本發(fā)明涉及非常規(guī)能源領(lǐng)域天然氣水合物儲(chǔ)層模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，特別涉及一種模擬凍土帶水合物地層巖心的制備方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物是由水和天然氣(主要為甲烷)在高壓低溫條件下形成的類似冰的結(jié)晶狀固體物質(zhì)，又稱“可燃冰”。天然氣水合物具有極高的能量密度，己被各國(guó)視為未來石油、天然氣等常規(guī)能源的有效替代的清潔能源，極具商業(yè)開采價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)宣布在南海神狐海域首次天然氣水合物試采成功，相較深海區(qū)域的水合物而言，凍土帶水合物的儲(chǔ)量雖然相對(duì)較小，但其相對(duì)開采難度和成本都要低很多，在世界范圍內(nèi)也被認(rèn)為更具開采可行性。水合物巖樣取芯需要保溫保壓裝置，巖芯強(qiáng)度低取芯成本高難度大，因此有必要對(duì)巖心仿制進(jìn)行研究。

目前水合物巖樣的研究和專利已經(jīng)有很多，但是還是存在一些問題需要解決：實(shí)現(xiàn)水合物在巖心中能夠均勻分布一種方式是通過在巖心上下端部產(chǎn)生高低壓差，使得氣體在巖心中流動(dòng)，來提高水合物分布的均勻性，使用該方式對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，另一種方式采用升溫-降溫的溫度震蕩方式，反復(fù)的進(jìn)行，使得水合物分解再合成，從而使得水合物在孔隙中流動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻的分布，該方式缺點(diǎn)是需要反復(fù)的操作溫度。同時(shí)甲烷氣體難溶于水，水合物生成耗時(shí)較長(zhǎng)，一次實(shí)驗(yàn)只能生成一個(gè)巖樣，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，

本技術(shù)：
提出一種凍土帶水合物巖心的制備和水合物飽和度控制方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)在操作步驟上的復(fù)雜性，水合物生成過程中實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)的問題，提出了一種能夠加速水合物生成的方法，且在一次實(shí)驗(yàn)中，能夠生成多個(gè)水合物飽和度不同的巖心，大大縮短實(shí)驗(yàn)制備周期。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

根據(jù)所要模擬的凍土帶水合物地層的巖石組成成分以及顆粒大小與含量，選取粒徑大小相匹配的石英砂顆粒，選擇固井水泥作為凍土帶水合物巖心顆粒的膠結(jié)物，其含量為巖心總質(zhì)量的4％～12％。配置飽和巖心的溶液，該溶液中十二烷基硫酸鈉的的濃度為300mg/l，四氫呋喃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％。將巖心浸沒在溶液中，一并放入真空干燥箱，抽真空處理，真空干燥箱真空度為0.08mpa，處理2小時(shí)后，使得溶液能夠全飽和巖心。用密封袋密封該巖心后，放入真空干燥箱中干燥處理，根據(jù)所要制備的水合物飽和度，計(jì)算出巖心中溶液的質(zhì)量，控制真空干燥箱中溫度和巖心干燥的時(shí)間得到不同含液量的巖心。干燥后計(jì)算巖心中溶液的質(zhì)量，若與所需值比要高，那么則再次放入真空干燥箱中干燥一定時(shí)間后再次取出計(jì)算。滿足巖心中溶液的質(zhì)量要求后，將不同含液量的巖心放入高壓釜中，通過降低高壓釜所處環(huán)境溫度，來降低高壓釜內(nèi)溫度至-20℃～-10℃，讓巖心內(nèi)溶液凝固，至少20分鐘后再對(duì)高壓釜內(nèi)抽真空處理。抽完真空后，調(diào)節(jié)冷庫使得高壓釜內(nèi)溫度至0℃～10℃之間，關(guān)閉抽真空閥門，注入高壓甲烷氣體，水合物反應(yīng)生成的時(shí)間保證在72小時(shí)以上。

本發(fā)明提供的一種凍土帶水合物巖心的制備方法，針對(duì)凍土帶水合物地層骨架強(qiáng)度，通過固井水泥膠結(jié)巖心顆粒，使得巖心的強(qiáng)度能夠與實(shí)際地層匹配。通過控制巖心在真空干燥箱中的溫度和巖心干燥的時(shí)間得到不同飽和度的巖心，干燥蒸發(fā)的方式能夠使溶液能均勻分布在巖心孔隙中，保證生成的水合物均勻分布于巖心中。使用高壓釜模擬水合物的生成環(huán)境，將處理好的巖心放入高壓釜中，一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瑫r(shí)生成多個(gè)不同飽和度的水合物巖心，縮短了實(shí)驗(yàn)周期。

附圖說明

圖1為制備水合物巖心的設(shè)備連接圖。

圖中：1—甲烷氣瓶；2—甲烷氣瓶閥；3—高壓釜進(jìn)氣閥；4—高壓釜排氣閥；5～7—壓力表；8—減壓閥；9—?dú)怏w流量計(jì)；10—高壓釜；11—安全閥；12—冷庫；13—真空泵

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)的說明，能夠使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請(qǐng)中的技術(shù)方案。

