CN112034135B - 一种天然气水合物分解地层形变测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物分解地层形变测量装置，用于安装在天然气水合物反应釜内，所述反应釜内用于模拟天然气水合物地质层，所述地质层自上而下分为上覆盖层、沉积物层以及下覆盖层，所述形变测量包括位移传感器固定板、位移传感器以及柔性弹性面板；所述位移传感器设置有多个且均匀分布，位移传感器的一端固定安装在位移传感器固定板中，另一端可伸缩并密封固定在柔性弹性面板中；所述柔性弹性面板紧贴上覆盖层，位移传感器固定板固定安装在反应釜内。本天然气水合物分解地层形变测量装置不但可以测量测量大尺度天然气水合物分解带来的地层形变，而且突破地层形变一维测量的限制，实现地层形变的三维测量。

Description

一种天然气水合物分解地层形变测量装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采测量装置，具体涉及一种天然气水合物分解地层形变测量装置。

背景技术

天然气水合物的开采会影响沉积层力学行为，进而有可能诱发地层沉降和边坡滑移等地质灾害，是目前天然气水合物开采面临的重大安全问题，因此分析水合物沉积层的力学行为具有非常重要的现实意义。目前对于天然气水合物分解地层形变的研究大多为三轴实验，通过施加轴压和围压来模拟地层情况，然后通过水合物分解后体积变化来计算沉降量，进而分析地层形变。这种方法能有效的对地层形变进行分析，但是实验的尺度往往都比较小。当实验尺度放大时，这种方法就不适用了，大尺度的天然气水合物分解，会带来较大的形变，这是目前测量的重难点，而且由于反应釜的增大，水合物分解时形变的不规则性也难以用一维的沉降量来体现。面对大尺度的天然气水合物实验系统，目前技术不足主要体现在：无法测量大面积地层形变；无法测量较大的地层形变；地层形变的测量难以突破一维的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种天然气水合物分解地层形变测量装置，测量大尺度天然气水合物分解带来的地层形变。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种天然气水合物分解地层形变测量装置，用于安装在天然气水合物反应釜内，所述反应釜内用于模拟天然气水合物地质层，所述地质层自上而下分为上覆盖层、沉积物层以及下覆盖层，所述形变测量包括位移传感器固定板、位移传感器以及柔性弹性面板；所述位移传感器设置有多个且均匀分布，位移传感器的一端固定安装在位移传感器固定板中，另一端可伸缩并密封固定在柔性弹性面板中；所述柔性弹性面板紧贴上覆盖层，位移传感器固定板固定安装在反应釜内。

进一步地，所述的天然气水合物分解地层形变测量装置还包括智能终端，所述位移传感器所测量到数据传输至智能终端。

进一步地，所述的柔性弹性面板为一上薄壁橡胶活塞。

进一步地，所述上薄壁橡胶活塞包括活塞骨架以及周边密封安装在活塞骨架中的橡胶活塞板。

进一步地，所述上薄壁橡胶活塞还包括有橡胶嵌件、活塞密封圈以及卡夹；所述活塞密封圈嵌装在活塞骨架的槽位中，橡胶活塞板的周边通过橡胶嵌件密封安装在活塞骨架的下表面中，在橡胶嵌件和活塞骨架的下表面之间还嵌装有卡夹，以通过卡夹连接活塞骨架和橡胶活塞板。

进一步地，所述智能终端为电脑或平板电脑或手机。

进一步地，所述位移传感器为轴向刚性机头LVDT位移传感器。

进一步地，所述卡夹材质为非金属。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本实施例提供的天然气水合物分解地层形变测量装置不但可以测量大尺度天然气水合物分解带来的地层形变，而且突破地层形变一维测量的限制，实现地层形变的三维测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的天然气水合物分解地层形变测量装置安装于反应釜内的剖面图；

图2为位移传感器的分布示意图；

图3为上薄壁橡胶活塞的结构示意图；

图4为在另一实施例中反应釜的剖面示意图；

图5为图4中A处的放大示意图；

图中：1、位移传感器固定板；2、位移传感器；3、上薄壁橡胶活塞；4、换向球阀；5、井筒排出管线；6、第一摄像机；7、内窥摄像软管引线；8、第二摄像机；9、第二照明灯；10、沉沙可视刻度窗；11、第一照明灯；

