0.   引言

天然气水合物是由天然气与水在一定的高压低温环境下形成的似冰状固体，广泛分布在陆域冻土和深海沉积物中，其中海域水合物资源量约占总量的97%^[1]。标准状态下1 m³天然气水合物分解可释放约164 m³天然气^[2]，具有储量大、能效高和污染低等优点。据估算，水合物全球总储量相当于已探明煤、石油和天然气等常规化石能源总碳含量的2倍^[3]。因此天然气水合物被公认为未来最重要的清洁能源之一，实现其安全高效持续开发，对于应对能源短缺、保障国家能源安全具有重要战略意义。

对于天然气水合物开采，目前认为可行性较高的主要有如下方法或其组合：降压法、注热法、二氧化碳置换法、抑制剂注入法、固态流化法等^[4-6]。上述方法的本质均是改变水合物赋存的温压环境，打破相平衡状态使其分解。其中降压法目前被视为最经济、有效的开采方法。水合物开采过程涉及复杂多相多场相互作用，例如：固相水合物分解吸热明显改变储层温度场，并产生大量气相甲烷和液相水，引起储层孔压和有效应力改变^[7]；水合物固相损失改变储层强度和刚度^[8]，显著影响变形特性^[9]。因此，深入认识水合物开采过程中固相相变、传热、渗流、变形的多相多场演变规律及其诱发储层灾变机制，对水合物能源安全、高效开采意义重大^[10]。

海域水合物储层厚度一般为数十至百米级^[11]，储层土的强度、渗流和变形等行为受重力场支配，自重应力场直接影响水合物开采时液气产出、储层变形和对流传热特性。目前日本和中国开展了海域天然气水合物现场试采^[12-13]，在钻井技术、开采工艺、实时监测等方面积累了宝贵的经验，但试采持续时间、日均产气等均与商业化开采存在较大差距，且现场试采费用高、风险大，难以普遍采取用以研究^[14]。因此，室内试验成为研究水合物开采过程的重要手段。中科院广州能源研究所^[15]、青岛海洋地质研究所^[16]、大连理工大学^[17]、美国橡树岭国家实验室^[18]、日本产业技术综合研究所^[19]等机构均建设了常重力下的水合物分解模拟试验装置，在水合物相变过程方面有了深入认识。但常重力试验受储层模型大小限制，难以有效模拟百米级深厚储层的自重应力场，难以真实反映应力场与其他场相互作用过程并有效预测水合物开采可能诱发的工程灾变^[20]。通过超重力试验的“缩尺”和“缩时”效应，在模型尺度上有效再现水合物储层原位应力水平^[21]，是进行水合物储层大时空尺度开采与灾变过程模拟的有效手段。近年来国内外在水合物分解超重力试验方面进行了初步探索，韩国科学技术研究院在30g下开展了二氧化碳水合物热激分解试验，试验时高压釜置于装冰水的模型箱中以维持其恒定的环境温度^[22]；香港科技大学在40g下研究了二氧化碳水合物分解时储层与开采井的相互作用特性^[23]。上述超重力装置有效再现最大30 m厚储层自重应力场，但对储层温度环境或开采压力的伺服控制尚未有效解决。

针对大尺度水合物储层开采研究需求，浙江大学研发了在超重力下对气液压力和温度均能伺服控制的水合物开采模拟超重力试验装置，该装置能搭载于普通土工离心机。通过将离心机产生的超重力场与水合物储层所处高压低温环境叠加，再现原型水合物储层开采演变过程，是在模型尺度上再现其演变和灾变过程的有效手段。本文详细介绍了装置的研发思路、研制难点、装置组成及使用方法，并在100g下进行了水合物储层开采过程模拟。本装置的研发为揭示天然气水合物开采多相多场相互作用机制及工程灾变防控提供新的研究手段。

1.   试验装置的研制

装置总体采用功能模块化、结构紧凑化的设计思路^[24-27]，如图 1，2所示，装置主要包括：①高压釜系统、②水压力控制模块、③水合物制备模块、④水合物开采模块、⑤模型监测响应模块。装置可搭载在超重力离心机上工作，也可在常重力下直接开展试验。基于不同的研究目标，将不同模块组合开展不同功能、不同模式的试验。

