CN114509532A - 离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气体制取采集的方法 - Google Patents

离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气体制取采集的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种离心机能量收集腔室，提供了与用于气体采集模拟的离心机能量收集腔室(CEHC)相关的系统和方法。某些CEHC可以包括高压腔室、高压注射泵、冷却系统、致动器和超载装置、井眼内的背压控制器、井眼上的加热元件、水气分离系统和流量测量系统。CEHC还可以提供可操作地连接到传感器和仪器的软件，软件包括连续地、实时地、周期性地或异步地测量和监测仿真变量的模块以及可以就测量所得调整仪器设定。

Description

离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气 体制取采集的方法
技术领域
本发明总体涉及从含水合物沉积物采集气体的领域，并且具体地涉及用于模拟含水合物沉积物-结构相互作用或问题的实验装置和方法。
背景技术
现存用于模拟从含水合物沉积物采集气体有几种专有装置。这些装置中的许多装置由以下部分组成：用于维持气体水合物形成的有利压力和温度的高压腔室和冷却单元、用于降低井眼压力的背压调节器装备、气水分离器和流量测量装置。在许多现有装置中，控制土壤行为的有效应力要么被忽略，要么通过各向同性或一维的超载载荷(surchargeloading)施加到沉积物。因此，在减压测试期间，应力梯度不会施加在土壤上。此外，专有装置不能通过连续通量高压流体施加正确的压力边界。因此，在采集气体期间，整个腔室立刻减压并且在井眼附近的局部离解以及压力场演变没有被捕获。因此，在井眼套管上引起的应力没有被正确地模拟。
授予Schofield的美国专利No.5,634,876公开了离心机和相关的设备和方法。土工离心测试是一种常见的先进物理建模方法，用于研究土壤-结构相互作用问题以及全局土壤行为。使用土工离心机是一种模拟实际的场应力梯度的方法，土工离心机是一种强大且经济的物理建模工具，用于模拟和评估应力依赖性问题的变形和破坏机制，诸如在深水中的斜坡稳定性和气体开采等。此外，土工离心机可通过与离心机建模相关联的缩放定律(scaling laws)加速时间依赖性问题的解决。众所周知，水合物解离是受热传导和对流影响的时间依赖性过程。由于现有装置未被设计成在有效超重力场(例如，由土工离心机产生的重力场)下操作，在该有效超重力场中，通过传导和对流的热传递的时间被缩放，所以这些现有装置未能捕获含气体水合物的沉积物在长期开采下行为。因此，需要开发和设计可用于土工离心机环境的模拟气体水合物解离的装备。
发明内容
作为未来的潜在能源，甲烷水合物是最常出现的气体水合物，并且通常在永冻土和海洋土壤沉积物中发现。本发明提供了用于通过实验室中的物理模型研究这些沉积物的行为的系统和方法，以开发从这些沉积物中提取气体的更可靠方法，并确保海上基础设施的安全。
根据本公开的一个方面，提供一种离心机能量收集腔室，即CEHC，包括：高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作的离心机中的沉积物床内形成水合物；一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于所述沉积物床周围的水合物形成；冷却系统，其包括构造为对所述高压腔室内的所述沉积物床进行冷却的内置冷却盘管；内置致动器，其构造为提供在所述高压腔室内作用的致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。
可选地，所述一个或多个高压泵包括一对注射泵。
可选地，所述一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
可选地，所述CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力的惰性气体源。
可选地，所述CEHC还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统、以及构造为测量水流量的水流量测量系统。
可选地，所述冷却系统还包括循环热交换器，所述循环热交换器在所述高压腔室外部并且构造为分别选择性地维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。
可选地，所述CEHC还包括构造为测量所述沉积物床内的沉降的高压线性可变位移传感器，即LVDT。
