CN110630228B - 评价co2/n2置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及方法，其装置包括高压反应釜、注气注液系统、温度控制系统、气液固分离系统、压力控制系统和数据采集系统，高压反应釜中部安装有贯穿其底盖的刚性管，注气注液系统通过注气注液口接入高压反应釜，压力控制系统用于控制高压反应釜内的轴压、孔压和回压，气液固分离系统用于收集实验过程中产生的气体、液体和固体，数据采集系统用于采集所有物理状态信息。该装置结构简单、操作简便、可靠性好，能够模拟不同地质条件下CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂情况，进而评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂规律以及安装不同防砂筛网后的防砂效果，为天然气水合物勘探与开发提供技术支持。

Description

评价CO2/N2置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及 方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物勘探与开发技术领域，尤其涉及评价 CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及方法。

背景技术

天然气水合物(简称水合物)是由水和气体(主要为CH₄)在高压低温的条件下形成的似冰状固体，俗称可燃冰，水合物主要分布于海底和陆地冻土区，具有分布广、储量丰富、能量密度大等特点，被视为最具有潜力的非常规能源，我国于2017年11月16日将天然气水合物列为第173个矿种。

目前水合物开采方法主要有降压法、热激发法、化学试剂法以及 CO₂/N₂置换法。前三种方法的基本思路是人为打破水合物存在的温度与压力平衡条件，使水合物发生分解，而CO₂/N₂置换法通过客体分子CO₂降低CH₄水合物中CH₄分子的分压，形成CO₂水合物，并将CH₄分子置换出来，在置换过程中，CO₂水合物的生成过程提供了 CH₄水合物分解所需的热量。CO₂/N₂置换法不仅可以开采水合物中的 CH₄，还可以实现CO₂地下封存，减小温室效应，并保持水合物地层的稳定性，减少地质灾害发生的可能性，具有经济和环境上的双重意义，与传统的水合物开采方法相比具有其无法比拟的优势。

水合物开采过程中会有砂产出，因而限制了水合物的安全高效开采，无论是2007年加拿大Mallik试开采井、2012年美国阿拉斯加 IgnikSikumi开采水合物试验井，还是2013年和2017年日本两次水合物试开采都出现了不同程度的出砂问题。目前国内外已进行的水合物开采出砂研究发现，引起出砂的主要原因可能是水合物分解对地层固结作用消失，并且分解过程中地层有效应力增加引起储层剪切破坏，产生可以移动的砂颗粒，同时孔隙水向井筒的流动又为砂颗粒移动提供了动力。CO₂/N₂置换法开采CH₄水合物时又可以形成CO₂水合物，水合物地层依然保持稳定，地层有效应力也不会有太大的变化，并且开采过程中置换出来的主要是CH4，向井筒流动的孔隙水可能非常少，因此CO₂/N₂置换法开采水合物从理论上可以很大程度地减少或者避免出砂问题。

目前使用实验手段研究水合物开采中出砂规律与防砂效果的装置较少，并且没有针对CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及方法。CO₂/N₂置换法开采水合物时，水合物地层保持稳定，地层有效应力也不会有太大的变化，向井筒流动的孔隙水可能非常少，理论上可以很大程度地减少或者避免出砂问题，因此研制出能够模拟CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒的出砂情况的装置，进而评价水合物开采过程中井筒内的出砂规律以及安装不同防砂筛网后的防砂效果意义重大。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置及方法，针对天然气水合物储层利用CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂现象，评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂规律以及安装不同防砂筛网后的防砂效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，包括高压反应釜、注气注液系统、温度控制系统、气液固分离系统、压力控制系统和数据采集系统，所述高压反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，高压反应釜中部安装有贯穿其底盖的刚性管，刚性管为竖直状态，用于模拟进行水合物开采的竖直井筒，所述反应釜本体的侧壁上设有注气注液口；