本發(fā)明的水合物合成裝置由管線依次緊密連接甲烷氣瓶1，減壓閥8，氣體流量計(jì)9，高壓釜進(jìn)氣閥3，高壓釜10，真空泵13，高壓釜10放置在冷庫12中。根據(jù)目前較詳細(xì)的勘探資料，模擬阿拉斯加北坡的mountelbert地區(qū)的水合物地層巖心，從實(shí)際地層取出的巖心的孔隙度35.6％、單軸抗壓強(qiáng)度4mpa、密度1.86g/cm3，按照該目標(biāo)制備巖心骨架。采用的制備原料主要是石英砂，伊利石，綠泥石以及固井水泥。石英砂的目數(shù)80～120目和120～200目的均占總質(zhì)量的43.5％，伊利石和綠泥石分別占總質(zhì)量的7％和6％，加入固井水泥和水的質(zhì)量分別占原料總質(zhì)量的9％和10％，將充分混合后的原料裝入壓制巖心的模具中，再將模具放入巖石伺服試驗(yàn)機(jī)上，施加載荷，壓制30分鐘后，拆掉模具后，取出巖心，用密封袋封裝后，放入70℃恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)72小時(shí)，然后取出后，放入真空干燥箱中真空干燥24小時(shí)。實(shí)驗(yàn)所制備的巖心測(cè)量得到孔隙度35.75％、單軸抗壓強(qiáng)度為4.47mpa、密度1.86g/cm3。匹配度良好，可以很好的模擬阿拉斯加北坡凍土區(qū)水合物地層骨架。

首先配置飽和巖心的溶液。該溶液中十二烷基硫酸鈉濃度為300mg/l，四氫呋喃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％。用燒杯裝2000g的70℃的蒸餾水，加入0.6g的十二烷基硫酸鈉粉末和20g四氫呋喃溶液，攪拌均勻。將干燥巖心稱量質(zhì)量后，放入到燒杯中，然后把燒杯放入真空干燥箱中，僅抽真空處理，打開真空泵，使得真空干燥箱中真空度為0.08mpa，抽真空飽和2小時(shí)后取出巖心。

目標(biāo)是制作飽和度為40％時(shí)的水合物巖心，計(jì)算后得到巖心中飽和的溶液的質(zhì)量應(yīng)為2.766g。將全飽和溶液后的巖心放入密封袋中密封后，然后放入真空干燥箱中，僅進(jìn)行干燥處理，保持干燥箱中的溫度在50℃。放置15分鐘后，取出巖心，并稱量其巖心質(zhì)量，然后用該值減去初始干燥巖心的質(zhì)量，得到巖心中溶液的質(zhì)量為3.5g，則再次放入干燥箱中繼續(xù)干燥，直到巖心中溶液的質(zhì)量在2.77g左右即可。

高壓釜10處于冷庫12環(huán)境中，調(diào)節(jié)冷庫溫度至-10℃，使整個(gè)高壓釜處于低溫環(huán)境中，將飽和處理后的巖心放入高壓釜中，冷凍20分鐘后，開啟真空泵13去除高壓釜中的雜質(zhì)氣體，抽真空5分鐘，然后關(guān)閉真空泵。調(diào)節(jié)冷庫溫度至2℃。先打開高壓釜進(jìn)氣閥3，然后打開甲烷氣瓶閥門2，向高壓釜內(nèi)注入甲烷氣體，根據(jù)所設(shè)置的冷庫溫度，調(diào)節(jié)減壓閥8并觀察壓力表6，壓力表上的數(shù)值表示高壓釜內(nèi)的壓力，注入壓力至少高于2.87mpa，若甲烷氣瓶1壓力充足，盡量使注入壓力高于該溫度下的相平衡壓力。反應(yīng)72小時(shí)以后，當(dāng)氣體流量計(jì)9的讀數(shù)不再變化，表示甲烷氣體停止消耗，水合物基本生成完畢。關(guān)閉甲烷氣瓶閥門2和高壓釜進(jìn)氣閥門3，斷開高壓釜排氣閥門4與真空泵13的連接，打開高壓釜排氣閥門泄壓，排盡高壓釜中殘余甲烷氣體，打開高壓釜蓋，取出巖心。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種凍土帶水合物巖心的制備方法。首先根據(jù)實(shí)際凍土帶水合物地層巖樣的礦物組分與含量，選取合適的原料，確定基砂的粒徑大小和配比，采用固井水泥膠結(jié)巖心顆粒，制作骨架巖心。選取適量的水合物生成促進(jìn)劑加入純水中配置溶液，并使用配置后的溶液，利用抽真空的方式飽和巖心。根據(jù)所要制備巖心中的水合物飽和度，計(jì)算出巖心中所需溶液的質(zhì)量，通過控制巖心在真空干燥箱中溫度和干燥的時(shí)間來控制巖心中溶液的質(zhì)量。將不同含液量的巖心放入高壓釜中，通過降低高壓釜內(nèi)溫度，增大通入高壓釜內(nèi)甲烷氣體的壓力，模擬凍土帶水合物生成環(huán)境制備水合物巖心。通過使用本發(fā)明所述的制備方法，能夠有效的控制巖心中水合物的飽和度，同時(shí)一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏啥喾N不同飽和度的水合物巖心，極大的縮短了實(shí)驗(yàn)周期。

技術(shù)研發(fā)人員：張衛(wèi)東;李煜佳;曹欽亞;趙壽強(qiáng);李天宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)石油大學(xué)（華東）
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.07
技術(shù)公布日：2017.10.10