CN109187215A - 一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室与其使用方法，压力室由底座、套筒和与活塞杆组成。套筒由内到外依次为承压腔体、带肋缘的制冷剂循环腔和保温层，其上设有制冷剂循环管路；底座上设有孔压、围压、气压施加管路，下底面设有绝缘保温层。使用时依次在底座上安装上、下主垫块、上、下连接块，铜丝网、乳胶膜、乳胶套和空心圆柱试样，然后依次对空心试样施加孔隙水压力、内外围压、孔隙气压，直至在试样内部形成水合物。该压力室可为气体水平运移条件下海域水合物原位生成与三轴实验提供平台支撑。

Description

一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种三轴实验压力室及其使用方法，尤其是一种适用于气体在水平运移条件下的海域水合物原位生成与三轴实验压力室与其使用方法。
背景技术
天然气水合物又称可燃冰，是由水和天然气在高压低温环境中形成的冰态结晶状笼形化合物。天然气水合物是巨大的高效清洁能源，其储量约为2×1016m3，其碳含量约为地球化石能源(石油、天然气和煤)总碳量的2倍。天然气水合物主要赋存于深海大陆坡、陆隆和盆地沉积物中。
现有开采方法多基于破坏储层相平衡条件：降低压力和升高温度，如降压法、热激法，或改变储层相平衡条件，如化学试剂法，或维持储层温度压力平衡条件，如流态化开采方法。无论哪种方法，如果开采过程控制不当均易导致天然气快速释放从而加剧温室效应，同时诱发地层失稳、海底滑坡、重力流和海啸等地质灾害，严重影响深海钻井和工程稳定。
基于室内三轴实验的含水合物沉积物参数与演化是储层力学稳定评价的关键。国内外现有水合物原位生成条件多为气体流向平行大主应力方向，而海底气源垂直通过断层和泥底辟进入水合物稳定带后，还会有水平方向的运移扩散。水平方向气体渗透环境中水合物形成和开采扰动作用下含水合物沉积物失稳机制研究目前尚属空白。
现有水合物原位生成与三轴实验装置主要针对实心试样，竖直方向通气，水合物合成时间长，且合成的水合物在试样高度方向分布不均匀。申请号为201410112371.9公开的“一种空心冻土试验装置及其使用方法”，采用空心圆柱试样可以实现水平方向温度梯度，但是不能实现水平气体渗透，且该装置主要针对的是冻土，难以适用于水合物的原位生成与三轴实验。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有水合物原位生成方法中存在的不足，提供一种在水平气体运移条件下，海域水合物原位生成与三轴实验压力室与其使用方法。
技术方案：本发明的海域水合物原位生成与三轴实验压力室，包括底座、套筒和活塞杆，所述的套筒包括由内到外的承压腔体、制冷剂循环腔和保温层；所述的底座和套筒间通过螺栓和密封圈密封，套筒内设有固定空心圆柱试样的上、下固定块，所述活塞杆顶在空心圆柱试样的上固定块上，位于套筒与空心圆柱试样所形成的外腔内，所述活塞杆穿过套筒并与套筒滑配密封，所述空心圆柱试样的内腔中设有铜丝网和乳胶膜，空心圆柱试样的外圆柱上设有带凸嘴的乳胶套，所述的保温层上设有与制冷剂循环腔相通的制冷剂循环管路，所述的承压腔体的外壁上设有位于制冷剂循环腔内的等间距的肋缘；所述的底座上依次设有围压施加管路，与空心圆柱试样相连通的孔隙水压施加管路和孔隙气压施加管路。
所述的上固定块包括上连接块、与上连接块阶梯扣合的上主垫块，上连接块与上主垫块之间通过密封圈和螺栓连接；所述的下固定块包括下主垫块、与下主垫块阶梯配合的下连接块，下主垫块与下连接块之间通过密封圈和螺栓连接。
所述的底座下底面设有绝缘保温层。
所述的底座上设有位于套筒和空心圆柱试样内与信号导线相连的温度传感器。
一种上述海域水合物原位生成与三轴实验压力室的使用方法，包括以下步骤：
a、在底座上依次安装下主垫块和下连接块、空心圆柱试样、上连接块、上主垫块、活塞杆和套筒；