所述注气注液系统分为注气分路和注液分路，注气分路又分为 CH₄注气分路、CO₂注气分路和N₂注气分路，CH₄注气分路包括通过高压管线依次连接的CH₄气瓶、第一阀门，CO₂注气分路包括通过高压管线依次连接的CO₂气瓶、第二阀门、第三阀门、第一调压阀、第一气体流量计，N₂注气分路包括通过高压管线依次连接的N₂气瓶、第四阀门、第二调压阀、第二气体流量计，CH₄注气分路、CO₂注气分路、N₂注气分路三者汇合后，通过高压管线与缓冲罐、第五阀门、第三调压阀、第三气体流量计依次连接，缓冲罐上连接有压力表，通过控制第一调压阀、第一气体流量计、第二调压阀、第二气体流量计，配置不同比例CO₂/N₂混合气作为置换气体，注液分路包括通过高压管线依次连接的第六阀门、CO₂液化器、第七阀门、液体储槽、平流泵、第八阀门，注液分路一端与CO₂注气分路中第二阀门与第三阀门之间的高压管线连通，注液分路另一端与注气分路并线后接入注气注液口；

所述温度控制系统包括高低温恒温箱和循环恒温水浴以及水夹套，所述高压反应釜设置在高低温恒温箱内，使刚性管的一端位于高压反应釜内，刚性管的另一端位于高低温恒温箱内，刚性管位于高压反应釜内部分等间距开孔且外层安装有防砂筛网，高低温恒温箱用于控制高压反应釜内的温度，从而模拟海底以及陆地冻土区水合物储层的温度环境，所述液体储槽外包裹水夹套，循环恒温水浴通过冷却管接入水夹套，从而控制液体储槽内液体温度；

所述气液固分离系统分为气液态分离分路和固态分离分路，气液态分离分路包括气液分离器、第十一阀门、集水罐、干燥筒、气相色谱仪、第十三阀门、第十二阀门、第四气体流量计、集气瓶，气液分离器、干燥筒、第十二阀门、第四气体流量计、集气瓶通过高压管线依次连接且气液分离器一端接入刚性管位于高低温恒温箱内部分，气液分离器、第十一阀门、集水罐通过高压管线依次连接，气相色谱仪与第十三阀门通过高压管线依次连接且第十三阀门一端接入干燥筒与第十二阀门之间的高压管线，从而实现产气组分的实时测量，固态分离分路包括第一截止阀、第二截止阀、取砂器，取砂器与刚性管位于高低温恒温箱内部分的端点连接，第一截止阀、第二截止阀依次设置在刚性管上气液态分离分路与刚性管连接处与取砂器之间；

所述压力控制系统分为轴压控制系统、孔压控制系统和回压控制系统，轴压控制系统包括通过高压管线依次连接的蒸馏水罐、轴压泵、第九阀门、活塞，活塞设置在高压反应釜内，孔压控制系统包括第三调压阀、第三气体流量，第三调压阀、第三气体流量依次设置在注气分路上第五阀门之后的高压管线上，第三调压阀与第三气体流量计配合控制高压反应釜内的孔压，回压控制系统包括第十阀门、回压阀，第十阀门、回压阀依次设置在气液态分离分路上气液分离器之前的高压管线上且第十阀门、回压阀均位于高低温恒温箱外；

