CN112834357B - 海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法 - Google Patents

海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法。包括气体加压模块、遇水膨胀封隔器模块、排水降压模块、旁压探头测试模块、测量与控制模块，气体加压模块与与旁压探头测试模块连接，遇水膨胀封隔器模块固定于旁压探头测试模块的上方，排水降压模块与旁压探头测试模块连接，测量与控制模块分别与旁压探头测试模块、气体加压模块连接。其测量精度和测量效率高，操作方便，能有效地排除静水压力对测试结果的影响，使测试的结果更加接近海底储层的真实力学状态，能够为天然气水合物开发中长时间尺度下的储层原位蠕变破坏提供理论指导。

Description

海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法。
背景技术
海洋天然气水合物作为一种积聚于海底沉积物中的一种能源，因其分布面广、储量巨大，被认为是未来解决能源危机的重要突破口。海洋天然气水合物的研究经历了勘探发现水合物阶段到实验室合成研究阶段，再到开展工程试采的阶段。开采过程中，水合物的分解会引起储层应力的急剧变化，严重的会导致大面积的海底滑坡、崩塌等地质灾害，研究表明长期的稳定荷载作用也可能对储层造成蠕变破坏。摸清海洋水合物储层蠕变力学性质及其随水合物开采过程的动态变化规律，是准确认识水合物开采过程中，工程地质风险发生、发展及其潜在危害的前提。
由于海底含天然气水合物沉积物存在取样相对困难、样品不易保存、取样成本高等缺陷，目前针对天然气水合物蠕变特性的测试主要在实验室条件下完成，所用的试验仪器大部分是三轴蠕变实验仪，所用的试样主要是通过实验室合成，这些试样的砂砾比主要根据目标海域勘探调查得到的级配曲线进行适配。相较于原位的测试样，实验室合成的试样存在的缺陷主要有：(1)很难得到和原位条件下水合物饱和度相当的试样；(2)试样中的含砂量虽然通过级配曲线进行了配置，但试样中的砂砾排布情况与海底储层存在较大差异，而砂砾的排布情况将影响储层的应力状态，以试样的蠕变情况来代替海底沉积物储层的情况将导致一定的误差。因此为了获取天然气水合物储层真实的蠕变力学参数，对天然气水合物储层的原位蠕变测试就显得很有必要。旁压蠕变测试主要通过对放置于钻孔内的圆柱状旁压探头的分级加压，测试土体/沉积物的横向应力与应变的变化规律，从而达到对所测土体/沉积物基本力学参数进行评价的目的。在工程应用方面，陆地土体的原位旁压蠕变测试较为常见，其原理相对简单，操作方便，易于实现，但目前鲜有专门针对海底天然气水合物沉积物储层特殊工况设计的旁压蠕变试验仪器。
天然气水合物旁压蠕变工况和常规土体旁压蠕变工况在某些方面具有一定相似性，专利公开号CN110749504A公开了一种用于珊瑚砂地基的分区旁压蠕变试验装置及使用方法；专利公开号CN210768587U、CN108952694A分别公开了应用在地质勘探中一种旁压试验装置和一种带空心钻杆的旁压试验装置；专利公开号CN109799144A公开了一种岩土层原位旁压测试装置及方法。就目前公开的解决方案来看，上述技术方案主要针对的工况为陆地上的土层或岩层，测试土体/岩体直接接触空气，仪器的布设相对简单，在该种工况下只要保证对测试土层/岩层尽可能小的扰动，即可得到较为精确的旁压变形测试结果。然而，天然气水合物沉积物储层所处的海底环境比陆地环境复杂得多，主要表现在：(1)处于海底的天然气水合物沉积物储层处于高静水压力的状态，而陆地的测试地层大多直接与空气接触，静水压力的存在可能会对旁压力学结果产生影响；(2)天然气水合物沉积物储层对所处压力环境较为敏感，压力改变和储层扰动都可能导致水合物发生一定的分解，而陆地上即便是冻土层，其对外部环境的敏感性也相对较小；(3)旁压仪器下放到海底的过程中容易受到静水压力、盐度、温度等因素的影响，对仪器的制造材质和抗压强度都提出了较高要求；(4)常规陆地工况下的旁压蠕变仪器布设简单，而海底工况下的旁压蠕变仪器的投放容易受海流扰动影响，对仪器的投放方式和辅助引导装置提出了要求。因此，目前现有的旁压蠕变装置都未考虑海底的复杂工况，同时其装置的材质工艺也不一定能满足海底的工况，在试验装置的精确放置过程中也存在困难，不能适应海底水合物储层旁压蠕变力学测试的需要。
