CN112665986A - 模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水合物开采试验模拟技术领域，具体涉及一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法，为了研究热力开采过程中地质灾害的发生过程；系统包括试验舱体、应力调控装置、温控系统、地质变形监测系统和水合物开采系统，试验舱体内部设置有水合物层和上覆盖层，上覆盖层用于模拟水合物上方的土体盖层；应力调控装置用于施加应力；温控系统用于模拟深海海底的温度；地质变形监测系统用于实时采集光纤组件的变形信息；水合物开采系统包用于为水合物层加热并采集分解后的气态水合物；通过本发明可获取地应力、开采时的温度、开采效率引起地质变形的映射数据，为水合物的开采提供可靠参数指导。

Description

模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法

技术领域

本发明属于水合物开采试验模拟技术领域，具体涉及一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法。

背景技术

热力开采法又称热激法，是研究最多、最深入的天然气水合物开采技术；利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道，对含天然气水合物的地层进行加热，提高储层温度，破坏水合物氢链，从而促成天然气水合物的分解；但水合物分解后区域会形成空腔，空腔上层的水合物储层和盖层具有坍塌风险，从而导致海底地质灾害的发生，对开采过程产生重大影响，甚至导致停产。

发明内容

为了解决上述问题，即为了研究热力开采法开采过程中地质灾害的发生过程，本发明提供了一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法。

本发明第一方面公开了一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，该系统包括试验舱体、应力调控装置、温控系统、地质变形监测系统和水合物开采系统，所述试验舱体内部设置有试验样品，所述试验样品包括水合物层和上覆盖层，所述上覆盖层设置于所述水合物层的上部，用于模拟水合物上方的土体盖层。

所述应力调控装置用于对所述试验样品施加应力，以模拟深海地应力环境。

所述温控系统包括温度调节装置和保温装置，所述温度调节装置用于调控所述试样舱体所处温度环境，以模拟深海海底的温度；所述保温装置用于保持所述试样舱体所处温度。

所述地质变形监测系统包括光纤组件和光纤变形采集装置，所述光纤组件埋设于所述上覆盖层中；所述光纤变形采集装置设置于所述光纤组件远离所述上覆盖层的一端，用于实时采集所述光纤组件的变形信息；所述水合物开采系统包括开采管路和水合物高温采集装置，所述开采管路穿过所述上覆盖层埋设于所述水合物层内部；所述水合物高温采集装置与所述开采管路远离所述水合物层的一端连接，用于为所述水合物层加热并采集分解后的气态水合物。

在一些优选实施例中，所述试验舱体包括上开口式箱体，用于容纳所述试验样品；所述上开口式箱体的顶部设置有盖板，所述盖板设置有第一通孔；所述应力调控装置包括作动器和容纳舱，所述容纳舱设置于所述盖板的顶部，所述容纳舱的底部开设有第二通孔；所述作动器设置于所述容纳舱内部，且所述作动器的动力输出端贯穿所述第二通孔、所述第一通孔向下形成悬臂作用端；所述试验舱体的内部还设置有压板，所述压板设置于所述上覆盖层的顶部，所述悬臂作用端与所述压板的顶部抵触设置。

在一些优选实施例中，所述盖板包括第一板状结构和第二板状结构，所述第一板状结构设置于所述第二板状结构上方且所述第一板状结构与所述第二板状结构构成T型结构；所述第一板状结构的面积大于所述上开口式箱体的顶部面积。

在一些优选实施例中，所述上覆盖层的顶部与所述压板平行设置；所述压板的水平面与所述作动器的运动方向垂直设置。

在一些优选实施例中，所述保温装置包覆设置于所述试验舱体的外侧；所述温度调节装置包括低温控制器和循环管路，所述循环管路贯穿所述保温装置设置；所述低温控制器设置于所述试验舱体的外侧，用于调控所述循环管路内部的液体温度。

在一些优选实施例中，所述温度调节装置为一个或多个；当所述温度调节装置为多个时，多个所述温度调节装置阵列设置于所述试验舱体的周侧。

在一些优选实施例中，所述光纤组件包括水平光纤组，所述水平光纤组包括多条第一光纤，多条所述第一光纤水平交错设置于所述上覆盖层的同一水平面；所述水平光纤组有多组，多组所述水平光纤组依次设置于所述上覆盖层的不同水平高。

在一些优选实施例中，所述开采管路设置有作用部，所述作用部开设有多个射孔，多个所述射孔沿着所述开采管路的周向均匀设置；所述开采管路的末端封闭设置。

在一些优选实施例中，所述开采管路包括第一段管路和第二段管路，所述第一段管路贯穿所述上覆盖层设置，所述第二段管路在所述水合物层中水平设置，且所述第二段管路设置于所述水合物层的中间高度位置。