31、活塞骨架；32、橡胶活塞板；33、橡胶嵌件；34、活塞密封圈；35、卡夹；

51、可视窗；100、反应釜；1001、上覆盖层；1002、沉积物层；1003、下覆盖层；1004、井筒。

图6为一实施例中反应釜体内井位分布图；

图7为流场测量装置的组成示意图；

图中：20、非中心垂直井压力传感器；21、非中心垂直井出口阀门；22、连通器阀门；23、差压传感器；24、连通器；25、中心垂直井出口阀门；26、中心垂直井压力传感器；27、中心垂直井出口管线；28、连通器压力传感器；29、注气阀；200、非中心垂直井出口管线。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1-3所示，本实施例提供的天然气水合物分解地层形变测量装置用于安装在天然气水合物反应釜100内，该反应釜100内用于模拟天然气水合物地质层，地质层自上而下分为上覆盖层1001、沉积物层1002以及下覆盖层1003，该反应釜的剖面图如图1所示，模拟井筒1004位于整个反应釜100的中心，贯穿整个反应釜100。该形变测量包括位移传感器固定板1、位移传感器2以及柔性弹性面板；如图2所示，位移传感器2设置有多个且均匀分布，位移传感器2的一端固定安装在位移传感器固定板1中，另一端可伸缩并密封固定在柔性弹性面板中；该柔性弹性面板紧贴上覆盖层1001，位移传感器固定板1则固定安装在反应釜100内。

如此，天然气水合物在沉积物层分解的时候，会发生形变，进而影响上覆盖层的稳定，引起上覆盖层的形变，而连接位移传感器和上覆盖层的柔性弹性面板，能跟随着上覆盖层的变形而变形，可以将上覆盖层的沉降形变精确传递给位移传感器。

当天然气水合物实验系统尺度大时，构造的地质层面积大，天然气水合物分解又充满着不确定性，导致整个面积上各个地方的沉降形变不会一致，本测量装置在整个上覆盖层上柔性弹性面板上连接了足够多的位移传感器，这样就能将各个点的位移沉降量测量出来，进而解决了大面积地层形变的测量问题，将各个点的位移沉降量汇总，就能形成一个底层变形凹凸不平的面出来，突破地层形变一维测量的限制，实现地层形变的三维测量。

由此可见，本实施例提供的天然气水合物分解地层形变测量装置不但可以测量测量大尺度天然气水合物分解带来的地层形变，而且突破地层形变一维测量的限制，实现地层形变的三维测量。

作为本实施例的一种优选，该形变测量装置还包括有智能终端(未图示)，所有位移传感器所测量到数据传输至智能终端，通过智能终端可以在线实时地分析地层形变数据。该智能终端可以为终端为电脑或平板电脑或手机，具体到本实施例中，其采用电脑的形式。

具体地，上述的柔性弹性面板为一上薄壁橡胶活塞3，采用上薄壁橡胶活塞3的形式可以保证其在反应釜100内安装的密封性。该上薄壁橡胶活塞3包括活塞骨架31以及周边密封安装在活塞骨架31中的橡胶活塞板32；该上薄壁橡胶活塞还包括有橡胶嵌件33、活塞密封圈34以及卡夹35；所述活塞密封圈34嵌装在活塞骨架31的槽位中，橡胶活塞板32的周边通过橡胶嵌件33密封安装在活塞骨架31的下表面中，在橡胶嵌件33中还嵌装有卡夹35。当地层沉降过大时，此时如果橡胶活塞板32两端是固定的话，变形会达到甚至超过橡胶活塞板32的变形极限，导致无法精确测量地层变形甚至损害橡胶活塞板，为此，在本实施例中，将橡胶活塞板32的两端密封在一个带活塞密封圈34的活塞骨架32上，当地层沉降过大时，橡胶活塞板32会受力向下变形，变形过大时，橡胶活塞板32会下压，橡胶嵌件33，橡胶嵌件33会被压缩，由于非金属卡夹35是同时连接活塞骨架31和橡胶活塞板32的，橡胶嵌件33向下被压缩时就会拉动非金属卡夹35向下运动，非金属卡夹35即拉动活塞骨架31向下运动，如此，当地层沉降过大时，橡胶活塞板32会压缩橡胶嵌件33，橡胶嵌件33通过橡胶活塞板非金属卡夹35装置拉动活塞骨架31进行伸缩运动，此时位移传感器2测量的位移就是活塞的位移加上各个橡胶活塞板32上各个测量点的位移，大大增大了地层沉降的测量量程，也即沉降过大的地层形变也能被精确测量。