因此，为了评价天然气水合物沉积物原位状态下的蠕变力学性能、追踪其在开采工程中的蠕变破坏规律，亟待提出一种耐腐蚀、便于精确投放、能排除静水压力对蠕变力学发展过程产生影响的解决方案，能在最小扰动情况下准确测试海底天然气水合物储层旁压蠕变力学参数的试验系统，从而为天然气水合物开采中可能发生的蠕变破坏提供理论指导和风险提示，达到促进天然气水合物安全稳定产出的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法，其测量精度和测量效率高，操作方便，能有效地排除静水压力对测试结果的影响，使测试的结果更加接近海底储层的真实力学状态，能够为天然气水合物开发中长时间尺度下的储层原位蠕变破坏提供理论指导。
本发明的技术方案是：一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其中，包括气体加压模块、遇水膨胀封隔器模块、排水降压模块、旁压探头测试模块、测量与控制模块，气体加压模块与与旁压探头测试模块连接，遇水膨胀封隔器模块固定于旁压探头测试模块的上方，排水降压模块与旁压探头测试模块连接，测量与控制模块分别与旁压探头测试模块、气体加压模块连接；
所述旁压探头测试模块包括活塞杆、挡环、应力触探片膨胀外壳、开窗式套管保护罩、液压顶杆、旁压应力触探片和底盘，活塞杆包括相互分离的上活塞杆和下活塞杆，上活塞杆的尺寸大于下活塞杆的尺寸，上活塞杆设置在遇水膨胀封隔器模块中，下活塞杆的顶部固定有挡板，挡板与遇水膨胀封隔器模块固定连接；
下活塞杆的外表面设有应力触探片膨胀外壳，应力触探片膨胀外壳由数块弧形钢板组成，相邻弧形钢板之间通过弹簧连接，应力触探片膨胀外壳的尺寸小于下活塞杆的尺寸，下活塞杆插入应力触探片膨胀外壳内，应力触探片膨胀外壳紧贴在下活塞杆的外表面，各块弧形钢板的外侧分别通过液压顶杆与旁压应力触探片固定连接；
沿下活塞杆的长度方向设有数组旁压应力触探片，每组旁压应力触探片包括沿下活塞杆的环形方向均匀间隔设置的数个旁压应力触探片，相邻旁压应力触探片之间存在间隙，每个旁压应力触探片通过数个液压顶杆与应力触探片膨胀外壳固定连接，旁压应力触探片的外侧设有数个开窗式套管保护罩，开窗式套管保护罩位于相邻两旁压应力触探片之间的间隙的外侧，开窗式套管保护罩的底部与底盘固定连接，旁压应力触探片的外表面设有应力和温度传感器；
位于同一竖直列的液压顶杆之间通过垂向输液管上下连接，下卡环的底部固定设有挡环，挡环内设有数个垂向输液管滑孔，底盘的顶部表面设有数个垂向输液管滑槽，垂向输液管滑孔与垂向输液管滑槽之间呈对应设置，垂向输液管的上端滑动设置在垂向输液管滑孔内，垂向输液管的底端滑动设置在垂向输液管滑槽内，上活塞杆内设有数个输液孔，输液孔的上端通过连接管路与水箱连接，输液孔的底端与垂向输液管的顶端连通；
本发明中，所述遇水膨胀封隔器模块包括环形的遇水膨胀封隔材料、上卡环和下卡环，环形的遇水膨胀封隔材料的内部形成空腔，上活塞杆设置在遇水膨胀封隔材料的环形内腔中，遇水膨胀封隔材料的上方设有上卡环，遇水膨胀封隔材料的下方设有下卡环，上卡环和下卡环与旁压探头测试模块的顶部固定连接；
所述排水降压模块包括水泵和排水管，排水管贯穿活塞杆的中心设置，排水管的顶端与水泵连接，排水管的底端与底盘连接。
所述气体加压模块包括加压气瓶、活塞Ⅰ和水箱，水箱内设有活塞Ⅰ，活塞Ⅰ将水箱分隔为储水室和储气室，储气室通过与加压气瓶连接，储水室与旁压探头测试模块连接。
沿下活塞杆的竖直方向设置上下两组旁压应力触探片，每组旁压应力触探片包括六块沿周向均匀间隔设置的旁压应力触探片，每块旁压应力触探片通过沿竖直方向设置的上、下两个液压顶杆与应力触探片膨胀外壳固定连接。
所述遇水膨胀封隔材料可以为丙烯酸钠、丙烯酰胺、聚酰胺酯、氨基甲酸酯聚合物、聚醚多元醇或聚乙二醇中的一种或数种。
所述液压顶杆包括固定杆和活动杆，固定杆的一端与活动杆的一端滑动连接，固定杆的另一端与弧形钢板的外侧面固定连接，活动杆的另一端与旁压应力触探片固定连接。
所述底盘的侧壁设有数个进水孔，底盘的下部设有进水腔室。底盘在对整个旁压探头测试模块起到支撑作用的同时，对排水管起到了保护作用，防止排水管直接与钻孔底部接触导致堵塞。
在每个旁压应力触探片内均匀布设有数个监测摄像头。监测摄像头可利用集成的激光定位器对旁压应力触探片的特定位置进行监测，从而对旁压应力触探片在加压过程中的膨胀变形进行准确监测。
所述排水管的底部设有可拆卸的带有固定光源的摄像头。排水管随着旁压探头测试模块投放入海的过程中，摄像头用于观察旁压探头测试模块投放时的姿态以及旁压探头测试模块底部的储层环境，便于随时调整仪器的释放，避免旁压探头测试模块底部的堵塞及破坏。
所述旁压探头测试模块还包括外层套管保护罩，外层套管保护罩位于开窗式套管保护罩的外侧，外层套管保护罩的尺寸大于遇水膨胀封隔器模块的最大外径。
本发明还包括利用上述海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统进行试验的方法，其中包括以下步骤:
S1.准备工作，包括试验场地钻孔和试验仪器的准备；
