CN113958292A - 一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置及其使用方法，通过深海天然气水合物开采地层失稳机理模拟试验装置与供给部以及出料部结合，有效模拟深海天然气水合物开采过程，并通过数据采集处理组件清楚记录水合物储层变形失稳的全过程，可以有效揭示水合物储层变形失稳的机理，分析影响水合物地层开采过程中变形失稳的深层原因，探讨了目前深海天然气水合物开采过程海底地层变形控制方法及对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考，本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，地层变形失稳过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

Description

一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油天然气、生态环境技术领域，具体而言，涉及一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置及其使用方法。

背景技术

天然气水合物，俗称可燃冰，是一种由天然气和水在低温和高压条件下形成的似冰状笼型结晶化合物，广泛分布于高纬度极地冻土地层和海洋湖泊等深水地层中，具有储量大和能量密度高等特点，被认为是一种具有巨大战略意义的潜在能源。

赋存于海洋中的含水合物沉积物实际上是一定压力和温度下水合物-地层水-沉积物共存的混合物体系；水合物、地层水和沉积物共同承担上覆地层应力，水合物开采过程实际是打破现有的力学平衡，必然引发一系列的工程地质问题。天然气水合物开采过程中水合物、地层水和沉积物体系的变化主要表现在：1)人工抽取地层流体降低了地层孔隙压力，改变原有体系中应力分布格局，沉积物上的有效应力增加，储层孔隙空间被压缩，改变流体渗流通道，影响气水运移，可能造成地层变形、坍塌、井筒断裂等；2)开采使固态水合物分解为甲烷和水，地层失去水合物的支撑作用，含水合物沉积物强度降低，地层稳定性变差，加剧地层变形；3)海洋水合物赋存区通常为一定角度的海底斜坡，开采可能导致斜坡上形成一定范围的软弱带，沉积物沿着剪切破坏面滑移造成海底滑坡。大部分水合物试采均出现不同程度的塌陷、沉降问题。中国南海海域的水合物以分散方式或弱胶结方式充填在泥质沉积物孔隙中，在水合物分解过程中可能会引起地层的沉降变形或海底地层滑动，严重制约深海天然气水合物的开采效率，增加其开采成本，影响其商业化进程。揭示水合物开采过程中地层的变形规律，分析水合物开采地层变形的内在因素，为后续工业化大规模开采水合物研究和工程应用提供参考。研究水合物开采过程中的出地层沉降及变形失稳问题对于我国经济高效开发深海水合物资源有现实意义。

发明内容

根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

根据本发明的实施例的第一目的在于提供一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置及其使用方法。

发明第一方面的实施例提供了一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，包括：试验箱；试验模型，安装在试验箱内部，所述试验模型内部安装有模拟开采井；出料部，所述出料部的进料端通过管道固定连接所述模拟开采井的出料端；数据采集处理组件，所述数据采集处理组件的采集端设置在所述试验模型内部；供给部，所述供给部包括：供水单元，所述供水单元的出水端与所述试验模型相连接。

根据本发明提供的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，通过深海天然气水合物开采地层失稳机理模拟试验装置与供给部以及出料部结合，有效模拟深海天然气水合物开采过程，并通过数据采集处理组件清楚记录水合物储层变形失稳的全过程，可以有效揭示水合物储层变形失稳的机理，分析影响水合物地层开采过程中变形失稳的深层原因，探讨了目前深海天然气水合物开采过程海底地层变形控制方法及对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考，本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，地层变形失稳过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述任一技术方案中，所述试验模型包括：釜体，所述釜体下表面固定连接试验箱内壁底端，所述釜体内部由下到上依次纵向安装底盖、下盖层、水合物层、上盖层、水溶性模型板、海水层和顶盖，所述模拟开采井分别贯穿所述水合物层、所述上盖层和所述水溶性模型板，所述模拟开采井顶端延伸至海水层内部，所述模拟开采井底端延伸至所述水合物层内部，其中，所述水溶性模型板采用柔性材料，且根据所模拟的海底地层的沉积角度进行铺设，所述水溶性模型板覆盖在所述上盖层上，以使水合物层和上盖层在试验前保持结构稳定，所述底盖设置有地震波模拟装置，以模拟地震等动载荷对模拟地层的影响。

