气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置和试验方法

1.本发明涉及能源天然气水合物开发技术领域，特别涉及一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置和试验方法。

背景技术：

2.天然气水合物是一种高效、洁净和储量巨大的新型能源，天然气水合物的开发可以极大程度上缓解石油天然气等资源的匮乏和不足。含水合物沉积物由气体、岩土骨架、水和固体水合物通过复杂机理组成，其力学机理也在水合物分解的相变过程变得非常复杂。水合物开采过程中，水合物沉积物强度降低，容易使埋藏于沉积物中的井筒、井口、管道设施和海上平台失去稳定性，甚至发生大面积的海底地层沉降及海底滑坡等地质灾害，而目前国内外试采中，水合物产气率仍然比较低，达不到商业开采水平。为了实现水合物藏的安全高效开采，非常有必要对含水合物储层做加固改造，以提高含水合物储层的强度及稳定性。
3.近几年，在岩土工程领域，微生物诱导碳酸钙沉积(micp)微生物技术作为一种新型绿环保技术被应用于软土地基加固、边坡治理、防止沙土液化。但是目前通过微生物加固天然气水合物储层及储层力学性能评价的试验装置较少，并且，已有装置无法实时观测微生物加固开采天然气水合物储层过程中，储层压力场、温度场、变形场、水合物饱和度、力学强度、矿物含量的分布及演化规律。
4.因此，为了更好地研究微生物加固开采过程对水合物储层模型物性参数的影响规律，以及对水合物开采过程中的影响，急需提供一种可实时观测微生物加固天然气水合物储层过程中，水合物储层渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律的试验装置。

技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提出一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，旨在提供一种可实时观测微生物加固天然气水合物储层及开采过程中，水合物储层渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律的试验装置。
6.为实现上述目的，本发明提出的一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，包括：
7.反应釜，所述反应釜内形成有反应腔，所述反应腔用于放置试验沙土，所述反应腔内可拆卸安装有井筒，并与所述井筒连通；
8.注入控制系统，所述注入控制系统与所述反应腔连通；
9.供海水系统，所述供海水系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入人工海水；
10.供气系统，所述供气系统的出气口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；
11.供微生物系统，所述供微生物系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入菌液；
12.供胶结液系统，所述供胶结液系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入胶结液；
13.水合物开采系统，所述水合物开采系统与所述井筒连接，用于降低所述反应腔内的压力，以促使所述反应腔内的水合物分解；
14.传感器组件，所述传感器组件设于所述反应釜，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。
15.在本发明的一实施例中，所述传感器组件包括：
16.稳压系统，所述稳压系统具有压力传感器，所述压力传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的压力；
17.温控系统，所述温控系统具有温度传感器，所述温度传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的温度；
18.剪切波速测量系统，所述剪切波速测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的沉积物强度；
19.时域反射测量系统，所述时域反射测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的饱和度；
20.位移监测系统，所述位移监测系统设于所述反应釜的上方，用于实时监测所述反应腔内水合物储层的位移变化。
21.在本发明的一实施例中，所述时域反射测量系统具有多个时域反射探头，多个所述时域反射探头沿反应釜轴向间隔分布。
22.在本发明的一实施例中，所述时域反射探头包括时域反射发射器和时域反射接收器，在同一所述时域反射探头中，所述时域反射发射器与所述时域反射接收器位于同一水平面上，且所述时域反射发射器与所述时域反射接收器之间的连线不经过所述反应釜的轴心。
23.在本发明的一实施例中，所述剪切波速测量系统具有多个剪切波速探头，多个所述剪切波速探头沿反应釜轴向间隔分布。