S2.旁压探头测试模块的水下投放与加压测试，包括以下步骤：
S2.1.旁压探头测试模块的水下释放；
S2.2.旁压探头测试模块的水体密封与抽水作业，包括以下步骤：
S2.2.1.利用遇水膨胀封隔材料自身的膨胀密封特性，对钻孔内的水体进行封隔，待遇水膨胀封隔器模块下部水体的静水压力保持长时间不变时，说明遇水膨胀封隔材料已经完全与孔壁贴合达到阻水的作用；
S2.2.2.待遇水膨胀封隔器模块对水体完全密封隔断后，启动地面的水泵，通过排水管排除旁压探头测试模块与钻孔壁间的水体，在此过程中对抽出的水体进行监测，看其是否超出理论预估的体积量，达量后及时停泵；
S2.3.旁压探头测试模块的增压测试，包括以下步骤：
S2.3.1.测试旁压应力触探片上各传感器是否正常工作，通过地面的接收设备对各连接线的接通情况进行测试；
S2.3.2.在上述步骤检查无误后，对水箱进行加压，待压力稳定后，水箱向旁压探头测试模块进行加压；
S2.3.3.对旁压探头测试模块加压的过程中，对旁压应力触探片的膨胀进行实时的监测；
S2.3.4.通过对旁压应力触探片的压力监测，使旁压应力触探片的压力达到预设的压力值，并保持该压力值不变；
S2.3.5.根据设定的不同组的旁压值，重复步骤2.3.1—2.3.4，测试不同旁压作用下海底天然气水合物沉积物储层的蠕变力学特性；
S3.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录与处理。
该方法中，上述S2.1包括以下步骤：
S2.1.1.定位到预钻好的钻孔，下放外层套管保护罩到指定深度，外层套管保护罩的直径大于遇水膨胀封隔器模块的最大外径，在释放过程中监测储层内部天然气水合物的分解情况，以最小速度缓慢进行下放，减少对储层的扰动；
S2.1.2.将应力触探片膨胀外壳、开窗式套管保护罩和底盘通过已经下放到位的外层套管保护罩的内腔进行下放，通过安装于排水管底部的摄像头实时监测并及时调整下放的姿势、以及底部障碍物的避让；
S2.1.3.沿着排水管下放活塞杆，利用活塞杆的自身重量或者在活塞杆的顶部加载的方式，将下活塞杆插入应力触探片膨胀外壳的弧形钢板内，应力触探片膨胀外壳向外扩张的同时，旁压应力触探片在垂向输液管的导向作用下向外撑开；
S2.1.4.待旁压探头测试模块顺利下放到指定深度的储层后，将外层套管保护罩缓慢抽离测试段储层，在取出外层套管保护罩的过程中，通过安装于排水管底部的摄像头实时监控外层套管保护罩取出是否改变旁压探头测试模块的姿态。
上述S3包括以下步骤：
S3.1.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录，包括以下步骤：
S3.1.1.在利用水箱内的液压油给液压顶杆加压的过程中，实时记录充入的液体体积；
S3.1.2.记录旁压应力触探片与孔壁压力发生变化的数据，包括压力值和对应的时间点；
S3.1.3.记录储层表面各位置处的温度变化数据；
S3.1.4记录孔壁蠕变过程中，为了保证旁压应力触探片与孔壁压力不变而进行加压导致液压顶杆长度的变化数据；
S3.2.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的粗处理，包括以下步骤：
S3.2.1.绘制液压顶杆长度随时间的变化曲线，初步分析天然气水合物储层的蠕动变形规律；
S3.2.2.绘制不同深度储层温度随时间的变化曲线，初步分析判断天然气水合物储层在蠕动变形过程中是否存在水合物的分解；
S3.2.3.分析不同时刻间液压顶杆长度与开始对储层作用时液压顶杆长度的变化量，为蠕变相关参数的回归分析做准备。
本发明的有益效果是：
(1)测量精度高，操作方便；
(2)原理简单，测试效率高：采用测量液压顶杆伸缩位移的方式间接测量储层水平向的蠕动变形情况，较现有的测量探头体积变化来推求储层横向蠕变特性的方法更为简单方便；
(3)适应性强，在考虑了海底的特殊工况后，对装置进行了耐腐蚀处理，其可多次重复利用；
(4)通过在旁压探头测试模块的顶部设置遇水膨胀封隔器模块，可在旁压探头测试模块的顶部有效坐封钻孔内水体，联合排水降压模块，有效地排除静水压力对测试结果的影响，使得测量结果更为精确。
综上所述，通过实时监测储层侧向蠕动变形规律、温度变化情况，定量研究天然气水合物储层对不同侧向压力作用下的蠕动应变响应机制，从而使测试的结果更加接近海底储层的真实力学状态，能够为天然气水合物开发中长时间尺度下的储层原位蠕变破坏提供理论指导，同时也可为开发方案的设计提供有益的风险提示。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是遇水膨胀封隔器模块和旁压探头测试模块的结构示意图；