所述数据采集系统包括三个温度传感器、七个压力传感器、位移传感器、CH₄传感器、CO₂传感器、两个TDR信号探针、TDR信号采集器、高速摄像头以及计算机，三个温度传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，其一压力传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入反应釜本体侧壁的环空中，其一压力传感器连接在刚性管贯穿底盖处下方并接入刚性管内，其二压力传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，其一压力传感器连接在第四气体流量计与集气瓶之间的高压管线上，其一压力传感器连接在CH₄注气分路、 CO₂注气分路、N₂注气分路三者汇合处与缓冲罐之间的高压管线上，其一压力传感器连接在第九阀门与活塞之间的高压管线上，位移传感器连接在活塞上，CH₄传感器、CO₂传感器均设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，三个温度传感器、七个压力传感器、位移传感器、CH₄传感器、CO₂传感器均通过数据采集信号线接入计算机，两个TDR信号探针设置在高压反应釜内刚性管的两侧，两个TDR信号探针均通过数据采集信号线接入TDR信号采集器，TDR信号采集器通过数据采集信号线接入计算机，所述刚性管位于高低温恒温箱内部分设有高压玻璃可视化窗口，高速摄像头设置在高压玻璃可视化窗口外，高速摄像头通过数据采集信号线接入计算机。

进一步的，注气注液口所在侧壁内为环空状，注气注液口位于其外侧壁面，其内侧壁面上等间距开孔，从而实现多点均匀注气注液。

进一步的，刚性管位于高压反应釜内部分的直径为20mm，每 45°角、15mm等间距开孔且孔径为2mm，刚性管位于高低温恒温箱内部分的直径为10mm。

评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的方法，包括如下步骤：

S1、利用去离子水对反应釜本体、顶盖、底盖和活塞进行清洗，并对所有高压管线进行连通性检查；

S2、制备CH₄水合物沉积物；

S3、CH₄水合物沉积物生成后，降低高压反应釜内的温度至1℃并将釜内的CH₄放空，向反应釜内注入CO₂气体或CO₂液体或CO₂与N₂的混合气体，使高压反应釜内的孔压达到3MPa，进行置换开采，数据采集系统监测反应釜内温度、孔隙压力、CH₄浓度、CO₂浓度以及TDR信号波形；

S4、对水合物储层置换出来的CH₄以及产出的水和砂进行分离，气体进入集气瓶，气相色谱仪对产气组分进行在线检测，部分水进入集水罐，其余水和砂进入取砂器，分阶段对取砂器内的砂和水进行收集；

S5、在刚性管外层安装不同规格防砂筛网，重复步骤S2-S4，评价CO₂/N₂置换法开采水合物时安装不同防砂筛网后的出砂规律与防砂效果。

进一步的，步骤S2中制备CH₄水合物沉积物的过程如下：

S2.1、根据模拟地层的粒径分布曲线，筛出实验所需的砂并烘干；

S2.2、将烘干砂与实验所需的水搅拌混合，静置24小时，使水在砂中分布均匀；

S2.3、将充分混合的砂水混合物充填到高压反应釜中，利用轴压泵驱动活塞对砂水混合物轴向加压11MPa，使其压实；

S2.4、向高压反应釜通入10MPa的CH₄气体，在室温下静置12 小时，保证砂水混合物充分进气；

S2.5、开启高低温恒温箱并设定温度，使高压反应釜内的温度降至3℃并保持稳定，生成CH₄水合物沉积物，数据采集系统监测反应釜内温度、孔隙压力、CH₄浓度以及TDR信号波形。

本发明的有益效果为：

1、针对天然气水合物储层开采过程中的出砂现象，模拟不同地质条件下CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂、产气和产水情况以及地层沉降情况，进而厘清不同地质条件下CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂规律；

2、刚性管位于高压反应釜内部分等间距开孔且外层安装有防砂筛网，模拟不同地质条件下CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒内的出砂、产气、产水和地层沉降规律，评价不同规格防砂筛管的防砂效果；

3、配置不同比例混合的CO₂和N₂作为置换气体或将液化后的 CO₂液体作为置换液，利用时域反射技术实时监测高压反应釜内水合物饱和度，利用CH₄传感器和CO₂传感器实时监测高压反应釜内甲烷和二氧化碳浓度，利用气相色谱仪实时测量产气组分，利用高速摄像头直接观察出砂现象；

4、本发明装置结构简单、操作简便，实验方法可重复性强，对我国天然气水合物勘探开发具有重要的经济价值和社会效益，还可以为与水合物相关的高校和科研院所提供科学实验与研究。