24.在本发明的一实施例中，所述剪切波速探头包括剪切波发射器和剪切波接收器，在同一所述剪切波速探头中，所述剪切波发射器与所述剪切波接收器位于同一水平面上，且所述剪切波发射器与所述剪切波接收器之间的连线不经过所述反应釜的轴心。
25.在本发明的一实施例中，所述压力传感器和/或所述温度传感器均设有多个，多个所述压力传感器和/或多个所述温度传感器均沿所述反应釜的轴向间隔分布。
26.在本发明的一实施例中，所述稳压系统还包括恒温装置，所述恒温装置以无水乙醇为循环介质，用于调控所述反应腔内的温度。
27.在本发明的一实施例中，所述恒温装置包括：
28.壳体，所述壳体内形成有安装腔，所述反应釜设于所述安装腔内，且所述反应釜的外表面与所述安装腔的腔壁之间形成有循环制冷空间，用于输入无水乙醇，所述壳体还设有连通所述循环制冷空间的进液口和出液口；
29.温控器，所述温控器设于所述壳体的外部，并具有温控室；
30.进液管，所述进液管的出口和入口分别与所述进液口和所述温控室连通；以及
31.出液管，所述出液管的入口和出口分别与所述出液口和所述温控室连通。
32.本发明还提出一种基于如上所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
33.将试验沙土装入反应腔内压实密封，向所述反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜内的温度和压力调节至预设的温度和压力；
34.将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；
35.向所述反应腔内注入菌液；
36.分多次向所述反应腔内注入胶结液，以使所述反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；
37.通过所述水合物开采系统降低所述反应釜内的压力，以使反应釜内的水合物储层分解；
38.获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。
39.本发明的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，可首先向反应釜的反应腔内加入试验沙土，并通过供海水系统和供气系统分别向反应腔内加入人工海水和甲烷或者二氧化碳气体，同时将压力和温度调节为海洋储层近似条件，以形成初始海底水合物储层模型；然后通过供微生物系统和供胶结液系统分别向反应腔内加入菌液和胶结液，以对反应腔内的水合物储层进行加固，随即利用水合物开采系统对水合物储层进行水合物降压分解。在此过程中，便可通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器、剪切波速测量系统、时域反射测量系统、位移监测系统等)来获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。
附图说明
40.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示出的结构获得其他的附图。
41.图1为本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置一实施例的结构示意图；
42.图2为本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置一实施例的部分结构示意图；
43.图3为图2中a-a处的剖视图；
44.图4为本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置一实施例中顶部端盖的俯视图；
45.图5为本发明基于气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置的试验方法一实
施例的流程图。
46.附图标号说明：
[0047][0048][0049]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0050]
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的一部分实施例，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作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。
[0051]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0052]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0053]
本发明提出一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100，旨在提供一种可实时观测微生物加固水合物储层及开采过程中，水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律的试验装置。
[0054]
以下将就本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的具体结构进行说明：
[0055]
