CN116338142B - 一种超重力实验中水合物储层表面变形测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超重力实验中水合物储层表面变形测量装置和方法。高压釜顶部设置釜盖且置于超重力环境中，高压釜内部设置上覆土层、水合物储层和下伏土层，在上覆土层上部布置组合电容式变形测量系统，该系统包括多组电容器、限位杆、极板固定绝缘软线、相应连接导线等；水合物开采过程中储层表面变形引起组合电容式变形测量系统电容值改变，进而转化为监测电压数据的变化，通过超重力条件下电压值的监测来推算储层表面变形值值的实时测量。本发明操作简便快捷，试验结果可靠、准确，能够在高压、低温、超重力环境下对水合物储层表面变形精确实时测量，解决了目前常规位移传感器难以在超重力试验的极端环境下正常工作的难题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程、能源工程领域的一种水合物储层实验中测量装置和方法，尤其涉及一种基于电容器电容值变化原理的水合物储层表面变形的测量装置和方法，适用于模拟深海天然气水合物开采时水合物储层变形的问题。
背景技术
天然气水合物是存在于深海沉积物和陆域永久冻土中由水和天然气形成的一种类冰状结晶物质，其外形类冰遇火可燃烧，因此又被称为“可燃冰”。天然气水合物燃烧后几乎不产生任何残渣，具有低污染和高能量特性，是理想的未来新型清洁能源。海洋水合物赋存于高压、低温的环境中，同时水合物储层厚度一般达数十米甚至超过百米，自重应力场对储层渗流和变形特性影响显著。超重力离心模型试验是有效再现储层自重应力场的有效手段，在离心机上搭载水合物高压温控实验装置，实现储层应力场与深海高压、低温环境叠加，实现水合物赋存环境和开采演变过程的有效模拟。
开采过程中水合物固相分解为水和天然气，引起固相损失，易导致储层过大变形、海床坍塌、开采井倾斜等工程灾变。水合物储层表面变形的有效监测成为预测其开采过程中工程灾变的关键预测指标。因此，水合物开采超重力实验中，储层表面变形的有效测量为其最关键的实验参数。在水合物开采超重力实验中，传感器需要在高压、低温极端条件下工作，且承受远高于地球1g常重力的超重力作用，这使得常规位移传感器难以在该极端工况下正常工作，且超重力作用往往导致传感器元件变形、运动构件卡死等损坏性事故。目前在该类极端环境下正常工作的相应传感器尚属空白，因此一种能够在低温、高压、超重力叠加的极端环境下精确量测储层表面变形的装置和方法亟待研制。
发明内容
为了满足实验需求和现有测试技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超重力实验中水合物储层表面变形的测量装置和方法，操作简便快捷，试验结果可靠、准确，能够在超重力实验中对处于高压、低温、超重力环境下水合物储层表面的变形精确实时测量，解决了目前常规位移传感器难以在超重力试验的极端环境下正常工作的难题。
本发明的装置及方法能在低温、高压及超重力场环境下工作，基于电容器电容值变化原理便捷精确地测量计算水合物储层表面变形问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一、一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置：
装置包括高压釜、釜盖、组合电容式变形测量系统和水浴夹套；高压釜设置在水浴夹套内，高压釜内腔中从下到上依次设置下伏土层、水合物储层、上覆土层；高压釜内腔上端设置用于封盖的釜盖；上覆土层和釜盖之间的高压釜内腔中设置组合电容式变形测量系统。
所述的高压釜内腔底部安装有温度和压力传感器，温度和压力传感器用于实时监测高压釜内腔的温度和压力；
所述的高压釜底部开设连通到内腔的气体注入接口，气体注入接口用于注入气体到高压釜的内腔。
所述水浴夹套内充有循环制冷液，高压釜沉浸在循环制冷液中。
所述的组合电容式变形测量系统底部置于上覆土层表面。
