CN209875149U - 模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统和方法，模型试验箱装置包括上下设置的压力室和土样存放室，以及将二者密封隔离的加压板；竖向压力系统用于向压力室中施加压力以推动加压板向下移动；土样存放室中存有土样；土样存放室的背板具有阵列设置的通孔，每个通孔都连接至孔隙水压力计；土样存放室的左右两侧分别连通出水口和入水口，出水口处的筛网上粘贴有防水应变片，以测量出水口处的筛网的水平和竖直应变；渗流系统与入水口连通，以向土样存放室中输入水气混合物；变形量测系统测量土样中砂体的移动和变形情况；孔压量测系统得到土样孔隙水压力的空间分布和随时间的演化特性。

Description

模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物开采时模拟出砂导致孔壁破坏情况的试验系统及方法，用来模拟真实水气流动过程中的土样固结变形、井壁受力-变形-破坏、砂粒流动状态、孔隙水压力等特性。

背景技术

天然气水合物是分布于深海沉积物中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，被视为后石油时代的重要替代能源，因而成为油气工业界长期研究热点。根据国际天然气水合物试开采经验，降压法是目前全球公认的最佳天然气水合物开采方法。因为天然气水合物埋藏浅，所处的沉积层通常未固结成岩且细粉砂含量较高，加上降压开采时生产压差较大，砾石移动造成筛网破坏导致出砂。构成地层的岩石的碎屑(砂)混杂在石油和天然气中一起流入到生产井内，会导致堵塞生产井、磨损生产设备的管道、堵塞重要阀门等。2013年3月在日本爱知县附近深海可燃冰层中成功提取出甲烷，后因出砂被迫中止试采。2017年3月在日本南海海槽开采时因防砂系统失效，也导致试采作业被迫中止。可见，在开采天然气水合物的钻井、完井及采气过程中，含天然气水合物地层的力学性质发生变化，可能导致井壁失稳、出砂、地层坍塌、海底滑坡甚至海啸等灾害，其中井壁失稳导致的出砂问题尤为严重。

综上所述，出砂是制约天然气水合物资源长效开采的关键因素，因此在天然气水合物商业化开采前迫切需要进行出砂机理的研究，以便采用合适的防砂技术手段来避免出砂问题。为模拟开采天然气水合物时的出砂情况，现有的试验大多研究的是开采天然气水合物导致的出砂量，却无法测量某一特定时刻砂的位移场。而且大多试验装置无法研究出砂前孔壁的变形和受力状态。尚未有试验装置既可测试每一时刻砂的运动状态，又能研究出砂破坏前孔壁的受力状态，还能测得总出砂量。因此研制这种综合性的试验装置显得尤为迫切和重要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有常规试验设备仅能研究出砂时砂体质量，以及不能考虑井壁受力状态的缺陷，提供一种更符合实际工程需要的试验系统，该系统可满足真实水气流动过程中对土样固结变形、井壁受力-变形-破坏、砂粒流动状态、孔隙水压力等进行精确量测的试验需要。

本实用新型解决这些技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，包括：模型试验箱装置、竖向压力系统、渗流系统、变形量测系统、孔压量测系统；

所述模型试验箱装置包括上下设置的压力室和土样存放室，以及将二者密封隔离的加压板；注意模型装置内壁以及加压板四个角应做成圆弧倒角，加压板边缘用橡胶密封圈密封，加圧板可以自由上下活动并且可防止漏水；所述加压板与竖杆的一端连接；所述竖向压力系统用于向所述压力室中施加压力以推动所述加压板和竖杆向下移动；

所述土样存放室中存有土样，所述土样的上表面覆盖有橡皮膜；橡皮膜通过压力室与土样存放室之间的法兰夹住并固定。所述土样存放室的背板具有阵列设置的通孔，每个通孔都连接至孔隙水压力计；所述土样存放室的左右两侧分别连通出水口和入水口，并且所述出水口和入水口处分别设置有不同规格的筛网；出水口处的筛网上粘贴有防水应变片，以测量出水口处的筛网的水平和竖直应变；

所述渗流系统与所述入水口连通，以向所述土样存放室中输入水气混合物；

所述变形量测系统包括位移传感器和粒子图像测速法监测系统；所述位移传感器与竖杆的另一端连接，所述粒子图像测速法监测系统用于拍摄水气混合物通过土样时，土样中砂体的移动和变形情况；

