CN101696949B - 柱形水合物沉积物中含相变热传导测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量装置，包括柱形模型箱、具有一定间隔的透气孔的上隔热圆板、恒温热源、高精度温度传感器、流量计和下隔热圆板。并提供了一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验方法，以及该模拟试验的实验结果分析方法。

Description

柱形水合物沉积物中含相变热传导测量装置

技术领域

本发明涉及到水合物分解领域，尤其是水合物沉积物热源周围含相变热传导测量装置。

背景技术

天然气水合物是在适当高的压力和适当低的温度条件下，由水和天然气组成的类冰的笼形结晶化合物。天然气水合物广泛分布在大陆、海洋和一些内陆湖的深水环境，是一种重要的潜在资源。

随着世界油气可开采量的减少和消耗量的增加，深海水合物开采的迫切性日益显著。美国、日本、加拿大等国开展了大量的相平衡条件、勘探方法等方面的工作，并进行了试采。

油气开采、水合物开采或自然条件变化会导致水合物沉积层中水合物分解。水合物分解一方面使沉积层中的岩土介质失去胶接，另一方面会改变沉积层的结构，生成气又会增大孔隙压力，从而使该沉积层的强度降低。水合物沉积层强度的降低可引起多种严重的灾害，如由于水合物分解导致的井口周围土体大变形引起的海上或海床中结构物的破坏，如平台倾覆、油气井毁坏等。这种灾害对海床中结构物将产生严重危害，但是对其控制参数和演化过程等方面的研究还非常缺乏。据文献记载，挪威大陆架边缘由于水合物分解发生的海底滑坡(Storegga滑坡)共滑走2500～3200立方公里沉积物，是目前为止发现的最大的海底滑坡。大量的地质调查和分析表明产生该滑坡的原因是当时水温增加，水合物发生了分解。水合物迅速分解将导致大面积滑坡等多种破坏形式，并可能引起海啸。

目前世界上对于该问题的研究成果很少，现场数据更少，因此必须首先通过实验获得水合物沉积物的基本参数、分解过程中渗流和热扩散的规律，以及水合物分解后地层的强度等。

并且通过实验获得水合物引起的地层破坏的条件、主要特征和现象，为工程设计提供依据。

发明内容

一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量装置，包括柱形模型箱、具有一定间隔的透气孔的上隔热圆板、恒温热源、高精度温度传感器、流量计和下隔热圆板。

进一步，模型箱的材料根据不同条件可选为不锈钢或有机玻璃等、模型箱为圆柱形，便于进行水合物含相变热传导过程问题分析。

一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量实验方法，具体步骤如下：

1)在圆柱形模型箱中填入实验土，分层砸实使其具备一定的干密度，干密度按照研究的实际海域情况确定，形成不含水合物的沉积层7，并在实验设定位置摆放布置热源8，热源垂直放在地层正中央且穿过整个地层，以使整个模型和过程对称、温度传感器9；并加盖隔热圆板3；

2)若形成四氢呋喃水合物沉积物，预先将四氢呋喃与水配比成溶液并通过进液口渗入到沉积层中，然后将系统放入恒温箱内，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

3)若形成天然气水合物，封闭透气孔并且将甲烷气源接通，在上部隔热板上施加垂直力与气源压力平衡；在恒温箱提供的温度和甲烷气具备的压力条件下经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

4)水合物沉积物形成后，关闭气源，保持模型箱处于零度以下条件，此条件下气孔处降压引起的水合物分解较慢，减小试验误差。打开封闭气孔进行排气，开启所有测量设备，并设定一定的恒温条件进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化以及相变阵面的位置；

5)试验进行到分解界面：水合物分解与未分解的界面，可以明显观察到不再发展时，停止实验。

进一步，步骤4)中所述的恒温条件为根据实际情况和实验分析的要求输入等温或等功率的热量。

一种水合物沉积物含相变热传导的自相似分析方法：

沉积物中水合物含相变的热传导的温度场可以写成：

T＝f(x，t；T_h；T₀；T_e；ρ₁；C₁；K₁；ρ₂；C₂；K₂；ΔH；ε₀)       (1)

从而(1)式可以简化为：

其中，

为四个控制参数；

针对实验数据，首先得到三个界面的位置随时间的变化曲线，三个界面分别为：分解与未分解界面、水合物气化与水液化界面、水汽化与液化界面；

然后根据下面三个公式反演得到和区域的热传导系数K₁～K₄和潜热ΔH：

$K_2\frac{T_{e2}-T_{e1}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\λ}}_1^2)-K_1\frac{T_{e1}-T_h}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_1^2)$

$={\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\ΔH}}_{w\→g}{\mathrm{\ϵ}}_w{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\β}}_1\sqrt{\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

$K_3\frac{T_{e3}-T_{e2}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}{\mathrm{\λ}}_2^2)-K_2\frac{T_{e2}-T_{e1}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_2^2)---\left(3\right)$