在该技术方案中，采用层叠的方式逐层安装和放置底盖、下盖层、水合物层、上盖层、水溶性模型板、海水层和顶盖，使得每层的结构都更加整洁和层级分明，避免整体的放置和安装在安装后出现分层面不明显，各个相邻层之间出现相互混料的情况，模拟开采井为纵向安装设置，模拟实际开采中设置的水下开采井，一端置于海水内，另一端置于开采抽取的物料层内，使得整个试验更加贴近实际的应用环境，水溶性模型板倾斜角度可根据实验中具体的模拟海床地形，进行针对性的设置，注入海水层后，水溶性模型板逐渐溶解以模拟海底沉积地层，水溶性模型板采用现有的市售水溶性薄膜，设置有地震波模拟装置，可以模拟地震等动载荷对模拟地层的影响。

上述任一技术方案中，所述供给部还包括：供气单元，所述供气单元设置在所述出料部与所述模拟开采井的连接管道上，所述供气单元包括：回压阀和与回压阀通过管道连通的第一高压气瓶，所述回压阀固定连接在所述出料部与所述模拟开采井的连接管道；第二高压气瓶，所述第二高压气瓶的出气端设置在水合物层。

在该技术方案中，通过回压阀和第一高压气瓶的配合进行压力配置，使得在模拟开采井进口的压力与水合物层的设计使用压力差不同时，可进行第一高压气瓶的压力调节，避免出现物料抽取不出或者物料直接喷涌而出的发生，降低对试验的进展造成阻碍；增设第二高压气瓶可对水合物层进行高压气体输入，增大水合物层内部的压力值，方便模拟海底开采物料层的高压力，有助于试验更加真实，并且可进行输入气体的调节，以便进行各种压力情况的模拟。

上述任一技术方案中，所述数据采集处理组件包括：数据处理模块、电热加热棒、孔隙水压力计和测斜仪，所述电热加热棒的加热端、所述孔隙水压力计的监测端和所述测斜仪监测端分别安装在水合物层内部，所述数据处理模块分别电连接电热加热棒、孔隙水压力计和测斜仪。

在该技术方案中，通过电热加热棒可进行水合物层的提前加热，并通过对电热加热棒的使用功耗进行设置和数据读数，以便每次试验的更改和控制水合物层的温度，通过数据处理模块进行电热加热棒、孔隙水压力计、测斜仪以及其他数据的收集和记录，方便了实验人员的综合对比和考察分析，方便了在多次试验中的总体操作，降低了单一实验所需的时间。

上述任一技术方案中，所述出料部包括：气液分离器，所述气液分离器的进料端通过管道固定连接模拟开采井的顶端。

在该技术方案中，通过气液分流器可进行导出物料的气液分离，以便进行分别称量，方便实验人员的不同物相之间的对比，以便分析在不同情况下的不同物相之间的物料不同，增大了实验的数据分析能力。

上述任一技术方案中，所述数据采集处理组件还包括：第一气体流量计，所述第一气体流量计安装在所述气液分离器的出气端上；天平，所述天平的进料端固定连接所述气液分离器的出液端。

在该技术方案中，通过第一气体流量计可对气液分离器的出气端的导出气体流量进行具体分析，以便进行提起产出的量进行记录和对比；通过天平对气液分离器的出液端流出的液体进行称量，以便得到不同状态下的液体导出量，方便后期额实验数据整体的分析。

上述任一技术方案中，所述数据采集处理组件还包括：第二气体流量计，所述第二气体流量计安装在第二高压气瓶的出气端上。

在该技术方案中，通过第二气体流量计安装在第二高压气瓶的出气端上，可对第二高压气瓶的出气端导出的气体量进行测量，以便计算水合物层内部实际的压力升高值，以便进行多次逐渐的压力升高对比，方便进行实验的不同变量下的记录和对比。