所述的组合电容式变形测量系统包括多组电容器、电绝缘固定板和限位杆，多组电容器沿上下方向依次布置，最上面的一组电容器经电绝缘固定板和釜盖底面连接安装，相邻电容器之间通过连接导线电串联连接，相邻电容器之间存在间隙，间隙中填充绝缘介质；每组电容器是由两块电极板平行间隔布置而成，限位杆穿设过各组电容器，限位杆中布置外电路连接导线，多组电容器串联后形成串联电容器组，串联电容器组的两端经外电路连接导线和外部的电压测量电路连接。
每组电容器是由位于上方的正电极板和位于下方的负电极板构成，最上面的一组电容器的正电极板经电绝缘固定板和釜盖底面固定连接，最下面的一组电容器的负电极板和上覆土层的上表面接触。
所述的限位杆穿设过各组电容器的正电极板和负电极板，最下面的一组电容器的负电极板经第一根外电路连接导线和外部的电压测量电路的一端连接，第一根外电路连接导线穿设经过限位杆，最上面的一组电容器的正电极板经第二根外电路连接导线和外部的电压测量电路的另一端连接。
所述的釜盖设有用于组合电容式变形测量系统的导线穿设经过的预留孔道，所述的电绝缘固定板顶面固定设有伸缩杆，伸缩杆伸入到预留孔道中，伸缩杆内部预留用于外电路连接导线穿设过的中空走线孔。
二、一种水合物储层表面变形测量方法，方法具体包括如下步骤：
步骤1：测量装置安装
装配安装所述测量装置，检查装置与充电电路的连接状态，将组合电容式变形测量系统的串联电容器组的两端与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，待充电电路的电压表示数不再变化时，则断开充电电路；
步骤2：装置检漏和储层模型制备
测量装置安装完成后，从气体注入接口向高压釜内注入甲烷或二氧化碳气体，直至高压釜内压力达到预设值；
关闭高压釜内所有阀门和进出气口并用孔压传感器实时监测高压釜内气压，待高压釜内密封良好时，加热调节高压釜内的温度至预设值，在预设的温度和压力环境下，高压釜内生成水合物制备处所需的储层模型；
所述步骤2中，若高压釜内气压在8小时内保持稳定，则装置气密性良好，否则检查高压釜气密性直到满足要求。
步骤3：启动离心机准备实验
将所述测量装置搭载至超重力离心机的吊篮内，将组合电容式变形测量系统的串联电容器组的两端与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，启动离心机将离心加速度分级加速至预定加速度值，并稳定保持一段时间；
所述的超重力、高压、低温状态指的是水合物赋存环境。其中，所述的高压指的是压力达到3.5MPa；所述的低温指的是温度达到4℃。
步骤4：测量装置初始化
超重力离心机转机稳定后，待串联电容器组两端的电压不发生变化时，断开组合电容式变形测量系统与充电电路之间的连接，将组合电容式变形测量系统接入对电压测量电路中，电压测量电路测量得到起始电压U0；
步骤5：建立以下公式的水合物储层模型的变形量与电压测量电路的电之间的关系，根据后续电压测量电路实时测量获得的测量电压U按照以下公式得到储层模型的变形量Δd：
其中，d0为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器在与上覆土层表面接触时内部的两电极板之间的初始间距，d为当前时刻串联电容器组中最底部的电容器内部的两电极板之间的间距，d1为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器在与上覆土层表层相接触时且内部的两电极板并未接触时的两电极板之间的间距，d2为电容器内部的两电极板厚度与两电容器之间的间距的和；m表示由储层模型的表面变形引起的串联电容器组中的电极板重叠个数或电极板展开减少的个数；n表示串联电容器组中电容器的总数量，U为电压测量电路实时测量获得的测量电压。
在实验过程中，由于两串联电容器间的绝缘填充介质存在一定的压缩性，公式中的m由电压值变化所出现的平台期次数来确定。
具体实施中，采用降压法或热激法进行水合物开采超重力实验，随着实验进行水合物储层表面产生变形，最底部电容器的极板间距和串联电容器的数量发生变化，进而引起电压测量电路中的电压变化，进而处理拟合获得储层模型的变形量与电压测量电路的电之间的关系。
所述步骤1中，装配安装所述测量装置，具体包括：