$={\mathrm{\ρ}}_f{\mathrm{\ΔH}}_{f\→g}{\mathrm{\ϵ}}_f{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\β}}_2\sqrt{\mathrm{\π}}$

$K_4=\frac{T_0-T_{e3}}{1-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}{\mathrm{\λ}}_3^2)-K_3\frac{T_{e3}-T_{e2}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_3^2)---\left(4\right)$

$={\mathrm{\ρ}}_h{\mathrm{\ΔH}}_{h\→f}{\mathrm{\ϵ}}_h{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\β}}_3\sqrt{\mathrm{\π}}$

其中λ₁，λ₂，λ₃为分解与未分解界面、水合物气化与水液化界面、水汽化与液化界面的位置。

该装置的优越性：装置对称，实验时热传导过程也完全对称，这样非常便于实验数据分析，并与理论分析对照。因为对称，实验中可以将传感器沿圆周分散布置，对减小传感器对试验结果的干扰非常有利，可以采用较一维模型中传感器多得多的传感器进行测量，获得更多的数据。这样就可以实现表层、中层和下层温度的测量而获得温度场，准确地分析出地层中热传导过程中的几个相变界面。实验可以模拟3000米水下的地层中的热传导过程，满足工程的需要。地层温度分布测量采用自行研制的专用热电偶测量误差小于1％；同时能通过光纤照相系统实时记录地层从稳定到喷发的过程。

附图说明

图1为水合物热分解时，沉积层内形成三个界面示意图；

图2为实验装置示意图；

图3为实验测量的三个相变界面随时间的变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，沉积物中水合物热分解是一个含相变的热传导过程，这套柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量装置，主要用于通过模型试验找到热传导和相变发展的演化规律，这个水合物相关分析的基本问题。水合物热分解时，沉积层内形成三个界面，显示在圆形区域内如图：水汽化区与水液化区界面R₁、水液化区与水合物分解区界面R₂、水合物分解区与水合物未分解区界面R₃。

根据沉积物中水合物热分解的热传导过程的特征，本发明公开了一种用于测定该传导过程中热传导和相变发展的演化规律的实验装置和分析方法，具体如下：

如图2所示，实验装置由柱形模型箱1、上隔热圆板2、隔热圆板2上设置有一定间隔的透气孔3，满足充分透气并使盖板有足够的强度，透气孔3在水合物合成时封闭，加热实验时打开，这样能保证水合物合成过程中提供足够的压力又防止甲烷气体泄漏、恒温热源8、高精度温度传感器9、流量计12、下隔热板6等组成。模型箱1的材料根据不同条件可选为不锈钢或有机玻璃等、模型箱为圆柱形，便于进行水合物含相变热传导过程问题分析；高精度温度传感器9主要用于测定温度场的分布，以及布置位置处的相变时刻、温度梯度，并用于分析三个相变区域随时间的发展；隔热圆板用于上下两端的绝热，使得热量损失尽量少，以满足实际情况；透气孔主要用于试验过程中的排气，使得整个分解过程沉积层内不会积累过大压力引起突发破坏问题，并通过一定间隔分布的透气孔可以观测上端相变面的位置，提供又一个测量三个相变区域的窗口，同时上隔热圆板2又可以作为施加实验需要的压力4的作用位置；流量计12连同进气口11，进液口10控制进入沉积层孔隙内的气、水量，以形成一定饱和度的水合物沉积物；数据处理系统5用于采集数据及其图形等处理。

实验步骤：

1.如图2所示，在圆柱形模型箱中填入实验土，分层砸实使其具备一定的干密度，干密度按照研究的实际海域情况确定，形成不含水合物的沉积层7，并在实验设定位置摆放布置热源8，热源垂直放在地层正中央且穿过整个地层，以使整个模型和过程对称、温度传感器9；并加盖隔热圆板3；

2.若形成四氢呋喃水合物沉积物，预先将四氢呋喃与水配比成溶液并通过进液口渗入到沉积层中，然后将系统放入恒温箱内，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

3.若形成天然气水合物，封闭透气孔并且将甲烷气源接通，在上部隔热板上施加垂直力与气源压力平衡；在恒温箱提供的温度和甲烷气具备的压力条件下经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

4.水合物沉积物形成后，关闭气源，保持模型箱处于零度以下条件，此条件下气孔处降压引起的水合物分解较慢，减小试验误差。打开封闭气孔进行排气，开启所有测量设备，并设定一定的恒温条件，该恒温条件根据实际情况和实验分析的要求输入等温或等功率的热量；进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化以及相变阵面的位置。

5.试验进行到分解界面：水合物分解与未分解的界面，可以明显观察到不再发展时，停止实验。

水合物沉积物含相变热传导的自相似分析方法：

沉积物中水合物含相变的热传导的温度场可以写成：

T＝f(x，t；T_h；T₀；T_e；ρ₁；C₁；K₁；ρ₂；C₂；K₂；ΔH；ε₀)(1)