上述任一技术方案中，所述供水单元包括：注水泵和与注水泵通过管道相连接的水箱，所述注水泵的出水端通过管道与釜体侧壁上端相连接，且注水泵和所述釜体内部上端相互连通。

在该技术方案中，由于试验过程中需要保证海水层的持续充沛，而在试验中会出现海水层表面下降的情况，在试验模型内部塌方或者水合物层过度抽取时，通过持续的海水注入可保证水试验模型内部海水层能够一直保持充满的状态，以便对真实的海环境进行模拟。

上述任一技术方案中，还包括：海浪模拟单元，所述海浪模拟单元包括：空气泵和与空气泵通过管道连接的舱体橡胶囊，所述舱体橡胶囊安装在顶盖下表面。

在该技术方案中，通过空气泵对舱体橡胶囊进行反复的充放气，以便对海水进行不同高度的调节，同时进行快速的充放气以便对海水层的带动，海水层能够产生升持续不断的波浪，使得装置内部的实际状况能够更加的贴近开采环境的真实状况。

一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置使用方法，包括如下步骤：

S1、当试验模型需要试验时，通过电热加热棒进行提前加热水合物层，将模拟开采井贯穿水合物层、上盖层和水溶性模型板，且模拟开采井底端延伸至水合物层内部，水合物层内的物料从模拟开采井流出，并进入到气液分离器；

S2、在物料流出过程中，启动空气泵带动舱体橡胶囊反复充气放气，使得海水层表面产生波浪，启动注水泵，保持海水层始终充满釜体、舱体橡胶囊和水溶性模型板围成的空间；

S3、物料在气液分离器进行气液分离，并分别从气液分离器的出气端和出液端排出；

S4、数据处理模块通过孔隙水压力计、测斜仪、第一气体流量计、第二气体流量计和天平的监测数据以及电热加热棒的使用功率进行储存。

在该技术方案中，通过电机热棒进行先行加热，以便水合物层进行先行升温，以便模拟开采的水合物层能够更加靠近真实的开采环境，通过数据处理模块通过孔隙水压力计、测斜仪、第一气体流量计、第二气体流量计和天平的监测数据以及电热加热棒的使用功率进行储存，方便了实验中各种数据的记录和汇总，以便实验人员以更加方便的方式对整个实验进行了解。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的数控电磁阀及其连接结构示意图；

图3为本发明的试验箱及其连接结构示意图。

其中，图1至图3中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1-试验箱、2-釜体、3-顶盖、4-底盖、5-数控电磁阀、6-舱体橡胶囊、7-海水层、8-水溶性模型板、9-上盖层、10-水合物层、11-下盖层、12-电热加热棒、13-孔隙水压力计、14-模拟开采井、15-测斜仪、16-空气泵、17-数据处理模块、18-注水泵、19-第一截止阀、20-第二截止阀、21-第一压力表、22-水箱、23-第一过滤器、24-第二压力表、25-第一背压阀、26-回压阀、27-第一高压气瓶、28-第二背压阀、29-第三背压阀、30-气液分离器、31-第一气体流量计、32-天平、33-第三截止阀、34-第二高压气瓶、35-第三压力表、36-第四背压阀、37-第二过滤器、38-第二气体流量计。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-3，本发明第一方面的实施例提供了一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，包括：试验箱1；试验模型，安装在试验箱1内部，试验模型内部安装有模拟开采井14；出料部，出料部的进料端通过管道固定连接模拟开采井14的出料端；数据采集处理组件，数据采集处理组件的采集端设置在试验模型内部；供给部，供给部包括：供水单元，供水单元的出水端与试验模型相连接。

根据本发明提供的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，通过深海天然气水合物开采地层失稳机理模拟试验装置与供给部以及出料部结合，有效模拟深海天然气水合物开采过程，并通过数据采集处理组件清楚记录水合物储层变形失稳的全过程，可以有效揭示水合物储层变形失稳的机理，分析影响水合物地层开采过程中变形失稳的深层原因，探讨了目前深海天然气水合物开采过程海底地层变形控制方法及对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考，本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，地层变形失稳过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