在常温常压条件下，在釜盖顶部预留孔道处伸入伸缩杆，伸缩杆连接并固定于电绝缘固定板；将限位杆保持竖直并置于上覆土层中，并将限位杆依次穿过各个电容器极板的限位杆预留孔；高压釜内腔中从下到上依次布置下伏土层、水合物储层、上覆土层，调节伸缩杆使组合电容式变形测量系统放置于待测量点的上覆土层上，保证该组合电容式变形测量系统最底部的电极板与上覆土层表面完全接触。
所述储层模型在变形过程中，测量电压U压与起始电压U0之间为以下关系：
当储层模型的表面变形量小于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
当储层模型的表面变形量大于等于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
所述水合物储层表面发生形变的过程中，最底部电容器电极板间间距以及串联电容器的个数会发生变化，即串联电容器组的各个电容器从下到上的每个电容器内部的两电极板依次靠拢，使得电容器数量逐渐减小，使得电压测量电路中电压值改变。
当水合物表层形变未超过初始最底部电容器极板间距时，最后带入所得公式中可认为m＝0；在水合物储层表面上升工况下，当其形变超过初始时刻最底部电容器极板间距时，底部电容器极板将贴合在一起，将其视为一个电阻；
在最底部电容器两极板贴合成为等效电阻之后，上部电容器两极板间距离还未发生变化，电容值保持不变，继而电压测量电路中电压值将会出现短暂平台期，通过该平台期的个数可以得到最终两极板相贴合的电容器个数，进而得到m的值。
在水合物储层表面形变表现为塌陷工况时，最底部电容器极板间距增大，最终变为极板间相连接的极板连接绝缘软线被拉长直至极板间距等于上部电容器极板间距d；由于极板连接绝缘软线的牵拉，电极板间距保持不变，同时最下部重叠的电极板分离，而此时下部电容器两电极板还并未分开，依旧将其等价于电阻，此时电压测量电路中电压值同样会出现平台期，同理也可得到此时m值，最终通过平台期的判定和电压值监测，带入公式即可得到水合物储层表面变形值。
本发明的高压釜顶部设置釜盖且置于超重力环境中，高压釜内部设置上覆土层、水合物储层和下伏土层，在上覆土层上部布置组合电容式变形测量系统，该系统包括多组电容器、限位杆、极板固定绝缘软线、相应连接导线等；水合物开采过程中储层表面变形引起组合电容式变形测量系统电容值改变，进而转化为监测电压数据的变化，通过超重力条件下电压值的监测来推算储层表面变形值值的实时测量。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明装置为水合物开采过程中储层表面变形的精确监测提供手段。现有常规位移传感器难以在高压和低温极端工况下正常工作，且超重力作用往往导致传感器元件变形、运动构件卡死等损坏性事故。本发明基于电容器电容值变化原理使得测量装置在高压、低温、超重力的极端环境下能正常工作。
(2)本发明可以通过调节尺寸使其适配到其他实验装置对表面形变的测量之中，同时也可以根据测量点的不同，将本发明装置固定于高压釜内不同位置以得到多个位点的形变数据，最终利于对开采时周围储层的变形特性作出整体判断。
(3)本发明采用电容器电容值随两极板间距变化的方法来推算储层表面的变形值，原理简单，精度较高。同时数据输出及变化直观，结构简单，易于调试和安装。
(4)本发明弥补了现有位移计无法对超重力实验舱中水合物开采时表面变形测量的不足，实现了对于水合物储层表面形变的实时监测和记录。为水合物开采时周围环境特征提供了储层表面变形的数据，为水合物能源安全高效开采提供新的测试手段。
附图说明
图1为本发明装置正剖面示意图；
图2为本发明装置A-A剖面示意图；
图3为本发明装置B-B剖面示意图；
图4为本发明装置在高压釜内布置示意图；
图5为电路原理图。
图中，1电绝缘固定板；2极板固定绝缘软线；3限位杆；4外电路连接导线；5伸缩杆；6正电极板；7负电极板；8绝缘填充介质；9电容器间连接导线；10固定螺栓；11开采井；12预留孔道；13组合电容式变形测量系统；14上覆土层；15水合物储层；16下伏土层；17温度和压力传感器；18釜盖；19螺栓；20高压釜；21水浴夹套；22循环制冷液；23高压容器内壁；24气体注入接口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图4所示，装置包括高压釜20、釜盖18、组合电容式变形测量系统13和水浴夹套21；高压釜20设置在水浴夹套21内，高压釜20内腔中从下到上依次设置下伏土层16、水合物储层15、上覆土层14，接触高压容器内壁23；高压釜20内腔上端设置用于封盖的釜盖18，釜盖18通过螺栓19和高压釜20上端面密封固定连接；上覆土层14和釜盖18之间的高压釜20内腔中设置组合电容式变形测量系统13。