b、通过孔隙水压施加管路进入压力水，对空心圆柱试样施加反压至饱和度98％以上，然后关闭水压施加管路；
c、通过围压施加管路进入压力水，对空心圆柱试样的内腔和外腔施加压力至设定值，保持内腔和外腔的压力相同；
d、通过制冷剂循环管路注入制冷剂，使制冷剂循环腔内制冷剂循环，直至温度传感器监测制冷温度达到设定值；
e、通过孔隙气压施加管路沿水平方向上给空心圆柱试样施加孔隙气压，孔隙气压为围压的50％～70％；待空心圆柱试样中水合物生成后，即气体流量降为零，关闭孔隙气压施加管路；
f、维持内腔和外腔压力，通过活塞杆施加轴压，直至空心圆柱试样破坏。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够实现水平方向气体渗透环境中海域水合物原位生成与三轴实验。将水压管路通过转换接头便可模拟气体竖直运移条件下海域水合物原位生成，将内腔和外腔压力、温度单独控制便可模拟水合物分解过程。其结构简单，操作方便，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。与现有技术相比具有如下优点：
(1)空心圆柱试样壁厚远小于试样高度，使得气体运移路径较传统的竖直通气模式缩短，沉积物中水合物生产均匀度显著提高；
(2)制冷剂循环腔与承压腔接触面上设有等间距肋缘，增大了制冷剂与承压腔的热交换面积，提高了压力室内温度均匀度和控温效率。
附图说明
图1为本发明的海域水合物原位生成与三轴实验压力室示意图。
图中：1-底座；2-套筒；3-外腔；4-活塞杆；5-内腔；6-承压腔体；7-制冷剂循环腔；8-保温层；9-乳胶膜；10-空心圆柱试样；11-铜丝网；12-乳胶套；13-凸嘴；14-制冷剂循环管路；15-孔隙水压施加管路；16-围压施加管路；17-孔隙气压施加管路；18-温度传感器信号线；19-绝缘保温层；20-温度传感器；21-肋缘；22-螺栓；23-密封圈；24-下主垫块；25-下连接块；26-上连接块、27-上主垫块。
具体实施方式：
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的海域水合物原位生成与三轴实验压力室，主要由底座1、套筒2和活塞杆4，所述的套筒2包括由内到外的承压腔体6、制冷剂循环腔7和保温层8构成；所述的底座1和套筒2间通过螺栓22和密封圈23密封，所述的底座1下底面设有绝缘保温层19，所述的底座1上设有位于套筒2和空心圆柱试样10内与信号导线18相连的温度传感器20。套筒2内设有固定空心圆柱试样10的上、下固定块，所述的上固定块包括上连接块26、与上连接块26阶梯扣合的上主垫块27，上连接块26与上主垫块27之间通过密封圈23和螺栓22连接；所述的下固定块包括下主垫块24、与下主垫块24阶梯配合的下连接块25，下主垫块24与下连接块25之间通过密封圈23和螺栓22连接。所述活塞杆4顶在空心圆柱试样的上固定块上，位于套筒2与空心圆柱试样所形成的外腔3内，所述活塞杆4穿过套筒2并与套筒2滑配密封，所述空心圆柱试样10的内腔5中设有铜丝网11和乳胶膜9，空心圆柱试样10的外圆柱上设有带凸嘴13的乳胶套12，所述的保温层8上设有与制冷剂循环腔7相通的制冷剂循环管路14，所述的承压腔体6的外壁上设有位于制冷剂循环腔7内的等间距的肋缘21；所述的底座1上依次设有围压施加管路16，与空心圆柱试样相连通的孔隙水压施加管路15和孔隙气压施加管路17。
本发明的海域水合物原位生成与三轴实验压力室的使用方法，包括以下步骤：
a、在底座1上依次安装下主垫块24和下连接块25、空心圆柱试样10、上连接块26、上主垫块27、活塞杆4和套筒2；
b、通过孔隙水压施加管路15进入压力水，对空心圆柱试样10施加反压至饱和度98％以上，然后关闭水压施加管路15；
c、通过围压施加管路16进入压力水，对空心圆柱试样10的内腔5和外腔3施加压力至设定值，保持内腔5和外腔3的压力相同；
