技术摘要：
本发明提供一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，包括天然气水合物储层模拟腔，地层温度控制系统，与腔体底部连通的气液注入系统；设置在腔体内部的开采井系统；与开采井系统的输出端连接的生产系统，生产系统输出端与气液注入系统输入端连接；设置在模拟  全部
背景技术：
天然气水合物(俗称可燃冰)是一种由气体分子(自然界主要为甲烷分子)和水分 子在高压、低温环境条件下形成的一种结晶状笼型化合物。据估算，自然界中赋存的天然气 水合物的含碳量约为所有化石燃料含碳量总和的两倍。天然气水合物由于储量大、分布广、 能量密度高、燃烧后的产物清洁无污染而受到国际社会的广泛关注。天然气水合物以固态 形式赋存于海底沉积物或沉积层间的裂隙中，天然气水合物的分解需要外部条件改变其原 有的相平衡稳定状态，天天然气水合物由固态转变成气态甲烷和液态水的过程，会改变沉 积物原有的流固耦合状态，分解后的甲烷气体在沉积层间聚集可造成孔隙超压，降低地层 原有胶结状态，减少内摩擦角，引起海底滑坡和其它地质灾害，研究表明挪威海底发现的大 型地质滑坡与天然气水合物分解有关。因此，天然气水合物开采难度大，风险大，成本高，研 发安全、高效、绿色、可控的开采技术是天然气水合物安全利用的重要突破点。 2017年，我国在南海神狐海域成功的进行了泥质粉砂质天然气水合物试采，在海 洋天然气水合物开采的产气量、产气时间方面创造了世界纪录。然而，海洋天然气水合物开 发难度大，对区域生态环境敏感，成熟的商业开采技术还需要长时间的技术研发储备。 天然气水合物现场试采准备周期长、风险高、成本高、难度大，室内实验模式是补 充现场试验的有效手段。然而现有的天然气水合物形成分解模拟装置多为小尺度(几百毫 升到两立方米以内)，无法真实反演天然气水合物分解渗流场、传热场、传质特性和相变特 性，不适合大规模天然气水合物开采研究。
技术实现要素：
本发明为克服现有的天然气水合物形成分解模拟装置存在无法真实反演天然气 水合物分解渗流场、传热场、传质特性和相变特性，不适合大规模天然气水合物开采研究的 技术缺陷，提供一种大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法。 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下： 大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统，包括： 天然气水合物储层模拟腔，包括腔体和设置在腔体内部的多个模拟层； 地层温度控制系统，包括设置在所述模拟层中的温度传感器、设置在所述腔体中 的换热器和设置在腔体外壁的温度控制装置，温度传感器与温度控制装置信号连接，换热 器与温度控制装置电性连接； 与所述腔体底部连通的气液注入系统； 设置在所述腔体内部的开采井系统； 与所述开采井系统输出端连接的生产系统，所述生产系统输出端与所述气液注入 5 CN 111577212 A 说　明　书 2/9 页 系统输入端连接； 设置在所述模拟层中的压力传感器； 设置在所述模拟层中的位移传感器； 与所述压力传感器、温度控制装置、气液注入系统、生产系统和位移传感器电性连 接的采集控制系统。 上述方案中，通过所述系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层 构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模 拟系统可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规 律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯 度变化的缺憾；同时，通过该系统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短 了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系 统的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合 物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过 于理性等不足。 其中，所述模拟层包括由上至下依次设置的上覆沉积层、天然气水合物储层和下 伏气液混合层；其中： 所述压力传感器、温度传感器均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层中； 所述位移传感器有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层底部，设置在所述天然 气水合物储层中； 所述换热器有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层顶部，设置在所述天然 气水合物储层中； 所述开采井系统设置在所述天然气水合物储层中，其输出端穿过所述上覆沉积层 与所述生产系统连接。 其中，所述温度控制装置包括温度控制器、水浴循环夹套和外置热交换机组；其 中： 所述水浴循环夹套包裹在所述腔体外壁上，在所述水浴循环夹套的顶部及底部均 设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组连接；所述管道上设置有电磁阀； 所述电磁阀控制端、外置热交换机组控制端、换热器控制端与所述温度控制器输 出端电性连接； 所述温度控制器输入端与所述温度传感器输出端电性连接； 所述温度控制器与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互。 其中，所述气液注入系统包括气体注入子系统和液体注入子系统；其中： 所述气体注入子系统输入端与所述生产系统输出端连接； 所述气体注入子系统控制端与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互； 所述气体注入子系统输出端与所述腔体底部连通，用于向腔体中注入气体； 所述液体注入子系统控制端与所述采集控制系统电性连接，实现信息交互； 所述液体注入子系统输出端与所述腔体底部连通，用于向腔体中注入液体。 