进一步地，试验箱1选用低温恒温箱，用以降低外部对试验模型的温度干扰，提高装置的模拟真实性。

进一步地，模拟开采井14为装置铺设过程中预先设置好的，方便试验进行。

上述任一实施例中，如图1-3所示，试验模型包括：釜体2，釜体2下表面固定连接试验箱1内壁底端，釜体2内部由下到上依次纵向安装底盖4、下盖层11、水合物层10、上盖层9、水溶性模型板8、海水层7和顶盖3，模拟开采井14分别贯穿水合物层10、上盖层9和水溶性模型板8，模拟开采井14顶端延伸至海水层7内部，模拟开采井14底端延伸至水合物层10内部；其中，水溶性模型板8采用柔性材料，且根据所模拟的海底地层的沉积角度进行铺设，水溶性模型板8覆盖在上盖层9上，以使水合物层10和上盖层9在试验前保持结构稳定，底盖4设置有地震波模拟装置，以模拟地震等动载荷对模拟地层的影响，地震波模拟装具体采用电磁式振动台。

在该实施例中，根据所模拟的海底地层沉积角度，采用层叠的方式逐层安装和放置底盖4、下盖层11、水合物层10、上盖层9、水溶性模型板8，注入海水层7并安装顶盖3，使得每层的结构都更加整洁和层级分明，避免整体的放置和安装在安装后出现分层面不明显，各个相邻层之间出现相互混料的情况，模拟开采井14为纵向安装设置，模拟实际开采中设置的水下开采井，一端置于海水内，另一端置于开采抽取的物料层内，使得整个试验更加贴近实际的应用环境，水溶性模型板倾斜角度可根据实验中具体的模拟海床地形，进行针对性的设置，注入海水层后，水溶性模型板逐渐溶解以模拟海底沉积地层，水溶性模型板采用现有的市售水溶性薄膜，底盖4设置有地震波模拟装置，以模拟地震等动载荷对模拟地层的影响，地震波模拟装具体采用电磁式振动台。

进一步地，釜体2左右侧和后侧由不锈钢材质焊接成型为釜体2不透明部分，前侧面由高压透明材质组成(可为防爆玻璃)，釜体2前侧面、顶盖3、底盖4和釜体2不透明部分通过螺栓和密封垫片及密封胶链接，可方便对釜体2内部的实际情况进行观察，顶盖3和底盖4采用不锈钢板制成，下盖层11和上盖层9采用石英砂、丰浦砂、标准砂、玻璃珠和玻璃柱采用等比例混合压制而成。

进一步地，水合物层10采用去离子的水与水合物层骨料混合，上盖层和下盖层为干燥骨料，铺设好模型，连接好供气供水单元和数据采集单元，排空腔体及管线内的空气，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力和模型温度，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔内充入去离子水，排空腔体内气体；或者将冰粉与水合物层骨料混合，上盖层9和下盖层11为干燥骨料，铺设好模型，连接好供气单元、供水单元和数据处理组件，排空腔体及管线内的空气，升高温度至0℃以上，使冰粉融化，通入纯净甲烷气体，根据水合物相平衡曲线设置并维持甲烷气体压力和模型温度，待压力不在变化时证明试样内水合物完全生成，向试验腔内充入去离子水，排空腔体内气体；或者将水合物粉末与水合物层骨料混合，上盖层9和下盖层11为干燥骨料，铺设好模型，连接好供气供水单元和数据采集单元，排空腔体及管线内的空气，向试验腔内充入去离子水，排空腔体内气体。

上述任一实施例中，如图1-3所示，供给部还包括：供气单元，供气单元设置在出料部与模拟开采井14的连接管道上，供气单元包括：回压阀26和与回压阀26通过管道连通的第一高压气瓶27，回压阀26固定连接在出料部与模拟开采井14的连接管道；第二高压气瓶34，第二高压气瓶34的出气端设置在水合物层10。