结合参阅图1至图4，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，该气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100包括反应釜10、注入控制系统20、供海水系统30、供气系统40、供微生物系统50、供胶结液系统60、水合物开采系统130、传感器组件；
[0056]
反应釜10内形成有反应腔，反应腔用于放置试验沙土，反应腔内可拆卸安装有井筒14，并与井筒14连通；注入控制系统20与反应腔连通；供海水系统30的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入人工海水；供气系统40的出气口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；供微生物系统50的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入菌液；供胶结液系统60的出口通过注入控制系统20与反应腔连通，以向反应腔内加入胶结液；水合物开采系统130与井筒14连接，用于降低反应腔内的压力，以促使反应腔内的水合物分解；传感器组件设于反应釜10，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。
[0057]
可以理解的是，本发明的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100，可首先向反应釜10的反应腔内加入试验沙土，并通过供海水系统30和供气系统40分别向反应腔内加入人工海水和甲烷或者二氧化碳气体，同时将压力和温度调节为海洋储层近似条件，以形成初始海底水合物储层模型；然后通过供微生物系统50和供胶结液系统60分别向反应腔内加入菌液和胶结液，以对反应腔内的水合物储层进行加固，随即利用水合物开采系统130对水合物储层进行水合物降压分解。在此过程中，便可通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统110、时域反射测量系统90、位移监测系统120等)来获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。
[0058]
具体地，反应釜10用于装填试验沙土，以提供反应环境；供海水系统30可以通过注入控制系统20中的第一增压泵21和第一液体流量计22，经由反应釜10顶部的预留开口12a与反应腔连通，以向反应腔内注入海水；供气系统40可以通过注入控制系统20中的第二增压泵23、气路稳定罐24、第一气体流量计25以及pid压力控制器26，经由反应釜10底部的预留开口12a与反应腔连通，以向反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；供微生物系统50可以通过注入控制系统20中的第三增压泵27和第二液体流量计28，经由反应釜10顶部的预留开口12a与反应腔连通，以向反应腔内加入菌液；供胶结液装置可以通过注入控制系统20中的第四增压泵29和第三液体流量计210，经由反应釜10底部的预留开口12a与反应腔连通，以向反应腔内加入胶结液；水合物开采系统130可以包括真空泵131、通风橱132、pid稳压器133、气液分离器134、量筒135以及第二气体流量计136，如此，便可以通过真空泵131、通风橱132、pid稳压器133来控制反应腔内的压力，以使反应腔内形成低压环境，以对反应釜10内的水合物储层进行降压开采，开采后的物质便可以收集至气液分离器134中进行气液分离，分离出的气体在通风橱132的作用下流向第二气体流量计136，以通过第二气体流量计136来计算气体流量，液体可以流向气液分离器134下方的量筒135中，以通过量筒135来读取液体流量(也可通过天平来称量以得到液体的重量，通过换算即可得到液体的流量)；最后，通过计算即可得到各相流量的占比量。
[0059]
井筒14的筒壁上可以开设有开采口141，以使井筒14通过开采口141连通于反应腔，且开采口141处设置有筛网，便可以使反应釜10内分解开采后的流体可以通过开采口141流出，并通过筛网将沙土等颗隔离在反应腔内。
[0060]
进一步地，结合参阅图1和图2，在一实施例中，传感器组件包括稳压系统70、温控系统80、剪切波速测量系统110、时域反射测量系统90、位移监测系统120；稳压系统70具有压力传感器，压力传感器设于反应釜10内，用于实时测量反应腔内的压力；温控系统80具有温度传感器81，温度传感器81设于反应釜10内，用于实时测量反应腔内的温度；剪切波速测量系统110用于实时监测反应腔内水合物储层的沉积物强度；时域反射测量系统90用于实时监测反应腔内水合物储层的饱和度；位移监测系统120设于反应釜10的上方，用于实时监测反应腔内水合物储层的位移变化。
[0061]
位移监测系统120包括位移传感器，位移传感器具体为采用改造后的位移传感器测量顶部沉积物变形；改造后的位移传感器是指在线性可变差动变压器(lvdt)的尖端固定有圆形不可压薄片，以防止lvdt尖端置入水合物储层中，而影响测量精度。
[0062]