高压釜20内腔底部安装有温度和压力传感器17，温度和压力传感器17用于实时监测高压釜20内腔的温度和压力。
高压釜20底部开设连通到内腔的气体注入接口24，气体注入接口24用于注入气体到高压釜20的内腔。一开始是从气体注入接口24注入氮气到高压釜20的内腔以检测泄露，然后从气体注入接口24注入甲烷气以生产水合物。
水浴夹套21内充有循环制冷液22，高压釜20沉浸在循环制冷液22中。
具体实施的高压釜20是内腔容积为200L的圆柱形钛合金容器，可在最高超重力离心加速度300g条件下工作，承压范围0～35MPa，工作温度0～90℃；釜盖18处采用O型的圈密封。
组合电容式变形测量系统13底部置于上覆土层14表面。
釜盖18底面通过固定螺栓10安装电绝缘固定板1，电绝缘固定板1底部用于连接组合电容式变形测量系统13。
如图1-图3所示，组合电容式变形测量系统13包括多组电容器、电绝缘固定板1和限位杆3，多组电容器沿上下方向依次布置，最上面的一组电容器经电绝缘固定板1和釜盖18底面连接安装，相邻电容器之间通过连接导线9电串联连接，相邻电容器之间存在间隙，间隙中填充绝缘介质8；每组电容器是由两块电极板7平行间隔布置而成，即在电极板一定距离范围内设置异性电极板构成一个电容器。限位杆3穿设过各组电容器，限位杆3中布置外电路连接导线4，如图5所示，多组电容器串联后形成串联电容器组，串联电容器组的两端经外电路连接导线4和外部的电压测量电路连接。
相邻的电容器中，上方的电容器的负电极板7和下方的电容器的正电极板6之间的间隙填充绝缘介质8且通过连接导线9电串联连接。
每组电容器是由位于上方的正电极板6和位于下方的负电极板7构成，正电极板6和负电极板7平行间隔布置，最上面的一组电容器的正电极板6经电绝缘固定板1和釜盖18底面固定连接，最下面的一组电容器的负电极板7和上覆土层14的上表面接触。
每个电容器内部的正电极板6和负电极板7的两极板之间采用极板固定绝缘软线2绝缘地支撑连接，在极板固定绝缘软线2支撑下通过正电极板6和负电极板7的两极板之间的间距可活动。
限位杆3穿设过各组电容器的正电极板6和负电极板7，各电容器的电极板预留限位杆3的孔道，最下面的一组电容器的负电极板7经第一根外电路连接导线4和外部的电压测量电路的一端连接，第一根外电路连接导线4穿设经过限位杆3，最上面的一组电容器的正电极板6经第二根外电路连接导线4和外部的电压测量电路的另一端连接。这样两根外电路连接导线4分别连接到外部的电压测量电路的两端。
釜盖18设有用于组合电容式变形测量系统13的外电路连接导线4穿设经过的预留孔道12，电绝缘固定板1顶面固定设有伸缩杆5，伸缩杆5伸入到预留孔道12中，从而使得伸缩杆5穿过并固定于釜盖18；伸缩杆5内部预留用于外电路连接导线4穿设过的中空走线孔。
限位杆3采用硬质高分子绝缘材质，竖直插入上覆土层14中用于限制电极板水平方向运动，使电极板运动仅沿竖直方向变化，对装置起到水平向限位作用。
电容器的电极板在不同位置设置限位杆3预留孔，供限位杆3穿过，多个限位杆3同时也用于限制电容器的电极板之间水平相对位移和移动。
外电路连接导线4外包绝缘材料，用于减少其对测量结果的干扰。
极板固定绝缘软线2用于限制电容器的两极板间的最大间距，控制各电容器达到最大极板间距时电容值相同；极板固定绝缘软线2采用绝缘材质制造，具有一定的抗拉强度。
本发明具体实施的实验过程及其情况如下：
步骤1：测量装置安装
在温度300K、压力101kPa情况下，在常温常压条件下，在釜盖18顶部预留孔道处伸入伸缩杆5，伸缩杆5连接并固定于电绝缘固定板1；将限位杆3保持竖直并置于上覆土层14中，并将限位杆3依次穿过各个电容器极板的限位杆3预留孔；高压釜20内腔中从下到上依次布置下伏土层16、水合物储层15、上覆土层14，调节伸缩杆5使组合电容式变形测量系统13放置于待测量点的上覆土层14上，保证该组合电容式变形测量系统13最底部的电极板与上覆土层14表面完全接触。
