CN111691881A - 含水合物地层受热沉降模拟实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置及方法，所述装置包括配置有反应腔的反应容器；与反应容器连接用于分别调节反应腔内部压力和温度的加压组件和温控组件；环绕反应容器的侧壁用于调节反应腔内部围压的围压组件；竖直设在反应腔的底部并向上延伸插入水合物中的电加热管，具有中空通道，侧壁设有与中空通道连通的网孔；与电加热管连通用于收集和测量水合物融化后的气液固量的采集测量装置；与加压组件、温控组件、围压组件和采集测量装置连接的控制模块。本发明实施例能够获取不同加热范围、加热温度条件下，水合物分解气液固量与地层沉降量的变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及海上天然气水合物勘探开发中地层沉降研究的装备，尤其涉及一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置及方法。
背景技术
天然气水合物被发现广泛存在于陆地冻土地带和海底底层，储量巨大，被认为是最有应用前景的新能源之一。但是，海底开采天然气水合物可能会带来一系列的问题，例如海床变形沉降失稳、开采井周边区域地层的破坏坍塌等。
目前，已有学者对水合物开采过程中地层沉降进行有限元分析的数值模拟，但对于有关于地层沉降的模拟试验仅有少部分研究内容。同时对加热范围、加热温度、产气量、产水量与地层沉降量的相关关系研究较为欠缺，对于地层沉降的预测尚需加以重视，且未见有控制加热温度和加热范围的含水合物地层模拟沉降试验装置，对不同条件下地层沉降量的预测精度不高。
发明内容
基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置及方法，能较佳的解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置，包括：
反应容器，配置有用于生成水合物和模拟地层沉降的反应腔，设有用于供用户观察所述反应腔内部情况的可视化窗口；所述反应容器包括：上端开口的容器体、可拆卸盖合在所述容器体上端的上盖；
加压组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的压力；
温控组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的温度；
围压组件，环绕所述反应容器的侧壁，用于调节所述反应腔内部的围压；
电加热管，竖直设在所述反应腔的底部并向上延伸插入所述水合物中；所述电加热管具有中空通道，侧壁设有与所述中空通道连通的网孔；
采集测量装置，与所述电加热管连通，用于收集和测量水合物受热分解的气液固量；
控制模块，与所述加压组件、温控组件和采集测量装置连接，用于控制所述加压组件和温控组件的开闭，和获取所述采集测量装置采集到的气液固量。
一种利用上述实施例所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置的方法，包括：
步骤S1：将所述上盖从所述容器体上端拆卸下来，将模拟砂土层均匀铺设在所述反应容器的底部，在所述电加热管的四周敷设含水砂层，再将所述上盖连接在所述容器体上端；
步骤S2：控制所述加压组件和温控组件操作，向所述反应容器内注入天然气，并调节所述反应容器内的压力和温度，进行水合物的生成；
步骤S3：通过所述可视化窗口观察到水合物生成完成后，打开所述上盖，在水合物上部敷设土层盖层，反复压实静止直至密实，静置预定时间；在静置时间内，保持所述反应容器内的压力和温度，以保证水合物稳定存在；
步骤S4：控制全部电加热管操作，调节所述电加热管的温度，模拟钻遇水合物过程中地层受热，实时收集含水合物地层受热产生的分解物，观察和记录地层沉降情况和沉降量；
步骤S5：在分解物量逐渐降低至无分解物产出后，打开所述上盖，重复上述步骤S1至S3，改变所述电加热管的加热数量，模拟不同加热范围条件下含水合物地层受热情况，实时收集水合物分解产生的气液固量，观察和记录地层沉降情况和沉降量。
本发明实施例的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，能够模拟含水合物地层受热后的地层沉降过程，从而获得水合物地层开采过程中的地层沉降特性，有助于研究不同情况下含水合物地层受热而产生地层沉降的机理和地层沉降规律，为下一步建立水合物开采过程中地层沉降预测模型和进行一步分析海洋水合物钻前设计等奠定理论基础。
此外，本发明实施例可以改变电加热管的加热数量和温度，从而研究不同加热范围和加热温度条件下含水合物地层的沉降特征。通过设置采集测量装置，可以进行水合物分解物的收集、处理和计量，从而研究地层沉降量与排水量、排气量的关系。
附图说明