图  1  装置原理图

Figure  1.  Schematic diagram of apparatus

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图  2  装置系统组成

Figure  2.  System composition of apparatus

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1.1   高压釜系统

高压釜系统是水合物储层模型及其高压低温环境的承载体，如图 3所示。该系统主要包括由高强合金钢锻造的釜盖、筒体、高强螺栓和水浴夹套。釜盖中部设有一只内径为0.01 m的可拆卸式开采井。高压釜内腔直径为0.23 m，内高为0.35 m，容积约14.5 L，耐压20 MPa，具备在100g超重力下模拟2000 m水深，35 m厚水合物储层，23 m直径开采范围的能力。

图  3  高压釜系统整体结构

Figure  3.  High-pressure vessel system

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高压釜水浴夹套与恒温水浴箱联通，冷却液通过离心机旋转接头持续循环供至夹套实现模型温度边界控制；恒温水浴箱内设置温度传感器，根据目标温度伺服调控夹套内冷却液温度和循环流速。本装置循环水浴温控效率较高，恒温水浴箱内循环泵制冷功率8 kW时，能将50 L冷却液在10 min内由室温调控至5℃，精度±0.5℃。常规水浴夹套一般由1 mm不锈钢板制成，考虑到超重力下水浴夹套底部需承受更大水压力，需进行单独设计及相应应力分析。

1.2   水压力控制模块

水压力控制模块的主要功能是在水合物制备和开采时控制水合物储层模型上覆水层压力，模拟并维持深海高水压力条件。上覆水压力主要通过伺服追踪泵控制，伺服追踪泵与高压釜内上覆水层联通，根据上覆水层实际压力与目标压力之间的差值，伺服抽排去离子水调控上覆水压力值。伺服追踪泵基于双缸柱塞泵改进，通过两泵体的交替吸、排液，实现水压力的连续稳定控制，相较于单缸泵有效解决了泵吸液过程中无法控压的问题。为使伺服追踪泵能在100g超重力下长周期连续工作，对其承力关键部件进行了改造：

采用双导程套增强丝杠运行扶正以克服超重力下的润滑膜破坏或丝杠挤压变形问题，用螺纹式丝杠替代滚珠式丝杠并缩短泵体高度以降低超重力影响。改进后伺服追踪泵能在100g下工作，泵体可承受35 MPa压力，抽排液流速范围0.1~30 mL/min。

1.3   水合物制备模块

水合物制备模块用于在常重力或超重力下制备水合物储层模型^[28]，可采用非饱和法或水饱和法制备水合物。该模块主要由增压泵、活塞容器、储气罐、气瓶、平流泵、去离子机和恒温水浴箱等组成。通过调压阀、增压泵和储气罐实现高压气体的恒压注入，用于水合物制备时的气密性检测和非饱和法制备水合物其中气瓶出口设置减压阀，避免瞬时气压过大冲击管线及所连接装置，调压阀与高压釜间设置单向阀防止气体回流。此处恒温水浴箱用于预先降温高压气体或去离子水，通过两个活塞容器交替定容抽排将高压气体或去离子水定容注入高压釜，实现水饱和法制备。平流泵用于非饱和法制备水合物后的模型注水饱和或水饱和法制备时的去离子水注入，最大工作压力为10 MPa，最大流速为200 mL/min，精度为0.2%FS。

1.4   水合物开采模块

水合物开采模块用于对高压釜中的水合物储层进行模拟开采，可进行降压法和注热法开采，并分离、收集开采产出的水和气。该模块主要由回压泵、回压阀、回压容器、蒸汽发生器、平流泵、气体干燥罐和储气罐等组成。

降压开采模拟通过调控开采井压力使其降至水合物相平衡线实现。目前，同类常重力装置一般通过手摇泵或回压阀直接控制开采压力，该类方法简单便捷，但仅能使回压阀在开/合两状态间切换导致开采井压力瞬间降低，并因人工控制难以应用于超重力模型试验。因此，团队研发了回压泵-回压阀伺服调控开采压力技术^[24-26]，如图 4所示，该技术可伺服调控回压压力，控制开采压力的恒定或梯度下降，实现不同降压速率下的分解试验。通过改变超重力作用下回压阀阀芯上下表面压差调节开采井内压力，开采井降压伺服控制范围0~20 MPa，精度±0.1 MPa。注热法通过向开采井注入热液或热蒸汽实现水合物开采，主要通过蒸汽发生器和平流泵实现。开采时可将最高130℃的蒸汽通过平流泵注入高压釜，使储层模型温度达到水合物相平衡温度而分解。开采过程中亦可将两种方法结合实现水合物热激-降压联合开采。