将组合电容式变形测量系统13与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，待充电电路的电压表示数不再变化时，则表示各组电容器串联后形成的串联电容器组充电完成，断开充电电路，此时串联电容器组中带电量为Q并在后续测量过程中保持该带电量。
步骤2：装置检漏和储层模型制备
测量装置安装完成后，从气体注入接口24向高压釜20内注入氮气，直至高压釜20内压力达到3.5MPa；关闭高压釜20内所有阀门和进出气口并用孔压传感器17实时监测高压釜20内气压。若高压釜20内气压在8小时内保持稳定则装置气密性良好，否则检查高压釜20气密性直到满足要求，从气体注入接口24向高压釜20内注入甲烷或二氧化碳气体，加热调节高压釜20内的温度至预设值，在预设的温度和压力环境下，高压釜20内生成水合物制备处所需的储层模型。
步骤3：启动离心机准备实验
将测量装置搭载至超重力离心机的吊篮内，将组合电容式变形测量系统13的串联电容器组的两端与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，启动离心机将离心加速度分级加速至200g，并稳定保持一段时间，此时测量装置内的储层模型及其内部的传感器处于超重力、高压和低温的环境中。
步骤4：测量装置初始化
超重力离心机转机稳定后，待串联电容器组两端的电压不发生变化时，断开组合电容式变形测量系统13与充电电路之间的连接，将组合电容式变形测量系统13接入对电压变化更敏感的电压测量电路中，电压测量电路测量得到起始电压U0；
步骤5：建立以下公式的水合物储层模型的变形量与电压测量电路的电之间的关系，根据后续电压测量电路实时测量获得的测量电压U按照以下公式得到储层模型的变形量Δd：
其中，d0为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器在与上覆土层14表面接触时内部的两电极板之间的初始间距，d为当前时刻串联电容器组中最底部的电容器内部的两电极板之间的间距，d1为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器在与上覆土层14表层相接触时且内部的两电极板并未接触时的两电极板之间的间距，d2为电容器内部的两电极板厚度与两电容器之间的间距的和；m表示由储层模型的表面变形引起的串联电容器组中的电极板重叠个数或电极板展开减少的个数；n表示串联电容器组中电容器的总数量，U为电压测量电路实时测量获得的测量电压。
储层模型在变形过程中，测量电压U压与起始电压U0之间为以下关系：
当储层模型的表面变形量小于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
当储层模型的表面变形量大于等于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
步骤5：测量工作原理
采用降压法或热激法进行水合物开采超重力实验，随着实验进行水合物储层表面产生变形，最底部电容器的极板间距和串联电容器的数量发生变化，进而引起电压测量电路中电压变化，将该变化的电压记为U；根据电容公式和/>其中S为正电极板6和负电极板7正对面积，d为两极板间距，ε＝ε0εr，其中ε0为介电常数，εr为介质的相对介电常数；根据串联式电容器电容计算公式/>推得其中d0为初始时刻最底部电容器与上覆土层14表面接触时的两极板间距。
步骤6：电压变化推算
储层变形过程中电压与初始电压之间存在如下两种关系：
①当表面变形值小于初始时刻最底部电容器两极板间距d0时，两者关系为
②当表面形变大于等于d0时，则两者关系为其中m表示由于储层表面变形引起的电极板重叠个数或电极板展开个数。
上述两式中d1代表最底部电容器与上覆土层14表层相接触且两电极板并未接触时电容器两极板间距，且在实验过程中，由于两串联电容器间的绝缘填充介质8存在一定的压缩性，于是公式中m可由电压值变化所出现的平台期次数来确定。