在该实施例中，通过回压阀26和第一高压气瓶27的配合进行压力配置，使得在模拟开采井14进口的压力与水合物层10的设计使用压力差不同时，可进行第一高压气瓶27的压力调节，避免出现物料抽取不出或者物料直接喷涌而出的发生，降低对试验的进展造成阻碍；增设第二高压气瓶34可对水合物层10进行高压气体输入，增大水合物层10内部的压力值，方便模拟海底开采物料层的高压力，有助于试验更加真实，并且可进行输入气体的调节，以便进行各种压力情况的模拟，供气单元的出口设置在水合物层10，通过第二高压气瓶34提供甲烷等试验气体用来模拟水合物层骨料孔隙中水合物的生成。

进一步地，回压阀26上设置有第二压力表24，以便对回压阀24内部的压力进行观测。

进一步地，第一高压气瓶27上设置有第一背压阀25，以便对第一高压气瓶27进行开闭和输出压力的调节。

进一步地，第二高压气瓶34出气端上安装有第三压力表35，以便对第二高压气瓶34出气管道进行压力检测，第二高压气瓶34出气管道上还安装有第四背压阀36和第二过滤器37，通过第四背压阀36以便对输出的压力进行调节，加设第二过滤器37可对管道内部的杂志进行拦截，避免杂质流动造成污染。

上述任一实施例中，如图1-3所示，数据采集处理组件包括：数据处理模块17、电热加热棒12、孔隙水压力计13和测斜仪15，电热加热棒12的加热端、孔隙水压力计13的监测端和测斜仪15监测端分别安装在水合物层10内部，数据处理模块17分别电连接电热加热棒12、孔隙水压力计13和测斜仪15。

在该实施例中，通过电热加热棒12可进行水合物层10的提前加热，并通过对电热加热棒12的使用功耗进行设置和数据读数，以便每次试验的更改和控制水合物层10的温度，通过数据处理模块17进行电热加热棒12、孔隙水压力计13、测斜仪15以及其他数据的收集和记录，方便了实验人员的综合对比和考察分析，方便了在多次试验中的总体操作，降低了单一实验所需的时间。

进一步地，数据处理模块17可选用计算机，以便对各种设备进行控制和数据收集。

上述任一实施例中，如图1-3所示，出料部包括：气液分离器30，气液分离器30的进料端通过管道固定连接模拟开采井14的顶端。

在该实施例中，通过气液分流器可进行导出物料的气液分离，以便进行分别称量，方便实验人员的不同物相之间的对比，以便分析在不同情况下的不同物相之间的物料不同，增大了实验的数据分析能力。

上述任一实施例中，如图1-3所示，数据采集处理组件还包括：第一气体流量计31，第一气体流量计31安装在气液分离器30的出气端上；天平32，天平32的进料端固定连接气液分离器30的出液端。

在该实施例中，通过第一气体流量计31可对气液分离器30的出气端的导出气体流量进行具体分析，以便进行提起产出的量进行记录和对比；通过天平32对气液分离器30的出液端流出的液体进行称量，以便得到不同状态下的液体导出量，方便后期额实验数据整体的分析。

进一步地，天平32的进料口通过管道对接回压阀26，可选择直接进行只进行液体的称量，降低数据获取，提高实验结果的简单性，且天平32对接回压阀26的管道上设置有第三背压阀29，以便进行关闭和压力调节，同样的气液分离器30的进料口设置有第二背压阀28，天平32采用带有密封罩的电子天平。

上述任一实施例中，如图1-3所示，数据采集处理组件还包括：第二气体流量计38，第二气体流量计38安装在第二高压气瓶34的出气端上。

在该实施例中，通过第二气体流量计38安装在第二高压气瓶34的出气端上，可对第二高压气瓶34的出气端导出的气体量进行测量，以便计算水合物层10内部实际的压力升高值，以便进行多次逐渐的压力升高对比，方便进行实验的不同变量下的记录和对比。