d、通过制冷剂循环管路14注入制冷剂，使制冷剂循环腔7内制冷剂循环，直至温度传感器20监测制冷温度达到设定值；
e、通过孔隙气压施加管路17沿水平方向上给空心圆柱试样10施加孔隙气压，孔隙气压为围压的50％～70％；待空心圆柱试样10中水合物生成后，即气体流量降为零，关闭孔隙气压施加管路17；
f、维持内腔5和外腔3压力，通过活塞杆4施加轴压，直至空心圆柱试样10破坏。

Claims (5)

1.一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室，其特征在于：它包括底座（1）、套筒（2）和活塞杆（4），所述的套筒（2）包括由内到外的承压腔体（6）、制冷剂循环腔（7）和保温层（8）；所述的底座（1）和套筒（2）间通过螺栓（22）和密封圈（23）密封，套筒（2）内设有固定空心圆柱试样（10）的上、下固定块，所述活塞杆（4）顶在空心圆柱试样的上固定块上，位于套筒（2）与空心圆柱试样所形成的外腔（3）内，所述活塞杆（4）穿过套筒（2）并与套筒（2）滑配密封，所述空心圆柱试样（10）的内腔（5）中设有铜丝网（11）和乳胶膜（9），空心圆柱试样（10）的外圆柱上设有带凸嘴（13）的乳胶套（12），所述的保温层（8）上设有与制冷剂循环腔（7）相通的制冷剂循环管路（14），所述的承压腔体（6）的外壁上设有位于制冷剂循环腔（7）内的等间距的肋缘（21）；所述的底座（1）上依次设有围压施加管路（16），以及与空心圆柱试样相连通的孔隙水压施加管路（15）和孔隙气压施加管路（17）。
2.根据权利要求1所述的一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室，其特征在于：所述的上固定块包括上连接块（26）、与上连接块（26）阶梯扣合的上主垫块（27），上连接块（26）与上主垫块（27）之间通过密封圈（23）和螺栓（22）连接；所述的下固定块包括下主垫块（24）、与下主垫块（24）阶梯配合的下连接块（25），下主垫块（24）与下连接块（25）之间通过密封圈（23）和螺栓（22）连接。
3.根据权利要求1所述的一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室，其特征在于：所述的底座（1）下底面设有绝缘保温层（19）。
4.根据权利要求1所述的一种海域水合物原位生成与三轴实验压力室，其特征在于：所述的底座（1）上设有位于套筒（2）和空心圆柱试样（10）内与信号导线（18）相连的温度传感器（20）。
5.一种如权利要求1或2所述海域水合物原位生成与三轴实验压力室的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在底座（1）上依次安装下主垫块（24）和下连接块（25）、空心圆柱试样（10）、上连接块（26）、上主垫块（27）、活塞杆（4）和套筒（2）；
b、通过孔隙水压施加管路（15）进入压力水，对空心圆柱试样（10）施加反压至饱和度98%以上，然后关闭水压施加管路（15）；
c、通过围压施加管路（16）进入压力水，对空心圆柱试样（10）的内腔（5）和外腔（3）施加压力至设定值，保持内腔（5）和外腔（3）的压力相同；
d、通过制冷剂循环管路（14）注入制冷剂，使制冷剂循环腔（7）内制冷剂循环，直至温度传感器（20）监测制冷温度达到设定值；
e、通过孔隙气压施加管路（17）沿水平方向上给空心圆柱试样（10）施加孔隙气压，孔隙气压为围压的50%~70%；待空心圆柱试样（10）中水合物生成后，即气体流量降为零，关闭孔隙气压施加管路（17）；
f、维持内腔（5）和外腔（3）压力，通过活塞杆（4）施加轴压，直至空心圆柱试样（10）破坏。
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