步骤7：最终变形计算
根据极板间距变化Δd＝|d0-d1|+md+md2，其中d2为电容器两电极板厚度与两电容器间间距的和，代入上述方法最终可以得到水合物储层变形与电压值的关系：
在水合物储层表面发生形变的过程中，最底部电容器电极板间间距以及串联电容器的个数会发生变化，使得电压测量电路中电压值改变。
当水合物表层形变未超过初始最底部电容器极板间距时，最后带入所得公式中可认为m＝0；
在水合物储层表面上升工况下，当其形变超过初始时刻最底部电容器极板间距时，底部电容器极板将贴合在一起，将其视为一个电阻；
在最底部电容器两极板贴合成为等效电阻之后，上部电容器两极板间距离还未发生变化，电容值保持不变，继而电压测量电路中电压值将会出现短暂平台期，通过该平台期的个数可以得到最终两极板相贴合的电容器个数，进而得到m的值；
在水合物储层表面形变表现为塌陷工况时，最底部电容器极板间距增大，最终变为极板间相连接的极板连接绝缘软线2被拉长直至极板间距等于上部电容器极板间距d，由于极板连接绝缘软线2的牵拉，电极板间距保持不变，同时最下部重叠的电极板分离，而此时下部电容器两电极板还并未分开，依旧将其等价于电阻，此时电压测量电路中电压值同样会出现平台期，同理也可得到此时m值，最终通过平台期的判定和电压值监测，处理即可得到水合物储层表面变形值。
由此实施可见，本发明的方法能够适应高压低温的超重力环境，原理简单，操作简便快捷，弥补了现有位移计无法对超重力实验舱中水合物开采时表面变形测量的不足，实现了对于天然气水合物储层表面形变的实时监测和记录，取得了显著的技术优势。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置，其特征在于：
包括高压釜(20)、釜盖(18)、组合电容式变形测量系统(13)和水浴夹套(21)；高压釜(20)设置在水浴夹套(21)内，高压釜(20)内腔中从下到上依次设置下伏土层(16)、水合物储层(15)、上覆土层(14)；高压釜(20)内腔上端设置用于封盖的釜盖(18)；上覆土层(14)和釜盖(18)之间的高压釜(20)内腔中设置组合电容式变形测量系统(13)；
所述的组合电容式变形测量系统(13)包括多组电容器、电绝缘固定板(1)和限位杆(3)，多组电容器沿上下方向依次布置，最上面的一组电容器经电绝缘固定板(1)和釜盖(18)底面连接安装，相邻电容器之间通过连接导线(9)电串联连接，相邻电容器之间存在间隙，间隙中填充绝缘介质(8)；每组电容器是由两块电极板平行间隔布置而成，限位杆(3)穿设过各组电容器，限位杆(3)中布置外电路连接导线(4)，多组电容器串联后形成串联电容器组，串联电容器组的两端经外电路连接导线(4)和外部的电压测量电路连接；
每组电容器是由位于上方的正电极板(6)和位于下方的负电极板(7)构成，最上面的一组电容器的正电极板(6)经电绝缘固定板(1)和釜盖(18)底面固定连接，最下面的一组电容器的负电极板(7)和上覆土层(14)的上表面接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置，其特征在于：所述的高压釜(20)内腔底部安装有温度和压力传感器(17)，温度和压力传感器(17)用于实时监测高压釜(20)内腔的温度和压力；所述的高压釜(20)底部开设连通到内腔的气体注入接口(24)，气体注入接口(24)用于注入气体到高压釜(20)的内腔；所述水浴夹套(21)内充有循环制冷液(22)，高压釜(20)沉浸在循环制冷液(22)中。
3.根据权利要求1所述的一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置，其特征在于：所述的组合电容式变形测量系统(13)底部置于上覆土层(14)表面。