并且，还可以通过数据采集系统采集注入控制系统20、供海水系统30、供气系统40、供微生物系统50、供胶结液系统60、稳压系统70、温控系统80、剪切波速测量系统110等各个系统上的数据并实时显示，以便于实验人工实时观察各个数据参数的变化。
[0063]
在本实施例中，在试验过程中，可通过稳压系统70中的压力传感器来调控反应腔内的压力，使得反应腔内的压力调至研究海域深度所对应的预设压力，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。
[0064]
同样地，在试验过程中，可通过温控系统80中的温度传感器81来调控反应腔内的温度，使得反应腔内的温度调至研究海域深度所对应的预设温度，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。
[0065]
并且，位移检测系统具有位移传感器，位移传感器设置在反应釜10的顶部，且位移
传感器的感应口朝向反应釜10设置，以通过位移传感器测量在加固和分解开采过程中，水合物储层的变形情况，以得出更加准确的物性参数的变化。
[0066]
由于在试验过程中，反应釜10内的压力较大，为了便于人工海水可顺利地注入反应腔内，可在反应釜10上设置有放空阀，当需要注入人工海水时，首先打开放空阀，以使反应腔内的压力与大气压保持一致，便可向反应腔内顺利注入人工海水；另外，放空阀的设置还可便于实验结束后对反应釜10进行卸压。
[0067]
供微生物系统50中的菌液的具体配置方法为：将巴氏芽孢杆菌sporosarcina pasteurii以冻干粉的状态真空干燥保藏于安踣瓶，首先配置好液体培养基，液体培养基成分为酵母粉20g/l，nh4cl 10g/l，mnso4·
h2o10mg/l，nicl
·
6h2o 24mg/l，并用1m的naoh调节至ph＝9.0。将液体培养基经121℃，30min条件下高温蒸汽灭菌后，放入无菌操作台冷却待用，用酒精灯加热安踣瓶上部，然后滴几滴水使之破裂，用镊子取出内管，打开棉塞。用无菌移液器吸取1ml液体培养基注入内管中，使冻干粉溶解，将溶解后的巴氏芽孢杆菌sporosarcina pasteurii倒入6ml液体培养基的培养管中，混合均匀得到菌液。
[0068]
供胶结液系统60中胶结液的具体配置方法为：将cacl2和尿素溶解于水，配制成0.5m的cacl2和0.75m的尿素混合液，同时补充3g/l的牛肉膏，即得到胶结液。
[0069]
进一步地，结合参阅图1和图2，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，时域反射测量系统90具有多个时域反射探头92，多个时域反射探头92沿反应釜10轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的饱和度会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，通过在反应腔内间隔分布有多个时域反射探头92，便可以通过多个时域反射探头92来获取水合物储层在不同位置的水合物饱和度，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。
[0070]
具体地，时域反射测量系统90还包括时域反射控制器91，以通过时域反射控制器91控制时域反射探头92工作。
[0071]
同样地，剪切波速测量系统110具有多个剪切波速探头112，多个剪切波速探头112沿反应釜10轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的沉积物强度会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，通过在反应腔内间隔分布有多个剪切波速探头112，便可以通过多个剪切波速探头112来获取水合物储层在不同位置的沉积物强度，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。
[0072]
具体地，时域反射测量系统90还包括剪切波速控制器111，以通过剪切波速控制器111控制剪切波速探头112工作。
[0073]
同样地，压力传感器和/或温度传感器81均设有多个，多个压力传感器和/或多个温度传感器81均沿反应釜10的轴向间隔分布；由于在对水合物储层进行加固和分解过程中，水合物储层在不同深度处的压力、温度等参数会有所差异，为了减少检测误差，以提高准确性，如此，便可以通过多个压力传感器和多个温度传感器81分别来获取水合物储层在不同位置的压力、温度等参数的变化，通过计算即可得出更加准确的物性参数的变化，以提高监测的准确性。
[0074]
结合参阅图1和图2，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100
的一实施例中，时域反射探头92包括时域反射发射器921和时域反射接收器922，在同一时域反射探头92中，时域反射发射器921与时域反射接收器922位于同一水平面上，且时域反射发射器921与时域反射接收器922之间的连线不经过反应釜10的轴心；如此，便可以在时域反射发射器921与时域反射接收器922的作用下获取并实时观测水合物储层在对应位置处的水合物饱和度，具体工作原理为现有技术，在此不再一一赘述；另外，由于井筒14设置在反应釜10的轴心位置，且井筒14与反应釜10同轴设置，如此，通过使时域反射发射器921与时域反射接收器922之间的连线不经过反应釜10的轴心，便可避免井筒14影响时域反射探头92的正常工作，以使时域反射接收器922可以接收到时域反射发射器921发出的信号。
