CN101349626A - 一种天然气水合物剪切强度的测定方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测定天然气水合物剪切强度的方法与装置。天然气水合物的剪切强度是在自行研制的天然气水合物剪切仪中测定的，该剪切仪在剪切室外添加压力仓，压力仓内为循环水浴，压力仓外覆盖保温层，保证整个实验在低温高压的环境中进行。剪切室分上下两室，中间用环形活塞密封。上剪切室顶部设计有活塞，可以对填砂模型进行压实。剪切室上下两端设计有进气、进水口，并穿过压力仓与外部管线相连接。剪切室下室固定在压力仓底部，上剪切室与压力仓顶部利用燕尾槽连接。上剪切室设计有活塞推杆，可利用液压活塞对上剪切室进行推移。在剪切室生成水合物岩心后，将密封剪切室上下两室的环形活塞向下推移，使上下两室分离。而后利用活塞推杆推挤上剪切室，使上剪切室沿燕尾槽平移，使岩心发生剪切错断。通过记录活塞推杆的推力计算岩心的剪切力，从而得到水合物岩心的剪切强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物剪切强度的测定方法与装置。
背景技术
随着油气资源的巨大消耗，人类在21世纪后期将面临油气资源的巨大危机。特别是中国作为能源消耗大国，年原油进口已经超过一亿吨。国内陆上油气田的产量勉强保持稳定，专家估计短期内很难再有重大突破。而天然气水合物作为一种替代能源，正在被世界各国的科学家所青睐。
天然气水合物是由天然气和水分子组成的类冰状的固态结晶体，天然气主要由甲烷组成，故也称为甲烷水合物。因含大量的甲烷气体而具有极强的燃烧力，可以直接燃烧，所以又俗称为“可燃冰”。天然气水合物的能量密度很高，据理论计算1m3的饱和天然气水合物在标准条件下可释放出164m3的甲烷气体，是其它非常规气源岩(诸如煤层气、黑色页岩)能量密度的10倍，为常规天然气能量密度的2～5倍，相当于0.164吨石油的能量。另外，天然气水合物燃烧只产生二氧化碳和水，不会污染环境，是一种难得的绿色洁净能源。
最重要的是，天然气水合物的储量非常丰富。根据天然气水合物存在的稳定条件分析，陆地上20.7％和大洋底90％的地区具有形成天然气水合物的有利条件，据此估计全球天然气水合物中的甲烷碳含量达1016kg或含有20×1015m3的甲烷气，相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等常规化石燃料总碳储量的两倍。
可是，天然气水合物作为新型优质能源的同时也是一种危险能源，它的存在和分解会导致海底滑坡、温室效应等自然灾害的发生。另外，在深海钻井和天然气水合物开发过程当中，水合物的分解会导致井眼的坍塌破坏和储层的失稳变形，对钻井作业和开发生产带来很多麻烦。通常情况下，天然气水合物赋存于松散的沉积层中，多为泥质胶结的粉砂岩、粉细砂岩，埋藏深度浅，成岩性差，胶结程度低，结构十分疏松，相比于一般沉积层，水合物沉积层的岩石强度相对较弱。同时，天然气水合物的开采是一个敏感系统，储层温度、压力、体积的微小变化都会导致水合物的分解或形成，这一相态的变化会改变沉积层的强度性质，引起储层和井眼的破坏。可见如何保证水合物的储层稳定，防止海底滑坡和井壁坍塌是开发过程中面临的一个重要问题，这需要对天然气水合物的力学性质进行深入研究。