图3是图2中的A-A向剖视图；
图4是图2中的B-B向剖视图；
图5是底盘的俯视结构示意图；
图6是遇水膨胀封隔器模块和旁压探头测试模块的剖视结构示意图；
图7是挡板的俯视结构示意图；
图8是旁压应力触探片内的摄像头布设的结构示意图。
图中：1加压气瓶；2活塞Ⅰ；3水箱；4水泵；5旁压探头测试模块；6控制器；7电脑；8垂向输液管；9底盘；1001上活塞杆；1002下活塞杆；11遇水膨胀封隔材料填充舱；12排水管；13螺杆孔；14旁压应力触探片；15开窗式套管保护罩；16外层套管保护罩；17液压顶杆；18应力触探片膨胀外壳；19垂向输液管滑槽；20上卡环；21遇水膨胀封隔材料；22下卡环；23挡板；24应力和温度传感器；25监测摄像头；26输液管滑孔。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，包括气体加压模块、遇水膨胀封隔器模块、排水降压模块、旁压探头测试模块5、测量与控制模块，气体加压模块与与旁压探头测试模块连接，气体加压模块主要用于对液体提供压力，并将液体压入旁压探头测试模块内，为旁压探头测试模块提供压力支持。遇水膨胀封隔器模块位于旁压探头测试模块的上方，遇水膨胀封隔器模块主要用于将旁压探头测试模块与其他的水体隔绝。排水降压模块与旁压探头测试模块连接，旁压探头测试模块进入预定位置后，遇水膨胀封隔器模块对旁压探头测试模块进行隔断密封，通过排水降压模块对旁压探头测试模块处的水体进行排水作业，其设计目的是去除静水压力对旁压蠕变测试结果的影响，便于快速完成对储层的测试工作。测量与控制模块主要对旁压探头测试模块的压力进行测量与调控，同时对旁压探头测试模块的位移变化数据、温度测量数据等进行实时记录与处理。旁压探头测试模块对旁压作用下的海底天然气水合物蠕动变形和测试处的温度进行实时监测，并将蠕动变形的监测数据与温度监测数据实时上传至地面的控制器进行处理。测量与控制模块分别与旁压探头测试模块、气体加压模块连接。
气体加压模块包括加压气瓶1、活塞Ⅰ2和水箱3，加压气瓶1的内装气体主要为氮气，水箱3内设有活塞Ⅰ2，活塞Ⅰ2将水箱3分隔为储水室和储气室，储气室通过连接管路与加压气瓶1连接，储气室与加压气瓶1的连接管路上设有控制阀Ⅰ，储水室通过连接管路与旁压探头测试模块连接。控制阀Ⅰ开启时通过对水箱3内部的储气室充气，推动活塞Ⅰ2运动，将水箱17内的液压油压缩，在设定的压力机制下对旁压探头测试模块加压，即向旁压探头测试模块注入液压油。气体加压模块采用自动化控制，加压与否由测量与控制模块根据旁压探头测试模块回传的应力、位移数据进行控制。
如图2和图6所示，遇水膨胀封隔器模块包括环形的遇水膨胀封隔材料21、上卡环20和下卡环22，环形的遇水膨胀封隔材料21的内部形成空腔，遇水膨胀封隔材料21可以为丙烯酸钠、丙烯酰胺、聚酰胺酯、氨基甲酸酯聚合物、聚醚多元醇或聚乙二醇中的一种或几种。遇水膨胀封隔材料21的上方设有上卡环20，遇水膨胀封隔材料21的下方设有下卡环22，遇水膨胀封隔材料21被固定在上卡环20和下卡环22之间，同时上卡环20和下卡环22分别通过螺栓与旁压探头测试模块的顶部固定连接，从而实现了遇水膨胀封隔器模块与旁压探头测试模块的固定连接。遇水膨胀封隔器模块的所有金属部件均进行耐盐雾腐蚀漆处理，具有高抗腐蚀、抗老化特性，部件可重复多次利用。遇水膨胀封隔材料21吸水膨胀，对旁压探头测试模块的顶部与外界水体之间进行隔断密封。
如图2至图8所示，旁压探头测试模块包括活塞杆、挡环23、应力触探片膨胀外壳18、开窗式套管保护罩15、液压顶杆17、旁压应力触探片14和底盘9，活塞杆10包括相互分离的上活塞杆1001和下活塞杆1002，上活塞杆1001的尺寸大于下活塞杆1002的尺寸，上活塞杆1001呈较粗的实心状，其设置在遇水膨胀封隔材料21的环形内腔中。下活塞杆1002的下端为细长的空心状，下活塞杆1002的顶部与挡环23固定连接。挡环23、下卡环22、上活塞杆1001和上卡环20之间通过螺杆固定连接，对应的在挡环23、下卡环22、上活塞杆1001和上卡环20内均设有螺杆孔13。通过挡环23与遇水膨胀封隔器模块之间的固定连接，实现了旁压探头测试模块与遇水膨胀封隔器模块之间的固定连接。
下活塞杆1002的外表面设有应力触探片膨胀外壳18，应力触探片膨胀外壳18由数块弧形钢板组成，相邻弧形钢板之间通过弹簧连接，从而围成一个环形封闭的外壳，应力触探片膨胀外壳18的尺寸小于活塞杆下端的尺寸，在上活塞杆1001的重力推动作用下，下活塞杆1002插入应力触探片膨胀外壳18内时，各弧形钢板受到了活塞杆向外的挤压力，从而使整个应力触探片膨胀外壳18向外扩张，实心的上活塞杆1001可以增大活塞杆的重量，便于下活塞杆1002插入应力触探片膨胀外壳内，在弹簧的弹力作用下，应力触探片膨胀外壳18紧贴在下活塞杆1002的外表面。各块弧形钢板的外侧分别通过液压顶杆17与旁压应力触探片14连接。液压顶杆17包括固定杆和活动杆，活动杆可以沿固定杆滑动，固定杆的一端与活动杆的一端滑动连接，固定杆的另一端与弧形钢板的外侧面固定连接，活动杆的另一端与旁压应力触探片14固定连接。固定连接的方式可增加其稳定性，并能减少由于液压顶杆13作用形成应力集中导致触探片膨胀外壳的破坏。本发明可通过更换不同尺寸的活塞杆的方式来适应不同井径的测量需要，适应性更强。