附图说明

附图1为本发明各组件的管线连接结构示意图。

标注说明：1、CH₄气瓶，2、第一阀门，3、CO₂气瓶，4、第二阀门，5、第三阀门，6、第一调压阀，7、第一气体流量计，8、N₂气瓶，9、第四阀门，10、第二调压阀，11、第二气体流量计，12、压力传感器，13、压力表，14、缓冲罐，15、第五阀门，16、第三调压阀，17、第三气体流量计，18、第六阀门，19、CO₂液化器，20、第七阀门，21、液体储槽，22、水夹套，23、循环恒温水浴，24、平流泵，25、第八阀门，26、蒸馏水罐，27、轴压泵，28、第九阀门， 29、CH₄传感器，30、CO₂传感器，31、顶盖，32、位移传感器，33、活塞，34、刚性管，35、防砂筛网，36、温度传感器，37、反应釜本体，38、底盖，39、TDR信号探针，40、高速摄像头，41、高压玻璃可视化窗口，42、第一截止阀，43、第二截止阀，44、取砂器，45、 TDR信号采集器，46、计算机，47、第十阀门，48、回压阀，49、气液分离器，50、干燥筒，51、第十二阀门，52、第四气体流量计， 53、集气瓶，54、第十一阀门，55、集水罐，56、第十三阀门，57、气相色谱仪，58、高低温恒温箱。

具体实施方式

请参阅图1所示，评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，包括高压反应釜、注气注液系统、温度控制系统、气液固分离系统、压力控制系统和数据采集系统，所述高压反应釜包括反应釜本体37、顶盖31和底盖38，高压反应釜中部安装有贯穿其底盖38的刚性管34，刚性管34为竖直状态，用于模拟进行水合物开采的竖直井筒，所述反应釜本体37的侧壁上设有注气注液口。作为优选的，注气注液口所在侧壁内为环空状，注气注液口位于其外侧壁面，其内侧壁面上等间距开孔，从而实现多点均匀注气注液。

所述注气注液系统分为注气分路和注液分路，注气分路又分为 CH₄注气分路、CO₂注气分路和N₂注气分路，CH₄注气分路包括通过高压管线依次连接的CH₄气瓶1、第一阀门2，CO₂注气分路包括通过高压管线依次连接的CO₂气瓶3、第二阀门4、第三阀门5、第一调压阀6、第一气体流量计7，N₂注气分路包括通过高压管线依次连接的N₂气瓶8、第四阀门9、第二调压阀10、第二气体流量计11， CH4注气分路、CO2注气分路、N2注气分路三者汇合后，通过高压管线与缓冲罐14、第五阀门15、第三调压阀16、第三气体流量计17 依次连接，缓冲罐14上连接有压力表13，通过控制第一调压阀6、第一气体流量计7、第二调压阀10、第二气体流量计11，配置不同比例CO₂/N₂混合气作为置换气体，注液分路包括通过高压管线依次连接的第六阀门18、CO₂液化器19、第七阀门20、液体储槽21、平流泵24、第八阀门25，注液分路一端与CO₂注气分路中第二阀门4 与第三阀门5之间的高压管线连通，注液分路另一端与注气分路并线后接入注气注液口。

所述温度控制系统包括高低温恒温箱和循环恒温水浴23以及水夹套22，所述高压反应釜设置在高低温恒温箱58内，使刚性管34 的一端位于高压反应釜内，刚性管34的另一端位于高低温恒温箱58 内，刚性管34位于高压反应釜内部分等间距开孔且外层安装有防砂筛网35，高低温恒温箱58用于控制高压反应釜内的温度，从而模拟海底以及陆地冻土区水合物储层的温度环境。具体的，刚性管34位于高压反应釜内部分的直径为20mm，每45°角、15mm等间距开孔且孔径为2mm，刚性管34位于高低温恒温箱58内部分的直径为 10mm。所述液体储槽21外包裹水夹套22，循环恒温水浴23通过冷却管接入水夹套22，从而控制液体储槽21内液体温度。

