JP3224246U - 堆積物の構造変化の可視化実験装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】様々な応力作用でのハイドレートの変化過程を正確に取得することができる堆積物の構造変化の可視化実験装置を提供する。【解決手段】実験装置は、反応釜1、それぞれ前記反応釜1に接続された状態調整システム及びCT走査システム3を備え、反応釜1の内部には、データ収集システムが取り付けられ、且つデータ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続される。状態調整システムは、給気システム5、注液システム6、円周圧力供給及び冷却システム4並びに背圧システム9を含み、各システムの作動過程はデータ収集システムによって制御される。該反応釜1は、サンプルを収納するとともに反応場所として機能し、主に中空アウターチューブとインナーチューブを含み、両方には、套設構造が利用されている。【選択図】図1
Description
本考案は、地質分野に関し、特に工業用CTを利用して堆積物におけるハイドレートの合成及び分解を定量的に観察して、ハイドレートの減圧/昇温採掘過程における貯留層のマイクロ構造の変化及びマクロ物性への影響を探究するための可視化実験装置に関する。
中国の広大な管轄海域には、ハイドレート資源の埋蔵量が巨大である。天然ガスハイドレートは、エネルギー密度が高く、分布範囲が広く、大規模であり、埋蔵深度が浅く、貯留層の物理化学的条件に優れて、且つ産出された天然ガスがエネルギー、経済、環境、効率のニーズを満たすことができるなどの特徴を有するために、国際的に公認された商業開発の最も有望な新しいクリーンエネルギーであると同時に、石油や天然ガスの代替エネルギーとしての最も理想的なものである。天然ガスハイドレートの試験採掘の実施は、国家のエネルギー安全保障のために戦略的に非常に重要である。
中国の南海では、ハイドレートが未固結泥質シルト岩の貯留層に埋蔵されており、この未固結泥質シルトの貯留層の特性により、圧力低下過程においてハイドレートの分解により堆積層の沈降や変形、さらに剪断破壊を招き、坑井底部の出砂などの一連の工事のトラブルを引き起こしやすい。また、貯留層の構造が変化すると、さらに貯留層の孔隙率及び浸透率の性質に影響を与え、ハイドレートの分解によるガス、水の産出量に直接影響を及ぼす。したがって、ハイドレートの分解過程における堆積物の構造変化を研究することは、ハイドレートの減圧採掘過程における重要な課題となっている。今のところ、ハイドレートの泥質シルト貯留層の構造変化についての研究が少なく、ハイドレートの貯留層の浸透率の研究には、貯留層の有効応力による堆積物の構造変化が無視される場合が多い。貯留層の構造変化を可視化して研究するための実験装置及び実験方法はほとんどなかった。このため、泥質シルト貯留層のハイドレートの分解過程における構造変化を観察できる計測装置の開発は、海域のハイドレート貯留層の構造変化による貯留層の浸透率及び孔隙率の変化に対する計測実験を試み、様々な応力条件でのハイドレートの分解過程における貯留層のマイクロ構造変化の過程及び浸透の変化特徴などの多面的な情報を把握することを可能にする。
本考案の目的は、工業用CTを利用して堆積物におけるハイドレートの合成及び分解を定量的に観測し、ハイドレートの減圧/昇温採掘過程における貯留層のマイクロ構造の変化及びマクロ物性への影響を探究するための可視化実験装置及び方法を提供することにある。
特に、本考案は、天然ガスハイドレートの分解過程における堆積物の構造変化の可視化実験装置を提供し、前記可視化実験装置は、反応釜、それぞれ前記反応釜に接続された状態調整システム及びCT走査システムを備え、前記反応釜の内部には、データ収集システムが取り付けられ、且つ前記データ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続され、
前記反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブとインナーチューブを含み、前記インナーチューブと前記アウターチューブの間には、間隔が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベースが複数設けられ、点状支持ベース間には、制振シリコーンゴムパッドによりインナーチューブの表面の周りに複数の取付溝が設置され、各前記取付溝には、CCDカメラブラケットが設置され、前記CCDカメラブラケットには、電動ズームレバーが取り付けられ、
前記アウターチューブの両端の外側には、いずれも支持フレームが設置され、前記支持フレームには、いずれも回転歯車が取り付けられ、前記回転歯車は、支持フレームの内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車の側面には、環状回転校正ディスクが取り付けられ、前記アウターチューブの両端の端部には、回転歯車と噛み合う歯付き回転ディスクが固定して取り付けられ、前記回転歯車は、歯付き回転ディスクにおいて0−360°回動し、且つ前記回転歯車と歯付き回転ディスクの間には、揺れ止め弾性パッドが設置される。