沿下活塞杆1002的长度方向设有数组旁压应力触探片，每组旁压应力触探片包括沿下活塞杆1002的环形方向均匀间隔设置的数个旁压应力触探片14，相邻两旁压应力触探片14之间存在一定的间隙，每个旁压应力触探片14通过沿竖直方向设置的数个液压顶杆17与应力触探片膨胀外壳18固定连接。旁压应力触探片14的外侧设有数个开窗式套管保护罩15，开窗式套管保护罩15位于相邻两旁压应力触探片14之间的间隙的外侧，开窗式套管保护罩15的底部与底盘9固定连接，本实施例中，开窗式套管保护罩15与底盘9为一体式结构，以保证旁压探头测试模块在海底的稳定性，旁压探头测试模块下放过程中，保护旁压应力触探片14免收损坏。旁压应力触探片14的外表面埋设有应力和温度传感器24。在对水箱3充气过程中，推动活塞Ⅰ2压缩水箱内的液压油，从而对液压顶杆17进行加压，推动旁压应力触探片14向外侧运动的同时压缩侧向的水合物储层，使水合物储层产生蠕动变形。
本实施例中，沿下活塞杆1002的竖直方向设置上下两组旁压应力触探片，每组旁压应力触探片包括六块沿周向均匀间隔设置的旁压应力触探片14。每块旁压应力触探片14通过沿竖直方向设置的上、下两个液压顶杆17与应力触探片膨胀外壳18固定连接。
底盘9具有一定的厚度，且底盘9的侧壁设有数个进水孔，且底盘9的下部设有进水腔室，底盘9在对整个旁压探头测试模块起到支撑作用的同时，对排水降压模块起到了保护作用，防止排水降压模块直接与钻孔底部接触导致堵塞。
下活塞杆1002插入应力触探片膨胀外壳18过程中，为了控制旁压应力触探片在径向的扩张方向，位于同一竖直列的液压顶杆17之间通过垂向输液管8上下连接，垂向输液管8一方面可以对液压探杆进行液压油的供给，其液压油的供给由气体加压模块控制，另一方面通过垂向输液管8对液压顶杆17起到了支撑作用，并对液压顶杆17和旁压应力触探片14的扩张方向起到了导向作用。
如图7所示，挡环23内设有数个垂向输液管滑孔26，如图5所示，底盘9的顶部表面设有数个垂向输液管滑槽19，垂向输液管滑孔26与垂向输液管滑槽19之间呈对应设置，垂向输液管8的上端滑动设置在垂向输液管滑孔26内，垂向输液管8的底端滑动设置在垂向输液管滑槽19内，应力触探片膨胀外壳18带动旁压应力触探片14向外扩张的过程中，由于垂向输液管只能沿垂向输液管滑孔26与垂向输液管滑槽19滑动，因此对旁压应力触探片14的扩张方向起到了导向作用。本申请中，上活塞杆1001内设有数个输液孔，输液孔的上端通过连接管路与水箱3连接。当下活塞杆1002完全插入应力触探片膨胀外壳18中时，垂向输液管8的顶端与输液孔的底端连通，此时水箱3内的液压油才可以通过垂向输液管流入液压顶杆17内。本发明中，挡环23可以与下挡环22呈一体式结构。
如图8所示，在每个旁压应力触探片14内均匀布设有数个监测摄像头25，,监测摄像头25可利用集成的激光定位器对旁压应力触探片14的特定位置进行监测，从而对旁压应力触探片14在加压过程中的膨胀变形进行准确监测。理想情况下的旁压应力触探片14需要保证径向的膨胀特性的一致性，通过设置检测摄像头25，可以避免因局部膨胀不均匀导致旁压应力触探片14的受力不均匀。
旁压探头测试模块还包括外层套管保护罩16，外层套管保护罩16位于开窗式套管保护罩15的外侧，外层套管保护罩16的尺寸大于遇水膨胀封隔器模块的最大外径。外层套管保护罩16在应力触探片膨胀外壳18、开窗式套管保护罩15和底盘9下放至钻孔的过程中起到了引导作用。
排水降压模块包括水泵4和排水管12，该模块在进行测试时与遇水膨胀封隔器模块协同工作，遇水膨胀封隔器模块对水体进行完全封隔后，排水降压模块才开始工作。排水管12贯穿旁压探头测试模块5的中心设置，排水管12的顶端与水泵4连接，排水管12的底端与底盘9连接，旁压探头测试模块进入预定位置后，遇水膨胀封隔器模块对水体进行隔断密封后，通过排水管12对旁压探头测试模块与钻孔孔壁之间的水体进行排水作业，以保证液体快速注入液压顶杆内，排除静水压力对测试结果的影响。排水管12的底部设有可拆卸的带有固定光源的摄像头，排水管12随着旁压探头测试模块投放入海的过程中，摄像头用于观察旁压探头测试模块投放时的姿态以及旁压探头测试模块底部的储层环境，便于随时调整仪器的释放，避免旁压探头测试模块底部的堵塞及破坏。