所述气液固分离系统分为气液态分离分路和固态分离分路，气液态分离分路包括气液分离器49、第十一阀门54、集水罐55、干燥筒 50、气相色谱仪57、第十三阀门56、第十二阀门51、第四气体流量计52、集气瓶53，气液分离器49、干燥筒50、第十二阀门51、第四气体流量计52、集气瓶53通过高压管线依次连接且气液分离器49 一端接入刚性管34位于高低温恒温箱58内部分，气液分离器49、第十一阀门54、集水罐55通过高压管线依次连接，气相色谱仪57 与第十三阀门56通过高压管线依次连接且第十三阀门56一端接入干燥筒50与第十二阀门51之间的高压管线，从而实现产气组分的实时测量，固态分离分路包括第一截止阀42、第二截止阀43、取砂器44，取砂器44与刚性管34位于高低温恒温箱58内部分的端点连接，第一截止阀42、第二截止阀43依次设置在刚性管34上气液态分离分路与刚性管34连接处与取砂器44之间。

所述压力控制系统分为轴压控制系统、孔压控制系统和回压控制系统，轴压控制系统包括通过高压管线依次连接的蒸馏水罐26、轴压泵27、第九阀门28、活塞33，活塞33设置在高压反应釜内，孔压控制系统包括第三调压阀16、第三气体流量17，第三调压阀16、第三气体流量17依次设置在注气分路上第五阀门15之后的高压管线上，第三调压阀16与第三气体流量计17配合控制高压反应釜内的孔压，回压控制系统包括第十阀门47、回压阀48，第十阀门47、回压阀48依次设置在气液态分离分路上气液分离器49之前的高压管线上且第十阀门47、回压阀48均位于高低温恒温箱58外。

所述数据采集系统包括三个温度传感器36、七个压力传感器12、位移传感器32、CH₄传感器29、CO₂传感器30、两个TDR信号探针 39、TDR信号采集器45、高速摄像头40以及计算机46，三个温度传感器36设置在反应釜本体37侧壁上并接入高压反应釜内，用于监测高压反应釜内不同位置的温度，其一压力传感器12设置在反应釜本体37侧壁上并接入反应釜本体37侧壁的环空中，用于监测高压反应釜入口处的压力，其一压力传感器12连接在刚性管34贯穿底盖 38处下方并接入刚性管34内，用于监测高压反应釜出口处的压力，其二压力传感器12设置在反应釜本体37侧壁上并接入高压反应釜内，用于监测高压反应釜内不同位置的孔隙压力，其一压力传感器12连接在第四气体流量计52与集气瓶53之间的高压管线上，用于监测集气瓶53入口处的压力，其一压力传感器12连接在CH₄注气分路、CO₂注气分路、N₂注气分路三者汇合处与缓冲罐14之间的高压管线上，用于监测缓冲罐14入口处的压力，其一压力传感器12连接在第九阀门28与活塞33之间的高压管线上，用于监测高压反应釜内的轴压，位移传感器32连接在活塞33上，用于监测地层沉降情况， CH₄传感器29、CO₂传感器30均设置在反应釜本体37侧壁上并接入高压反应釜内，用于监测高压反应釜内CH₄、CO₂的浓度，三个温度传感器36、七个压力传感器12、位移传感器32、CH₄传感器29、CO₂传感器30均通过数据采集信号线接入计算机46，两个TDR信号探针39设置在高压反应釜内刚性管34的两侧，用于实时监测高压反应釜内水合物的饱和度，两个TDR信号探针39均通过数据采集信号线接入TDR信号采集器45，TDR信号采集器45通过数据采集信号线接入计算机46，所述刚性管34位于高低温恒温箱58内部分设有高压玻璃可视化窗口41，高速摄像头40设置在高压玻璃可视化窗口41 外，用于直接观察出砂现象，高速摄像头40通过数据采集信号线接入计算机16。