多个所述射孔形成的开采区域设置于所述水合物层的水平中间位置。

本发明第二方面公开了一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验方法，该方法基于上面任一项所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，包括以下步骤：步骤100，温度调节装置将试验舱体内部环境降温至零下15℃；步骤200，在试验舱体中放置水合物层和上覆盖层；在水合物层和上覆盖层中预埋开采管路；在上覆盖层中光纤组件；步骤300，将上覆盖层上部分磨平，并放置压板；安装盖板密封试验舱体；安装应力调控装置，为水合物储层和上覆盖层施加地应力到目标值；步骤400，利用水合物开采系统为水合物层加热，并采出气态水合物，在储层形成腔体；步骤500，地质变形监测系统实时监测上覆盖层的变形以及储层腔体形成过程中上覆盖层的变形状态，获取地应力、开采时的温度、开采效率与上覆盖层不同变形状态的映射关系。

通过本发明公开的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法，可进行水合物开采过程的实时检测，可获取不同温度、不同开采效率等参数对应的分解区域变化速率以及变化规律，精准获取对应情况下上覆盖层的变形规律，为实际水合物的开采提供可靠理论数据，既能提高开采效率，又能避免海底地质灾害的发生。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明中的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统的一种具体实施例的立体结构示意图。

图2是本发明中的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统处于水合物开采状态下的一种具体实施例的立体结构示意图。

附图标记说明依次如下：110、箱体，120、压板，130、盖板，140、水合物层，150、上覆盖层；210、作动器，220、容纳舱；310、温度调节装置，311、低温控制器，312、循环管路；320、保温层；410、光纤组件；420、光纤变形采集仪；510、开采管路，511、射孔；520、水合物高温采集装置；530、分解区域。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，该系统包括试验舱体、应力调控装置、温控系统、地质变形监测系统和水合物开采系统，试验舱体内部设置有试验样品，试验样品包括水合物层和上覆盖层，上覆盖层设置于水合物层的上部，用于模拟水合物上方的土体盖层；应力调控装置用于对试验样品施加应力，以模拟深海地应力环境；温控系统包括温度调节装置和保温装置，温度调节装置用于调控试样舱体所处温度环境，以模拟深海海底的温度；保温装置用于保持试样舱体所处温度；地质变形监测系统包括光纤组件和光纤变形采集装置，光纤组件埋设于所述上覆盖层中；光纤变形采集装置设置于光纤组件远离上覆盖层的一端，用于实时采集光纤组件的变形信息；水合物开采系统包括开采管路和水合物高温采集装置，开采管路穿过上覆盖层埋设于水合物层内部；水合物高温采集装置与开采管路远离水合物层的一端连接，用于为水合物层加热并采集分解后的气态水合物。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1和附图2，图1是本发明中的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统的一种具体实施例的立体结构示意图，图2是本发明中的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统处于水合物开采状态下的一种具体实施例的立体结构示意图；本发明的第一方面公开了一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，该系统包括试验舱体、应力调控装置、温控系统、地质变形监测系统和水合物开采系统，其中，试验舱体内部设置有试验样品，试验样品包括水合物层140和上覆盖层150，上覆盖层设置于水合物层的上部，用于模拟水合物上方的土体盖层；应力调控装置用于对试验样品施加应力，以模拟深海地应力环境；温控系统包括温度调节装置310和保温层320，温度调节装置用于调控试样舱体所处温度环境，以模拟深海海底的温度；保温层用于保持试样舱体所处温度；地质变形监测系统包括光纤组件410和光纤变形采集仪420，光纤组件埋设于上覆盖层中；光纤变形采集装置设置于光纤组件远离上覆盖层的一端，用于实时采集光纤组件的变形信息；水合物开采系统包括开采管路510和水合物高温采集装置520，开采管路穿过上覆盖层埋设于水合物层内部；水合物高温采集装置与开采管路远离水合物层的一端连接，用于为水合物层加热并采集分解后的气态水合物。

进一步地，试验舱体包括上开口式的箱体110，用于容纳试验样品；上开口式箱体的顶部设置有盖板130，盖板设置有第一通孔；应力调控装置包括作动器210和容纳舱220，容纳舱设置于盖板的顶部，容纳舱的底部开设有第二通孔；作动器设置于容纳舱内部，且作动器的动力输出端贯穿第二通孔、第一通孔向下形成悬臂作用端；试验舱体的内部还设置有压板120，压板设置于上覆盖层的顶部，悬臂作用端与压板的顶部抵触设置。

进一步地，盖板包括第一板状结构和第二板状结构，第一板状结构设置于第二板状结构上方且第一板状结构与第二板状结构构成T型结构；第一板状结构的面积大于上开口式箱体的顶部面积。