图1为本发明实施例的含水合物地层受热沉降模拟实验装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例提供了一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置，包括：反应容器1、加压组件2、温控组件3、围压组件4、电加热管5、采集测量装置6和控制模块(未示出)。
其中，反应容器1由耐高压低温的材料制成，包括上端开口的容器体104和可拆卸盖合在容器体104上端的上盖105，上盖105可通过法兰结构可拆卸的连接在容器体104上端。反应容器1配置有用于生成水合物和模拟地层沉降的反应腔101，该反应腔101由容器体104和上盖105共同构成。反应容器1同时还设有用于供用户观察反应腔101内部情况的可视化窗口102，可视化窗口102由高强度玻璃制成，设在容器体104的侧壁。
加压组件2与反应容器1连接，用于调节反应腔101内部的压力。具体的，加压组件2可以包括气瓶、连通气瓶与反应容器1的进气管路、设在进气管路上的调压装置。调压装置包括沿进气管路中气体的流动方向从上游到下游依次设置的增压泵、调压阀。其中，反应容器1的上盖105预留有注气口103，进气管路的两端分别与气瓶的出气口和上盖105的注气口103连接，继而实现气瓶与反应容器1的连通，并通过气瓶向反应容器1内充注气体，实现反应腔101内的压力调节。
进一步地，反应容器1内设有与控制模块连接的压力传感器，控制模块可基于压力传感器检测到反应容器1内的压力控制调压装置操作。具体的，根据实际地层压力的大小，通过向反应腔101内充注气体来模拟实际的地层压力。因此，可事先设定一用于模拟实际地层压力的参考压力值，通过充注气体，使反应腔101内的压力逐渐趋近该参考压力值。当压力逼近该参考压力值后，控制模块可控制调压装置，放慢压力增大速度，直至压力达到设定的参考压力值时，控制调压装置停止向反应腔101中注气。
更具体的，在气体充注伊始，控制模块控制调压阀打开，并控制驱动增压泵的电机或马达以较快的速度运转。这样，在实验开始阶段，反应腔101内的压力以较快的速度增大。当压力接近目标值(参考压力值)时，例如当前的压力为参考压力值的95％，为避免压力过冲，可降低压力的增大速度。则此时，控制模块可以控制驱动增压泵的电机或马达降低运转速度，和/或控制调压阀开度降低，以减缓气体充注流量，降低压力增大速度。直至反应腔101中的实际压力值到达目标压力值时，控制模块控制驱动增压泵的电机或马达停转，并控制调压阀关闭，使反应腔101中的压力值维持当前的压力值。
温控组件3与反应容器1连接，用于调节反应腔101内部的温度。温控组件3主要用于在反应腔101中制造低温环境，以生成水合物。具体的，温控组件3包括制冷机组、环绕在反应容器1侧壁的水浴夹套、连接制冷机组和水浴夹套的循环管路、设在循环管路上的第一控制阀。
进一步地，反应容器1内设有与控制模块连接的温度传感器，控制模块可基于温度传感器检测到反应容器1内的温度控制制冷机组和/或第一控制阀操作。同上文描述，具体的，根据实际形成水合物的温度条件，通过制冷机组在循环管路中泵输冷媒来实现对反应腔101降温。因此，可事先设定一用于模拟实际形成水合物所需的参考温度值(例如-20℃)，通过控制制冷机组工作，使反应腔101内的温度逐渐趋近该参考温度值。当温度逼近该参考温度值后，控制模块控制制冷机组和/或第一控制阀，放慢制冷速度，直至温度达到设定的参考温度值时，控制制冷机组停止工作。
更具体的，在制冷伊始，控制模块控制第一控制阀打开，并控制制冷机组以较大功率运行。这样，在实验开始阶段，反应腔101内的温度以较快的速度快速降低。当温度接近目标值(参考温度值)时，例如当前的温度为参考温度值的95％，为避免温度过冲，降低制冷速度。则此时，控制模块可以控制制冷机组降低制冷功率，和/或控制第一控制阀开度降低，以减缓冷媒流量，降低制冷速度。直至反应腔101中的实际温度值到达目标温度值时，控制模块控制制冷机组按照当前的功率继续运行，并控制第一控制阀保持当前的开度，以维持反应腔101内的当前低温，使生成的水合物稳定的存在。
围压组件4环绕反应容器1的侧壁，用于调节反应腔101内部的围压，模拟水合物实际所受地层围压情况。具体的，围压组件4包括液压泵、驱动液压泵的电机、铺设在反应容器1内的可变形胶套、连接液压泵和所述可变形胶套的液压管路、设在液压管路上的第二控制阀。电机、第二控制阀与控制模块连接，控制模块控制电机、第二控制阀操作。液压泵的进口端连接存储液压油的液压槽，通过向可变形胶套中泵输液压油，促使可变形胶套发生变形而挤压水合物，实现围压的施加。
电加热管5用于对生成的水合物进行加热，模拟开采过程中水合物受热分解的过程，其竖直设在反应腔101的底部并向上延伸插入水合物中。进一步地，电加热管5具有中空通道，侧壁设有与中空通道连通的网孔，水合物受热分解的气、液、固体可经由网孔进入中空通道中，并最终被排出。