可选地，所述CEHC被牢固地紧固至所述离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
可选地，所述CEHC还包括构造为在所述离心机处于运行时连续地测量温度、压力、泵送速率和井眼压力中的一者或多者的仪器模块、传感器和软件。
可选地，所述惰性气体源包括N2气瓶。
可选地，所述高压LVDT构造为测量模拟海床和所述沉积物床内的多个海上结构中的一个海上结构的沉降。
本公开的另一方面提供一种模拟气体采集的方法，所述方法包括以下步骤：在操作的离心机中提供离心机能量收集腔室，即CEHC，所述CEHC包括：高压腔室；沉积物床，其在所述高压腔室内；高压泵，其可操作地连接到所述高压腔室；冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室；致动器，其构造为提供致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；通过操作所述离心机产生离心载荷；通过所述高压泵将所述高压腔室内的所述沉积物床加压到足以形成或维持气体水合物的第一压力；通过所述冷却系统将所述高压腔室内的所述沉积物床冷却至足以在所述第一压力下形成或维持气体水合物的第一温度；在离心载荷下在所述沉积物床内形成或维持气体水合物；在所述沉积物床内并在所述离心载荷下，在从含水合物土壤采集气体期间，进行水合物解离、井眼套管变形或海床沉降的模拟。
可选地，所述高压泵包括一对注射泵，并且通过所述高压泵对所述高压腔室内的所述沉积物床加压的步骤包括重复轮流操作所述一对注射泵以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
可选地，所提供的CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制所述井眼内部的压力。
可选地，所提供的CEHC还包括：水气分离系统；传感器组，其包括选自包含以下各项的组群的至少一个传感器：温度传感器，压力传感器，气体流量测量系统，其构造为测量气体的流量，水流量测量系统，其构造为测量水的流量，以及，高压线性可变位移传感器，即LVDT，其构造为测量所述沉积物床内的沉降；以及，仪器模块，其构造为在所述离心机处于运行时监测来自所述传感器组的至少一个传感器。
可选地，所述仪器模块还包括：处理器，其与来自所述传感器组的至少一个传感器可操作地通信，以及，机器可读介质，其与所述处理器可操作地通信并且具有存储在所述机器可读介质上的指令，所述指令在由所述处理器执行时报告或记录与温度、压力、泵送速率或井眼压力相关的至少一个值。
可选地，所提供的CEHC被牢固地紧固到所述离心机，并且被充分密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
本公开的又一方面提供一种离心机能量收集腔室系统，所述离心机能量收集腔室即CEHC，所述系统包括：离心机，高压腔室，其安装至所述离心机，沉积物床，其在所述高压腔室内，高压泵，其包括多个注射泵，所述高压泵可操作地连接到所述高压腔室并且构造为用于所述多个注射泵的重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流，冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室，致动器，其构造为提供致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；
可选地，所述CEHC系统还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制井眼内的压力。
可选地，所述CEHC系统还包括至少一个密封件和至少一个隔绝构件，所述至少一个密封件和所述至少一个隔绝构件构造为在所述离心机处于运行时允许所述CEHC作为绝热系统进行操作。
本发明的实施例提供了一种离心机能量收集腔室(CEHC)，该离心机能量收集腔室允许对含水合物沉积物、井眼套管和海上结构之间的相互作用进行改进的模拟。实施例被有利地构造和适配成在土工离心机的超重力环境下维持水合物稳定性所需的温度和压力条件。在一个特定的实施例中，例如，可以将两组注射泵设计成在边界处产生连续通量条件，导致在水合物解离期间在边界处维持稳定压力。为了模拟运行(in-flight)中减压(在离心机的操作过程中，或在离心机的压力下)引起的解离，可以使用可配置的或可编程的背压调节器，并通过计算机软件、电子控制或本领域已知的其它方法控制。为了模拟具有减压的热刺激方法，可以将加热元件安装在井眼内。采集出的气体和水可通过气水分离器分离。内置致动器可将超载载荷施加在沉积物上或将工作载荷施加在海上结构上。因此，CEHC可以构造为独立单元，其可在运行中模拟不同的气体采集方法，并评估或预测在现实中的未来气体采集间在生产套管井眼和海上结构上引起的力。
