CN114215510A - 一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，提出了一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置。该天然气水合物开采模拟装置包括外部壳体、高压反应釜、可视窗、温度控制系统、压力控制系统、开采井和高速摄像系统；利用鼓式离心机创造超重力场进行模拟天然气水合物储层的真实环境，进行实现天然气水合物降压开采实验模拟，能够较好地克服海底被海水覆盖的局限，较为直观、准确地显示土体在自重应力作用下的变形状态和破坏过程，进而反映出真实的地层响应。

Description

一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置。

背景技术

天然气水合物是一种由水和天然气在低温高压下生成的类冰的笼形结晶化合物，天然气水合物广泛分布于全球大陆外边缘和永久冻土带，储量巨大，是有望替代传统化石燃料的新一代清洁能源。然而，天然气水合物是一种亚稳态物质，在开采过程中，温度与压力的变化势必会引起水合物储层结构的变化，导致储层强度衰减及储层变化，进而影响到开采工程设施的安全性，甚至诱发海底滑坡等地质灾害。因此，水合物分解引起地层稳定性问题是深海油气和将来的天然气水合物开发中海床安全性评估需要解决的关键问题之一。

土工离心模型实验是将原型实体按几何尺寸缩小制成模型，放在高加速度场中达到与原型相同的应力状态，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，从而再现原型特性，是目前国际岩土工程界广为关注和大力研究发展的一项物理模拟技术，几乎已应用到岩土工程的所有领域。其优点是能以原材料模型在原型应力状态下显示出土体变形的全过程，可较真实地模拟土体的应力应变本构关系。将离心模拟实验技术应用到对含天然气水合物的沉积物的研究中，能够较好地克服海底被海水覆盖的局限，较为直观、准确地显示土体在自重应力作用下的变形状态和破坏过程，是研究海底斜坡稳定性的有效方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，利用土工离心机创造超重力场来模拟天然气水合物储层的真实环境，进行天然气水合物降压开采实验模拟，进而反映出真实的地层响应。

本发明通过以下技术方案实现：一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，该天然气水合物开采模拟装置包括外部壳体1、高压反应釜9、可视窗、温度控制系统、压力控制系统、开采井14和高速摄像系统；

外部壳体1前端开口，开口四周设有螺纹孔以及密封圈凹槽6，用于与高压反应釜9密封连接；外部壳体1后端端面为圆曲面，用于与鼓式离心机内部贴合，同时对整个开采模拟装置提供支撑；外部壳体1侧面设有进水口7、出水口8和正方形可视窗2；正方形可视窗2中间通过法兰盘和螺栓配合，密封固定安装透明玻璃3；外部壳体底面5宽度大于两侧面间距，外部壳体底面5两端设有螺纹孔，通过与螺栓配合固定于鼓式离心机的环形模型槽；

高压反应釜9置于外部壳体1内，其内部为椭圆柱形空腔；反应釜前端18为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体1端面一致，其上加工有螺纹孔，用螺栓与外部壳体1进行连接；反应釜后端19为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体1的内侧一致；高压反应釜9前后端面均通过密封圈11和螺栓密封连接有密封盖；后密封盖10整体表面光滑；前密封盖12中心处开有小孔，分别为开采井孔20和数据采集孔13，开采井孔20用于安装开采井14，数据采集孔13用于安装传感器数据线；高压反应釜9两侧面均开有长方形可视窗15，位置与正方形可视窗2位置相对应；长方形可视窗15通过螺栓和法兰盘密封固定耐高压透明玻璃17。

开采井14为弹性管，其通过开采井孔20伸入至高压反应釜9内部，伸入部分的井壁安装有应变片22，用于测量开采过程中井壁的受力及变形情况；开采井14最前端安装电磁减压阀21，用于降压开采模拟。

温度控制系统包括制冷循环水浴23、水浴连接管路24和测温元件25，制冷循环水浴23置于鼓式离心机侧，利用水浴连接管路24连接进水口7和出水口8；通过外部壳体1与高压反应釜9之间的密封空腔进行制冷剂循环，用于保证高压反应釜9内的温度稳定；测温元件25置于高压反应釜9内部进行温度的实时测量。