进一步地，上覆盖层的顶部与压板平行设置；压板的水平面与作动器的运动方向垂直设置。

进一步地，保温装置包覆设置于试验舱体的外侧；温度调节装置包括低温控制器311和循环管路312，循环管路贯穿保温装置设置；低温控制器设置于试验舱体的外侧，用于调控循环管路内部的液体温度。

进一步地，温度调节装置为一个或多个；当温度调节装置为多个时，多个温度调节装置阵列设置于试验舱体的周侧。

进一步地，光纤组件包括水平光纤组，水平光纤组包括多条第一光纤，多条第一光纤水平交错设置于上覆盖层的同一水平面；水平光纤组有多组，多组水平光纤组依次设置于上覆盖层的不同水平高。

进一步地，开采管路设置有作用部，作用部开设有多个射孔511，多个射孔沿着开采管路的周向均匀设置；开采管路的末端封闭设置，多个射孔所在的区域构成分解区域530。

进一步地，开采管路包括第一段管路和第二段管路，第一段管路贯穿上覆盖层设置，第二段管路在水合物层中水平设置，且第二段管路设置于水合物层的中间高度位置；多个射孔形成的开采区域设置于水合物层的水平中间位置。

在水合物开发的过程中（包括钻探和生产），或者在对上方含有“水合物层”（即含有水合物的砂、粘土等的海底地层）的深海油气藏的开采中，温度或压力的扰动均会引起水合物分解，热分解便是由于温度变化导致的。水合物分解会使地层颗粒间的胶结性降低，同时引起地层中局部的不可控制的气体释放，而生成气会引起地层孔隙中的静压增大（人们称之为“超静孔压”），导致水合物层强度的显著衰减。水合物层强度的降低可引起自身及上覆地层的大变形、井位下沉、上覆地层中结构（平台、井筒和管道）破坏、滑坡等多种破坏形式。在热分解情况下，由于热致膨胀，这种破坏效应更加明显。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。依据现有的知识，我们可以预料，如果海底水温上升，水合物将迅速分解而导致大面积滑坡，并可能引起海啸；因此，目前国内外学者针对水合物分解引起的海底滑塌等环境灾害问题，开展了地质调查和基于常规滑坡分析方法的反演研究，但对它的产生机制还没有完全地探索清楚，通过本发明提供的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法，可在有效模拟水合物热力开采过程中进行引发地质变形的有效模拟监测，获取地应力、开采时的温度、开采效率等参数与上覆盖层不同变形状态的映射关系，为水合物实际开采提供可靠理论数据支撑，有效避免地质灾害的发生。

在水合物热力开采过程中，随着加热使水合物分解，地层分成未分解区域和分解区域，未分解区域的渗透性低，气体压力不能快速消散，在分解区域形成一个超静孔隙气体压力区，且分解区域土体强度降低甚至液化；在分解区域上方的未分解区域由沉积物重力、地层强度和侧壁摩擦形成阻力，阻力随着水合物分解区域的扩展而减小；当超静孔隙气体压力大于上部阻力且气体能量不是很大时使得原来连续的沉积物被一小段充满气体和孔隙水的空间隔开形成一定厚度的裂缝，即地层分层破坏；水合物热分解引起的地层分层，可能作为滑动面引起大范围海底滑坡等灾害，也可能引起井口的破裂等破坏；因此，水合物热分解引起地层分层的破坏可能对水合物开发和上方含有水合物层的深海油气藏开发构成严重威胁；通过本发明提供的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法，可以弄清地质灾害发生的力学机理，通过对应参数的控制获取最优控制方案，避免工程中水合物热分解引起的地层分层破坏。

通过本发明公开的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统与方法，可获取温度、孔隙气体压力、水合物分解范围、上覆盖层抗剪强度或土层与模型筒内壁的摩擦强度，以及地应力、开采时的温度、开采效率与上覆盖层不同变形状态的映射关系，获取引发不同地质灾害发生的演化过程以及数据特征，通过本发明获取的大量实验数据，从实验室尺度向工程尺度外延，为工程提供可靠支撑数据。