测量与控制模块包括电脑7和控制器6，控制器6对旁压探头测试模块5回传的温度、应力、位移等数据进行处理，并根据处理结果反馈给气体加压模块，进行压力补偿的后续操作。
本发明还包括利用上述海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统进行试验的方法，该方法包括以下步骤。
第一，准备工作，包括以下详细步骤。
步骤1.1，试验场地钻孔和试验仪器的准备，包括以下详细步骤：
1.1.1.在目标海域钻探设定深度的钻孔，钻孔的孔径根据旁压探头测试模块与外层套管保护罩16的尺寸综合确定，在钻探过程中尽量以缓慢速度进行钻进，以免钻头的高速旋转与储层产生较大摩擦，导致对储层较大的扰动；
1.1.2.对旁压探头测试模块的主要仪器进行组装，通过对钻孔情况的分析估算需要的加压液体量，准备经过估算的液压油备用，同时准备好一定数量的氮气加压气瓶1作为试验开始时的气体压力提供源；
1.1.3.对组装好的试验仪器进行标定和密封性检查，对水箱3进行通气观察活塞Ⅰ2的密封性，对液压顶杆17压入液压油，检查其膨胀特性与密封性；
第二、旁压探头测试模块的水下投放与加压测试，包括以下详细步骤。
步骤2.1.旁压探头测试模块的水下释放，具体包括以下详细步骤：
2.1.1.定位到预钻好的钻孔，下放外层套管保护罩16到指定深度，在释放过程中监测储层内部天然气水合物的分解情况，尽量以最小速度缓慢进行下放，减少对储层的扰动；
2.1.2.将应力触探片膨胀外壳18、开窗式套管保护罩15和底盘9通过已经下放到位的外层套管保护罩16的内腔进行下放，通过安装于排水管12底部的摄像头实时监测并及时调整下放的姿势、以及底部障碍物的避让，整个下放过程应遵循缓慢、轻盈、对储层扰动小的原则；
2.1.3.上述步骤完成后，沿着排水管12下放活塞杆，利用活塞杆10的自身重量或者在活塞杆的顶部加载的方式，将下活塞杆1002插入应力触探片膨胀外壳18的弧形钢板内，应力触探片膨胀外壳18向外扩张的同时，旁压应力触探片14在垂向输液管8的导向作用下向外撑开；
2.1.4.待旁压探头测试模块顺利下放到指定深度的储层后，将外层套管保护罩16缓慢抽离测试段储层，在取出外层套管保护罩16的过程中，通过安装于排水管12底部的摄像头实时监控外层套管保护罩16取出是否改变旁压探头测试模块的姿态，取出的过程中应避免对储层的较大扰动；
步骤2.2.旁压探头测试模块的水体密封与抽水作业，具体包括以下详细步骤：
2.2.1.在外层套管保护罩16抽离测试储层后，利用遇水膨胀封隔材料21自身的膨胀密封特性，对钻孔内的水体进行封隔，待遇水膨胀封隔器模块下部水体的静水压力保持长时间不变时，说明遇水膨胀封隔材料21已经完全与孔壁贴合达到阻水的作用，整个封隔过程可以通过在钻孔内放入水下相机对遇水膨胀封隔材料21的膨胀进程进行实时的监测；
2.2.2.待遇水膨胀封隔器模块对水体完全密封隔断后，启动地面的水泵4，通过排水管12排除旁压探头测试模块与钻孔壁间的水体，在此过程中对抽出的水体进行监测，看其是否超出理论预估的体积量，达量后及时停泵，避免过抽导致腔内形成负压；
步骤2.3.旁压探头测试模块的增压测试，具体包括以下详细步骤：
2.3.1.测试旁压应力触探片上各传感器是否正常工作，通过地面的接收设备对各连接线的接通情况进行测试；
2.3.2.在上述步骤检查无误后，开启控制阀Ⅰ对水箱3进行加压，待压力稳定后，水箱3向旁压探头测试模块进行加压操作；
2.3.3.对旁压探头测试模块加压的过程中，对旁压应力触探片14的膨胀进行实时的监测，该监测可用通过布设在旁压应力触探片14内的监测摄像25头进行监看，并以此为依据调整加压的速度；
2.3.4.当旁压应力触探片14的压力监测显示压力达到预设的压力时，调整地面控制箱内的加压阀，然后调低加压气瓶1的加压阀，查看旁压应力触探片14的压力是否有变化，如果有变化则说明其未达到相应的稳定状态，应调大地面气罐的加压阀，并打开控制箱与旁压探头测试模块的加压阀对液压顶杆17继续加压，直到其达到设定的压力值保持不变为止；
2.3.5.根据设定的不同组的旁压值，重复步骤2.3.1—2.3.4，测试不同旁压作用下海底天然气水合物沉积物储层的蠕变力学特性，探究不同横向压力下储层的蠕变破坏机理。
第三、天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录与处理，包括以下详细步骤：
步骤3.1.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录，包括以下详细步骤：
3.1.1在利用水箱3内的液压油给旁压增压舱液压顶杆加压的过程中，通过流量表实时记录充入的液体体积；