压力控制系统为高压反应釜9内部布置的压力传感器26，对实验过程中不同深度以及距离开采井14不同距离的孔隙压力进行测量。

高速摄像系统包括微型摄像头16和无线传输模块4；微型摄像头16安装于鼓式离心机的鼓槽上，通过可视窗拍摄高压反应釜9内试样的变化情况，通过无线传输模块4与电脑进行数据传输，监测画面实时显示在电脑上。

所述鼓式离心机的鼓槽内对称放置两个完全相同的模拟装置，实现一次完成两组实验以及保持鼓式离心机整体平衡。

所述井壁受力变形、温度以及孔隙压力数据通过数据采集孔13与外部连接的鼓式离心机数据采集系统进行采集。

所述开采井14与开采井孔20间密封处理。

所述温度控制系统选用乙二醇作为制冷剂。

所述外部壳体1截面为矩形，采用铝合金材料；所述的高压反应釜9外表面为矩形，其材料为铝合金。

本发明的有益效果是：

(1)首次利用鼓式土工离心机实现在超重力条件下进行天然气水合物降压开采的实验模拟，能够完全模拟海底天然气水合物储层的真实应力状态，使实验数据更可靠。

(2)该装置能够在超重力条件下正常工作，能够满足实验要求。

(3)增加了可视窗，能够较为直观地观察到实验过程中地层沉降的真实情况，并能够用高速摄像头拍摄记录。

(4)采用旋转接头对水浴冷却装置进行连接，既满足了温度控制要求，同时可以将水浴冷却装置静置于地面，无需跟随离心机一起转动。

(5)外部壳体与高压反应釜采用独立设计，能够方便天然气水合物储层的模拟以及水合物的生成。

附图说明

图1(a)是外部壳体正面示意图，图1(b)是外部壳体侧面示意图，图1(c)是外部壳体俯视图。

图2(a)是高压反应釜侧视图，图2(b)是高压反应釜正视图，图2(c)是高压反应釜纵向剖视图，图2(d)是高压反应釜横向剖视图。

图3(a)是整体装置正面示意图，图3(b)是整体装置侧视图，图3(c)是整体装置俯视图。

图4(a)是安装正面示意图，图4(b)是安装示意俯视图。

图中：1外部壳体；2正方形可视窗；3透明玻璃；4无线传输模块；5外部壳体底面；6密封圈凹槽；7进水口；8出水口；9高压反应釜；10后密封盖；11密封圈；12前密封盖；13数据采集孔；14开采井；15长方形可视窗；16微型摄像头；17耐高压透明玻璃；18反应釜前端；19反应釜后端；20开采井孔；21电磁减压阀；22应变片；23制冷循环水浴；24水浴连接管路；25测温元件；26压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对装置的工作过程加以说明：

一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟方法，步骤如下：

(1)打开高压反应釜9的前密封盖12，将制备好的试样放入高压反应釜9中，将开采井14安装于开采井孔20处，并将井壁四周安装好应变片22，将测温元件25、压力传感器26等通过数据采集孔安装于高压反应釜9内部，然后使用螺栓与密封圈11将高压反应釜9密封。

(2)将高压反应釜9放入外部壳体1中，外部壳体1端面密封圈凹槽6内放置密封圈11，然后用螺栓与外部壳体1进行连接和密封。

(3)将整体装置安装到鼓式离心机的鼓槽内，使用螺栓与鼓式离心机环形模型槽进行固定。进一步的，在鼓槽对称位置放置相同的该装置，可以同时进行两组实验。

(4)将制冷循环水浴23放置于离心机旁，通过水浴连接管路24连接到装置外部壳体1上的进口7和出口8，进行温度的控制。

(5)将微型摄像头16和无线传输模块28安装于鼓式离心机的鼓槽上，能够通过装置的可视窗直接拍摄釜内试样的变化情况，并通过无线传输模块与电脑进行数据传输，使监测画面能够实时显示在电脑上。