前記反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブとインナーチューブを含み、前記インナーチューブと前記アウターチューブの間には、間隔が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベースが複数設けられ、点状支持ベース間には、制振シリコーンゴムパッドによりインナーチューブの表面の周りに複数の取付溝が設置され、各前記取付溝には、CCDカメラブラケットが設置され、前記CCDカメラブラケットには、電動ズームレバーが取り付けられ、
前記アウターチューブの両端の外側には、いずれも支持フレームが設置され、前記支持フレームには、いずれも回転歯車が取り付けられ、前記回転歯車は、支持フレームの内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車の側面には、環状回転校正ディスクが取り付けられ、前記アウターチューブの両端の端部には、回転歯車と噛み合う歯付き回転ディスクが固定して取り付けられ、前記回転歯車は、歯付き回転ディスクにおいて0−360°回動し、且つ前記回転歯車と歯付き回転ディスクの間には、揺れ止め弾性パッドが設置される。
本考案の一実施形態では、前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記インナーチューブの両端には、それぞれ中空チャンネルを有する上部コネクタと下部コネクタが設けられ、前記上部コネクタと下部コネクタは、それぞれ前記上部取付ベースと下部取付ベースに対応して接続され、インナーチューブを前記アウターチューブの内部に固定する。
本考案の一実施形態では、前記上部取付ベースと下部取付ベースには、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、前記アウターチューブは、両端の雌ネジを介して前記プラグに螺合され、前記プラグには、雌ネジ孔が設置され、前記上部コネクタと下部コネクタの一端は、それぞれ雄ネジを介して前記プラグの雌ネジ孔に螺合され、前記上部コネクタと下部コネクタの他端は、それぞれ前記インナーチューブの両端にシールして挿入され、前記上部コネクタと下部コネクタの間におけるインナーチューブ空間がサンプルの反応空間となる。
本考案の一実施形態では、前記状態調整システムは、給気システム、注液システム、円周圧力供給及び冷却システム、並びに背圧システムを含み、前記給気システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ所定圧力のメタンガスを供給し、前記注液システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ液体を注入し、前記円周圧力供給及び冷却システムが前記反応釜に循環冷凍液を注入することで反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持することに用いられるとともに、実験に必要なサンプルの円周圧力を提供し、前記背圧システムが前記反応釜の先端に接続され、実験においてシステムの圧力をいずれかの設定圧力に維持することに用いられる。
本考案の一実施形態では、前記円周圧力供給及び冷却システムの供給管路が前記上部取付ベースの接続チャンネルに接続され、前記アウターチューブの内壁と前記インナーチューブの間の空間に冷凍液を注入し、前記上部取付ベースは、接続チャンネルを介して前記円周圧力供給及び冷却システムの排出管路に接続されて冷凍液を排出する。
従来技術に比べて、本考案の有益な効果は、以下のとおりである。
(1)本考案に係る可視化実験装置は、非磁性透明のアウターチューブとインナーチューブを利用してCT走査を行うとともに実験過程を観察することを可能にし、このように、ハイドレートの反応過程をリアルタイムで監視して調整し、貯留層の有効応力の作用でのハイドレートの分解過程における貯留層の孔隙率低下、浸透率低下の変化過程を正確に取得することができ、地層のハイドレートを実際に採掘するために確実で信頼できるデータを提供する。
(2)本考案では、CT走査によってシミュレーション過程におけるサンプルの内部変化を観察でき、それによって貯留層の応力作用での変化過程を正確に取得することができる一方、CCDカメラによる動的な撮像・録画と組み合わせることでサンプルの表面の視覚的な変化過程を同時に取得することができ、両方の画像データの組み合わせによりサンプルの変化過程をより正確に把握できる。
(3)本考案では、CT走査により処理したシミュレーション画像を利用する一方、直接撮像・録画した動的画像を利用でき、このように2種の異なるタイプの画像の組み合わせからより正確な変化過程を観察できる。