3.1.2记录旁压应力触探片14与孔壁压力发生变化的数据，主要包括压力值和对应的时间点，该数据对定性和定量分析储层的蠕变情况至关重要；
3.1.3记录储层表面各位置处的温度变化数据，该数据可作为回归分析蠕变本构方程相关参数的变量，以及粗略判断整个试验过程中储层是否发生水合物分解的依据；
3.1.4记录孔壁蠕变过程中，为了保证旁压应力触探片14与孔壁压力不变而进行加压导致液压顶杆17长度的变化数据，该数据可转化为孔壁在径向的形变数据，用于研究储层横向的蠕动变形特征；
步骤3.2.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的粗处理，包括以下详细步骤：
3.2.1绘制液压顶杆长度随时间的变化曲线，初步分析天然气水合物储层的蠕动变形规律；
3.2.2绘制不同深度储层温度随时间的变化曲线，初步分析判断天然气水合物储层在蠕动变形过程中是否存在水合物的分解；
3.2.3分析不同时刻间液压顶杆长度与开始对储层作用时液压顶杆长度的变化量，为蠕变相关参数的回归分析做准备。
综上，本发明充分考虑了海底天然气水合物储层所处工况的复杂性、试验仪器投放的困难性，针对这些因素设计了用于该种工况下的特定旁压蠕变试验系统，其能实时监测海底天然气水合物储层在特定应力作用下的蠕动变形规律，基于该测试数据可用于推导的储层的蠕变本构方程，进而可用于长时间尺度下的储层蠕动变形破坏预测。
以上对本发明所提供的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，包括气体加压模块、遇水膨胀封隔器模块、排水降压模块、旁压探头测试模块、测量与控制模块，气体加压模块与旁压探头测试模块连接，遇水膨胀封隔器模块固定于旁压探头测试模块的上方，排水降压模块与旁压探头测试模块连接，测量与控制模块分别与旁压探头测试模块、气体加压模块连接；
所述旁压探头测试模块包括活塞杆、挡板（23）、应力触探片膨胀外壳（18）、开窗式套管保护罩（15）、液压顶杆（17）、旁压应力触探片（14）和底盘（9），活塞杆包括相互分离的上活塞杆（1001）和下活塞杆（1002），上活塞杆（1001）的尺寸大于下活塞杆（1002）的尺寸，上活塞杆（1001）设置在遇水膨胀封隔器模块中，下活塞杆（1002）的顶部固定有挡板（23），挡板（23）与遇水膨胀封隔器模块固定连接；
下活塞杆（1002）的外表面设有应力触探片膨胀外壳（18），应力触探片膨胀外壳（18）由数块弧形钢板组成，相邻弧形钢板之间通过弹簧连接，应力触探片膨胀外壳（18）的尺寸小于下活塞杆（1002）的尺寸，下活塞杆（1002）插入应力触探片膨胀外壳（18）内，应力触探片膨胀外壳（18）紧贴在下活塞杆（1002）的外表面，各块弧形钢板的外侧分别通过液压顶杆（17）与旁压应力触探片（14）固定连接；
沿下活塞杆（1002）的长度方向设有数组旁压应力触探片，每组旁压应力触探片包括沿下活塞杆（1002）的环形方向均匀间隔设置的数个旁压应力触探片（14）， 相邻两旁压应力触探片（14）之间存在间隙，每个旁压应力触探片（14）通过数个液压顶杆（17）与应力触探片膨胀外壳（18）固定连接，相邻两旁压应力触探片（14）之间的间隙的外侧设有开窗式套管保护罩（15），开窗式套管保护罩（15）的底部与底盘（9）固定连接，旁压应力触探片（14）的外表面设有应力和温度传感器（24）；
位于同一竖直列的液压顶杆（17）之间通过垂向输液管（8）上下连接，挡板（23）内设有数个垂向输液管滑孔（26），底盘（9）的顶部表面设有数个垂向输液管滑槽（19），垂向输液管滑孔（26）与垂向输液管滑槽（19）之间呈对应设置，垂向输液管（8）的上端滑动设置在垂向输液管滑孔（26）内，垂向输液管（8）的底端滑动设置在垂向输液管滑槽（19）内，上活塞杆（1001）内设有数个输液孔，输液孔的上端通过连接管路与水箱（3）连接，输液孔的底端与垂向输液管（8）的顶端连通；
所述遇水膨胀封隔器模块包括环形的遇水膨胀封隔材料（21）、上卡环（20）和下卡环（22），环形的遇水膨胀封隔材料（21）的内部形成空腔，上活塞杆（1001）设置在遇水膨胀封隔材料（21）的环形内腔中，遇水膨胀封隔材料（21）的上方设有上卡环（20），遇水膨胀封隔材料（21）的下方设有下卡环（22），上卡环（20）和下卡环（22）与旁压探头测试模块的顶部固定连接；
所述排水降压模块包括水泵（4）和排水管（12），排水管（12）贯穿活塞杆中心设置，排水管（12）的顶端与水泵（4）连接，排水管（12）的底端与底盘（9）连接，并穿穿过底盘（9）顶部。