具体的，通过上述装置评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的方法，包括如下步骤：

S1、利用去离子水对反应釜本体37、顶盖31、底盖38和活塞 33进行清洗，并对所有高压管线进行连通性检查，尤其是对注气注液口处、回压阀48连接处的高压管线进行连通性检查，确保高压管线内没有被砂子等杂质堵塞；

S2、制备CH₄水合物沉积物：S2.1、根据模拟地层的粒径分布曲线，筛出实验所需的砂并烘干；S2.2、将烘干砂与实验所需的水搅拌混合，静置24小时，使水在砂中分布均匀；S2.3、将充分混合的砂水混合物充填到高压反应釜中，打开第九阀门28，利用轴压泵27驱动活塞33对砂水混合物轴向加压11MPa，使其压实；S2.4、打开第一阀门2、第五阀门15，CH₄气瓶1经过缓冲罐14、第三调压阀16、第三气体流量计17，向高压反应釜通入10MPa的CH₄气体，在室温下静置12小时，保证砂水混合物充分进气；S2.5、开启高低温恒温箱58并设定温度，使高压反应釜内的温度降至3℃并保持稳定，生成CH₄水合物沉积物，数据采集系统监测反应釜内温度、孔隙压力、 CH₄浓度以及TDR信号波形，36小时内孔隙压力不再变化，CH₄水合物沉积物生成结束；

S3、CH₄水合物沉积物生成后，降低高压反应釜内的温度至1℃并经过第十阀门47、回压阀48、气液分离器49、干燥筒50、第十二阀门51、第四气体流量计52和集气瓶53迅速将高压反应釜内的CH₄放空，向高压反应釜内内注入CO₂气体或CO₂液体或CO₂与N₂的混合气体，使高压反应釜内的孔压达到3MPa，进行置换开采，数据采集系统监测高压反应釜内内温度、孔隙压力、CH₄浓度、CO₂浓度以及TDR信号波形，其中：当注入CO₂气体进行置换时，打开第二阀门4、第三阀门5、第五阀门15，CO₂气瓶3经过第一调压阀6、第一气体流量计7、缓冲罐14、压力表13、第三调压阀16、第三气体流量计17向高压反应釜内通入CO₂气体；当注入CO₂液体进行置换时，打开第二阀门4、第六阀门18、第七阀门20、第八阀门25，CO₂气瓶3经过CO₂液化器19、液体储槽21、平流泵24向高压反应釜内通入CO₂液体；当注入CO₂与N₂的混合气体(推荐比例为CO₂:N₂＝2:8) 进行置换时，打开第二阀门4、第三阀门5、第四阀门9、第五阀门 15，通过控制第一调压阀6与第二调压阀10，并且根据第一气体流量计7与第二气体流量计11的读数来配置一定比例CO₂与N₂混合气体，CO₂气瓶3、N₂气瓶8经过缓冲罐14、第三调压阀16、第三气体流量计17向高压反应釜内通入一定比例混合的CO₂与N₂气体；

S4、对水合物储层置换出来的CH₄以及产出的水和砂进行分离，其中气体和大部分液体通过第十阀门47和回压阀48进入气液分离器49中，之后气体经过干燥筒50、第十二阀门51、第四气体流量计52 进入集气瓶53，大部分液体经过第十一阀门54进入集水罐55，剩余液体和砂仍留存在刚性管34内，需要收集时，打开第一截止阀42，让剩余液体和砂进入刚性管34内第一截止阀42与第二截止阀43之间，之后关上第一截止阀42，打开第二截止阀43，让剩余液体和砂进入取砂器44中，关闭第二截止阀42，取下取砂器44收集剩余液体和砂，收集完后重新装上取砂器44，进行下一次剩余水和砂的收集，气相色谱仪57实时测量产气组分，高速摄像头40直接观察出砂现象；