在一个实施例中，电加热管5包括设有网孔的筛管、缠绕在筛管外并与网孔错开的电阻丝。电阻丝通过导线与电源7连接，导线上设有通断开关，电源7、通断开关与控制模块连接。这样，控制模块可控制电源7升压或降压(对应为，增大或减小电流)，或者控制通断开关断开或导通，实现电加热管5是否加热以及加热速度的调节。进而改变电加热管5的加热温度，从而研究不同加热温度下地层沉降的情况。
进一步地，电加热管5的数量为多个，多个电加热管5分别通过各自的导线与电源7连接，并且每根导线上均设有通断开关。这样，控制模块可以控制多个通断开关中的一个或若干个闭合，以使多个电加热管5中的一个或若干个操作，用于模拟不同加热范围下的水合物受热分解，进而地层沉降情况。即，通过改变多根电导线各自的开合，控制特定的电加热管5进行加热，从而研究不同加热范围条件下的水合物分解情况和地层沉降情况。
采集测量装置6与电加热管5连通，用于收集和测量水合物融化后的气液固量。具体的，采集测量装置6包括气液固分离器601、与气液固分离器601的出口端连接的储罐602。气液固分离器601的进口端通过采集管路与电加热管5的底部连通，采集管路上设有计量元件603(例如流量计)，计量元件603与控制模块连接。这样，水合物被电加热管5加热后分解形成的气、液、固经采集管路排出至气液固分离器601中，被分离后的液体存储在储罐602中。在采集过程中，计量元件603测量因水合物受热分解而形成的液体。即，采集管路将电加热管5中因水合物受热分解而得到的气、液、固收集起来，穿过反应容器1的下部通道和计量元件603，融化后的液体最终流入到储罐602，用于测量和收集溶解液。
控制模块与加压组件2、温控组件3和采集测量装置6连接，用于控制加压组件2和温控组件3的开闭和获取采集测量装置6的融水量。在本实施例中，控制模块可以按任何适当的方式实现。具体的，例如，控制模块可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该微处理器或处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和嵌入微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)的形式，上述模块的例子包括但不限于以下微控制单元：ARC 625D、AtmelAT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320。本领域技术人员也应当知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现所述控制模块的功能以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制单元等形式来实现相同功能。
在一个具体的应用场景中，应用本发明实施例的含水合物地层受热沉降模拟实验装置进行地层沉降试验时，具有如下步骤：
步骤S1：将上盖105从容器体104上端拆卸下来，将模拟砂土层均匀铺设在反应容器1的底部，在电加热管5的四周敷设含水砂层，再将上盖105连接在容器体104上端；
步骤S2：控制加压组件2和温控组件3操作，向反应容器1内注入天然气，并调节反应容器1内的压力和温度，通过注气口103向反应容器1内注入气加压，调节反应容器1内的温度至-20℃，进行水合物的生成；
步骤S3：通过可视化窗口102观察到水合物生成完成后，打开上盖105，在水合物上部敷设土层盖层，反复压实静止直至密实，静置预定时间(例如24小时)；在静置时间内，保持反应容器1内的压力和温度，以保证水合物稳定存在；
步骤S4：控制全部电加热管5操作，调节电加热管5的温度，模拟钻遇水合物过程中地层受热，实时收集含水合物地层受热产生的分解物，观察和记录地层沉降情况和沉降量；
步骤S5：在分解物量逐渐降低至无分解物产出后，打开上盖105，重复上述步骤S1至S3，改变电加热管5的加热数量，模拟不同加热范围条件下含水合物地层受热情况，实时收集水合物分解产生的气液固量，观察和记录地层沉降情况和沉降量。
由此可见，本发明实施例的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，能够模拟含水合物地层受热后的地层沉降过程，从而获得水合物地层开采过程中的地层沉降特性，有助于研究不同情况下含水合物地层受热而产生地层沉降的机理和地层沉降规律，为下一步建立水合物开采过程中地层沉降预测模型和进行一步分析海洋水合物钻前设计等奠定理论基础。
此外，本发明实施例可以改变电加热管5的加热数量和温度，从而研究不同加热范围和加热温度条件下含水合物地层的沉降特征。通过设置采集测量装置6，可以进行水合物分解物的收集、处理和计量，从而研究地层沉降量与排水量、排气量的关系。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (8)