所述孔压量测系统将所述孔隙水压力计测量的数值进行记录和图形化处理，得到土样孔隙水压力的空间分布和随时间的演化特性。

在一较佳实施例中：所述竖向压力系统包括第一空压机和第一减压阀，所述空压机的输出口通过第一减压阀连通至压力室上的加压孔，以向压力室中输送气体。

在一较佳实施例中：所述压力室还具有一注水孔；第一空压机输出的气体施加在压力室的水面顶面上，使得水推动加压板向下移动。

在一较佳实施例中：所述渗流系统包括水源供应系统和气源供应系统；其通过水气混合开关连通至所述入水口。

在一较佳实施例中：所述水源供应系统包括第二空压机和水箱；所述第二空压机输出的空气通过第二减压阀注入水箱，将水箱中的水输出水箱流至所述水气混合开关。

在一较佳实施例中：所述气源供应系统包括第三空压机和第三减压阀；所述第三空压机输出的空气通过第三减压阀流至所述水气混合开关。

在一较佳实施例中：还包括测试系统；所述测试系统由气液固分离系统和颗粒测试系统组成；所述气液固分离系统用于将出水口流出的砂水气混合物进行分离，所述颗粒测试系统用于测试流出砂的粒径和数量。

在一较佳实施例中：所述气液固分离系统包括三通阀、滤网、开口容腔和密闭容器：

所述三通阀的进口连通所述出水口，第一出口通过滤网连通所述开口容器；所述滤网的前方还具有沿着竖直方向设置管道，其连通至所述密闭容器；所述滤网的孔径小于砂的直径。

在一较佳实施例中：所述颗粒测试系统包括取样瓶、激光粒度仪、颗粒计数仪；所述取样瓶连通至三通阀的第二出口；激光粒度仪测量取样瓶中砂的粒径分布，所述颗粒计数仪通过光阻法对取样瓶中的砂粒数量进行测试。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型在加压系统利用空压机驱动水压施加在加圧板上，可用来模拟不同深度的含天然气水合物地层的竖向土压力。该方法利用简单的装置就可实现较高的竖向压力的目的，并且有两道防水措施，保证试验过程中不漏水，安全可靠。

2.本实用新型通过水源供应系统和气源供应系统能模拟实际地层中真实的水气流动状态，这样能更好地模拟出实际天然气水合物开采情况。

3.本实用新型在出水口处使用合适厚度的筛网，通过筛网上的应变片量测，可测试水合物开采过程中井壁受力、变形和破坏情况，更加符合井壁破坏的实际情况。

4.本实用新型下部结构的正面采用35mm厚的特种透明装甲板，能抵抗实验过程中最大5MPa的侧向土压力。其次，特种透明装甲板光学透明度90％，无视觉偏角及光学畸变，具有较高的光学性能，能满足粒子图像测速法的光学需求。

5.本实用新型下部结构的正面采用粒子图像测速法——粒子图像测速法技术对土样中砂粒位移进行测试，能实现同一瞬态记录大量砂的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构及流动特性，进而得到出砂过程中砂体的移动状态。

6.本实用新型下部结构背面的孔压量测系统测试不同位置的孔隙水压力，可实现土样中孔隙水压力的空间分布以及时间演化特性测试的需求。

7.本实用新型为了对流出砂的特征进行深入分析，采用激光粒度仪测量流出砂的颗粒粒径，再通过颗粒计数仪测试砂粒的数量，所测结果准确可靠。

8.本实用新型自行设计了一种新型气液固分离器，利用该新型气液固分离器对砂、水和气实现自动化分离采集，可较为准确和具体地反映出砂情况。

附图说明

图1是模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统的示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案做进一步说明：

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

参考图1，模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，包括模型试验箱装置1、竖向压力系统2、变形量测系统、孔压量测系统、渗流系统和测试系统7。

模型试验箱装置1的整体结构为长方体，由上下设置的压力室11和土样存放室12构成：压力室11内部空间的长宽高为450*250*250mm，土样存放室12的内部空间的长宽高为450*250*250mm，压力室11和土样存放室12的壁厚均为10mm。