本发明的实施例可以提供用于在超重力离心机环境(例如，高达地球重力的100倍，或地球重力的约100倍，或超过地球重力的100倍)中使用的能量收集腔室的设备、方法和系统，其允许模拟水合物离解、井眼套管变形、在从含水合物土壤采集气体期间的海床沉降和CO2封存(sequestration)。通过为了更高的安全系数而修改腔室的设计，某些实施例可以用于甚至更高的压力能力、温度或高重力。本发明的某些实施方例提供了一种腔室，该腔室可以在离心机的超重力环境(例如，高达地球重力的100倍，对应于自然界100米的典型气体水合物沉积物)下操作，并且具有维持水合物形成的热力学有利条件(例如，-10摄氏度到15摄氏度的温度和高达16MPa的压力，这是海洋和永久冻土含水合物沉积物的典型温度和压力范围)的能力、维持离解期间边界处高压水的连续流入(在12MPa压力下2000cm3/分钟的流入)的能力、以及参数的运行测量和控制的能力，所述参数包括气体和水注入压力、横波和纵波(shear andP-wave)波速测量值、井眼中的电阻率以及轴向和弯曲应变测量值、0.5MPa的井眼压力和高达3MPa的超载载荷。
附图说明
本发明的一些实施例作为示例示出，并且不受附图的图形限制，其中，相同的附图标记可以指示相似元件，并且其中：
图1示出了根据本发明的实施例的离心机能量收集腔室(CEHC)装备和选定的相关部件。
图2示出了根据本发明的实施例的CEHC的主要结构部件的组件的分解图。
图3A至图3C示出了根据本发明的实施例的CEHC中的内置致动器的组件。
图4A至图4E示出了根据本发明的实施例的处于完全缩回和完全延伸状态的连续通量高压注射泵的实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的用于气体采集模拟的示例性CEHC装备和相关部件。它由以下部分组成：1)高压腔室1，其用于维持沉积物14内部水合物形成所需的压力(高达16MPa)；2)高压泵(例如，一个或多个注射泵)6，其产生水合物形成所需的孔隙压力并且在离解期间维持边界处的压力；以及边界处测量水压和来自气瓶16的气压的压力换能器12；3)冷却系统，其包括位于高压腔室内的内置冷却盘管4和位于高压腔室外的具有在0℃下4000W的冷却能力的循环浴13，以维持水合物形成和稳定的温度；4)内置液压致动器2和超载板(surcharge plate)3，以模拟超载载荷；5)压力控制范围在10至30000kPa的背压控制单元8以及N2气瓶15，以控制井眼7内部的压力(例如，10至10000kPa)；井眼上的加热元件；水气分离系统9；以及用于气体10和水11的流量测量系统。
实施例可以提供可操作地连接到传感器和仪器的软件，该软件包括连续地、实时地、周期性地或异步地测量和监测变量的模块，该变量包括例如与背压调节器和泵送速率相关的变量。本发明中使用的传感器还可以包括但不限于温度传感器、孔隙压力传感器12、弯曲元件传感器、位移传感器5、应变仪传感器以及本领域已知的其它传感器或测量装置和系统。
图2示出了根据本发明的实施例的CEHC的高压腔室的选定的主要结构部件。CEHC可以包括腔室筒状焊件20、顶部仪器盘18、底部仪器盘19、腔室底座24、螺栓17、螺母21、垫圈22和密封O形环23中的一者或多者。虽然图2所示的具体示例性实施例可以具有某些有益优点(例如，强度、土工离心机上使用的紧凑性、可制造性和可靠性)，但元件可如图所示布置或以可选构造布置以获得有益效果。例如，在某些实施例中，O形密封环23可以由不同类型、数量、布置或放置的密封元件代替；可以使用更多或更少的不同尺寸的螺栓和螺母；铆钉、焊接件、卡环或其它紧固件可以被替代以满足设计约束和标准；腔室底座24可以是单独的、成组的(例如，2个或更多个制造在一起)或整体的构造；腔室筒状焊件20、顶部仪器盘18或底部仪器盘19的元件或功能可分组在一起或分开。许多这样的改变可以保持在本发明内，同时使用可选的详细部件设计或组装方法，导致完成给定实施例所需的相同、更多或更少的部件。
图3A至图3C示出了根据实施例的被密封并能够在高压腔室内施加独立压力的内置致动器2的部件，该实施例可以具有某些优点，诸如消除了在对沉积物施压时密封置于腔室外的任何超载致动器杆的需要，以及与使用密封的超载板和沉积物之间的水压差相比设计的紧凑性和可靠性。致动器可以由以下部分组成：超载致动器顶盖25、超载致动器底盖26、超载致动器活塞27、固定螺栓28、超载致动器管29、油连接器30、活塞密封O形环31、活塞密封件32、活塞引导环33、引导环34、杆密封O形环35、一级杆密封件36、二级杆密封件37和密封O形环38。图3B是穿过图3A的致动器2的中心轴线的剖视图，其中致动器处于升高位置。图3C是穿过图3A的致动器2的中心轴线的剖视图，其中致动器处于降低位置。图3A中的所有部件(除了螺栓28)也在图3B和图3C中示出，其中密封O形环38显示在截面的前面并且穿过超载致动器活塞27的主体。油连接器30在图3B中被部分地隐藏并且在图3C中完全被超载致动器活塞27隐藏。
