力的传感器组件，以及利用驱替冲压恢复天然气压力的二次采气实施模块，所述井网区别控制模块、高压平衡维持模块、二次采气实施模块和传感器组件均与主控制处理器连接。

[0122] 井网区别控制模块用于控制模型主体的转动角度，模拟实际天然气水合物实际开采中的直井开采和斜井开采，高压平衡维持模块模拟天然气水合物实际稳定存储的高压低温状态，二次采气实施模块模拟实际操作中恢复天然气压力的增压驱替操作，传感器组件主要检测高压平衡维持模块和二次采气实施模块的注液充压状态，控制充压的持续时间。

[0123] 其中，高压平衡维持模块包括收集模拟地层压力注入系统的平衡压力收集单元，以及控制模拟地层压力注入系统调整注入压力的调压动作单元，所述平衡压力收集单元接收平衡气体增压泵一次增压后的初级气压表压力值，以及二级加压泵二次增压后的平衡注入气压表压力值，所述主控制处理器根据二次增压后的压力值，驱动调压动作单元调整模拟地层压力注入系统内的增压泵的工作强度以及控流调控阀的开关状态，直至每个输气管道的注入压力值达到各自的设定压强值。

[0124] 每个输气管道连接有特定位置的注液充压中转装置，而不同压强的输气管道和注液充压中转装置模拟实际地层中存在的不均匀不平衡压力，由于每个所述输气管道的加压需求各不相同，因此每个管道上的二级加压泵工作强度各不相同。

[0125] 所述高压平衡维持模块模拟地层压力注入的方法，具体包括如下步骤：

[0126] 步骤S100、主控制器接收平衡压力收集单元内的压力测量值，包括平衡压力增压泵增压后的初级测压表测量值，以及每个输送管道上经过二级加压泵加压后的平衡注入气压表测量值。

[0127] 步骤S200、实验不同压力值下的地层压力，增加模拟地层压力注入的压力值，调压动作单元增大平衡压力增压泵和二级加压泵的工作强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。

[0128] 特别需要说明的是，利用平衡压力增压泵和二级加压泵两次增压过程，对需求压力进行二次压力分解，可减少平衡压力增压泵和二级加压泵的工作强度，但是由于每个所述输气管道的加压需求各不相同，因此平衡气体增压泵的最大增压强度不大于输气管道中的最小压强值，保证最小注液冲压操作的稳定实施。

[0129] 步骤S300、继续增加模拟地层压力注入的压力值，调压动作单元增大平衡二级加压泵的工作强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。也就是说，当平衡气体增压泵的工作强度达到最大增压强度时，可同时并且增大平衡二级加压泵的工作强度以及减小控流调控阀的单位通量，达到模型主体的设定压力值，辅助二级加压泵的持续加压工作，降低二级加压泵的工作劳度，同时提高注液冲压的压力增加速率，提高模拟实验的效率。

[0130] 井网开采模式分为直井网和斜井网两种模式，所述井网区别控制模块包括设置在模型主体外棱边上的角度倾斜检测单元，以及模型主体转动实施单元，所述角度倾斜检测单元接收角度倾斜检测单元检测到的模型主体角度值，并且所述主控制处理器驱动转动实施单元施力在模型主体上，推动模型主体转动至设定倾斜角度，模型主体的转动，可模拟直井网和斜井网两种模式，增加模拟系统的实用性，提高实验功能。

[0131] 二次采气实施模块的注入模式分为单独注水、单独注气和注水注气结合三种模式，所述单独注水或单独注气模式即为单介质注入，注水注气结合模式为双介质统一注入，所述二次采气实施模块包括用于选择分管注水和注气模式的控制阀门单元、开采水压数据收集单元、水压调整实施单元、开采气压数据收集单元和气压调整实施单元。

[0132] 所述二次采气实施模块采用单介质注入模拟驱替压力注入方法，具体包括如下步骤：

[0133] 步骤T101、选定单介质注入模式后，主控制器关闭控制阀门单元中的注水通道或者注气通道；

[0134] 步骤T102、开采气压数据收集单元收集开采气体增压泵一次增压后的一级气压表数据，以及连续加压泵二次增压后的开采注入气压表数据，或者开采水压数据收集单元收集活塞注水增压泵一次增压后的初级水压表数据，以及管道增压泵二次增压后的注入水压表数据。

[0135] 步骤T103、所述主控制处理器接收开采气压数据收集单元和开采水压数据收集单元的压力值，并且所述主控制处理器根据压力数据，驱动气压调整实施单元或者水压调整实施单元改变两个气泵或者两个水泵的增压强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。

[0136] 所述二次采气实施模块采用双介质注入模拟驱替压力注入方法，具体包括如下步骤：

[0137] 步骤T201、选定双介质注入模式后，主控制器控制阀门单元中的注水通道或者注气通道全部打开；

[0138] 步骤T202、开采气压数据收集单元收集开采气体增压泵一次增压后的一级气压表数据，以及连续加压泵二次增压后的开采注入气压表数据，以及开采水压数据收集单元收集活塞注水增压泵一次增压后的初级水压表数据，以及管道增压泵二次增压后的注入水压表数据。

[0139] 步骤T203、所述主控制处理器接收开采气压数据收集单元和开采水压数据收集单元的压力值，并且所述主控制处理器根据压力数据，驱动气压调整实施单元和水压调整实施单元同时改变两个气泵和两个水泵的增压强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。