上述任一实施例中，如图1-3所示，供水单元包括：注水泵18和与注水泵18通过管道相连接的水箱22，注水泵18的出水端通过管道与釜体2侧壁上端相连接，且注水泵18和釜体2内部上端相互连通。

在该实施例中，由于试验过程中需要保证海水层7的持续充沛，而在试验中会出现海水层7表面下降的情况，在试验模型内部塌方或者水合物层10过度抽取时，通过持续的海水注入可保证水试验模型内部海水层7能够一直保持充满的状态，以便对真实的海环境进行模拟。

进一步地，注水泵18与水箱22的连通管道上设置有第一过滤器23，避免水箱22内部的水中杂质影响到海水层内部的模拟实验。

进一步地，水箱22设置有连通釜体2内部的管道，以便将多余的海水及时排回水箱22内，水箱22设置有连通釜体2内部的管道还设置有第三截止阀33，以便进行强制密封和打开。

进一步地，注水泵18的进水端安装有第二截止阀20，注水泵18的出水端安装有第一截止阀19，可对注水泵18的两端口进行强制密封，避免过大的压力冲毁注水泵18内部，注水泵18出水端还安装有第一压力表21，以便进行注水压力的观测。

上述任一实施例中，如图1-3所示，还包括：海浪模拟单元，海浪模拟单元包括：空气泵16和与空气泵16通过管道连接的舱体橡胶囊6，舱体橡胶囊6安装在顶盖3下表面。

在该实施例中，通过空气泵16对舱体橡胶囊6进行反复的充放气，以便对海水进行不同高度的调节，同时进行快速的充放气以便对海水层7的带动，海水层7能够产生升持续不断的波浪，使得装置内部的实际状况能够更加的贴近开采环境的真实状况。

进一步地，舱体橡胶囊6设置两个以上，以便进行从釜体2内部一端到另一端的分别逐个充气，可对海水层表面进行更好地带动，舱体橡胶囊6和空气泵16的连接管道上设置有数控电磁阀5，以便对单独的舱体橡胶囊6进行控制。

一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置使用方法，包括如下步骤：

S1、当试验模型需要试验时，通过电热加热棒12进行提前加热水合物层10，将模拟开采井14贯穿水合物层10、上盖层9和水溶性模型板8，且模拟开采井14底端延伸至水合物层10内部，水合物层10内的物料从模拟开采井14流出，并进入到气液分离器30；

S2、在物料流出过程中，启动空气泵16带动舱体橡胶囊6反复充气放气，使得海水层7表面产生波浪，启动注水泵18，保持海水层7始终充满釜体2、舱体橡胶囊6和水溶性模型板8围成的空间；

S3、物料在气液分离器30进行气液分离，并分别从气液分离器30的出气端和出液端排出；

S4、数据处理模块17通过孔隙水压力计13、测斜仪15、第一气体流量计31、第二气体流量计38和天平32的监测数据以及电热加热棒12的使用功率进行储存。

在该实施例中，通过电机热棒进行先行加热，以便水合物层10进行先行升温，以便模拟开采的水合物层10能够更加靠近真实的开采环境，通过数据处理模块17通过孔隙水压力计13、测斜仪15、第一气体流量计31、第二气体流量计38和天平32的监测数据以及电热加热棒12的使用功率进行储存，方便了实验中各种数据的记录和汇总，以便实验人员以更加方便的方式对整个实验进行了解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，包括：

