本发明公开了一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其能够模拟天然气水合物水平井分层开采过程，采用高密度电阻率层析成像方法、微震监测方法、光纤传感测试方法和机械测量方法协同获取的方式，综合测量和分析水合物开采过程中土层变形、应力数据；同时，通过数值模拟、开展预实验等方法确定土层变形明显区域，在土层中合理的预埋各类传感器、探头，达到传感器布置合理、相互干扰小、测量数据精度高的实验效果。
1.一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，包括环境模拟系统、温度控制系统、压力控制系统、水合物合成‑开采模拟系统以及变形数据测量系统：所述环境模拟系统包括装置外壳（26），所述装置外壳（26）的内腔填充有土层，所述土层的外壁喷涂有用于模拟地层密封的喷膜（2）；
所述装置外壳（26）的内腔还设有覆盖在喷膜（2）外壁的水囊（20）；
所述土层包括从下到上依次布置的下伏土层（6）、水合物储层（5）以及上覆土层（27），所述上覆土层（27）上方覆盖有柔性隔水层（22）；
所述水合物储层（5）内横向布置有若干用于模拟水平井的井筒（11）；
所述压力控制系统包括向土层输送水流来控制土层孔隙压力的孔隙水泵（1）、向水囊（20）内注水加压来模拟土层水平地应力的围压泵（8）、向柔性隔水层（22）上方注水加压来模拟海水层与土层的自重应力的轴压泵（21）；
所述水合物合成‑开采模拟系统与井筒（11）相连，分解并开采天然气水合物；
所述变形数据测量系统包括若干呈环形阵列均布且上下贯穿土层的电阻率探针（4），所述电阻率探针（4）通过得到的电阻率信号来获取井筒（11）分层开采过程中的土层物性变化规律、土层变形特性、裂隙萌生‑扩展‑贯通过程信息；
包括若干埋置土层中的微震探头（25），通过分析土层微震信号，获取土层移动、塌陷的发生区域，并与电阻率信号相互校正、补充裂隙具体发展位置；
包括若干埋置土层中的机械式沉降计（28）和内置温度‑应变分布式光纤的弹簧（24），用于获取土层的直观沉降、温度数据；
包括若干埋置土层中的孔压计‑压力盒（23），用于天然气水合物开采过程中孔隙压力、骨架应力的测量；
井筒（11）外侧也粘贴有温度‑应变分布式光纤，用于获取天然气水合物开采过程中井筒（11）周围区域温度、应变变化规律；
所述温度控制系统设在装置外壳（26）外围用于控制内部土层温度。
2.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述装置外壳（26）下端开有左、右两个连通其内腔的通孔，所述通孔内设置有用于过滤流体的透水石（3），所述下伏土层（6）、水合物储层（5）与其外围喷膜（2）之间设有一圈便于水流通过的细砂（7）。
3.如权利要求2所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述压力控制系统包括两个孔隙水泵（1），其中一个所述孔隙水泵（1）的出口连通左侧通孔，向土层输送水流来控制土层孔隙压力，另一个所述孔隙水泵（1）的出口连通右侧通孔和压力容器（10），向装置外壳（26）内腔注入水‑天然气均匀混合流体，水‑天然气均匀混合流体通过透水石（3）和细砂（7）流入上覆土层（27）与下伏土层（6）之间形成水合物储层（5）。
4.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述水合物合成‑开采模拟系统包括背压阀（17），所述背压阀（17）入口分出两路分别连通上下两个井筒（11），所述背压阀（17）出口连接气水分离器（16），所述气水分离器（16）的两个出口分别连接分解水泵（14）和分解气泵（15）。
5.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述下伏土层（6）、水合物储层（5）以及上覆土层（27）自下而上采用分层压实法形成。
6.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述喷膜（2）采用现场喷涂形成橡胶膜技术。
7.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述温度控制系统包括恒温槽（13），所述恒温槽（13）与缠绕在装置外壳（26）外侧的铜管（12）连接并为其提供冷却循环液。