其中，所述气体注入子系统包括高压气源、空气压缩机、气体增压泵、缓冲容器、第 一控制阀和气体流量计；其中： 6 CN 111577212 A 说　明　书 3/9 页 所述高压气源输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接； 所述空气压缩机通过所述气体增压泵与所述缓冲容器输入端连接； 所述生产系统输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接； 在所述缓冲容器输出端上设置有所述气体流量计，所述气体流量计信号输出端与 所述采集控制系统输入端电性连接； 所述缓冲容器输出端通过所述第一控制阀与所述腔体底部连通； 所述高压气源、空气压缩机、气体增压泵、第一控制阀和气体流量计控制端均与所 述采集控制系统电性连接； 所述液体注入子系统包括海水存储罐、高压海水注入泵、海水质量流量计和第二 控制阀；其中： 所述海水存储罐输出端通过所述第二控制阀与所述高压海水注入泵输入端连接； 在所述高压海水注入泵输出端设置有所述海水质量流量计，所述海水质量流量计 信号输出端与所述采集控制系统输入端电性连接； 所述高压海水注入泵输出端通过所述第二控制阀与所述腔体底部连通； 所述高压海水注入泵、海水质量流量计和第二控制阀控制端均与所述采集控制系 统电性连接。 其中，所述开采井系统包括水平开采井、垂直开采井和第三控制阀；其中： 所述水平开采井水平地设置在所述天然气水合物储层中；所述垂直开采井垂直地 设置在所述天然气水合物储层中； 在所述水平开采井和垂直开采井上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂 网； 所述水平开采井输出端、垂直开采井输出端通过所述第三控制阀与所述生产系统 输入端连接； 所述第三控制阀控制端与所述采集控制系统电性连接。 其中，所述生产系统包括回压子系统、气液固三相分离装置、储水池、气体收集器 和第四控制阀；其中： 所述回压子系统输入端与所述第三控制阀连接，回压子系统输出端与所述气液固 三相分离装置输入端连接； 所述气液固三相分离装置液体输出端通过所述第四控制阀与所述储水池输入端 连接； 所述气液固三相分离装置气体输出端通过所述第四控制阀与所述气体收集器输 入端连接； 所述气体收集器输出端通过所述第一控制阀与所述缓冲容器输入端连接； 所述回压子系统、第四控制阀控制端均与所述采集控制系统电性连接。 其中，所述采集控制系统包括处理器和人机交互模块，所述人机交互模块与所述 处理器电性连接，实现信息交互； 所述处理器与所述压力传感器、温度控制装置、气液注入系统、生产系统和位移传 感器电性连接。 大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法，包括以下步骤： 7 CN 111577212 A 说　明　书 4/9 页 S1：在天然气水合物储层模拟腔(1)中实现地质分层构建，在下伏气液混合层 (123)中充填气液混合层所需的气体或液体，在天然气水合物储层(122)充填粉砂质沉积物 充当多孔介质，在上覆沉积层(121)充填钙质黏土层； S2：通过气液注入系统往天然气水合物储层注入预先计算的定量的甲烷气体和海 水，分别调节天然气水合物储层模拟腔内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要 的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成； S3：当天然气水合物饱和度达到预先设计值后，打开开采井系统对天然气水合物 进行降压或其它方法分解； S4：通过温度传感器、压力传感器实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的 温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器实时监测记录天然气水合物储层的位移沉降 量； S5：通过生产系统采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层 内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成大尺度天然气水合物形成分解地质环境的 模拟。 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是： 本发明提供的大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统及方法，通过所述 系统可以实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物 形成、分解过程的地质环境系统模拟需要。相对于小尺度模拟系统可更加准确地反演天然 气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补 小尺度模拟系统难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该系 统进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验 成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境系统的影响风险；最后，相对于 现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型 更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。 附图说明 图1为大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟系统结构示意图； 图2为系统模块连接示意图； 图3为大尺度天然气水合物形成分解地质环境模拟方法流程示意图； 其中：1、天然气水合物储层模拟腔；11、腔体；12、模拟层；121、上覆沉积层；122、天 然气水合物储层；123、下伏气液混合层；2、压力传感器；3、地层温度控制系统；31、温度传感 器；32、温度控制装置；321、温度控制器；322、水浴循环夹套；323、外置热交换机组；324、电 磁阀；33、换热器；4、位移传感器；5、气液注入系统；51、气体注入子系统；511、高压气源； 512、空气压缩机；513、气体增压泵；514、缓冲容器；515、第一控制阀；516、气体流量计；52、 液体注入子系统；521、海水存储罐；522、高压海水注入泵；523、海水质量流量计；524、第二 控制阀；6、开采井系统；61、水平开采井；62、垂直开采井；63、第三控制阀；7、生产系统；71、 回压子系统；72、气液固三相分离装置；73、储水池；74、气体收集器；75、第四控制阀；8、采集 控制系统；81、处理器；82、人机交互模块；9、报警装置。 8 CN 111577212 A 说　明　书 5/9 页