压力室11的材质为不锈钢，顶盖用法兰与侧壁连接进行固定，其顶端有一个注水孔111.压力室11与土样存放室12通过法兰进行连接。压力室11和土样存放室12之间通过一加压板25密封隔离；加压板25的上表面与竖杆24的一端连接。

土样存放室12正面的材质为特种透明装甲板，它是超高分子非晶聚合物特种透明材料，厚度为35mm,光学性能好，便于从外部观察到土样，且能够承受最高5MPa的压力。土样存放室12左右两侧分别设置有出水口121和入水口122，出水口121和入水口122处设置不同规格的筛网。入水口处的筛网中，左上第一个筛孔距离上端10mm,距离左端10mm。孔径为0.5mm，相邻两筛孔的圆心距为3mm。出水口处的筛网中，左上第一个筛孔距离上端5mm,距离左端5mm。孔径为0.1mm，相邻两筛孔的圆心距为2mm。

竖向压力系统2包括第一空压机21、第一减压阀22、设置在压力室壁上的加压孔23、上文所述的加压板25和中间竖杆24；通过第一减压阀22精确调节第一空压机21输出的气压压强。本实施例中，为模拟2013年日本爱知县开采时含天然气水合物地层的竖向土压力，需保证第一空压机21能提供恒定的2MPa到5MPa压力。通过加压孔23将2MPa到5MPa的压力施加至压力室11，具体压力大小需根据模拟的地层深度进行确定。压力室11的加压板25和顶盖之间采用轴密封，可密封2MPa到5MPa压力。中间竖杆24通过压力室11顶面直接设置有活塞结构，使得竖杆24既可向下移动，又可与顶面密封。压力室11内的水压力为2MPa到5MPa，水压力作用于加压板25上，这样加压板25向下移动，将橡皮膜压至土样顶面。最终导致土样顶面受到2MPa到5MPa的压力，用来模拟开采时含天然气水合物地层的竖向土压力。橡胶膜在2MPa到5MPa液压下，挤压土样，土样受压固结沉降后，压力室11中的加压板25随土样固结沉降自行向下移动。

变形量测系统：由所述位移传感器3和粒子图像测速法监测系统两部分组成。竖杆24的另一端与位移传感器3连接，以测量竖杆24的向下位移量，进而得到整个土样总的竖向变形量。粒子图像测速法监测系统安装在土样存放室12的正面：在试验装置透明装甲板前方设置高清相机，测量出砂过程中砂体的移动和变形。粒子图像测速法监测系统由控制点、高清相机、暗室、LED灯板及Geo粒子图像测速法程序组成。先制作控制点，将黑色电工胶带制作成黑色实心圆点粘贴于视窗内壁，然后在相同位置覆盖一个直径10mm的白色圆点，使黑色圆点区别于土体，增加对比度，便于粒子图像测速法分析。控制点间距70mm,均匀分布于分析区域内。选用最低分辨率为4608×2592，可自动连续拍摄，拍摄间隔为1s的数码相机进行拍摄，设置暗室于试验装置前方，防止杂乱光线进入高清相机，影响测量精度；LED灯板设置于试验装置视窗前方两侧，提供充足光源；高清相机设置于试验装置视窗正前方，拍摄出砂过程中砂体流动的照片，记录砂体变形。获得照片后，采用White等编写的基于MATLAB的Geo粒子图像测速法程序对拍摄的照片进行分析，可得到任意时刻砂体的流动状态。

孔压量测系统由孔隙水压力计和模拟信号采集卡组成，用来测土样不同位置的孔隙水压力。土样存放室12的背板为不锈钢板，从左往右圆心间距50mm打孔，从上到下也是圆心间距50mm打孔，60个孔均匀布置在土样后面，每个孔接所述孔隙水压力计。压力传感器的把压力信号转换为模拟信号，模拟信号采集卡是把模拟信号转换成数字信号的设备。