由岩石力学知识可知岩石最主要的破坏形式是剪切破坏，剪切强度是岩石最重要的力学参数之一。由于天然气水合物的填充和胶结作用，水合物储层岩石的剪切强度发生变化，直接对储层和井壁的稳定产生影响，研究天然气水合物的剪切物性，认识储层岩石的破坏规律，对合理安全开采天然气水合物具有重要的指导价值。但是由于天然气水合物形成所处的高压低温条件，水合物储层岩心无法在传统的三轴仪上进行强度实验，本发明是在不改变天然气水合物原状性质的条件下进行储层强度剪切实验，测量水合物分解前后储层剪切强度的变化规律，为天然气水合物开发过程中储层稳定提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是在不改变天然气水合物原状性质的条件下进行储层强度剪切实验，测量水合物储层的剪切强度，为天然气水合物开发过程中储层稳定提供技术支持。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
天然气水合物的剪切强度是在自行研制的天然气水合物剪切仪中测定的。本剪切仪在剪切室外添加压力仓，压力仓内为循环水浴，压力仓外覆盖保温层，保证整个实验在低温高压的环境中进行。剪切室分上下两室，中间用环形活塞密封。上剪切室顶部设计有活塞，可以对填砂模型进行压实。剪切室上下两端设计有进气、进水口，并穿过压力仓与外部管线相连接。剪切室下室固定在压力仓底部，上剪切室与压力仓顶部利用燕尾槽连接。上剪切室设计有活塞推杆，可利用液压活塞对上剪切室进行推移。在剪切室生成水合物岩心后，将密封剪切室上下两室的环形活塞向下推移，使上下两室分离。而后利用活塞推杆推挤上剪切室，使上剪切室沿燕尾槽平移，使岩心发生剪切错断。通过记录活塞推杆的推力计算岩心的剪切力，从而得到水合物岩心的剪切强度。
附图说明
图1是本发明实施例的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明所采用的装置包括以下部分：
1、上剪切室 2、环形活塞 3、下剪切室 4、刚性杆 5、高压管线
6、活塞缸 7、压力仓 8、阀门 9、剪切室入口 10、高压泵
11、活塞容器 12、甲烷气瓶 13、高压空气容器 14、回压阀
15、横向活塞 16、压实活塞 17、进气管线 18、高压管线
如附图1所示，首先在上剪切室1和下剪切室3中填装石英砂，模拟水合物储层。而后在上下剪切室中部套上环形活塞2，在上剪切室安装压实活塞16。安装完毕后将剪切装置放置于压力仓7中，并固定。而后通过高压泵10和甲烷气瓶12通过剪切室入口9将高压甲烷气和水注入剪切室中。设定好温度和压力，使剪切室中生成水合物。
水合物生成后，利用高压泵10通过活塞容器11推挤活塞6下移，同时带动环形活塞2下移，使上下剪切室分离。压力仓与剪切室压力一致，且高于试验温度下水合物分解压力。然后通过高压泵10推挤横向活塞15，使活塞杆推挤上剪切室。记录剪切室发生错断时高压泵的压力P，可根据横向活塞的面积得到活塞的横向推力F。横向推力F与剪切室横截面面积A的比值为水合物储层岩心的剪切强度。
Claims (5)
1、一种测定天然气水合物剪切强度的方法与装置，其技术特征表现在：利用压力仓将水合物生成与对水合物储层岩心的剪切结合起来，通过液压活塞对岩心进行直接剪切。根据液压活塞的压力计算水合物岩心的剪切强度。
2、如权利要求1所述的测定天然气水合物剪切强度的方法和装置，其特征在于：在剪切室外添加压力仓，压力仓内为循环水浴，压力仓外覆盖保温层，保证整个过程在低温高压的环境中进行。
3、如权利要求1所述的测定天然气水合物剪切强度的方法和装置，其特征在于：剪切室与反应釜合二为一，使水合物岩心的生成和剪切在一处完成。
4、如权利要求1所述的测定天然气水合物剪切强度的方法和装置，其特征在于：剪切室分上下两室，中间用环形活塞密封，水合物岩心生成以后，推下环形活塞，横向推移上剪切室进行剪切。
5、如权利要求1所述的测定天然气水合物剪切强度的方法和装置，其特征在于：利用液压活塞对水合物岩心进行剪切，通过压力计算其剪切强度。
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2008
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