(6)进行实验前的安全检查，确认无误后开启离心机进行实验。

Claims (10)

1.一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，该天然气水合物开采模拟装置包括外部壳体(1)、高压反应釜(9)、可视窗、温度控制系统、压力控制系统、开采井(14)和高速摄像系统；

外部壳体(1)前端开口，开口四周设有螺纹孔以及密封圈凹槽(6)，用于与高压反应釜(9)密封连接；外部壳体(1)后端端面为圆曲面，用于与鼓式离心机内部贴合，同时对整个开采模拟装置提供支撑；外部壳体(1)侧面设有进水口(7)、出水口(8)和正方形可视窗(2)；正方形可视窗(2)中间通过法兰盘和螺栓配合，密封固定安装透明玻璃(3)；外部壳体底面(5)宽度大于两侧面间距，外部壳体底面(5)两端设有螺纹孔，通过与螺栓配合固定于鼓式离心机的环形模型槽；

高压反应釜(9)置于外部壳体(1)内，其内部为椭圆柱形空腔；反应釜前端(18)为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体(1)端面一致，其上加工有螺纹孔，用螺栓与外部壳体(1)进行连接；反应釜后端(19)为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体(1)的内侧一致；高压反应釜(9)前后端面均通过密封圈(11)和螺栓密封连接有密封盖；后密封盖(10)整体表面光滑；前密封盖(12)中心处开有小孔，分别为开采井孔(20)和数据采集孔(13)，开采井孔(20)用于安装开采井(14)，数据采集孔(13)用于安装传感器数据线；高压反应釜(9)两侧面均开有长方形可视窗(15)，位置与正方形可视窗(2)位置相对应；长方形可视窗(15)通过螺栓和法兰盘密封固定耐高压透明玻璃(17)；

开采井(14)为弹性管，其通过开采井孔(20)伸入至高压反应釜(9)内部，伸入部分的井壁安装有应变片(22)，用于测量开采过程中井壁的受力及变形情况；开采井(14)最前端安装电磁减压阀(21)，用于降压开采模拟；

温度控制系统包括制冷循环水浴(23)、水浴连接管路(24)和测温元件(25)，制冷循环水浴(23)置于鼓式离心机侧，利用水浴连接管路(24)连接进水口(7)和出水口(8)；通过外部壳体(1)与高压反应釜(9)之间的密封空腔进行制冷剂循环，用于保证高压反应釜(9)内的温度稳定；测温元件(25)置于高压反应釜(9)内部进行温度的实时测量；

压力控制系统为高压反应釜(9)内部布置的压力传感器(26)，对实验过程中不同深度以及距离开采井(14)不同距离的孔隙压力进行测量；

高速摄像系统包括微型摄像头(16)和无线传输模块(4)；微型摄像头(16)安装于鼓式离心机的鼓槽上，通过可视窗拍摄高压反应釜(9)内试样的变化情况，通过无线传输模块(4)与电脑进行数据传输，监测画面实时显示在电脑上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，鼓式离心机的鼓槽内对称放置两个完全相同的模拟装置，实现一次完成两组实验以及保持鼓式离心机整体平衡。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述井壁受力变形、温度以及孔隙压力数据通过数据采集孔(13)与外部连接的鼓式离心机数据采集系统进行采集。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述开采井(14)与开采井孔(20)间密封处理。

5.根据权利要求3所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述开采井(14)与开采井孔(20)间密封处理。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述温度控制系统选用乙二醇作为制冷剂。

7.根据权利要求3所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述温度控制系统选用乙二醇作为制冷剂。

8.根据权利要求4所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述温度控制系统选用乙二醇作为制冷剂。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述的外部壳体(1)截面为矩形，采用铝合金材料；所述的高压反应釜(9)外表面为矩形，其材料为铝合金。

10.根据权利要求6所述的一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述的外部壳体(1)截面为矩形，采用铝合金材料；所述的高压反应釜(9)外表面为矩形，其材料为铝合金。

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