渗流系统：为给模型箱提供真实开采时的水气情况，水气混合供应系统分为水源供应系统4和气源供应系统5。水源供应系统4包括第二空压机41、第二减压阀42和水箱43：第二空压机41提供最大压强为3MPa的稳定气源，再通过第二减压阀42精确控制输出气源压力为0-2MPa后注入水箱43，水箱43上面的高压气体将下面的水压出水箱43，各个装置用高压胶管连接，再经过一个出水开关44，通过第二减压阀42调节压力实现水压力精确控制，通过出水开关44调节过水断面面积实现水流量的精确控制。当水箱里面的水注完以后，需及时加水或更换相同类型的水箱。气源供应系统5包括第三空压机51和第三减压阀52。通过第三减压阀52控制第三空压机输出的气体压强在0-2MPa范围，再经过一个出气开关53，通过第三减压阀52调节压力实现气压的精确控制，通过出气开关53调节管道截面积实现气体流量的精确控制。水源供应系统4和气源供应系统5把水和气按照天然气水合物的真实比例调节好，通过水气汇合开关6输入入水口122。水和气混合物从入水口122进入后，再通过固定不动的不锈钢筛网将水气混合物压入土样。此外，在水气汇合开关6与水箱43和第三减压阀52之间还分别设置有出水开关44和出气开关53，分别用来控制水源供应系统4的水路和气源供应系统5的气路的通断。

之后水气混合物通过左边出水口121的不锈钢筛网流出土样。出水口121处的筛网和侧壁之间有50mm宽的空腔。出水口121处的筛网应满足：在出水口筛网上开孔径为0.1mm的孔，相邻两筛孔的圆心距为2mm。出水口121的筛网采用螺栓固定，加密封圈。出水口121的筛网要选择合适厚度，允许试验过程中筛网发生变形和破坏。

在出水口121的筛网上粘贴微型长条状的防水应变片，应变片的右边缘距离圆心为1.5mm,应变片的上边缘距离圆心为1.5mm。应变片用于测水平和竖直应变。由于侧向土压力增大，筛网变形，通过测变形得出筛网受力状态。

测试系统7由气液固分离系统和颗粒测试系统组成。所述气液固分离系统包括三通阀71、滤网、开口容腔72和密闭容器73：

所述三通阀71的进口连通所述出水口121，第一出口通过滤网连通所述开口容器72；所述滤网的前方还具有沿着竖直方向设置管道，其连通至所述密闭容器73；所述滤网的孔径小于砂的直径。从出水口121流出的水、气和砂混合物经过滤网，由于滤网孔径小于砂的直径，砂不能通过滤网，水和气通过滤网，气体释放到空气里，水流到开口容腔72里面。受滤网阻滞的砂在重力作用下沉淀到收集砂的密闭容器73里面，这样实现了水、气和砂的自动分离。出砂量通过烘干收集砂的封闭容器内的砂质量进行确定。

所述颗粒测试系统包括取样瓶8、激光粒度仪、颗粒计数仪；所述取样瓶8连通至三通阀的第二出口；激光粒度仪测量取样瓶8中砂的粒径分布，所述颗粒计数仪通过光阻法对取样瓶8中的砂粒数量进行测试。

试验具体操作方式如下：

1)土样的制备与放置：为了使模型试验中出砂过程的试验更加接近真实情况，参考2013年在日本爱知县附近进行的深海开采可燃冰层天然气水合物情况，使用Leighton-Buzzard标准砂，其为圆形及次圆形的二氧化硅，颗粒尺寸0.15mm到0.30mm，在标准砂里面添加30％的黏土矿物进行均匀拌和，然后将制备好的土样分层填装到土样存放室中，分层压实。

2)在土样的上表面覆盖一层橡胶膜，然后安装模型试验箱的上部压力室，安装时，橡皮膜不需绷紧，但橡皮膜要被周边法兰夹住牢固，确保压力室内的水不会渗漏到土样里面以及模型箱外侧。

3)往压力室中注满水，通过第一空压机与第一减压阀、加压孔对压力室充入气体，使得水推动加压板向下移动，将橡皮膜压至土样顶面；保证第一空压机提供恒定2MPa到5MPa范围的恒定压力到压力室中，压力室底部的加压板向下移动，将橡皮膜压至土样顶面，最终保证土样顶面受到2MPa-5MPa范围内的恒定竖向压力。

4)打开第二空压机，第二空压机输出的空气通过第二减压阀注入水箱将其中的水输出至水气混合开关；调节第二减压阀精确控制输出气源压力为0-2MPa，注入水箱后，上面的高压气会将下面的水压出，保证输出的水压力为0-2MPa范围内的恒定压力。