如图3B和图3C所示，内置致动器2可以通过超载致动器活塞27的缩回和延伸来施加加载和卸载。在通过井眼7采集气体的情况下，致动器活塞的中空设计将允许类似于某些现场使用情况场景在不加载井眼7的情况下在沉积物上施加超载载荷(例如，高达3MPa的超载载荷，这对于在海洋环境中发现的沉积物深度是典型的)。实施例可以单独通过离心机的超重力场模拟高达50米的浅深度气体水合物积累，以及通过使用与离心机的超重力场结合的超载致动器模拟高达400米的深气体水合物积累。与在1-g(没有超重力)下模拟沉积物上的各向同性应力或一维超载载荷的专有装置不同，CEHC1可以模拟深度上的应力梯度，从而导致在井眼7套管上的深度上的载荷分布。此外，井眼7套管的自由移动设计可模拟套管和沉积物的相对沉降，并且所引起的轴向载荷可通过井眼套管上的应变仪测量。在井眼7从初始压力降压期间(例如，从10MPa到0.5MPa)，操作连续通量高压泵6以保持边界处的压力恒定，同时模拟井眼附近的局部压降和气体水合物的解离。在某些实施例中，泵的流速作为需要维持的压力的函数而变化。
图4A至图4E示出了根据本发明的实施例的CEHC 1的连续通量高压泵6。连续高压水通量可以通过使用两个或更多个并联的注射泵来实现，其中泵B抽取(截面B-B)并充满水，而泵A延伸(截面C-C)并产生压力。然后，过程被恢复，导致连续通量的高压水供应。这种设计的一个优点是水以所需的压力和流速连续流入。通过使用附加的并联泵，系统可以被制造得更通用和更稳固。在有利地供应连续高压水流的同时，注射泵6有利地构造和适配成在离心机的超重力下操作。
本发明的另一个特征是模拟含气体水合物沉积物内的海上结构上的工作载荷。在通过产生有利的温度和压力的热力学条件而在沉积物内形成水合物之后，诸如基于重力的结构、张力腿平台和单柱平台(spar platform)等预先安装的海上结构可以通过内置致动器被加载到工作载荷。随后使海上结构经受加热和冷却循环、孔隙压力变化、相变和循环轴向载荷。海上结构上的沉降和引起的载荷可以有利地使用本发明的系统和方法来测量。
本发明的某些实施例的另一个特征是通过直接CO2注射以及离心机中CO2-CH4的交换模拟CO2封存。土工离心机可以减少模拟CO2封存的长达多年的过程所需的时间和储层的长期流体力学(hydro-mechanical)响应所需的时间。这可以通过对离心机中的模型施加增强的重力加速度来缩放时间依赖性现象所需的时间来实现，该时间依赖性现象与储层响应密切相关，储层响应诸如为气/水传输、热传导、热对流和沉积物的固结。作为示例，在40g(即N＝40)的离心试验中，在原型中，腔室的容量将为6400m3，并且模拟的沉积物的厚度将为27米厚。在某些实施例中，与原型相比，质量和热流在模型中可以发生得快1600倍。
为了可以更容易地理解本公开，在下面和整个详细描述中定义了某些术语，以提供关于如本文所使用的它们的含义的指导。
如本文所用的，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明上下文中使用的术语“一”、“一个”、“该”和类似术语应解释为覆盖单数和复数。因此，例如，除非另外指出或与上下文明显矛盾，否则对“臂”或“孔”的引用应解释为覆盖或涵盖单个臂或单个孔以及多个臂和多个孔两者。
如本文所用的，术语“约”和“大约”通常是指给对于给定测量的性质或精度的测量量而言的误差的可接受程度。示例性的误差程度在给定值或值范围的20百分比(％)内，通常在10百分比(％)内，并且更通常在5百分比(％)内。
如本文所用的，术语“和/或”应当理解为是指这样结合的特征中的“任一者或两者”，即，在一些情况下联合存在而在其它情况下分离存在的要素。
如本文所用的，术语“包括”、“由……组成”和“基本上由……组成”根据其标准含义定义。这些术语在这里可以彼此替换，以便附加与每个术语相关联的特定含义。
如本文所用的，术语“或”应理解为具有与上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，“和/或”或“或”在分隔项目列表时应被解释为包括性的，即包括多个项目中的至少一个，但也包括多于一个，以及可选地，另外的未列出的项目。有明确相反指示的仅术语，诸如“仅一个”或“恰好一个”，或当在权利要求中使用时的“由……组成”将指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，如本文所用的术语“或”在之前有诸如“任一”、“中的一个”、“中的仅一个”或“中的恰好一个”等排它性的术语时，应仅解释为指示排它性的替代(即，“一者或另一者，但不是两者”)。