由于热传导是由热量高温向低温传递的过程，其取决于温差与传热系数一定质量的物质的相变潜热的吸收由相变区域处的温度梯度以及传热能力即热传导系数决定，将温度写成温差形式：θ＝T-T₀，θ_h＝T_h-T₀，θ_e＝T_e-T₀，两个区域的热传导系数与比热、密度分别一起写成形式：

潜热、密度与热传导系数写成

从而(1)可以简化为：

其中，

为四个控制参数。

如图3所示，针对实验数据，首先得到三个界面的位置随时间的变化曲线，三个界面分别为：分解与未分解界面、水合物气化与水液化界面、水汽化与液化界面。

然后根据下面三个公式反演得到和区域的热传导系数K₁～K₄和潜热ΔH：

$K_2\frac{T_{e2}-T_{e1}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\λ}}_1^2)-K_1\frac{T_{e1}-T_h}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_1^2)$

$={\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\ΔH}}_{w\→g}{\mathrm{\ϵ}}_w{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\β}}_1\sqrt{\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

$K_3\frac{T_{e3}-T_{e2}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}{\mathrm{\λ}}_2^2)-K_2\frac{T_{e2}-T_{e1}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_1\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_2^2)---\left(3\right)$

$={\mathrm{\ρ}}_f{\mathrm{\ΔH}}_{f\→g}{\mathrm{\ϵ}}_f{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\β}}_2\sqrt{\mathrm{\π}}$

$K_4=\frac{T_0-T_{e3}}{1-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}}\right)}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}}\exp (-\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_4}{\mathrm{\λ}}_3^2)-K_3\frac{T_{e3}-T_{e2}}{\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)-\mathrm{erf}\left({\mathrm{\λ}}_2\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}\exp (-{\mathrm{\λ}}_3^2)---\left(4\right)$

$={\mathrm{\ρ}}_h{\mathrm{\ΔH}}_{h\→f}{\mathrm{\ϵ}}_h{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\β}}_3\sqrt{\mathrm{\π}}$

其中λ₁，λ₂，λ₃为三个界面(分解与未分解界面、水合物气化与水液化界面、水汽化与液化界面)的位置。

Claims (4)

1.一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量装置，其特征为，所述测量装置包括柱状模型箱、上隔热圆板、恒温热源、高精度温度传感器、流量计、下隔热板；所述上隔热圆板上设置有一定间隔的透气孔，满足充分透气并使该板有足够的强度，所述透气孔在水合物合成时封闭，加热实验时打开，这样能保证水合物合成过程中提供足够的压力又防止甲烷气体泄漏；所述高精度温度传感器主要用于测定温度场的分布，以及布置位置处的相变时刻、温度梯度，并用于分析三个相变区域随时间的发展；所述隔热圆板用于上下两端的绝热，使得热量损失尽量少，以满足实际情况；所述透气孔主要用于试验过程中的排气，使得整个分解过程沉积层内不会积累过大压力引起突发破坏问题，并通过一定间隔分布的透气孔可以观测上端相变面的位置，提供又一个测量三个相变区域的窗口，实验需要的压力施加在上隔热圆板上；所述流量计连同设置在模型箱上的进气口，进液口控制进入沉积层孔隙内的气、水量，以形成一定饱和度的水合物沉积物；数据处理系统用于采集数据及其图形处理。

2.根据权利要求1中所述测量装置，其特征为：模型箱的材料为不锈钢或有机玻璃、模型箱为圆柱形，便于进行水合物含相变热传导过程问题分析。

3.一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量实验方法，具体步骤如下：

1)在圆柱形模型箱中填入实验土，分层砸实使其具备一定的干密度，干密度按照研究的实际海域情况确定，形成不含水合物的沉积层，并在实验设定位置摆放布置热源和温度传感器；，热源垂直放在地层正中央且穿过整个地层，以使整个模型和过程对称，并加盖隔热圆板；

2)若形成四氢呋喃水合物沉积物，预先将四氢呋喃与水配比成溶液并通过进液口渗入到沉积层中，然后将系统放入恒温箱内，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

3)若形成天然气水合物，封闭透气孔并且将甲烷气源接通，在上部隔热板上施加垂直力与气源压力平衡，在恒温箱提供的温度和甲烷气具备的压力条件下经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；

4)水合物沉积物形成后，关闭气源，保持模型箱处于零度以下条件，此条件下气孔处降压引起的水合物分解较慢，减小试验误差，打开封闭气孔进行排气，开启所有测量设备，并设定一定的恒温条件进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化以及相变阵面的位置；

5)试验进行到分解界面：水合物分解与未分解的界面，可以明显观察到不再发展时，停止实验。

4.根据权利要求3中所述柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量实验方法，其特征为：步骤4)中所述的恒温条件为根据实际情况和实验分析的要求输入等温或等功率的热量。

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