S5、在刚性管34外层安装不同规格防砂筛网35，重复步骤S2-S4，评价CO₂/N₂置换法开采水合物时安装不同防砂筛网35后的出砂规律与防砂效果。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，包括高压反应釜、注气注液系统、温度控制系统、气液固分离系统、压力控制系统和数据采集系统，其特征在于：

所述高压反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，高压反应釜中部安装有贯穿其底盖的刚性管，刚性管为竖直状态，用于模拟进行水合物开采的竖直井筒，所述反应釜本体的侧壁上设有注气注液口；

所述注气注液系统分为注气分路和注液分路，注气分路又分为CH₄注气分路、CO₂注气分路和N₂注气分路，CH₄注气分路包括通过高压管线依次连接的CH₄气瓶、第一阀门，CO₂注气分路包括通过高压管线依次连接的CO₂气瓶、第二阀门、第三阀门、第一调压阀、第一气体流量计，N₂注气分路包括通过高压管线依次连接的N₂气瓶、第四阀门、第二调压阀、第二气体流量计，CH₄注气分路、CO₂注气分路、N₂注气分路三者汇合后，通过高压管线与缓冲罐、第五阀门、第三调压阀、第三气体流量计依次连接，缓冲罐上连接有压力表，通过控制第一调压阀、第一气体流量计、第二调压阀、第二气体流量计，配置不同比例CO₂/N₂混合气作为置换气体，注液分路包括通过高压管线依次连接的第六阀门、CO₂液化器、第七阀门、液体储槽、平流泵、第八阀门，注液分路一端与CO₂注气分路中第二阀门与第三阀门之间的高压管线连通，注液分路另一端与注气分路并线后接入注气注液口；

所述温度控制系统包括高低温恒温箱和循环恒温水浴以及水夹套，所述高压反应釜设置在高低温恒温箱内，使刚性管的一端位于高压反应釜内，刚性管的另一端位于高低温恒温箱内，刚性管位于高压反应釜内部分等间距开孔且外层安装有防砂筛网，高低温恒温箱用于控制高压反应釜内的温度，从而模拟海底以及陆地冻土区水合物储层的温度环境，所述液体储槽外包裹水夹套，循环恒温水浴通过冷却管接入水夹套，从而控制液体储槽内液体温度；

所述气液固分离系统分为气液态分离分路和固态分离分路，气液态分离分路包括气液分离器、第十一阀门、集水罐、干燥筒、气相色谱仪、第十三阀门、第十二阀门、第四气体流量计、集气瓶，气液分离器、干燥筒、第十二阀门、第四气体流量计、集气瓶通过高压管线依次连接且气液分离器一端接入刚性管位于高低温恒温箱内部分，气液分离器、第十一阀门、集水罐通过高压管线依次连接，气相色谱仪与第十三阀门通过高压管线依次连接且第十三阀门一端接入干燥筒与第十二阀门之间的高压管线，从而实现产气组分的实时测量，固态分离分路包括第一截止阀、第二截止阀、取砂器，取砂器与刚性管位于高低温恒温箱内部分的端点连接，第一截止阀、第二截止阀依次设置在刚性管上气液态分离分路与刚性管连接处与取砂器之间；

所述压力控制系统分为轴压控制系统、孔压控制系统和回压控制系统，轴压控制系统包括通过高压管线依次连接的蒸馏水罐、轴压泵、第九阀门、活塞，活塞设置在高压反应釜内，孔压控制系统包括第三调压阀、第三气体流量，第三调压阀、第三气体流量依次设置在注气分路上第五阀门之后的高压管线上，第三调压阀与第三气体流量计配合控制高压反应釜内的孔压，回压控制系统包括第十阀门、回压阀，第十阀门、回压阀依次设置在气液态分离分路上气液分离器之前的高压管线上且第十阀门、回压阀均位于高低温恒温箱外；