图  4  回压泵-回压阀伺服调控开采井压力

Figure  4.  Pump-valve combined control of pressure in vertical well

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装置配备储液罐和储气罐，用于收集试验过程中产出的液和气，实现试验过程中液气的闭环控制，避免二氧化碳（CO₂）或甲烷（CH₄）等气体直接排放至离心机机室。储液罐和储气罐均由高强合金制造，最大耐压25 MPa，容积分别为10，15 L，其中储液罐同时具有气液分离功能。

1.5   模型监测响应模块

该模块用于监测水合物制备和开采过程中温度、孔压、产气速率、累积产气量、产水量等数据的变化。主要包括：多通道数据采集器、光纤收发器、数据采集器、温度传感器、孔压传感器、压差传感器和流量计。高压釜内部测点分布见图 5，釜周设置4列传感器接口，每列4只，分别距釜体内腔底面30，95，160，225 mm，距釜壁边界35，75 mm。圆形和三角形标记分别表示孔压和温度传感器。测点布置据流场数值模拟优化确定，使井壁和釜壁边界对测点的影响最小。

图  5  测点空间分布和模型剖示图

Figure  5.  Distribution of measuring points and model diagram

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温度传感器采用PT100探针式传感器；Trafag孔压传感器端部加装直径2.9 mm，长245 mm和280 mm两种规格的探针。传感器与高压釜间采用压铆式密封，操作便捷且保证20 MPa压力下密封需求。流量计采用热式质量流量计，量程1000 mL/min。

1.6   装置搭载于离心机

试验时装置搭载于浙江大学ZJU-400臂式土工离心机吊篮内，吊篮底板尺寸为1.5 m（长）×1.2 m（宽），离心机容量为400g·t，最大超重力离心加速度150g^[29]。如图 6所示，试验时高压釜系统、压力控制模块、水合物开采模块等固定于底板，底板尺寸与离心机吊篮尺寸一致，该部分总质量约0.9 t。恒温水浴箱位于离心机动力室，通过离心机水气管路及旋转接头与装置连接。模型监测响应模块的数据采集器等置于离心机转轴中心处。该装置具有良好的通用性，国内外数十台容量大于100g·t的离心机均可搭载该装置开展试验。

图  6  ZJU400离心机及装置搭载于吊篮

Figure  6.  ZJU400 centrifuge at Zhejiang University and apparatus loaded on centrifuge

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2.   装置特点和试验流程

2.1   装置特色及技术特点

（1）装置采用功能模块化和结构紧凑化设计。各模块功能独立，基于不同研究目标搭配不同模块。

（2）研发了超重力下的气液压力伺服控制技术，应用于水压力控制模块和水合物开采模块。水压力控制模块通过伺服追踪泵实现储层模型上覆压力的伺服调控；水合物开采模块采用回压泵-回压阀调控开采井压力，实现不同降压速率的线性控制，克服了常规装置单一阀控或手摇泵难以准确控制降压速率的问题。

（3）高压釜侧壁水浴夹套与恒温水浴箱联通，冷却液通过离心机旋转接头循环至夹套实现模型温度边界的动态控制；恒温水浴箱内的温度传感器根据目标温度伺服调控夹套内冷却液温度和流速。

（4）水合物开采模块通过不同控制方法，实现水合物储层模型的降压、注热、降压-注热联合开采模拟，吊篮内配备储液罐和储气罐收集试验产出液气。

（5）超重力下的测试手段多样，能进行温度、孔压、产气速率、产气量等的测量，实时监测水合物相变分解过程中模型温压场演化过程。

2.2   试验流程

（1）储层模型制备

水合物储层模型一般采用水饱和法或非饱和法制备^[30]。CO₂水合物生成过程可写为

式中：${{\text{N}}_h}$为水合数；角标g，l，s分别表示气、液、固相。

准备石英砂、去离子水、CO₂气体等材料，将孔压、温度、流量等传感器初始化。水饱和法与非饱和法制样流程如图 7所示，制备时通过CO₂注入量控制水合物生成量。水饱和法制备与原位储层水合物生成过程较类似，但制备周期较长、水合物均匀性不易控制。非饱和法制样时水合物生成速度快、试验效率高，且通过控制土骨料的初始液态水分布较易控制水合物生成分布均匀性。