[0075]
同样地，剪切波速探头112包括剪切波发射器1121和剪切波接收器1122，在同一剪切波速探头112中，剪切波发射器1121与剪切波接收器1122位于同一水平面上；如此，便可以在剪切波发射器1121与剪切波接收器1122的作用下获取并实时观测水合物储层在对应位置处的沉积物强度，具体工作原理为现有技术，在此不再一一赘述；另外，由于井筒14设置在反应釜10的轴心位置，且井筒14与反应釜10同轴设置，如此，通过使剪切波发射器1121与剪切波接收器1122之间的连线不经过反应釜10的轴心，便可避免井筒14影响剪切波速探头112的正常工作，以使剪切波接收器1122可以接收到剪切波发射器1121发出的信号。
[0076]
进一步地，结合参阅图2，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，在同一时域反射探头92中，定义时域反射发射器921与反应釜10轴心的连线为第一连线，时域反射接收器922与反应釜10轴心的连线为第二连线，第一连线与第二连线之间的夹角为α，则满足条件：0
°
《α《170
°
；由于井筒14具有一定的尺寸，如此，通过使第一连线与第二连线之间的夹角控制在0
°
～170
°
之间，便可充分避免井筒14影响时域反射探头92的正常工作，以使时域反射接收器922可以接收到时域反射发射器921发出的信号。
[0077]
并且，为了保证检测的精度，可以使时域反射接收器922与时域反射发射器921之间的距离大于2cm。
[0078]
同样地，在同一剪切波速探头112中，定义剪切波发射器1121与反应釜10轴心的连线为第三连线，剪切波接收器1122与反应釜10轴心的连线为第四连线，第三连线与第四连线之间的夹角为β，则满足条件：0
°
《β《170
°
；由于井筒14具有一定的尺寸，如此，通过使第三连线与第四连线之间的夹角控制在0
°
～170
°
之间，便可充分避免井筒14影响剪切波速探头112的正常工作，以使剪切波接收器1122可以接收到剪切波发射器1121发出的信号。
[0079]
并且，为了保证检测的精度，可以使剪切波接收器1122与剪切波发射器1121之间的距离大于2cm。
[0080]
进一步地，结合参阅图1，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，反应釜10的侧壁开设有多个间隔设置的安装口，多个安装口分别用于安装时域反射发射器921、时域反射接收器922、剪切波发射器1121以及剪切波接收器1122。
[0081]
如此设置，在组装过程中，便可以将时域反射发射器921、时域反射接收器922、剪切波发射器1121以及剪切波接收器1122分别安装至反应釜10侧壁上的多个安装口处。
[0082]
当然，压力传感器和温度传感器81可以分别安装在反应釜10侧壁上对应的安装口处。
[0083]
进一步地，结合参阅图4，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，反应釜10的顶部和底部均开设有多个间隔设置的开口12a，注入控制系
统20通过开口12a连通于反应釜10。
[0084]
如此设置，便可以使注入控制系统20通过反应釜10顶部或底部上的开口12a分别连通于注入控制系统20的出口、供气系统40的出气口、供微生物系统50的出口、供胶结液系统60的出口等等；并且，反应釜10顶部的中心位置开设有一个开口12a，该开口12a为井筒外接口12b，以使井筒14的顶部穿过该井筒外接口12b以与水合物开采系统130连接。
[0085]
具体地，反应釜10可以大致呈圆筒状结构，具体包括釜体11、盖设在釜体11顶部的顶部端盖1312以及盖设在釜体11底部的底部端盖，顶部端盖1312和底部端盖均可以通过螺栓锁定在釜体11上，并且，顶部端盖1312和底部端盖均开设有多个间隔设置的开口12a。
[0086]
结合参阅图1，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，温控系统80还包括恒温装置82，恒温装置82以无水乙醇为循环介质，用于调控反应腔内的温度。如此设置，在试验过程中，可通过恒温装置82调控反应腔内的温度，使得反应腔内的温度调至与研究海域深度所对应的温度，以模拟实际环境，从而进一步保证监测的准确性。
[0087]
进一步地，结合参阅图1，在本发明气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的一实施例中，恒温装置82包括壳体821、温控器822、进液管以及出液管；壳体821内形成有安装腔，反应釜10设于安装腔内，且反应釜10的外表面与安装腔的腔壁之间形成有循环制冷空间，用于输入无水乙醇，壳体821还设有连通循环制冷空间的进液口和出液口；温控器822设于壳体821的外部，并具有温控室；进液管的出口和入口分别与进液口和温控室连通；出液管的入口和出口分别与出液口和温控室连通。