8.如权利要求1所述的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其特征在于，所述井筒（11）的数量设为多排，用以模拟多排水平井分层开采。
一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及水合物开采领域，具体涉及一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置。
背景技术
[0002] 我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物资源，其储量高达千亿吨级油当量，尽早实现其大规模、低成本开发对满足我国对清洁能源的需求具有重要意义。天然气水合物沉积在土层孔隙中，起到了胶结沉积物颗粒、填充孔隙、增加沉积物密度等作用。在天然气水合物采用水平井分层开采过程中，由于储层能量、物质双亏空效应，上覆土层可能产生垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，特别是当上覆土层较薄或一次开采厚度过大时，裂隙带甚至垮落带就可能会延伸至海床表面，进而可能会引发海底滑坡、大面积甲烷泄露、地震等严重灾害。这不但会危及采区生产安全，甚至会因巨量具有强温室效应的甲烷气体进入海水与大气中而引发环境灾难。因此，揭示天然气水合物水平井分层开采过程中土层的变形规律，对南海天然气水合物的安全、高效开采具有重要意义。
发明内容
[0003] 针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，其能够模拟天然气水合物水平井分层开采，综合测量和分析水合物开采过程中的土层变形、应力数据，确定土层变形明显区域，测量数据精度较高。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0005] 本发明提供一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，包括环境模拟系统、温度控制系统、压力控制系统、水合物合成‑开采模拟系统以及变形数据测量系统：
[0006] 所述环境模拟系统包括装置外壳，所述装置外壳的内腔填充有土层，所述土层的外壁喷涂有用于模拟地层密封的喷膜；
[0007] 所述装置外壳的内腔还设有覆盖在喷膜外壁的水囊；
[0008] 所述土层包括从下到上依次布置的下伏土层、水合物储层以及上覆土层，所述上覆土层上方覆盖有柔性隔水层；
[0009] 所述水合物储层内横向布置有若干用于模拟水平井的井筒；
[0010] 所述压力控制系统包括向土层输送水流来控制土层孔隙压力的孔隙水泵、向水囊内注水加压来模拟土层水平地应力的围压泵、向柔性隔水层上方注水加压来模拟海水层与土层的自重应力的轴压泵；
[0011] 所述水合物合成‑开采模拟系统与井筒相连，分解并开采天然气水合物；
[0012] 所述变形数据测量系统包括若干呈环形阵列均布且上下贯穿土层的电阻率探针，所述电阻率探针通过得到的电阻率信号来获取井筒分层开采过程中的土层物性变化规律、土层变形特性、裂隙萌生‑扩展‑贯通过程信息；
[0013] 包括若干埋置土层中的微震探头，通过分析土层微震信号，获取土层移动、塌陷的发生区域，并与电阻率信号相互校正、补充裂隙具体发展位置；
[0014] 包括若干埋置土层中的机械式沉降计和内置温度‑应变分布式光纤的弹簧，用于获取土层的直观沉降、温度数据；
[0015] 包括若干埋置土层中的孔压计‑压力盒，用于天然气水合物开采过程中孔隙压力、骨架应力的测量；
[0016] 井筒外侧也粘贴有温度‑应变分布式光纤，用于获取天然气水合物开采过程中井筒周围区域温度、应变变化规律；
[0017] 所述温度控制系统设在装置外壳外围用于控制内部土层温度。
[0018] 优选地，所述装置外壳下端开有左、右两个连通其内腔的通孔，所述通孔内设置有用于过滤流体的透水石，所述下伏土层、水合物储层与其外围喷膜之间设有一圈便于水流通过的细砂。
[0019] 优选地，所述压力控制系统包括两个孔隙水泵，其中一个所述孔隙水泵的出口连通左侧通孔，向土层输送水流来控制土层孔隙压力，另一个所述孔隙水泵的出口连通右侧通孔和压力容器，向装置外壳内腔注入水‑天然气均匀混合流体，水‑天然气均匀混合流体通过透水石和细砂流入上覆土层与下伏土层之间形成水合物储层。
[0020] 优选地，所述水合物合成‑开采模拟系统包括背压阀，所述背压阀入口分出两路分别连通上下两个井筒，所述背压阀出口连接气水分离器，所述气水分离器的两个出口分别连接分解水泵和分解气泵。