具体地，上述的位移传感器2选用的采用轴向刚性机头LVDT高精度位移传感器：品牌：进口阿贝克传感器，型号：LCA50，测控范围：0～50mm，测量分辨率：0.001mm，测量精度：<±0.2％FS。

综上，本实施例提供的天然气水合物分解地层形变测量装置与现有技术相比具有如下的技术优势：

(1)可以测量大尺度天然气水合物分解带来的地层形变，因为位移传感器足够多；

(2)测量量程大，测量量程为活塞量程与橡胶活塞板的弹性极限之和；

(3)可以测量天然气水合物分解地层形变的形变曲面，实现地层形变三维测量，因为测量点多，而且橡胶活塞板足够柔软轻薄，能够实现每个测点的单独测量；

(4)装置密封性好，耐高压，不会对天然气水合物实验系统造成影响，因为橡胶活塞板耐高压，活塞密封圈能有效密封活塞骨架的伸缩运动；

(5)天然气水合物实验系统安全性提高，加了上薄壁橡胶活塞设计之后不仅能使测量量程增大，还能有效保护橡胶活塞板，否则当地层形变较大时，橡胶活塞板会过度变形，超过弹性极限后就会被破坏，导致实验系统受到损伤；

(6)测量精度提高，一方面测量点的增加，另一方面在沉降达到橡胶活塞板的弹性极限附近时，橡胶活塞板对于沉降的体现就会不再灵敏，上薄壁橡胶活塞设计之后，有效提高了这种工况下的测量精度。

此外，由于现有技术无法可视化观察反应釜内天然气水合物的生成特性。目前天然气水合物领域可视化技术的出发点都是想观察天然气水合物的生成特性，分布情况，分解特性。包括像安装在反应釜壁上的可视窗，从井筒插入摄像头对准反应釜拍摄多孔介质水合物分布情况，有一些很小型的天然气水合物反应釜会做成透明的水浴，透明的反应釜，有些直接利用XRD、CT之类的成像技术，实现可视化等。摄像头想直接拍摄多孔介质里的水合物难以现实，大多被多孔介质包裹，无法拍摄；透明反应釜造价太高，不能适用大部分的天然气水合物反应釜；X射线CT成像技术依赖于待测物体的密度差异，而水合物主要由天然气(主要为甲烷分子)和水分子组成，两者分子量接近，X射线CT难以将其区分，因而天然气水合物的相态成像精度极为有限；井筒成像技术目前不成熟；未对井筒内多相流、出砂等天然气水合物开采的特性进行可视化；未对出口管流进行实时观察检测；未重视对沉沙量的观察与测量等等

因此，在其他的一些实施例中，如图4所示，位于反应釜100内的那一部分井筒1004沿着其高度方向间隔设置有井眼孔1005；在该井筒1004位于反应釜100之外的上部中安装有换向球阀，该换向球阀4的一出口端连接安装有井筒排出管线5，如此，在换向球阀4的作用下可以改变井筒1004内的流体流向，使得井筒1004的管流流向井筒排出管线5，而在该井筒排出管线5上设置有可视窗51，在可视窗5的周边设置有第一摄像机6以及第一照明灯11，以用于拍摄井筒排出管线5内的管流情况，如此在第一摄像机6的作用下即可以实时地拍摄井筒1004排出的管流情况，可以对出井筒的水平管流进行可视化，能得到水合物开采排出管线内流体的信息，包括管流是否含水合物相；是否含沙，含沙的话，含沙粒径信息。

在井筒1004内还设置有内窥摄像软管引线7，该内窥摄像软管引线7设置在井筒1004内并穿过换向球阀4延伸至井筒1004之外，以使得内窥摄像软管引线7能在井筒1004内上下移动以及360°旋转；如图5所示，在所述内窥摄像软管引线7的底端中安装有第二摄像机8和第二照明灯9，第二照明灯9位于第二摄像机8的上方并倾斜设置，以便于第二摄像机8清楚地拍摄。如此，通过牵拉内窥摄像软管引线7，第二摄像机8和第二照明灯9可随着内窥摄像软管引线7在井筒1004内上下移动，同时第二摄像机8和第二照明灯9可以360°旋转，天然气水合物开采时，对任意地质层，任意位置的多相流和出砂情况的观察，就通过内窥摄像软管引线7，第二摄像机8和第二照明灯9位移到指定地方，对准该方位上的井眼1005，第二照明灯9提供斜向光源，方便第二摄像机8的拍摄，如此就可以观察各个不同的地质层的出砂情况，包括出砂时间，喷砂现象，出砂的量等信息，并可旋转性对井眼进行局部拍摄，观察到某一井眼处的单孔出砂速度，出气速度等。同时，该第二摄像机8和第二照明灯9可以随实验需要选择位置，需要用时位移至制定观测点，不需要用时收缩至换向球阀1上部存储空间，不会影响垂直管流，对摄像机同时也是一种保护。此外，还可以在内窥摄像软管引线上安装红外线超声波等测量装置对流体测速，获得更多井筒内的信息。