本发明的第二方面提供了一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验方法，该方法基于上面所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，包括以下步骤：步骤100，温度调节装置将试验舱体内部环境降温至零下15℃；步骤200，在试验舱体中放置水合物层和上覆盖层；在水合物层和上覆盖层中预埋开采管路；在上覆盖层中光纤组件；步骤300，将上覆盖层上部分磨平，并放置压板；安装盖板密封试验舱体；安装应力调控装置，为水合物储层和上覆盖层施加地应力到目标值；步骤400，利用水合物开采系统为水合物层加热，并采出气态水合物， 在储层形成腔体；步骤500，地质变形监测系统实时监测上覆盖层的变形以及储层腔体形成过程中上覆盖层的变形状态，获取地应力、开采时的温度、开采效率与上覆盖层不同变形状态的映射关系。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，该系统包括试验舱体、应力调控装置、温控系统、地质变形监测系统和水合物开采系统，所述试验舱体内部设置有试验样品，所述试验样品包括水合物层和上覆盖层，所述上覆盖层设置于所述水合物层的上部，用于模拟水合物上方的土体盖层；

所述应力调控装置用于对所述试验样品施加应力，以模拟深海地应力环境；

所述温控系统包括温度调节装置和保温装置，所述温度调节装置用于调控所述试样舱体所处温度环境，以模拟深海海底的温度；所述保温装置用于保持所述试样舱体所处温度；

所述地质变形监测系统包括光纤组件和光纤变形采集装置，所述光纤组件埋设于所述上覆盖层中；所述光纤变形采集装置设置于所述光纤组件远离所述上覆盖层的一端，用于实时采集所述光纤组件的变形信息；

所述水合物开采系统包括开采管路和水合物高温采集装置，所述开采管路穿过所述上覆盖层埋设于所述水合物层内部；所述水合物高温采集装置与所述开采管路远离所述水合物层的一端连接，用于为所述水合物层加热并采集分解后的气态水合物。

2.根据权利要求1所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述试验舱体包括上开口式箱体，用于容纳所述试验样品；所述上开口式箱体的顶部设置有盖板，所述盖板设置有第一通孔；

所述应力调控装置包括作动器和容纳舱，所述容纳舱设置于所述盖板的顶部，所述容纳舱的底部开设有第二通孔；所述作动器设置于所述容纳舱内部，且所述作动器的动力输出端贯穿所述第二通孔、所述第一通孔向下形成悬臂作用端；

所述试验舱体的内部还设置有压板，所述压板设置于所述上覆盖层的顶部，所述悬臂作用端与所述压板的顶部抵触设置。

3.根据权利要求2所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述盖板包括第一板状结构和第二板状结构，所述第一板状结构设置于所述第二板状结构上方且所述第一板状结构与所述第二板状结构构成T型结构；所述第一板状结构的面积大于所述上开口式箱体的顶部面积。

4.根据权利要求2所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述上覆盖层的顶部与所述压板平行设置；所述压板的水平面与所述作动器的运动方向垂直设置。

5.根据权利要求1所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述保温装置包覆设置于所述试验舱体的外侧；

所述温度调节装置包括低温控制器和循环管路，所述循环管路贯穿所述保温装置设置；所述低温控制器设置于所述试验舱体的外侧，用于调控所述循环管路内部的液体温度。

6.根据权利要求5所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述温度调节装置为一个或多个；当所述温度调节装置为多个时，多个所述温度调节装置阵列设置于所述试验舱体的周侧。

7.根据权利要求1所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述光纤组件包括水平光纤组，所述水平光纤组包括多条第一光纤，多条所述第一光纤水平交错设置于所述上覆盖层的同一水平面；所述水平光纤组有多组，多组所述水平光纤组依次设置于所述上覆盖层的不同水平高。

8.根据权利要求1所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述开采管路设置有作用部，所述作用部开设有多个射孔，多个所述射孔沿着所述开采管路的周向均匀设置；所述开采管路的末端封闭设置。

9.根据权利要求8所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，其特征在于，所述开采管路包括第一段管路和第二段管路，所述第一段管路贯穿所述上覆盖层设置，所述第二段管路在所述水合物层中水平设置，且所述第二段管路设置于所述水合物层的中间高度位置；多个所述射孔形成的开采区域设置于所述水合物层的水平中间位置。

10.一种模拟水合物热力开采引起地质变形的试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9中任一项所述的模拟水合物热力开采引起地质变形的试验系统，包括以下步骤：

步骤100，温度调节装置将试验舱体内部环境降温至零下15℃；

步骤200，在试验舱体中放置水合物层和上覆盖层；在水合物层和上覆盖层中预埋开采管路；在上覆盖层中光纤组件；

步骤300，将上覆盖层上部分磨平，并放置压板；安装盖板密封试验舱体；安装应力调控装置，为水合物储层和上覆盖层施加地应力到目标值；

步骤400，利用水合物开采系统为水合物层加热，并采出气态水合物， 在储层形成腔体；

步骤500，地质变形监测系统实时监测上覆盖层的变形以及储层腔体形成过程中上覆盖层的变形状态，获取地应力、开采时的温度、开采效率与上覆盖层不同变形状态的映射关系。

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