5)打开第三空压机，第三空压机输出的空气通过第三减压阀输入水气混合开关；调节第三减压阀精确控制输出气源压力为0-2MPa范围内的恒定压力。

6)打开水气混合开关，使得水气混合物从入水口进入土样存放室，再通过出水口流出；通过防水应变片测量出水口处筛网的水平和竖直应变；以此模拟实际开采情况下井壁周边筛网的受力-变形-破坏情况。

7)从出水口流出的水、气、砂混合物通过气固液分离系统进行自动分离和采集；每隔一段时间在取样口用取样瓶进行取样，通过激光粒度仪测定固体颗粒的粒径分布，通过颗粒计数仪对颗粒数量进行测试；

8)在试验过程中，通过粒子图像测速法监测系统测量土样出砂过程中砂体的移动和变形，得到任意时刻砂体的位置变化；

9)在试验过程中，通过位移传感器测量竖杆向下移动的情况，求得土样总的竖向变形量；

10)试验过程中，通过孔压量测系统，测土样孔隙水压力的空间分布和随时间的演化特性。

最终通过该试验系统测试真实水气流动过程中的土样固结变形、井壁受力-变形-破坏、砂粒流动状态、孔隙水压力等特性。

以上仅为本实用新型的优选实施例，但本实用新型的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本实用新型所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本实用新型的范围内。因此，本实用新型的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (9)

1.一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于包括：模型试验箱装置、竖向压力系统、渗流系统、变形量测系统、孔压量测系统；

所述模型试验箱装置包括上下设置的压力室和土样存放室，以及将二者密封隔离的加压板；所述加压板与竖杆的一端连接；所述竖向压力系统用于向所述压力室中施加压力以推动所述加压板和竖杆向下移动；

所述土样存放室中存有土样，所述土样的上表面覆盖有橡皮膜；所述土样存放室的背板具有阵列设置的通孔，每个通孔都连接至孔隙水压力计；所述土样存放室的左右两侧分别连通出水口和入水口，并且所述出水口和入水口处分别设置有不同规格的筛网；出水口处的筛网上粘贴有防水应变片，以测量出水口处筛网的水平和竖直应变；

所述渗流系统与所述入水口连通，以向所述土样存放室中输入水气混合物；

所述变形量测系统包括位移传感器和粒子图像测速法监测系统；所述位移传感器与竖杆的另一端连接，所述粒子图像测速法监测系统用于拍摄水气混合物通过土样时，土样出砂过程中砂体的移动和变形情况；

所述孔压量测系统将所述孔隙水压力计测量的数值进行记录和图形化处理，得到土样孔隙水压力的空间分布和随时间的演化特性。

2.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述竖向压力系统包括第一空压机和第一减压阀，所述空压机的输出口通过第一减压阀连通至压力室上的加压孔，以向压力室中输送气体。

3.根据权利要求2所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述压力室还具有一注水孔；第一空压机输出的气体施加在压力室的水面顶面上，使得水推动加压板向下移动。

4.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述渗流系统包括水源供应系统和气源供应系统；其通过水气混合开关连通至所述入水口。

5.根据权利要求4所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述水源供应系统包括第二空压机和水箱；所述第二空压机输出的空气通过第二减压阀注入水箱，将水箱中的水输出水箱流至所述水气混合开关。

6.根据权利要求4所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述气源供应系统包括第三空压机和第三减压阀；所述第三空压机输出的空气通过第三减压阀流至所述水气混合开关。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：还包括测试系统；所述测试系统由气液固分离系统和颗粒测试系统组成；所述气液固分离系统用于将出水口流出的砂水气混合物进行分离，所述颗粒测试系统用于测试砂的粒径和数量。

8.根据权利要求7所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述气液固分离系统包括三通阀、滤网、开口容器和密闭容器：

所述三通阀的进口连通所述出水口，第一出口通过滤网连通所述开口容器；所述滤网的前方还具有沿着竖直方向设置管道，其连通至所述密闭容器；所述滤网的孔径小于砂的直径。

9.根据权利要求7所述的一种模拟天然气水合物开采时孔壁破坏情况的试验系统，其特征在于：所述颗粒测试系统包括取样瓶、激光粒度仪、颗粒计数仪；所述取样瓶连通至三通阀的第二出口；激光粒度仪测量取样瓶中砂的粒径分布，所述颗粒计数仪通过光阻法对取样瓶中的砂粒数量进行测试。