1.一种含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，包括：
反应容器，配置有用于生成水合物和模拟地层沉降的反应腔，设有用于供用户观察所述反应腔内部情况的可视化窗口；所述反应容器包括：上端开口的容器体、可拆卸盖合在所述容器体上端的上盖；
加压组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的压力；
温控组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的温度；
围压组件，环绕所述反应容器的侧壁，用于调节所述反应腔内部的围压；
电加热管，竖直设在所述反应腔的底部并向上延伸插入所述水合物中；所述电加热管具有中空通道，侧壁设有与所述中空通道连通的网孔；
采集测量装置，与所述电加热管连通，用于收集和测量水合物受热分解的气液固量；
控制模块，与所述加压组件、温控组件和采集测量装置连接，用于控制所述加压组件和温控组件的开闭，和获取所述采集测量装置采集到的气液固量。
2.如权利要求1所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述加压组件包括：气瓶、连通所述气瓶与所述反应容器的进气管路、设在所述进气管路上的调压装置；所述调压装置包括沿所述进气管路中气体的流动方向从上游到下游依次设置的增压泵、调压阀；
所述反应容器内设有与所述控制模块连接的压力传感器，所述控制模块基于所述压力传感器检测到所述反应容器内的压力控制所述调压装置操作。
3.如权利要求1所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述温控组件包括：制冷机组、环绕在所述反应容器侧壁的水浴夹套、连接所述制冷机组和水浴夹套的循环管路、设在所述循环管路上的第一控制阀；
所述反应容器内设有与所述控制模块连接的温度传感器，所述控制模块基于所述温度传感器检测到所述反应容器内的温度控制所述制冷机组和/或第一控制阀操作。
4.如权利要求1所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述围压组件包括：液压泵、驱动所述液压泵的电机、铺设在所述反应容器内的可变形胶套、连接所述液压泵和所述可变形胶套的液压管路、设在所述液压管路上的第二控制阀；
所述电机、第二控制阀与所述控制模块连接，所述控制模块控制所述电机、第二控制阀操作。
5.如权利要求1所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述电加热管包括：设有所述网孔的筛管、缠绕在所述筛管外并与所述网孔错开的电阻丝；所述电阻丝通过导线与电源连接，所述导线上设有通断开关，所述电源、通断开关与所述控制模块连接。
6.如权利要求5所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述电加热管的数量为多个，多个所述电加热管分别通过各自的导线与电源连接，每根导线上均设有所述通断开关；所述控制模块控制多个所述通断开关中的一个或若干个闭合，以使多个所述电加热管中的一个或若干个操作。
7.如权利要求1所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置，其特征在于，所述采集测量装置包括：气液固分离器、与所述气液固分离器的出口端连接的储罐；所述气液固分离器的进口端通过采集管路与所述电加热管的底部连通，所述采集管路上设有计量元件，所述计量元件与所述控制模块连接。
8.一种利用如权利要求1至7任意一项所述的含水合物地层受热沉降模拟实验装置的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：将所述上盖从所述容器体上端拆卸下来，将模拟砂土层均匀铺设在所述反应容器的底部，在所述电加热管的四周敷设含水砂层，再将所述上盖连接在所述容器体上端；
步骤S2：控制所述加压组件和温控组件操作，向所述反应容器内注入天然气，并调节所述反应容器内的压力和温度，进行水合物的生成；
步骤S3：通过所述可视化窗口观察到水合物生成完成后，打开所述上盖，在水合物上部敷设土层盖层，反复压实静止直至密实，静置预定时间；在静置时间内，保持所述反应容器内的压力和温度，以保证水合物稳定存在；
步骤S4：控制全部电加热管操作，调节所述电加热管的温度，模拟钻遇水合物过程中地层受热，实时收集含水合物地层受热产生的分解物，观察和记录地层沉降情况和沉降量；
步骤S5：在分解物量逐渐降低至无分解物产出后，打开所述上盖，重复上述步骤S1至S3，改变所述电加热管的加热数量，模拟不同加热范围条件下含水合物地层受热情况，实时收集水合物分解产生的气液固量，观察和记录地层沉降情况和沉降量。
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