[0088]
如此设置，首先通过温控器822控制温控室内无水乙醇(无水乙醇)的温度，当温控室内无水乙醇的温度调节至所需温度后，便通过进液管将无水乙醇输送至循环制冷空间内，以通过循环制冷空间内的无水乙醇对反应釜10进行温度调控，然后循环空间内的无水乙醇将通过出液管回流至温控室中，如此，便可通过温控室、进液管、循环制冷空间以及出液管之间形成循环流道，以对反应釜10进行温度调控，便可使得反应腔内的温度调至与研究海域深度所对应的温度，以模拟实际环境。
[0089]
并且，壳体821为防爆釜，由于实际的研究海域深度所对应的压力较高，因此在试验过程中，反应釜10内的压力也需设置较高的压力，如此，通过将反应釜10设置在防爆釜的安装腔内，便可保护实验员的人身安全，防止在试验过程中反应釜10发生爆炸，而伤害实验员。
[0090]
当然，在其他实施例中，也可直接在反应釜10内设置制冷片，以通过制冷片调控反应釜10内的温度。
[0091]
结合参阅图5，本发明还提出一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置100的试验方法，试验方法包括以下步骤：
[0092]
s10，将试验沙土装入反应腔内压实密封，向反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜10内的温度和压力调节至预设的温度和压力(研究海域深度对应的温度和压力)；
[0093]
具体地，实验员首先将混合好的试验沙土装填至反应腔内，然后打开供海水系统30对应的第一增压泵21，以通过第一增压泵21将人工海水加入反应腔内，同时，通过第一液体流量计22计算人工海水的加入量，当加入量达到预设值时，关闭对应的第一增压泵21，以停止向反应腔内加入人工海水；然后，通过温控系统80和稳压系统70将反应釜10内的温度
和压力分别调节至预设的温度和压力(研究海域深度对应的温度和压力)，随后保持24h，以确保压力和温度对实验土体材料产生的扰动影响完全消失，此时，通过多功能传感器(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统110、时域反射测量系统90、位移监测系统120等)检测土体材料的初始物性参数。
[0094]
s20，将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；
[0095]
具体地，打开供气系统40对应的第二增压泵23，以通过对应的第二增压泵23将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，随后保持温度、压力不变并稳定72h，以保证水合物储层的生成，并通过时域反射测量系统90探测生成的水合物储层饱和度。
[0096]
s30，向反应腔内注入菌液；
[0097]
具体地，打开供微生物系统50对应的第三增压泵27，以通过对应的第三增压泵27将菌液加入反应腔内，静置12h；
[0098]
s40，分多次向反应腔内注入胶结液，以使反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；
[0099]
具体地，打开供胶结液系统60对应的第四增压泵29，以通过对应的第四增压泵29将胶结液第一次加入反应腔内，此后每隔24h后加入一次胶结液。
[0100]
s50，通过水合物开采系统130降低反应釜10内的压力，以使反应釜10内的水合物储层分解；
[0101]
具体地，打开水合物开采系统130中的真空泵131，以使反应腔内形成低压环境，便可以在设定的降压幅度和降压速率的基础上，促使反应腔内水合物储层进行水合物分解，以通过水合物开采系统130中的气液分离器134收集气体和液体，并记录生产速率；
[0102]
s60，获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。
[0103]
具体地，通过传感器组件(例如压力传感器、温度传感器81、剪切波速测量系统110、时域反射测量系统90、位移监测系统120等)用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布，即可以获取并实时观测水合物储层的渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律，从而研究水合物加固和开采过程中力学机理和产量变化规律，进一步预防潜在地质灾害，实现水合物的安全高效开采。