此外，该窥摄像软管引线7的底端中还安装有力学传感器(未图示)，该力学传感器将其监测得到的数据传输至电脑中，如此，在对喷砂观察的同时，力学传感器可以将沙粒的信息传输至电脑进行分析，可以得到部分沙粒的粒径等信息，实现沙粒的可视化。此外，位于反应釜之外的那一部分井筒1004设置有沉沙可视刻度窗10，是一个带有刻度显示的蓝宝石可视窗，如此即可以可视化地观察井筒底部的沉沙量。

天然气水合物开采时，对任意地质层，任意位置的多相流和出砂情况的观察，拉动内窥摄像软管引线，移动第二摄像机和第二照明灯位移到指定地方，并旋转对准第二摄像机和第二照明灯，以对准该方位上的井眼，观察单孔出砂情况、产气情况以及垂直井筒内多相流实时监测；

在第一照明灯的照射作用下，第一摄像机可以实时拍摄排出的管流情况；

第一摄像机和第二摄像机将拍摄的影像传输至电脑，实现井筒内成像；对喷砂观察的同时，力学传感器将沙粒的信息传输至电脑进行分析，得到沙粒的粒径信息，实现沙粒的可视化；

当不需要进行垂直井筒内摄像时，拉动内窥摄像软管引线，将第二摄像机和第二照明灯位移至换向球阀上方，转动换向球阀，对其进行保护。

如此，通过在反应釜内安装有上述的仪器装置，可可视化观察天然气水合物生成特性，可以完成井筒内成像，实时观察井筒内的多相流，包括多相流中除了气液沙，是否含有水合物相，流体的流速是怎样的动态变化情况等；可以观察各个不同的地质层的出砂情况，包括出砂时间，喷砂现象，出砂的量等信息；可以随实验需要选择位置，需要用时位移至制定观测点，不需要用时收缩至球阀上部存储空间，不会影响垂直管流，对摄像机同时也是一种保护；可以对出井筒的水平管流进行可视化，能得到水合物开采排出管线内流体的信息，包括管流是否含水合物相；是否含沙，含沙的话，含沙粒径信息；气相和水相的管流观察等。

同时，由于大尺度的天然气水合物实验系统有测量流场的意义与需要，但是难以实现，目前流场测量装置大多为可视化设备，比如一些光发生器与摄像机等成像装置结合，又或者安装一些可视化的视窗之类的设备，去观察、拍摄记录流场的变化，达到对流场的测量效果。但是天然气水合物大多附存于多孔介质中，视窗系只能观察到多孔介质，摄影设备难以深入反应釜，也难以在反应釜内的环境下进行拍摄。这些手段都无法有效的观察或者测量到反应釜内的流场。

为此，在一些实施例中，该反应釜还连接有流场测量装置。如图6所示，该反应釜内的每层对称分布九口垂直井，分别编号为1-A，2-A,…,9-B,9-C,其中位于中心的垂直井9-B为中心垂直井，其余的垂直井均为非中心垂直井。

具体地，如图7所示，流场测量装置则主要包括非中心垂直井压力传感器20、非中心垂直井出口阀门21、连通器阀门22、差压传感器23、连通器24、中心垂直井出口阀门25以及中心垂直井压力传感器26。

如图7所示，将除9-B垂直井外的所有非中心垂直井出口管线200依次连接非中心垂直井压力传感器20，非中心垂直井出口阀门21，差压传感器23的一端，差压传感器23的另一端接到连通器阀门22，连通器阀门22汇集至连通器24，连通器24的另一端依次连接中心垂直井出口阀门25、中心垂直井压力传感器26、中心垂直井出口管线27。