本文描述的方法和过程可以体现为代码和/或数据。本文描述的软件代码和数据可以存储在一个或多个机器可读介质(例如，计算机可读介质)上，一个或多个机器可读介质可以包括可以存储代码和/或数据以供计算机系统使用的任何装置或介质。当计算机系统和/或处理器读取并执行存储在计算机可读介质上的代码和/或数据时，计算机系统和/或处理器执行体现为存储在计算机可读存储介质内的数据结构和代码的方法和过程。
本领域的技术人员应当理解，计算机可读介质包括可用于存储信息的可移除和不可移除的结构/装置，该信息诸如为计算机可读指令、数据结构、程序模块和计算系统/环境所使用的其它数据等。计算机可读介质包括但不限于易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM、DRAM、SRAM)；以及非易失性存储器，诸如闪存、各种只读存储器(ROM、PROM、EPROM、EEPROM)、磁性和铁磁性/铁电性存储器(MRAM、FeRAM)以及磁性和光学存储装置(硬盘驱动器、磁带、CD、DVD)；网络装置；或现在已知的或以后开发的能够存储计算机可读信息/数据的其它介质。计算机可读介质不应被理解或解释为包括任何传播信号。本发明的实施例的计算机可读介质可以是例如压缩盘(CD)、数字视频盘(DVD)、闪存装置、易失性存储器或硬盘驱动器(HDD)，诸如外部HDD或计算装置的HDD，但是实施例不限于此。计算装置可以是例如笔记本式计算机、台式计算机、服务器、手机或平板电脑，但是实施例不限于此。
从以下通过举例说明的方式给出的示例可以更好地理解本发明的实施例及其许多优点。以下示例是本发明的一些方法、应用、实施例和变型的说明。当然，它们不应被认为是对本发明的限制。可以对本发明进行许多改变和修改。
材料和方法
本文所参考或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物均通过引用整体并入本文，包括所有附图和表格，只要它们不与本说明书的明确教导不一致。
本公开内容应被认为是本发明的范例，而不是要将本发明限制于由附图或以下描述所示的具体实施例。
示例1：
具体的示例性和非限制性实施例可以提供CEHC，用于每天1000m3气体的成比例气体采集模拟，CEHC由以下部分组成：高压腔室1，其维持100个大气压力用于砂沉积物14内部的水合物形成；高压注射泵6，其具有20mm的孔和150mm的冲程，以产生水合物形成所需的120个大气压的孔隙压力以及维持边界处的压力，在离解期间需要每分钟2升的流速下的80个大气压的压力；以及边界处的压力换能器12，以测量在0至120个大气压的范围内的水压和来自气缸16的在0至120个大气压的范围内的气压；0℃下4000瓦的冷却系统，其包括在高压腔室内的内置冷却盘管4和在腔室外的循环浴13，以维持用于水合物形成和稳定的在0至4摄氏度的范围内的温度；4)内置的2MPa致动器2和300mm直径乘以150mm冲程的超载板3，以模拟超载载荷；背压控制器8和N2气瓶15，以将井眼7内的压力控制在0至120个大气压的范围内，井眼上1000瓦的加热元件，10升/分钟的水气分离系统9，以及用于气体10(0至100标准升/分钟)和水11(10升/分钟)的流量测量系统。
示例性实施例
通过参考某些说明性示例可以更好地理解本发明，这些示例包括但不限于以下示例：
实施例1.一种离心机能量收集腔室(CEHC)，包括：
高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作的离心机中的沉积物床内形成水合物，
一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于在沉积物床周围的水合物形成，
冷却系统，其包括构造为对高压腔室内的沉积物床进行冷却的内置冷却盘管，
内置致动器，其构造为提供在高压腔室内作用的致动力，以及
超载板，其构造为模拟当沉积物床受到致动力作用时沉积物床上的超载载荷。
实施例2.根据实施例1所述的CEHC，其中，一个或多个高压泵包括一对注射泵。
实施例3.根据实施例2所述的CEHC，其中，一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
实施例4.根据实施例1所述的CEHC，还包括背压控制系统，该背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力惰性气体源。