2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，所述气体加压模块包括加压气瓶（1）、活塞Ⅰ（2）和水箱（3），水箱（3）内设有活塞Ⅰ（2），活塞Ⅰ（2）将水箱（3）分隔为储水室和储气室，储气室通过与加压气瓶（1）连接，储水室与旁压探头测试模块连接。
3.根据权利要求1所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，所述液压顶杆（17）包括固定杆和活动杆，固定杆的一端与活动杆的一端滑动连接，固定杆的另一端与弧形钢板的外侧面固定连接，活动杆的另一端与旁压应力触探片（14）固定连接。
4.根据权利要求1所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，所述底盘（9）的侧壁设有数个进水孔，底盘（9）的下部设有进水腔室。
5.根据权利要求1所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，在每个旁压应力触探片（14）内均匀布设有数个监测摄像头（25）；所述排水管（12）的底部设有可拆卸的带有固定光源的摄像头。
6.根据权利要求1所述的海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统，其特征在于，所述旁压探头测试模块还包括外层套管保护罩（16），外层套管保护罩（16）位于开窗式套管保护罩（15）的外侧，外层套管保护罩（16）的尺寸大于遇水膨胀封隔器模块的最大外径。
7.一种利用上述权利要求1-6任一权利要求所述海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1.准备工作，包括试验场地钻孔和试验仪器的准备；
S2.旁压探头测试模块的水下投放与加压测试，包括以下步骤：
S2.1.旁压探头测试模块的水下释放；
S2.2.旁压探头测试模块的水体密封与抽水作业，包括以下步骤：
S2.2.1.利用遇水膨胀封隔材料自身的膨胀密封特性，对钻孔内的水体进行封隔；
S2.2.2.待遇水膨胀封隔器模块对水体完全密封隔断后，启动地面的水泵，通过排水管排除旁压探头测试模块与钻孔壁间的水体；
S2.3.旁压探头测试模块的增压测试，包括以下步骤：
S2.3.1.测试旁压应力触探片上各传感器是否正常工作；
S2.3.2.对水箱进行加压，待压力稳定后，水箱向旁压探头测试模块进行加压；
S2.3.3.对旁压探头测试模块加压的过程中，对旁压应力触探片的膨胀进行实时的监测；
S2.3.4.通过对旁压应力触探片的压力监测，使旁压应力触探片的压力达到预设的压力值，并保持该压力值不变；
S2.3.5.根据设定的不同组的旁压值，重复步骤2.3.1—2.3.4，测试不同旁压作用下海底天然气水合物沉积物储层的蠕变力学特性；
S3.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录与处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述S2.1包括以下步骤：
S2.1.1.定位到预钻好的钻孔，下放外层套管保护罩到指定深度；
S2.1.2.将应力触探片膨胀外壳、开窗式套管保护罩和底盘通过已经下放到位的外层套管保护罩的内腔进行下放，通过安装于排水管底部的摄像头实时监测并及时调整下放的姿势、以及底部障碍物的避让；
S2.1.3.沿着排水管下放活塞杆，利用活塞杆的自身重量或者在活塞杆的顶部加载的方式，将下活塞杆插入应力触探片膨胀外壳的弧形钢板内，应力触探片膨胀外壳向外扩张的同时，旁压应力触探片在垂向输液管的导向作用下向外撑开；
S2.1.4.待旁压探头测试模块顺利下放到指定深度的储层后，将外层套管保护罩缓慢抽离测试段储层，在取出外层套管保护罩的过程中，通过安装于排水管底部的摄像头实时监控外层套管保护罩取出是否改变旁压探头测试模块的姿态。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述S3包括以下步骤：
S3.1.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的记录，包括以下步骤：
S3.1.1.在利用水箱内的液压油给液压顶杆加压的过程中，实时记录充入的液体体积；
S3.1.2.记录旁压应力触探片与孔壁压力发生变化的数据，包括压力值和对应的时间点；
S3.1.3.记录储层表面各位置处的温度变化数据；
S3.1.4记录孔壁蠕变过程中，为保证旁压应力触探片与孔壁压力不变而进行加压导致液压顶杆长度的变化数据；
S3.2.天然气水合物沉积物储层旁压蠕变力学数据的处理。
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