26个差压传感器的编号分别为A1,B1,C1,A2,…,A9,C9，分别代表连接1-A井与9-B井的差压传感器，连接1-B井与9-B井的差压传感器，…，连接9-A井与9-B井的差压传感器，连接9-C井与9-B井的差压传感器。具体地，该压差传感器23的精度高于中心垂直井压力传感器26和非中心垂直井压力传感器20的精度，量程小于中心垂直井压力传感器26和非中心垂直井压力传感器20的量程，由于压力传感器精度测不了小压差，差压传感器23的精度更高，在压力差比较小的时候，压力传感器显示的的压力可能是一样的，但是差压传感器能测出来压力差，压力差比较大的时候，超出差压传感器的量程就会损害差压传感器，也就是说，压差传感器精度高，但是量程小。压力传感器量程大，但是精度不够，所以二者要相互配合使用。

如此，当需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先通过观察27个压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心的垂直井的压力差，看是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。受压力差的影响，气液会自发从高压流向低压(或有自发从高压流向低压的趋势)，也即反应釜内的流场被准确测量出来。

由此可见，通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。同时由于整个测量装置是通过垂直井出口管线相连接的，也就是说整个测量装置可以外接反应釜的，亦即该差压传感器和连通器均设置于反应釜之外，不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加本装置。

具体地，每一非中心垂直井压力传感器20、中心垂直井压力传感器26以及差压传感器23的数据输出端均连接至数据采集处理显示模块4，如此，通过数据采集处理显示模块4能够实时地显示记录相关数据，从而可以实时测量反应釜内流场。。

优选地，上述的连通器24还旁设有连通器压力传感器28和注气阀29。如此，可以利用注气阀29对差压传感器23进行测试，具体方法为关闭非中心垂直井出口阀门，使得差压传感器传感器与非中心垂直井出口阀相连接的这一端的压力数值都一致，将连通器的注气阀门连接至已知压力值不超过差压传感器量程的气瓶，打开连通器阀门，打开气瓶阀门，观察记录差压传感器所显示的数值，正常情况下，此时差压传感器测得的差压应该是一致的，不显示差压或差压有明显的差异的差压传感器应该被更换或进行维修。

因此，通过采用图6-7的方案，其与现有技术相比具有如下技术优势：

(1)压力传感器和差压传感器连接至数据采集处理显示模块，可以实时测量反应釜内流场；

(2)通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；

(3)将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；

(4)通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护；

(5)外接差压传感器反映反应釜内流场的设计，不会对天然气水合物实验造成影响；

(6)不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加该装置；

(7)连通器的设计可以在脱离天然气水合物实验系统的情况下检测差压传感器，操作简便、安全、可靠。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种天然气水合物分解地层形变测量装置，用于安装在天然气水合物反应釜内，所述反应釜内用于模拟天然气水合物地质层，所述地质层自上而下分为上覆盖层、沉积物层以及下覆盖层，其特征在于，所述形变测量包括位移传感器固定板、位移传感器以及柔性弹性面板；所述位移传感器设置有多个，位移传感器的一端固定安装在位移传感器固定板中，另一端可伸缩并密封固定在柔性弹性面板中；所述柔性弹性面板紧贴上覆盖层，位移传感器固定板固定安装在反应釜内；

所述的柔性弹性面板为一上薄壁橡胶活塞；

所述上薄壁橡胶活塞包括活塞骨架以及周边密封安装在活塞骨架中的橡胶活塞板；

所述上薄壁橡胶活塞还包括有橡胶嵌件、活塞密封圈以及卡夹；所述活塞密封圈嵌装在活塞骨架的槽位中，橡胶活塞板的周边通过橡胶嵌件密封安装在活塞骨架的下表面中，在橡胶嵌件和活塞骨架的下表面之间还嵌装有卡夹，以通过卡夹连接活塞骨架和橡胶活塞板。

2.如权利要求1所述的天然气水合物分解地层形变测量装置，其特征在于，还包括智能终端，所述位移传感器所测量到数据传输至智能终端。

3.如权利要求2所述的天然气水合物分解地层形变测量装置，其特征在于，所述智能终端为电脑或平板电脑或手机。

4.如权利要求1所述的天然气水合物分解地层形变测量装置，其特征在于，所述位移传感器为轴向刚性机头LVDT位移传感器。

5.如权利要求1所述的天然气水合物分解地层形变测量装置，其特征在于，所述卡夹材质为非金属。

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