实施例5.根据实施例1所述的CEHC，还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统，以及构造为测量水流量的水流量测量系统。
实施例6.根据实施例1所述的CEHC，冷却系统还包括循环热交换器，该循环热交换器在高压腔室外部并且构造为分别选择性地维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。
实施例7.根据实施例1所述的CEHC，还包括构造为测量沉积物床内的沉降的高压线性可变位移传感器(high-pressure linear variable displacement transducer)(LVDT)。
实施例8.根据实施例1所述的CEHC，其中，CEHC被牢固地紧固到离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统(adiabatic system)进行操作。
实施例9.根据实施例1所述的CEHC，其中，CEHC还包括构造为在离心机处于运行时连续地测量温度、压力、泵送速率和井眼压力中的一者或多者的仪器模块、传感器和软件。
实施例10.根据实施例4所述的CEHC，其中，惰性气体源包括N2气瓶。
实施例11.根据实施例7所述的CEHC，其中，高压LVDT构造为测量模拟海床和沉积物床内的多个海上结构中的一个海上结构的沉降。
实施例12.一种模拟气体采集的方法，该方法包括以下步骤：
在操作的离心机中提供离心机能量收集腔室(CEHC)，该CEHC包括：
高压腔室，
沉积物床，其在高压腔室内，
高压泵，其可操作地连接到高压腔室，
冷却系统，其可操作地连接到高压腔室，
致动器，其构造为提供致动力，以及
超载板，其构造为模拟当沉积物床上受到致动力作用时沉积物床上的超载载荷；
通过操作离心机产生离心载荷；
通过高压泵将高压腔室内的沉积物床加压到足以形成或维持气体水合物的第一压力；
通过冷却系统将高压腔室内的沉积物床冷却至足以在第一压力下形成气体水合物的第一温度；
在离心载荷下在沉积物床内形成或维持气体水合物；
在沉积物床内并在离心载荷下，在从含水合物土壤采集气体期间，进行水合物解离、井眼套管变形或海床沉降的模拟。
实施例13.根据实施例12所述的方法，其中，高压泵包括一对注射泵，并且通过高压泵对高压腔室内的沉积物床加压的步骤包括重复轮流操作一对注射泵以在离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
实施例14.根据实施例12所述的方法，所提供的CEHC还包括背压控制系统，该背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制井眼内部的压力。
实施例15.根据实施例12所述的方法，所提供的CEHC还包括：
水气分离系统；
传感器组，其包括选自包含以下各项的组群的至少一个传感器：
温度传感器，
压力传感器，
气体流量测量系统，其构造为测量气体的流量，
水流量测量系统，其构造为测量水的流量，以及
高压线性可变位移传感器(LVDT)，其构造为测量沉积物床内的沉降；以及
仪器模块，其构造为在所述离心机处于运行时监测来自传感器组的至少一个传感器。
实施例16.根据实施例15所述的方法，所述仪器模块还包括：
处理器，其与来自传感器组的至少一个传感器可操作地通信，以及
非暂时性机器可读介质，其与处理器可操作地通信并且具有存储在该非暂时性机器可读介质上的指令，该指令在由处理器执行时报告或记录与温度、压力、泵送速率或井眼压力相关的至少一个值。
实施例17.根据实施例16所述的方法，其中，所提供的CEHC被牢固地紧固到离心机，并且被充分密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
实施例18.一种离心机能量收集腔室(CEHC)系统，包括：
离心机，
高压腔室，其安装至离心机，
沉积物床，其在高压腔室内，
高压泵，其包括多个注射泵，高压泵可操作地连接到高压腔室，并且构造成用于多个注射泵的重复轮流操作，以在离心机的超重力下提供连续的高压流体流，
冷却系统，其可操作地连接到高压腔室，
致动器，其构造为提供致动力，以及
超载板，其构造为模拟当沉积物床受到致动力作用时沉积物床上的超载载荷；
实施例19.根据实施例18所述的CEHC系统，还包括背压控制系统，背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制井眼内的压力。
实施例20.根据实施例19所述的CEHC系统，还包括至少一个密封件和至少一个隔绝构件，该至少一个密封件和至少一个隔绝构件被构造为在离心机处于运行时允许CEHC作为绝热系统进行操作。