[0104]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，包括：反应釜，所述反应釜内形成有反应腔，所述反应腔用于放置试验沙土，所述反应腔内可拆卸安装有井筒，并与所述井筒连通；注入控制系统，所述注入控制系统与所述反应腔连通；供海水系统，所述供海水系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入人工海水；供气系统，所述供气系统的出气口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入甲烷或者二氧化碳气体；供微生物系统，所述供微生物系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入菌液；供胶结液系统，所述供胶结液系统的出口通过所述注入控制系统与所述反应腔连通，以向所述反应腔内加入胶结液；水合物开采系统，所述水合物开采系统与所述井筒连接，用于降低所述反应腔内的压力，以促使所述反应腔内的水合物储层分解；传感器组件，所述传感器组件设于所述反应釜，用于获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。2.如权利要求1所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述传感器组件包括：稳压系统，所述稳压系统具有压力传感器，所述压力传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的压力；温控系统，所述温控系统具有温度传感器，所述温度传感器设于所述反应釜内，用于实时测量所述反应腔内的温度；剪切波速测量系统，所述剪切波速测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的沉积物强度；时域反射测量系统，所述时域反射测量系统用于实时监测所述反应腔内水合物储层的饱和度；位移监测系统，所述位移监测系统设于所述反应釜的上方，用于实时监测所述反应腔内水合物储层的位移变化。3.如权利要求2所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述时域反射测量系统具有多个时域反射探头，多个所述时域反射探头沿反应釜轴向间隔分布。4.如权利要求3所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述时域反射探头包括时域反射发射器和时域反射接收器，在同一所述时域反射探头中，所述时域反射发射器与所述时域反射接收器位于同一水平面上，且所述时域反射发射器与所述时域反射接收器之间的连线不经过所述反应釜的轴心。5.如权利要求2所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述剪切波速测量系统具有多个剪切波速探头，多个所述剪切波速探头沿反应釜轴向间隔分布。6.如权利要求5所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所
述剪切波速探头包括剪切波发射器和剪切波接收器，在同一所述剪切波速探头中，所述剪切波发射器与所述剪切波接收器位于同一水平面上，且所述剪切波发射器与所述剪切波接收器之间的连线不经过所述反应釜的轴心。7.如权利要求2所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述压力传感器和/或所述温度传感器均设有多个，多个所述压力传感器和/或多个所述温度传感器均沿所述反应釜的轴向间隔分布。8.如权利要求2所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述稳压系统还包括恒温装置，所述恒温装置以无水乙醇为循环介质，用于调控所述反应腔内的温度。9.如权利要求8所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置，其特征在于，所述恒温装置包括：壳体，所述壳体内形成有安装腔，所述反应釜设于所述安装腔内，且所述反应釜的外表面与所述安装腔的腔壁之间形成有循环制冷空间，用于输入无水乙醇，所述壳体还设有连通所述循环制冷空间的进液口和出液口；温控器，所述温控器设于所述壳体的外部，并具有温控室；进液管，所述进液管的出口和入口分别与所述进液口和所述温控室连通；以及出液管，所述出液管的入口和出口分别与所述出液口和所述温控室连通。10.一种基于如权利要求1至9中任一项所述的气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：将试验沙土装入反应腔内压实密封，向所述反应腔内注入人工海水直至饱和，将反应釜内的温度和压力调节至预设的温度和压力；将甲烷或者二氧化碳气体加入反应腔内，得到水合物储层；向所述反应腔内注入菌液；分多次向所述反应腔内注入胶结液，以使所述反应腔内的菌液与胶结液反应，使得水合物储层加固；通过所述水合物开采系统降低所述反应釜内的压力，以使反应釜内的水合物储层分解；获取加固-分解过程中水合物储层的温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。

技术总结

本发明公开一种气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置和试验方法。其中，气体水合物储层微生物加固开采模型试验装置包括反应釜、注入控制系统、供海水系统、供气系统、供微生物系统、供胶结液系统、传感器组件以及水合物开采系统；传感器组件用于获取加固-分解过程中水合物储层温度、压力、含水量、水合物饱和度、变形、强度、矿物组分的分布。本发明技术方案提供了一种可实时观测微生物加固天然气水合物储层及开采过程中，水合物储层渗流场、温度场、变形场、水合物和矿物含量分布演化规律的试验装置。律的试验装置。律的试验装置。