[0021] 优选地，所述下伏土层、水合物储层以及上覆土层自下而上采用分层压实法形成；
[0022] 优选地，所述喷膜采用现场喷涂形成橡胶膜技术，设在土层外侧，用于模拟土层的密封；
[0023] 优选地，所述温度控制系统包括恒温槽，所述恒温槽与缠绕在装置外壳外侧的铜管连接并为其提供冷却循环液。
[0024] 优选地，所述井筒的数量设为多排，用以模拟多排水平井分层开采。
[0025] 本发明的有益效果在于：本装置能够模拟天然气水合物水平井分层开采，采用高密度电阻率层析成像方法、微震监测方法、光纤传感测试方法和机械测量方法协同获取的方式，综合测量和分析水合物开采过程中土层变形、应力数据；同时，通过数值模拟、开展预实验等方法确定土层变形明显区域，在土层中合理的预埋各类传感器、探头，达到传感器布置合理、相互干扰小、测量数据精度高的实验效果。
附图说明
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027] 图1为本发明实施例提供的一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置结构示意图；
[0028] 图2为本发明实施例提供的水合物储层水平剖面图；
[0029] 图3为本发明实施例提供的上覆土层及下伏土层水平剖面图。
[0030] 图中：1、孔隙水泵；2、喷膜；3、透水石；4、高密度电阻率探针；5、水合物储层；6、下伏土层；7、细砂；8、围压泵；9、水阀；10、压力容器；11、井筒；12、铜管；13、恒温槽；14、分解水泵；15、分解气泵；16、气水分离器；17、背压阀；18、数据采集仪；19、计算机；20、水囊；21、轴压泵；22、柔性隔水层；23、孔压计‑压力盒；24、内置温度‑应变分布式光纤的弹簧；25、微震探头；26、装置外壳；27、上覆土层； 28、机械式沉降计。
具体实施方式
[0031] 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。
[0032] 如图1至图3所示，一种天然气水合物水平井分层开采过程土层变形测试装置，包括环境模拟系统、温度控制系统、压力控制系统、水合物合成‑开采模拟系统以及变形数据测量系统：
[0033] 所述环境模拟系统包括装置外壳26，所述装置外壳26的内腔填充有土层，所述土层的外壁喷涂有用于模拟地层密封的喷膜2；
[0034] 所述土层包括从下到上依次布置的下伏土层6、水合物储层5以及上覆土层27，所述上覆土层27上方覆盖有柔性隔水层22；
[0035] 所述水合物储层5内横向布置有两个用于模拟水平井的井筒11；
[0036] 所述压力控制系统包括向土层输送水流来控制土层孔隙压力的孔隙水泵1、向水囊20内注水加压来模拟土层水平地应力的围压泵8、向柔性隔水层22上方注水加压来模拟海水层与土层的自重应力的轴压泵21；
[0037] 所述孔隙水泵1、围压泵8以及轴压泵21出口均设置有水阀9。
[0038] 所述水合物合成‑开采模拟系统与井筒11相连，分解并开采天然气水合物；
[0039] 所述变形数据测量系统包括若干呈环形阵列均布且上下贯穿土层的电阻率探针4，所述电阻率探针4通过得到的电阻率信号来获取井筒11分层开采过程中的土层物性变化规律、土层变形特性、裂隙萌生‑扩展‑贯通过程信息；
[0040] 包括若干埋置土层中的微震探头，通过分析土层微震信号，获取土层移动、塌陷的发生区域，并与电阻率信号相互校正、补充裂隙具体发展位置；
[0041] 包括若干埋置土层中的机械式沉降计28和内置温度‑应变分布式光纤的弹簧24，用于获取土层的直观沉降、温度数据；
[0042] 包括若干埋置土层中的孔压计‑压力盒23，用于天然气水合物开采过程中孔隙压力、骨架应力的测量；
[0043] 井筒11外侧也粘贴有温度‑应变分布式光纤，用于获取天然气水合物开采过程中井筒11周围区域温度、应变变化规律；
[0044] 所述温度控制系统设在装置外壳26外围用于控制内部土层温度。
[0045] 所述装置外壳26下端开有左、右两个连通其内腔的通孔，所述通孔内设置有用于过滤流体的透水石3，所述下伏土层6、水合物储层5与其外围喷膜2之间设有一圈便于水流通过的细砂7。
[0046] 所述压力控制系统包括两个孔隙水泵1，其中一个所述孔隙水泵1的出口连通左侧通孔，向土层输送水流来控制土层孔隙压力，另一个所述孔隙水泵1的出口连通右侧通孔和压力容器10，向装置外壳26内腔注入水‑天然气均匀混合流体，水‑天然气均匀混合流体通过透水石3和细砂7流入上覆土层27与下伏土层6之间形成水合物储层5。