图  7  水合物储层模型制备流程

Figure  7.  Process of hydrate reservoir model preparation

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（2）装置搭载于离心机

模型制备完成后，将高压釜系统、水压力控制模块和水合物开采模块等搭载于离心机吊篮内；模型监测响应模块置于离心机转轴中心，通过数据采集系统与地面控制中心通讯；高压釜系统的恒温水浴箱置于离心机动力室，通过离心机管路和旋转接头与装置连接。装置搭载操作期间水浴循环和模型监测响应模块保持工作，维持并监测高压釜内水合物储层模型稳定。

（3）参数设置及部件测试

试验前水合物开采模块回压泵压力应高于高压釜内压力，防止回压阀在釜内压力作用下开启造成压力波动。启动离心机由1g分阶段升至100g，达到100g后，检查装置各部件处于正常状态即可开始试验。

（4）开采产气

降压法开采时预先设定开采井压力目标值和降压时长。CO₂水合物储层模型初始压力为3.5 MPa，目标压力为1.5 MPa，降压时长可分别设为40 min，此时开采井以0.05 MPa/min速率线性降压，模拟原位降压开采过程。试验过程中水压力控制模块实时伺服调控模型上覆水压力以保证其稳定。开采井压力降至目标压力后，在回压泵-回压阀伺服调控下保持恒定，水合物分解吸热与环境潜热补充逐渐平衡，储层模型持续产气。当储气罐压力不再变化，水合物开采完成。

（5）卸压开釜

试验完成后离心机停机，将装置吊离离心机室，打开高压釜顶部预留排气孔缓慢排出釜内残余气体并将压力降至大气压，开釜记录储层模型表观特征。

3.   装置初步应用

3.1   试验方案

本文采用该装置开展了一组100g下的降压开采试验，以说明其进行水合物开采模拟研究的有效性。采用颗粒相对质量密度为2.64的ISO标准砂筛分配制平均粒径225 μm的石英砂作为储层模型骨料，级配与Nankai海槽原位试采数据类似^[31]。相比于CH₄水合物，CO₂水合物生成条件较易实现，水合物分子结构、力学特性与CH₄水合物一致性高。因此本装置初期测试采用CO₂气体替代CH₄，制备CO₂水合物储层模型开展装置性能验证及初步试验案例分析，积累试验经验并逐渐扩展至CH₄水合物储层模型研究。

采用非饱和法制备水合物储层模型^[30]。首先将19 kg干燥石英砂和1.6 kg去离子水分10次混合均匀填入高压釜，装样过程中在指定高度布设传感器，得到直径为230 mm，高度为300 mm的均匀非饱和砂土模型，其孔隙率为0.445，水饱和度为0.3，气饱和度为0.7。注入CO₂气体将釜内压力增至3.5 MPa，待CO₂气体在孔隙水中溶解达到平衡，开启水浴将模型温度由室温降至5℃。如图 8，9所示，水浴开启后模型温度由室温降至水合物相平衡温度，釜内压力因气体降温收缩略下降。当模型温压值越过水合物相平衡边界后气相CO₂和液相水开始生成固相水合物并放热，模型压力快速下降，温度小幅上升。为使模型骨架内生成的水合物达到预设饱和度，二次注入CO₂使釜内压力再次升至3.5 MPa。注气增压后在Joule-Thomson效应和水合物生成放热作用下，釜内温度再次上升，后随水浴控温渐趋稳定。

图  8  水合物制备过程中孔压时程曲线

Figure  8.  Evolution of pressure during hydrate synthesis

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图  9  水合物制备过程中温度时程曲线

Figure  9.  Evolution of temperature during hydrate synthesis

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图 10以T₃-P₃测点为例展示了模型制备时的温压路径演变与水合物相平衡边界的关系。水浴温度降至5℃后，水合物生成放热使温度回升至水合物相平衡边界。随后水合物持续生成，模型温压大致沿相平衡边界移动。再次注气将釜内压力增至3.5 MPa后，仍可观察到几次不同幅值水合物生成放热。水合物制备完成后通过制备过程中CO₂气体消耗量计算得模型的水合物饱和度约0.18。将去离子水以200mL/min流速注入驱替剩余的CO₂气体，并将釜内压力增至3.5 MPa。模型制备完成后，将装置运至离心机吊篮安装。本文在100g超重力下以0.05 MPa/min降压速率将模型上表面压力由3.5 MPa降至1.5 MPa并维持至水合物完全分解。

图  10  水合物制备过程中T₃-P₃测点的温压路径

Figure  10.  Temperature-pressure response throughout hydrate synthesis process of T₃-P₃

