專利名稱：水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置及其測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水合物合成與分解領(lǐng)域，尤其是一種水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)
試的裝置及其測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是在適當(dāng)高的壓力和適當(dāng)?shù)偷臏囟葪l件下，由水和天然氣組成的類 冰的籠形結(jié)晶化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境，是一 種重要的潛在資源。 隨著世界油氣可開(kāi)采量的減少和消耗量的增加，深海水合物開(kāi)采的迫切性日益顯 著。美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)開(kāi)展了大量的相平衡條件、勘探方法等方面的工作，并進(jìn)行了試 采。 油氣開(kāi)采、水合物開(kāi)采或自然條件變化會(huì)導(dǎo)致水合物沉積物地層(簡(jiǎn)稱水合物沉 積物)中水合物分解。水合物分解一方面使沉積層中的巖土介質(zhì)失去膠接，另一方面會(huì)改 變沉積層的結(jié)構(gòu)，生成的氣體又會(huì)增大孔隙壓力，從而使該沉積層的強(qiáng)度降低。水合物沉積 物強(qiáng)度的降低可引起多種嚴(yán)重的災(zāi)害，如由于水合物分解導(dǎo)致的井口周圍土體大變形引起 的海上或海床中結(jié)構(gòu)物的破壞，如平臺(tái)傾覆、油氣井毀壞等。這種災(zāi)害對(duì)海床中結(jié)構(gòu)物將產(chǎn) 生嚴(yán)重危害，但是對(duì)其控制參數(shù)和演化過(guò)程等方面的研究還非常缺乏。據(jù)文獻(xiàn)記載，挪威大 陸架邊緣由于水合物分解發(fā)生的海底滑坡(Storegga滑坡)共滑走2500 3200立方公里 沉積物，是目前為止發(fā)現(xiàn)的最大的海底滑坡。大量的地質(zhì)調(diào)查和分析表明產(chǎn)生該滑坡的原 因是由于當(dāng)時(shí)水溫增加，水合物發(fā)生了分解。水合物迅速分解將導(dǎo)致大面積滑坡等多種破 壞形式，并可能引起海嘯。 目前世界上對(duì)于該問(wèn)題的研究成果很少，有關(guān)水合物沉積物中的熱合成與分解、 滲流特性以及其他力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還很缺乏，這些參數(shù)對(duì)于水合物勘探、開(kāi)采和海底結(jié)構(gòu)災(zāi) 害分析有重要意義，因此必須首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得水合物沉積物的基本參數(shù)、合成與分解過(guò) 程中滲流和熱擴(kuò)散的規(guī)律，以及水合物合成與分解后地層的強(qiáng)度等為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種水合物沉積物合成與分解
滲流、熱導(dǎo)率和力學(xué)參數(shù)測(cè)試的裝置及其測(cè)試方法，該裝置能同時(shí)獲得應(yīng)力應(yīng)變、滲流、熱、
波、各組分含量等多種基本參數(shù)，能夠提供不同的圍壓，以模擬實(shí)際地層中的壓力。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，包括壓力室，
壓力室的進(jìn)口端上設(shè)置有進(jìn)氣流量計(jì)、注液泵和超聲發(fā)射端，壓力室的出口端上設(shè)置有超
聲接收端、氣液分離計(jì)和出氣流量計(jì)，壓力室的內(nèi)腔內(nèi)沿其長(zhǎng)度方向上設(shè)置有TDR測(cè)量和
若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)所在的軸截面上上均設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。 進(jìn)一步，所述壓力室的內(nèi)壁上設(shè)置有橡皮膜和圍壓加載系統(tǒng)，通過(guò)在橡皮膜的外
壁和所述壓力室的內(nèi)壁之間加載圍壓液，來(lái)調(diào)整所述壓力室內(nèi)的圍壓。
進(jìn)一步，所述超聲發(fā)射端和超聲接收端均由超聲控制器來(lái)控制。 進(jìn)一步，所述壓力室上還設(shè)置有控溫系統(tǒng)，通過(guò)該控溫系統(tǒng)來(lái)控制壓力室內(nèi)的溫度。 進(jìn)一步，所述壓力室由不銹鋼材質(zhì)制成。 —種利用上述裝置進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試方法，具體為 1)將實(shí)驗(yàn)土填入壓力室中的橡皮膜空間內(nèi)，形成具有一定干密度的沉積物骨架；
2)對(duì)沉積物加載試驗(yàn)指定圍壓，記錄超聲參數(shù)、TDR參數(shù)； 3)通過(guò)注液泵恒壓注水進(jìn)行沉積物絕對(duì)滲透率的測(cè)定，并記錄其超聲參數(shù)、TDR 參數(shù)； 4)打開(kāi)天然氣閥門，開(kāi)啟控溫箱，控制系統(tǒng)適定溫度，記錄其超聲參數(shù)、TDR參數(shù)； 5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定方式合成與分解水合物沉積物，記錄水合物合成與分解過(guò)程中各