[0047] 所述水合物合成‑开采模拟系统包括背压阀17，所述背压阀17入口分出两路分别连通上下两个井筒11，所述背压阀17出口连接气水分离器16，所述气水分离器16的两个出口分别连接分解水泵14和分解气泵15。
[0048] 所述下伏土层6、水合物储层5以及上覆土层27自下而上采用分层压实法形成；
[0049] 所述喷膜2采用现场喷涂形成橡胶膜技术，喷涂在土层外侧，用于模拟土层的密封；
[0050] 所述装置外壳26的内腔还设有覆盖在喷膜2外壁的水囊20；
[0051] 所述温度控制系统包括恒温槽13，所述恒温槽13与缠绕在装置外壳26外侧的铜管12连接并为其提供冷却循环液。
[0052] 所述变形数据测量系统包括电性连接在一起的数据采集仪18和计算机19；
[0053] 所述变形数据测量系统包括5根高密度电阻率探针4，1根置于土层中心，4根呈圆形阵列布置，所述电阻率探针4通过得到的电阻率信号来获取井筒11分层开采过程中的土层物性变化规律、土层变形特性、裂隙萌生‑扩展‑贯通过程信息，高密度电阻率探针4与数据采集仪18电性连接；
[0054] 包括若干埋置土层中的微震探头25，位置相互错落，任意方向不重叠，通过分析土层微震信号，获取土层移动、塌陷的发生区域，并与电阻率信号相互校正、补充裂隙具体发展位置；微震探头25与数据采集仪18电性连接；
[0055] 包括若干埋置土层中的机械式沉降计28和内置温度‑应变分布式光纤的弹簧24，用于获取土层的直观沉降、温度数据；机械式沉降计28以及弹簧24内的光纤分别与数据采集仪18电性连接；
[0056] 包括若干埋置土层中的孔压计‑压力盒23，用于天然气水合物开采过程中孔隙压力、骨架应力的测量；孔压计‑压力盒23分别与数据采集仪18电性连接；
[0057] 包括若干粘贴在井筒11外侧的温度‑应变分布式光纤，用于获取天然气水合物开采过程中井筒11周围区域温度、应变变化规律，温度‑应变分布式光纤与数据采集仪18电性连接。
[0058] 所述变形数据测量系统包括若干埋置在土层中的高密度电阻率探针4、微震探头25、机械式沉降计28、内置温度‑应变分布式光纤的弹簧24以及孔压计‑压力盒23，井筒11外侧也粘贴若干温度‑应变分布式光纤，通过高密度电阻率层析成像方法、微震监测方法、分布式光纤测试方法和机械式沉降计测量方法协同获取井筒11水合物开采过程中土层变形规律；
[0059] 本装置能够模拟天然气水合物水平井分层开采过程，采用高密度电阻率层析成像方法、微震监测方法、光纤传感测试方法和机械测量方法协同获取的方式，综合测量和分析水合物开采过程中土层变形、应力数据；同时，通过数值模拟、开展预实验等方法确定土层变形明显区域，在土层中合理的预埋各类传感器、探头，达到传感器布置合理、相互干扰小、测量数据精度高的实验效果。
[0060] 本实施例还提供上述设备的使用方法，步骤包括：
[0061] 第一步，模型制备；
[0062] 采用分层压实法，依次自下而上制备下伏土层6、水合物储层5和上覆土层27，其中在土层中预埋好各测量仪器，在水合物储层中预埋双层井筒11并连接好各管线；上覆土层的下层、下伏土层的上层经过固结形成致密隔水层，形成水合物储层5的骨架，上覆土层27顶部铺设柔性隔水层22；
[0063] 第二步，天然气储层制备；
[0064] 利用连接压力容器10的孔隙水泵1将预制好的水‑天然气均匀混合流体注入水合物储层5的骨架中，通过控制孔隙水泵1、围压泵8、轴压泵21施加上述海水层与土层的自重应力、水平地应力和土层孔隙水压，通过控制恒温槽13来降温生成天然气水合物。
[0065] 第三步，模拟天然气水合物水平井开采；
[0066] 控制背压阀17，降低水合物储层5的孔隙压力到水合物相平衡压力以下，促使天然气水合物分解来模拟水合物藏水平井开采过程，同时利用上述探测方法获取土层变形数据；当天然气水合物开采完成后，土层变形、应力均达到稳定时停止实验；
[0067] 第四步，数据处理与分析；
[0068] 进行数据分析，获取天然气水合物水平井开采过程中土层破裂、沉降规律与特征，土层孔隙压力、骨架应力变化规律等；根据物理模拟实验研究结果，进一步完善相应的数值计算研究，在土层变形、应力变化明显区域预埋更密集的上述传感器、探头等，以获取更精确的土层变形、应力数据，重复试验。
[0069] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