[0140] 基于上述，所述水压调整实施单元和气压调整实施单元也可调整控流调控阀的开关状态，通过控制单位时间的介质通量，提高压力注入效率。

[0141] 基于整个装置，本发明还提供了该装置的使用方法，包括如下步骤：

[0142] 步骤100、模型的建立和调试，根据被模拟区域的地质参数建立模型主体，并对建立的模型主体进行调试以及将岩心放入一维长管模型内。

[0143] 在步骤100中，模型主体中的模拟地层由被模拟区域的级配颗粒泥沙组分组成，并且其制备方法包括如下步骤：

[0144] 步骤101、通过地震和测井资料获得被模拟区域地层的组分、颗粒级配以及物性参数；

[0145] 步骤102、基于上述参数使用相同颗粒级配的泥沙通过胶水进行混合，并且在设定模拟地层内的自然纹理和位于边界的过渡韵律层；

[0146] 步骤103、按照上述步骤同步制作全部的模拟地层，将其同步放入高压钢化玻璃内，根据物性参数确定模压压力并驱动变压板对其进行压实；

[0147] 步骤104、在模型主体成型压实的同时设置储集体和模拟井网，并且在同步的模压成型后对内置的传感器和模拟井网进行调试，直至调试正常。

[0148] 步骤200、模拟地层压力的充注，通过模拟地层压力注入系统对模型主体内充注地层压力，并且通过控制系统实现压力的动态平衡，维持该动态平衡。

[0149] 在步骤200中，模拟地层压力充注的具体步骤为：

[0150] 步骤201、主控制器接收平衡压力收集单元内的压力测量值，包括平衡压力增压泵增压后的初级测压表测量值，以及每个输送管道上经过二级加压泵加压后的平衡注入气压表测量值；

[0151] 步骤202、实验不同压力值下的地层压力，增加模拟地层压力注入的压力值，调压动作单元增大平衡压力增压泵和二级加压泵的工作强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值；

[0152] 步骤203、继续增加模拟地层压力注入的压力值，调压动作单元增大平衡二级加压泵的工作强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。

[0153] 步骤300、驱替模拟，通过驱替压力注入系统按照设计方案将驱替压力充注进模拟井网，通过控制系统改变驱替压力的变化，并通过内置的传感器记录驱替参数。

[0154] 在步骤300中，驱替压力的充注的具体步骤为：

[0155] 步骤301、选定单介质注入模式后，主控制器关闭控制阀门单元中的注水通道或者注气通道；

[0156] 步骤302、开采气压数据收集单元收集开采气体增压泵一次增压后的一级气压表数据，以及连续加压泵二次增压后的开采注入气压表数据，或者开采水压数据收集单元收集活塞注水增压泵一次增压后的初级水压表数据，以及管道增压泵二次增压后的注入水压表数据。

[0157] 步骤303、所述主控制处理器接收开采气压数据收集单元和开采水压数据收集单元的压力值，并且所述主控制处理器根据压力数据，驱动气压调整实施单元或者水压调整实施单元改变两个气泵或者两个水泵的增压强度，直至传感器组件检测模型主体内的压力值达到设定值。

[0158] 步骤400、通过补偿性岩心筒将岩心校正设置在岩心夹持器内，通过开放式温度维持装置和气动压力补偿装置维持模拟温度和压力的动态平衡。

[0159] 在步骤400中，岩心通过补偿性岩心筒固定在岩心夹持器内的具体步骤为：测量获取实测岩心的准确长度，并沿着岩心轴线在岩心两端划定标定点，根据该实测长度通过旋转补偿杆使得岩心夹持器内的长度略大于实测岩心的长度，将岩心沿着岩心夹持器的轴向放置在环状波坎纹内，缓慢转动补偿杆直至岩心被紧紧固定在两个环形波坎纹之间，之后再缓慢扭动压力缓冲柱，直至岩心两端的标定点重新处于同一条轴线上。

[0160] 在步骤400中，驱替室内通过开放式温度维持装置维持温度平衡的具体步骤为：

[0161] 关闭燃气补充管上的所有阀门，启动内循环气泵，使得开放式温度维持装置处于无加热内循环状态；

[0162] 打开闸阀和止逆阀，并通过调节阀将燃气的流量调至最低允许的流量经过天然气加热器点火加热，直至整个循环过程均被预热；

[0163] 在预热后将调节阀全部打开，以最大火力对整个装置进行加热，人为干预直至温控装置报警持续3min以上后取消认为干预将温度降至预热点，然后通过向温控装置中输入设定的温度，通过内循环过程实现温度的自我调整至设定温度；

[0164] 打开设置在天然气加热器两端的水冷系统对装置进行主动降温，并将主动降温功率设置在可控的拨动范围内，通过温控系统的反馈调节实现温度的动态平衡。

[0165] 在步骤400中，驱替室内通过气动压力补偿装置维持压力平衡的具体步骤为：

[0166] 步骤401、关闭压力控制管和阻尼管，并通过高压气体通道连通驱替压力供应室和驱替室；

[0167] 步骤402、人为干预顶阀，使得驱替室内的压力达到最高值，压力控制管和阻尼管自动打开，取消人为干预使得顶阀处于自控制状态。

[0168] 步骤500、根据模拟需求改变模拟的温度和压力，并通过内置的传感器采集模拟的实时数据。

[0169] 步骤600、同步收集宏观驱替参数和微观测试结果，将两组数据组合起来进行分析，获得分析结构。

[0170] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。