4.根据权利要求1所述的一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置，其特征在于：所述的限位杆(3)穿设过各组电容器的正电极板(6)和负电极板(7)，最下面的一组电容器的负电极板(7)经第一根外电路连接导线(4)和外部的电压测量电路的一端连接，第一根外电路连接导线(4)穿设经过限位杆(3)，最上面的一组电容器的正电极板(6)经第二根外电路连接导线(4)和外部的电压测量电路的另一端连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置，其特征在于：所述的釜盖(18)设有用于组合电容式变形测量系统(13)的导线穿设经过的预留孔道(12)，所述的电绝缘固定板(1)顶面固定设有伸缩杆(5)，伸缩杆(5)伸入到预留孔道(12)中，伸缩杆(5)内部预留用于外电路连接导线(4)穿设过的中空走线孔。
6.应用权利要求1-5任一项所述用于超重力实验中水合物储层表面变形测量装置的一种超重力实验中水合物储层表面变形测量方法，其特征在于：方法具体包括如下步骤：
步骤1：测量装置安装
装配安装所述测量装置，将组合电容式变形测量系统(13)的串联电容器组的两端与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，待充电电路的电压表示数不再变化时，则断开充电电路；
步骤2：装置检漏和储层模型制备
测量装置安装完成后，从气体注入接口(24)向高压釜(20)内注入甲烷或二氧化碳气体，直至高压釜(20)内压力达到预设值；
关闭高压釜(20)内所有阀门和进出气口并用压力传感器(17)实时监测高压釜(20)内气压，待高压釜(20)内密封良好时，加热调节高压釜(20)内的温度至预设值，在预设的温度和压力环境下，高压釜(20)内生成水合物制备处所需的储层模型；
步骤3：启动离心机准备实验
将所述测量装置搭载至超重力离心机的吊篮内，将组合电容式变形测量系统(13)的串联电容器组的两端与外接的充电电路进行连接，使用充电电路以额定电压对串联电容器组的电极板进行充电，启动离心机将离心加速度分级加速至预定加速度值，并稳定保持一段时间；
步骤4：测量装置初始化
超重力离心机转机稳定后，待串联电容器组两端的电压不发生变化时，断开组合电容式变形测量系统(13)与充电电路之间的连接，将组合电容式变形测量系统(13)接入对电压测量电路中，电压测量电路测量得到起始电压U0；
步骤5：根据电压测量电路实时测量获得的测量电压U按照以下公式得到储层模型的变形量Δd：
其中，d0为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器内部的两电极板之间的初始间距，d为当前时刻串联电容器组中最底部的电容器内部的两电极板之间的间距，d1为初始时刻串联电容器组中最底部的电容器在内部的两电极板并未接触时的两电极板之间的间距，d2为电容器内部的两电极板厚度与两电容器之间的间距的和；m表示由储层模型的表面变形引起的串联电容器组中的电极板重叠个数或电极板展开减少的个数；n表示串联电容器组中电容器的总数量，U为电压测量电路实时测量获得的测量电压。
7.根据权利要求6所述的一种超重力实验中水合物储层表面变形测量方法，其特征在于：
所述步骤1中，装配安装所述测量装置，具体包括：
在常温常压条件下，在釜盖(18)顶部预留孔道处伸入伸缩杆(5)，伸缩杆(5)连接并固定于电绝缘固定板(1)；将限位杆(3)保持竖直并置于上覆土层(14)中，并将限位杆(3)依次穿过各个电容器极板的限位杆(3)预留孔；高压釜(20)内腔中从下到上依次布置下伏土层(16)、水合物储层(15)、上覆土层(14)，调节伸缩杆(5)使组合电容式变形测量系统(13)放置于待测量点的上覆土层(14)上，保证该组合电容式变形测量系统(13)最底部的电极板与上覆土层(14)表面完全接触。
8.根据权利要求6所述的一种超重力实验中水合物储层表面变形测量方法，其特征在于：所述储层模型在变形过程中，测量电压U压与起始电压U0之间为以下关系：
当储层模型的表面变形量小于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
当储层模型的表面变形量大于等于初始时刻的初始间距d0时，测量电压U压与起始电压U0之间的关系为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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