实施例21.一种离心机能量收集腔室(CEHC)，包括：具有适当强度的高压腔室，其用于离心机中以维持在沉积物内部形成水合物所需的压力和温度；一个或多个高压注射泵，其构造为产生形成水合物所需的孔隙压力并且维持在边界处所需的压力；冷却系统，其包括在高压腔室内的内置冷却盘管；内置致动器；以及超载板，其模拟超载载荷。
实施例22.根据实施例21的CEHC，还包括背压控制器和N2气瓶，以控制井眼内部的压力。
实施例23.根据实施例21所述的CEHC，还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的流量测量系统、以及构造为测量水流量的流量测量系统。
实施例24.根据实施例1所述的CEHC，还包括在腔室外部的循环浴，该循环浴构造为选择性地分别维持水合物形成和水合物稳定性所需的温度。
实施例25.根据实施例21所述的CEHC，还包括高压线性可变位移传感器(LVDT)，该LVDT构造为测量海床和多个海上结构中的一个海上结构的沉降。
实施例26.根据实施例21所述的CEHC，其中，CEHC被牢固地紧固到离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
实施例27.根据实施例21所述的CEHC，其中，CEHC还包括构造为在离心机处于运行时连续地测量与温度、压力、泵送速率和井眼压力相关的一个或多个变量的仪器模块、传感器和软件。
尽管在此已经参考优选实施例及其特定示例对本发明进行了说明和描述，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，其它实施例和示例可以执行类似的功能和/或实现类似的结果。
应当理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且本领域技术人员将想到根据其的各种修改或变化，并且这些修改或变化将包括在本申请的要旨和范围以及所附权利要求的范围内。另外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其它要素或限制(单独地或以任何组合)或任何其它发明或其实施例组合，并且所有此类组合在本发明的范围内被考虑而不限于此。
本申请要求2020年11月16日提交的美国临时申请No.63/205,107的优先权，该美国临时申请通过引用整体(包括任何表、图或附图)并入本文。

Claims (20)

1.一种离心机能量收集腔室，即CEHC，包括：
高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作中的离心机中的沉积物床内形成水合物，
一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于所述沉积物床周围的水合物形成，
冷却系统，其构造为对所述高压腔室内的所述沉积物床进行冷却的内置冷却盘管，
内置致动器，其构造为提供在所述高压腔室内作用的致动力，以及
超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。
2.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述一个或多个高压泵包括一对注射泵。
3.根据权利要求2所述的CEHC，其中，所述一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
4.根据权利要求1所述的CEHC，还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力的惰性气体源。
5.根据权利要求1所述的CEHC，还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统、以及构造为测量水流量的水流量测量系统。
6.根据权利要求1所述的CEHC，所述冷却系统还包括循环热交换器，所述循环热交换器在所述高压腔室外部并且构造为维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。
7.根据权利要求1所述的CEHC，还包括构造为测量所述沉积物床沉降的高压线性可变位移传感器，即LVDT。
8.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述CEHC被牢固地紧固至所述离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