個(gè)參數(shù)的變化，待水合物沉積物末端壓力與前端壓力穩(wěn)定的平衡，停止試驗(yàn)。 本發(fā)明中的裝置及其方法能同時(shí)獲得應(yīng)力應(yīng)變、滲流、熱、波、各組分含量等多種
基本參數(shù)，能夠提供不同的圍壓，最大圍壓可達(dá)30MPa，以模擬實(shí)際地層中的壓力。可通過(guò)精
細(xì)流量計(jì)測(cè)量水合物合成和合成與分解中的氣體量。該裝置較輕，體積小，便于移動(dòng)，可以
方便地將其放入其他測(cè)量裝置如CT，色譜儀、光譜儀下進(jìn)行微觀實(shí)時(shí)觀測(cè)。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱導(dǎo)率曲線圖；
圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
如圖1至圖3所示，本發(fā)明水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，包括壓力室 l，壓力室1由不銹鋼材質(zhì)制成，其可承受30MPa的高壓，用于固定沉積物試樣19及提供圍 壓加載液的空間，并提供各種測(cè)量設(shè)備和氣體液體的進(jìn)出口等。壓力室1上設(shè)置有控溫系 統(tǒng)2、溫度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、超聲測(cè)量系統(tǒng)、TDR測(cè)量系統(tǒng)。其中控溫系統(tǒng)2提供試 驗(yàn)需求的恒溫條件；溫度測(cè)量系統(tǒng)包括溫度傳感器3，溫度傳感器3設(shè)置在壓力室內(nèi)腔內(nèi)沿 其長(zhǎng)度方向上設(shè)置的若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的軸截面上；壓力測(cè)量系統(tǒng)包括壓力傳感器4，壓力傳 感器4也設(shè)置在壓力室內(nèi)腔內(nèi)沿其長(zhǎng)度方向上設(shè)置的若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的軸截面上。壓力室1 的進(jìn)口端5上設(shè)置有入口閥門6、進(jìn)氣流量計(jì)7、注液泵8和超聲發(fā)射端9，壓力室1的出口 端IO上設(shè)置有出口閥門11、超聲接收端12、氣液分離計(jì)13和出氣流量計(jì)14，超聲測(cè)量系統(tǒng) 包括超聲發(fā)射端9、超聲接收端12和超聲控制器15，超聲發(fā)射端9和超聲接收端12均由超 聲控制器15來(lái)控制。溫度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、超聲測(cè)量系統(tǒng)、TDR測(cè)量系統(tǒng)18分別 提供水合物沉積物合成與分解過(guò)程中的點(diǎn)、線、面的飽和度等參數(shù)的變化，并反饋合成與分 解過(guò)程中水合物沉積物熱物性參數(shù)的變化及合成與分解區(qū)域等，且壓力溫度測(cè)量系統(tǒng)可以 提供沿軸向中心位置的壓力溫度場(chǎng)分布，以分析各物質(zhì)的熱物性參數(shù)及水合物的合成與分 解滲流規(guī)律；流量計(jì)用于控制進(jìn)氣進(jìn)液量，并記錄出瞬時(shí)氣量和累積出氣總量，結(jié)合氣液分 離計(jì)記錄的水的量，共同進(jìn)行沉積物中滲透率以及滲流特性的變化分析等。
壓力室1的內(nèi)壁上設(shè)置有橡皮膜16和圍壓加載系統(tǒng)，壓力室1的側(cè)壁上設(shè)置有圍 壓液加載口 17，通過(guò)在橡皮膜16的外壁和壓力室1的內(nèi)壁之間加載圍壓液，來(lái)調(diào)整壓力室 1內(nèi)的圍壓。 4)打開(kāi)天然氣閥門，開(kāi)啟控溫箱，控制系統(tǒng)適定溫度，記錄其超聲參數(shù)、TDR參數(shù)；
5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定方式合成與分解水合物沉積物，記錄水合物沉積物合成與分解過(guò) 程中各個(gè)參數(shù)的變化，待水合物沉積物末端壓力與前端壓力穩(wěn)定的平衡，停止試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程 通過(guò)溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)，由含相變的熱傳導(dǎo)方程(見(jiàn)下式)確定水合物沉積物中相 變合成與分解的熱傳導(dǎo)過(guò)程以及熱物性參數(shù)；
通過(guò)TDR參數(shù)分析，確定水合物合成與分解過(guò)程中的各相飽和度變化，結(jié)合溫度 t確定合成與分解區(qū)域。
通過(guò)超聲參數(shù)分析，由下式反演確定地層的力學(xué)參數(shù)如模量和強(qiáng)度。
其中k， ii ， P分別為體積模量，剪切模量和混合物密度，小為孔隙率，Pma為骨架 pi為孔隙流體密度。
將TDR分析結(jié)果與超聲參數(shù)分析結(jié)果結(jié)合，得到水合物沉積物力學(xué)參數(shù)與水合物
沉積物中水合物飽和度的關(guān)系。 通過(guò)滲流排出的氣體和液體的量分析得到沉積物內(nèi)各相的滲透率。