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3.2   试验结果

图 11展示了100g超重力下水合物储层模型降压分解的温压路径。离心机高速旋转过程中机室环境温度缓慢上升至预控值，因此降压过程中当模型内部温压越过水合物相平衡边界时，受逐渐变化的环境温度影响略偏离相平衡边界。模型压力由3.5 MPa降至1.5 MPa后，在水合物分解吸热作用下模型温度快速降低。随着水合物持续分解，在边界热传递作用下模型温度逐渐回升。模型温压条件距离相平衡边界越大水合物分解速率越高，离心机运转过程中吊篮向模型底部边界的热量传递补充了潜热有利于水合物持续分解，该过程与原位水合物开采过程中地温梯度为储层持续补充潜热的过程类似。

图  11  100g下水合物降压分解时模型的温压路径

Figure  11.  Temperature-pressure response of model during hydrate dissociation by depressurization at 100g

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图 12为水合物降压分解过程中模型不同深度处超静孔压的演变过程。实测静水压力由模型顶部P₀测点实测压力和所在深度处水的自重应力组成，实测静水压力与理论静水压力差值为超静孔压。图中虚线对应不同深度测点处土骨架初始有效应力。储层模型中水合物占据大量孔隙通道，显著降低土体渗透性，导致降压过程中储层内部出现一定幅值的孔压累积。水合物开始分解后，骨架孔隙内生成大量气体，使模型超孔压快速上升。随着水合物持续分解，其占据的孔隙通道将逐渐释放，土体渗透性增强，超孔压逐渐消散。水合物降压开采过程中产生的超静孔压可能超过上覆土层自重应力，致使储层强度下降并可能在外界环境或工程荷载扰动下发生灾变。

图  12  100g下水合物降压分解时模型孔压变化

Figure  12.  Evolution of excess pore pressure at 100g

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图 13给出了常重力和100g超重力下模型降压分解归一化产气过程，其中N_f和N分别为模型最终产气量和实时产气量。相较于常重力试验，100g超重力作用下模型产气明显加快，这是由于超重力增加了不同物质相对运动驱动力^[21]，增速固液气的分离与运移，从而提高相间传热效率和水合物分解产气效率，体现了超重力试验的“缩时”效应。图 14展示了100g试验对应的原型储层降压开采过程中水合物分解产气特征。随着降压开采的进行，产气速率逐渐上升，110 d后产气速率达到了约650 m³/d的峰值。随着水合物分解大量消耗潜热使环境温度快速降低，导致水合物重生成，堵塞骨架孔隙、阻碍渗流，使产气速率开始下降。第150天时，产气速率达到了约1300 m³/d的峰值，这是由于环境补热与开采压降增大，致使水合物分解速率加快、重生成的水合物再次分解。随后储层开采压力趋于稳定、水合物分解吸热与环境补热渐平衡，产气速率趋于稳定，并随水合物总量持续减少逐步下降。超重力下储层模型产气模式与2017年日本Nankai海槽第二次试采相似^[32]，均为前期水合物快速分解达到高产气速率，后逐渐降低并趋于稳定。

图  13  100g和1g下水合物分解归一化产气量

Figure  13.  Gas production rates during hydrate dissociation by depressurization at 100g

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图  14  100g下水合物降压分解产气过程

Figure  14.  Gas production during hydrate dissociation by depressurization at 100g

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4.   结论

（1）研发了一套模拟大尺度水合物储层长历时开采演变过程的超重力试验装置，包括高压釜系统、水合物制备模块、水压力控制模块、水合物开采模块、监测与响应模块。采用功能模块化设计，基于不同研究目标组合不同模块，实现模型制备、常重力/超重力下降压、注热、降压-注热开采等试验。为水合物开采多相多场耦合机制和灾变防控提供新的研究手段。

（2）开发了超重力下的气液压力远程伺服控制技术，通过回压泵-回压阀联合调控开采井压力，实现不同降压速率的远程伺服线性控制，克服了常规装置单一阀控或手摇泵调压难以准确控制降压速率的问题。

（3）高压釜侧壁水浴夹套与恒温水浴箱联通，冷却液通过离心机旋转接头循环至夹套实现模型温度边界的精确动态控制；恒温水浴箱内的温度传感器根据目标温度伺服调控夹套内冷却液温度和流速。

（4）该装置能够在100g超重力下伺服调控釜内气液压力和温度环境，在模型尺度上再现储层应力、温度和荷载条件。通过100g下降压分解试验探索了原位等效重力场下储层不同深度处液气压力演化规律及产气特性。