所述数据采集系统包括三个温度传感器、七个压力传感器、位移传感器、CH₄传感器、CO₂传感器、两个TDR信号探针、TDR信号采集器、高速摄像头以及计算机，三个温度传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，其一压力传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入反应釜本体侧壁的环空中，其一压力传感器连接在刚性管贯穿底盖处下方并接入刚性管内，其二压力传感器设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，其一压力传感器连接在第四气体流量计与集气瓶之间的高压管线上，其一压力传感器连接在CH₄注气分路、CO₂注气分路、N₂注气分路三者汇合处与缓冲罐之间的高压管线上，其一压力传感器连接在第九阀门与活塞之间的高压管线上，位移传感器连接在活塞上，CH₄传感器、CO₂传感器均设置在反应釜本体侧壁上并接入高压反应釜内，三个温度传感器、七个压力传感器、位移传感器、CH₄传感器、CO₂传感器均通过数据采集信号线接入计算机，两个TDR信号探针设置在高压反应釜内刚性管的两侧，两个TDR信号探针均通过数据采集信号线接入TDR信号采集器，TDR信号采集器通过数据采集信号线接入计算机，所述刚性管位于高低温恒温箱内部分设有高压玻璃可视化窗口，高速摄像头设置在高压玻璃可视化窗口外，高速摄像头通过数据采集信号线接入计算机；

通过所述的评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的方法，包括如下步骤：

S1、利用去离子水对反应釜本体、顶盖、底盖和活塞进行清洗，并对所有高压管线进行连通性检查；

S2、制备CH₄水合物沉积物；

S3、CH₄水合物沉积物生成后，降低高压反应釜内的温度至1℃并将釜内的CH₄放空，向反应釜内注入CO₂气体或CO₂液体或CO₂与N₂的混合气体，使高压反应釜内的孔压达到3MPa，进行置换开采，数据采集系统监测反应釜内温度、孔隙压力、CH₄浓度、CO₂浓度以及TDR信号波形；

S4、对水合物储层置换出来的CH₄以及产出的水和砂进行分离，气体进入集气瓶，气相色谱仪对产气组分进行在线检测，部分水进入集水罐，其余水和砂进入取砂器，分阶段对取砂器内的砂和水进行收集；

S5、在刚性管外层安装不同规格防砂筛网，重复步骤S2-S4，评价CO₂/N₂置换法开采水合物时安装不同防砂筛网后的出砂规律与防砂效果。

2.根据权利要求1所述的评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，其特征在于：注气注液口所在侧壁内为环空状，注气注液口位于其外侧壁面，其内侧壁面上等间距开孔，从而实现多点均匀注气注液。

3.根据权利要求1所述的评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，其特征在于：刚性管位于高压反应釜内部分的直径为20mm，每45°角、15mm等间距开孔且孔径为2mm，刚性管位于高低温恒温箱内部分的直径为10mm。

4.根据权利要求1所述的评价CO₂/N₂置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置，其特征在于：步骤S2中制备CH₄水合物沉积物的过程如下：

S2.1、根据模拟地层的粒径分布曲线，筛出实验所需的砂并烘干；

S2.2、将烘干砂与实验所需的水搅拌混合，静置24小时，使水在砂中分布均匀；

S2.3、将充分混合的砂水混合物充填到高压反应釜中，利用轴压泵驱动活塞对砂水混合物轴向加压11MPa，使其压实；

S2.4、向高压反应釜通入10MPa的CH₄气体，在室温下静置12小时，保证砂水混合物充分进气；

S2.5、开启高低温恒温箱并设定温度，使高压反应釜内的温度降至3℃并保持稳定，生成CH₄水合物沉积物，数据采集系统监测反应釜内温度、孔隙压力、CH₄浓度以及TDR信号波形。