试验箱(1)；

试验模型，安装在试验箱(1)内部，所述试验模型内部安装有模拟开采井(14)；

出料部，所述出料部的进料端通过管道固定连接所述模拟开采井(14)的出料端；

数据采集处理组件，所述数据采集处理组件的采集端设置在所述试验模型内部；

供给部，所述供给部包括：

供水单元，所述供水单元的出水端与所述试验模型相连接。

2.根据权利要求1所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述试验模型包括：

釜体(2)，所述釜体(2)下表面固定连接试验箱(1)内壁底端，所述釜体(2)内部由下到上依次纵向安装底盖(4)、下盖层(11)、水合物层(10)、上盖层(9)、水溶性模型板(8)、海水层(7)和顶盖(3)，所述模拟开采井(14)分别贯穿所述水合物层(10)、所述上盖层(9)和所述水溶性模型板(8)，所述模拟开采井(14)顶端延伸至海水层(7)内部，所述模拟开采井(14)底端延伸至所述水合物层(10)内部

其中，所述水溶性模型板(8)采用柔性材料，且根据所模拟的海底地层的沉积角度进行铺设，所述水溶性模型板(8)覆盖在所述上盖层(9)上，以使水合物层(10)和上盖层(9)在试验前保持结构稳定；

其中，所述底盖(4)设置有地震波模拟装置，以模拟地震等动载荷对模拟地层的影响。

3.根据权利要求2所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述供给部还包括：

供气单元，所述供气单元设置在所述出料部与所述模拟开采井(14)的连接管道上，所述供气单元包括：

回压阀(26)和与回压阀(26)通过管道连通的第一高压气瓶(27)，所述回压阀(26)固定连接在所述出料部与所述模拟开采井(14)的连接管道；

第二高压气瓶(34)，所述第二高压气瓶(34)的出气端设置在水合物层(10)。

4.根据权利要求3所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集处理组件包括：

数据处理模块(17)、电热加热棒(12)、孔隙水压力计(13)和测斜仪(15)，所述电热加热棒(12)的加热端、所述孔隙水压力计(13)的监测端和所述测斜仪(15)监测端分别安装在水合物层(10)内部，所述数据处理模块(17)分别电连接电热加热棒(12)、孔隙水压力计(13)和测斜仪(15)。

5.根据权利要求1所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述出料部包括：

气液分离器(30)，所述气液分离器(30)的进料端通过管道固定连接模拟开采井(14)的顶端。

6.根据权利要求5所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集处理组件还包括：

第一气体流量计(31)，所述第一气体流量计(31)安装在所述气液分离器(30)的出气端上；

天平(32)，所述天平(32)的进料端固定连接所述气液分离器(30)的出液端。

7.根据权利要求4所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集处理组件还包括：

第二气体流量计(38)，所述第二气体流量计(38)安装在第二高压气瓶(34)的出气端上。

8.根据权利要求2所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，所述供水单元包括：

注水泵(18)和与注水泵(18)通过管道相连接的水箱(22)，所述注水泵(18)的出水端通过管道与釜体(2)侧壁上端相连接，且注水泵(18)和所述釜体(2)内部上端相互连通。

9.根据权利要求1所述的一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置，其特征在于，还包括：

海浪模拟单元，所述海浪模拟单元包括：空气泵(16)和与空气泵通过管道连接的舱体橡胶囊(6)，所述舱体橡胶囊(6)安装在顶盖(3)下表面。

10.一种可燃冰开采地层失稳机理模拟试验装置使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、当试验模型需要试验时，通过电热加热棒(12)进行提前加热水合物层(10)，将模拟开采井(14)贯穿水合物层(10)、上盖层(9)和水溶性模型板(8)，且模拟开采井(14)底端延伸至水合物层(10)内部，水合物层(10)内的物料从模拟开采井(14)流出，并进入到气液分离器(30)；

S2、在物料流出过程中，启动空气泵带动舱体橡胶囊(6)反复充气放气，使得海水层(7)表面产生波浪，启动注水泵(18)，保持海水层(7)始终充满釜体(2)、舱体橡胶囊(6)和水溶性模型板(8)围成的空间；

S3、物料在气液分离器(30)进行气液分离，并分别从气液分离器(30)的出气端和出液端排出；

S4、数据处理模块(17)通过孔隙水压力计(13)、测斜仪(15)、第一气体流量计(31)、第二气体流量计(38)和天平(32)的监测数据以及电热加热棒(12)的使用功率进行储存。

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