一種凍土帶水合物巖心的制作方法與流程

本發明涉及非常規能源領域天然氣水合物儲層模擬實驗技術，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：

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晶狀固體物質，又稱“可燃冰”。天然氣水合物具有極高的能量密度，己被各國視為未來石油、天然氣等常規能源的有效替代的清潔能源，極具商業開采價值。目前國內已經宣布在南海神狐海域首次天然氣水合物試采成功，相較深海區域的水合物而言，凍土帶水合物的儲量雖然相對較小，但其相對開采難度和成本都要低很多，在世界范圍內也被認為更具開采可行性。水合物巖樣取芯需要保溫保壓裝置，巖芯強度低取芯成本高難度大，因此有必要對巖心仿制進行研究。

目前水合物巖樣的研究和專利已經有很多，但是還是存在一些問題需要解決：實現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生高低壓差，使得氣體在巖心中流動，來提高水合物分布的均勻性，使用該方式對實驗設備要求較高，另一種方式采用升溫-降溫的溫度震蕩方式，反復的進行，使得水合物分解再合成，從而使得水合物在孔隙中流動實現均勻的分布，該方式缺點是需要反復的操作溫度。同時甲烷氣體難溶于水，水合物生成耗時較長，一次實驗只能生成一個巖樣，導致實驗周期較長。

技術實現要素：

鑒于現有技術的不足，

本技術：
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，克服了現有技術在操作步驟上的復雜性，水合物生成過程中實驗周期長的問題，提出了一種能夠加速水合物生成的方法，且在一次實驗中，能夠生成多個水合物飽和度不同的巖心，大大縮短實驗制備周期。

為了解決上述問題，本發明采用的技術方案為：

根據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物，其含量為巖心總質量的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，四氫呋喃的質量分數為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，根據所要制備的水合物飽和度，計算出巖心中溶液的質量，控制真空干燥箱中溫度和巖心干燥的時間得到不同含液量的巖心。干燥后計算巖心中溶液的質量，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間后再次取出計算。滿足巖心中溶液的質量要求后，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境溫度，來降低高壓釜內溫度至-20℃～-10℃，讓巖心內溶液凝固，至少20分鐘后再對高壓釜內抽真空處理。抽完真空后，調節冷庫使得高壓釜內溫度至0℃～10℃之間，關閉抽真空閥門，注入高壓甲烷氣體，水合物反應生成的時間保證在72小時以上。

本發明提供的一種凍土帶水合物巖心的制備方法，針對凍土帶水合物地層骨架強度，通過固井水泥膠結巖心顆粒，使得巖心的強度能夠與實際地層匹配。通過控制巖心在真空干燥箱中的溫度和巖心干燥的時間得到不同飽和度的巖心，干燥蒸發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境，將處理好的巖心放入高壓釜中，一次實驗能夠同時生成多個不同飽和度的水合物巖心，縮短了實驗周期。

附圖說明

圖1為制備水合物巖心的設備連接圖。

圖中：1—甲烷氣瓶；2—甲烷氣瓶閥；3—高壓釜進氣閥；4—高壓釜排氣閥；5～7—壓力表；8—減壓閥；9—氣體流量計；10—高壓釜；11—安全閥；12—冷庫；13—真空泵

具體實施方式

下面結合具體的實例，對本發明的技術方案作詳細的說明，能夠使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案。

本發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9，高壓釜進氣閥3，高壓釜10，真空泵13，高壓釜10放置在冷庫12中。根據目前較詳細的勘探資料，模擬阿拉斯加北坡的mountelbert地區的水合物地層巖心，從實際地層取出的巖心的孔隙度35.6％、單軸抗壓強度4mpa、密度1.86g/cm3，按照該目標制備巖心骨架。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80～120目和120～200目的均占總質量的43.5％，伊利石和綠泥石分別占總質量的7％和6％，加入固井水泥和水的質量分別占原料總質量的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機上，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℃恒溫養護箱中，養護72小時，然后取出后，放入真空干燥箱中真空干燥24小時。實驗所制備的巖心測量得到孔隙度35.75％、單軸抗壓強度為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，四氫呋喃溶液的質量分數為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小時后取出巖心。

目標是制作飽和度為40％時的水合物巖心，計算后得到巖心中飽和的溶液的質量應為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，并稱量其巖心質量，然后用該值減去初始干燥巖心的質量，得到巖心中溶液的質量為3.5g，則再次放入干燥箱中繼續干燥，直到巖心中溶液的質量在2.77g左右即可。

高壓釜10處于冷庫12環境中，調節冷庫溫度至-10℃，使整個高壓釜處于低溫環境中，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氣體，抽真空5分鐘，然后關閉真空泵。調節冷庫溫度至2℃。先打開高壓釜進氣閥3，然后打開甲烷氣瓶閥門2，向高壓釜內注入甲烷氣體，根據所設置的冷庫溫度，調節減壓閥8并觀察壓力表6，壓力表上的數值表示高壓釜內的壓力，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72小時以后，當氣體流量計9的讀數不再變化，表示甲烷氣體停止消耗，水合物基本生成完畢。關閉甲烷氣瓶閥門2和高壓釜進氣閥門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。

技術特征：

技術總結
本發明涉及一種凍土帶水合物巖心的制備方法。首先根據實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，采用固井水泥膠結巖心顆粒，制作骨架巖心。選取適量的水合物生成促進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。根據所要制備巖心中的水合物飽和度，計算出巖心中所需溶液的質量，通過控制巖心在真空干燥箱中溫度和干燥的時間來控制巖心中溶液的質量。將不同含液量的巖心放入高壓釜中，通過降低高壓釜內溫度，增大通入高壓釜內甲烷氣體的壓力，模擬凍土帶水合物生成環境制備水合物巖心。通過使用本發明所述的制備方法，能夠有效的控制巖心中水合物的飽和度，同時一次實驗能夠生成多種不同飽和度的水合物巖心，極大的縮短了實驗周期。

技術研發人員：張衛東;李煜佳;曹欽亞;趙壽強;李天宇
受保護的技術使用者：中國石油大學（華東）
技術研發日：2017.06.07
技術公布日：2017.10.10