& = Q乂T/A 其中&是各相，Qi是各相的總排出量，T為時(shí)間，A為截面積。 通過(guò)水量、氣量的總體變化、孔隙壓力的分布，由下式分析得出水合物合成與分解
過(guò)程中沉積物中應(yīng)力場(chǎng)變化。
o e = o _p 其中，。e為沉積物應(yīng)力、。為初始沉積物應(yīng)力，p為孔壓增量。 本發(fā)明的優(yōu)越性在于能同時(shí)獲得應(yīng)力應(yīng)變、滲流、熱、波、各組分含量等多種基本 參數(shù)，能夠提供不同的圍壓，最大圍壓可達(dá)30MPa，以模擬實(shí)際水合物沉積物地層中的壓力。 可通過(guò)精細(xì)流量計(jì)測(cè)量水合物沉積物合成與分解中的氣體量。并且本發(fā)明裝置重量輕，體 積小，便于移動(dòng)，可以方便地將其放入其他測(cè)量裝置如CT，色譜儀、光譜儀下進(jìn)行微觀實(shí)時(shí)
權(quán)利要求
水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，其特征在于，該裝置包括壓力室，壓力室的進(jìn)口端上設(shè)置有進(jìn)氣流量計(jì)、注液泵和超聲發(fā)射端，壓力室的出口端上設(shè)置有超聲接收端、氣液分離計(jì)和出氣流量計(jì)，壓力室的內(nèi)腔內(nèi)沿其長(zhǎng)度方向上設(shè)置有TDR測(cè)量和若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)所在的軸截面上上均設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。
2. 如權(quán)利要求1所述的水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，其特征在于，所述 壓力室的內(nèi)壁上設(shè)置有橡皮膜和圍壓加載系統(tǒng)，通過(guò)在橡皮膜的外壁和所述壓力室的內(nèi)壁 之間加載圍壓液，來(lái)調(diào)整所述壓力室內(nèi)的圍壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，其特征在于，所述 超聲發(fā)射端和超聲接收端均由超聲控制器來(lái)控制。
4. 如權(quán)利要求1所述的水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，其特征在于，所述 壓力室上還設(shè)置有控溫系統(tǒng)，通過(guò)該控溫系統(tǒng)來(lái)控制壓力室內(nèi)的溫度。
5. 如權(quán)利要求1所述的水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，其特征在于，所述 壓力室由不銹鋼材質(zhì)制成。
6. —種利用上述裝置進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試方法，具體為1) 將實(shí)驗(yàn)土填入壓力室中的橡皮膜空間內(nèi)，形成具有一定干密度的沉積物骨架；2) 對(duì)沉積物加載試驗(yàn)指定圍壓，記錄超聲參數(shù)、TDR參數(shù)；3) 通過(guò)注液泵恒壓注水進(jìn)行沉積物絕對(duì)滲透率的測(cè)定，并記錄其超聲參數(shù)、TDR參數(shù)；4) 打開(kāi)天然氣閥門，開(kāi)啟控溫箱，控制系統(tǒng)適定溫度，記錄其超聲參數(shù)、TDR參數(shù)；5) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定方式合成與分解水合物沉積物，記錄水合物沉積物合成與分解過(guò)程中 各個(gè)參數(shù)的變化，待水合物沉積物末端壓力與前端壓力穩(wěn)定的平衡，停止試驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明水合物沉積物合成與分解參數(shù)測(cè)試的裝置，包括壓力室，壓力室的進(jìn)口端上設(shè)置有進(jìn)氣流量計(jì)、注液泵和超聲發(fā)射端，壓力室的出口端上設(shè)置有超聲接收端、氣液分離計(jì)和出氣流量計(jì)，壓力室的內(nèi)腔內(nèi)沿其長(zhǎng)度方向上設(shè)置有TDR測(cè)量和若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)所在的軸截面上均設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。本發(fā)明中的裝置及其方法能同時(shí)獲得應(yīng)力應(yīng)變、滲流、熱、波、各組分含量等多種基本參數(shù)，能夠提供不同的圍壓，最大圍壓可達(dá)30MPa，以模擬實(shí)際水合物沉積物地層中的壓力?？赏ㄟ^(guò)精細(xì)流量計(jì)測(cè)量水合物沉積物合成與分解中的氣體量。該裝置較輕，體積小，便于移動(dòng)，可以方便地將其放入其他測(cè)量裝置如CT，色譜儀、光譜儀下進(jìn)行微觀實(shí)時(shí)觀測(cè)。
文檔編號(hào)G01N3/12GK101699258SQ200910236249
公開(kāi)日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者姚海元, 張旭輝, 李清平, 王淑云, 王愛(ài)蘭, 趙京, 魯曉兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所