9.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述CEHC还包括构造为在所述离心机处于运行时连续地测量温度、压力、泵送速率和井眼压力中的一者或多者的仪器模块、传感器和软件。
10.根据权利要求4所述的CEHC，其中，所述惰性气体源包括N2气瓶。
11.根据权利要求7所述的CEHC，其中，所述高压LVDT构造为测量模拟海床和所述沉积物床内的多个海上结构中的一个海上结构的沉降。
12.一种模拟气体采集的方法，所述方法包括以下步骤：
在操作中的离心机中提供离心机能量收集腔室，即CEHC，所述CEHC包括：
高压腔室，
沉积物床，其在所述高压腔室内，
高压泵，其可操作地连接到所述高压腔室，
冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室，
致动器，其构造为提供致动力，以及
超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；
通过操作所述离心机产生离心载荷；
通过所述高压泵将所述高压腔室内的所述沉积物床加压到足以形成或维持气体水合物的第一压力；
通过所述冷却系统将所述高压腔室内的所述沉积物床冷却至足以在所述第一压力下形成或维持气体水合物的第一温度；
在离心载荷下在所述沉积物床内形成或维持气体水合物；
在所述沉积物床内并在所述离心载荷下，在从含水合物土壤采集气体期间，进行水合物解离、井眼套管变形或海床沉降的模拟。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述高压泵包括一对注射泵，并且通过所述高压泵对所述高压腔室内的所述沉积物床加压的步骤包括重复轮流操作所述一对注射泵以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
14.根据权利要求12所述的方法，所提供的CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制所述井眼内部的压力。
15.根据权利要求12所述的方法，所提供的CEHC还包括：
水气分离系统；
传感器组，其包括选自包含以下各项的组群的至少一个传感器：
温度传感器，
压力传感器，
气体流量测量系统，其构造为测量气体的流量，
水流量测量系统，其构造为测量水的流量，以及
高压线性可变位移传感器，即LVDT，其构造为测量所述沉积物床内的沉降；以及
仪器模块，其构造为在所述离心机处于运行时监测来自所述传感器组的至少一个传感器。
16.根据权利要求15所述的方法，所述仪器模块还包括：
处理器，其与来自所述传感器组的至少一个传感器可操作地通信，以及
机器可读介质，其与所述处理器可操作地通信并且具有存储在所述机器可读介质上的指令，所述指令在由所述处理器执行时报告或记录与温度、压力、泵送速率或井眼压力相关的至少一个值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所提供的CEHC被牢固地紧固到所述离心机，并且被充分密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
18.一种离心机能量收集腔室系统，所述离心机能量收集腔室即CEHC，所述系统包括：
离心机，
高压腔室，其安装至所述离心机，
沉积物床，其在所述高压腔室内，
高压泵，其包括多个注射泵，所述高压泵可操作地连接到所述高压腔室并且构造为用于所述多个注射泵的重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流，
冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室，
致动器，其构造为提供致动力，以及
超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。
19.根据权利要求18所述的CEHC系统，还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制井眼内的压力。
20.根据权利要求19所述的CEHC系统，还包括至少一个密封件和至少一个隔绝构件，所述至少一个密封件和所述至少一个隔绝构件构造为在所述离心机处于运行时允许所述CEHC作为绝热系统进行操作。
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江如意, 王家禄, 蒋志祥: "高温高压三维水平井物理模拟系统", 石油勘探与开发, no. 06, 23 December 1999 (1999-12-23), pages 119 - 121 *

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