(1)本考案に係る可視化実験装置は、非磁性透明のアウターチューブとインナーチューブを利用してCT走査を行うとともに実験過程を観察することを可能にし、このように、ハイドレートの反応過程をリアルタイムで監視して調整し、貯留層の有効応力の作用でのハイドレートの分解過程における貯留層の孔隙率低下、浸透率低下の変化過程を正確に取得することができ、地層のハイドレートを実際に採掘するために確実で信頼できるデータを提供する。
(2)本考案では、CT走査によってシミュレーション過程におけるサンプルの内部変化を観察でき、それによって貯留層の応力作用での変化過程を正確に取得することができる一方、CCDカメラによる動的な撮像・録画と組み合わせることでサンプルの表面の視覚的な変化過程を同時に取得することができ、両方の画像データの組み合わせによりサンプルの変化過程をより正確に把握できる。
(3)本考案では、CT走査により処理したシミュレーション画像を利用する一方、直接撮像・録画した動的画像を利用でき、このように2種の異なるタイプの画像の組み合わせからより正確な変化過程を観察できる。
図1に示されるように、本考案の一実施形態は、ハイドレートの所定条件での分解状態をシミュレーションして、実際に地層からハイドレートを採掘するために参照を提供する天然ガスハイドレートの分解過程の可視化実験装置を提供する。該実験装置は、反応釜1、それぞれ前記反応釜1に接続された状態調整システム及びCT走査システム3を備え、前記反応釜1の内部には、データ収集システム2が取り付けられ、且つ前記データ収集システム2がプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続される。前記状態調整システムは、給気システム5、注液システム6、円周圧力供給及び冷却システム4並びに背圧システム9を含み、上記各システムの作動過程はデータ収集システム2によって制御される。
図2に示されるように、該反応釜1は、サンプルを収納するとともに反応場所として機能し、主に中空アウターチューブ11とインナーチューブ12を含み、両方には、套設構造が利用されており、アウターチューブ11とインナーチューブ12はそれぞれ、サンプルの反応過程の観察及びCT走査の便宜のため、非磁性透明材料で製造されるものとされ、具体的には、透明材料としてポリイミドが使用され得る。その中でも、アウターチューブ11の両端には、それぞれ下接続チャンネル131と上接続チャンネル141を備える上部取付ベース14と下部取付ベース13が取り付けられ、下接続チャンネル131と上接続チャンネル141は、各システムから供給されたガス及び液体の供給又は排出に用いられ、インナーチューブ12の両端は、それぞれ中空チャンネル付きの上部コネクタ15と下部コネクタ16によって上部取付ベース14と下部取付ベース13に接続された後に、アウターチューブ11の内部に固定され、固定されたインナーチューブ12とアウターチューブ11の内壁との間には、間隔がある。
図2に示されるように、該反応釜1は、サンプルを収納するとともに反応場所として機能し、主に中空アウターチューブ11とインナーチューブ12を含み、両方には、套設構造が利用されており、アウターチューブ11とインナーチューブ12はそれぞれ、サンプルの反応過程の観察及びCT走査の便宜のため、非磁性透明材料で製造されるものとされ、具体的には、透明材料としてポリイミドが使用され得る。その中でも、アウターチューブ11の両端には、それぞれ下接続チャンネル131と上接続チャンネル141を備える上部取付ベース14と下部取付ベース13が取り付けられ、下接続チャンネル131と上接続チャンネル141は、各システムから供給されたガス及び液体の供給又は排出に用いられ、インナーチューブ12の両端は、それぞれ中空チャンネル付きの上部コネクタ15と下部コネクタ16によって上部取付ベース14と下部取付ベース13に接続された後に、アウターチューブ11の内部に固定され、固定されたインナーチューブ12とアウターチューブ11の内壁との間には、間隔がある。
上部取付ベース14と下部取付ベース13には、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、アウターチューブ11は、両端における雌ネジを介してそれぞれ上部取付ベース14と下部取付ベース13のプラグに螺合され、プラグの中心には、雌ネジ付き凹孔が設置され、上部コネクタ15と下部コネクタ16の一端は、それぞれ雄ネジを介してプラグの凹孔に螺合され、上部コネクタ15と下部コネクタ16の他端は、それぞれインナーチューブ12の両端にシールして挿入され、且つ挿入された上部コネクタ15と下部コネクタ16の両方の間の間隔は、サンプルの載置空間及び反応場所となり、該反応場所は、CT走査システムの走査範囲にあるべきである。
シール性を高めるために、上部コネクタ15と下部コネクタ16のインナーチューブ12に挿入された一端には、インナーチューブ12の内壁とシールするシールリングが套設され、他端には、同様に上部取付ベース14と下部取付ベース13の雌ネジ孔とシールして接触するシールリングが套設される。同様に、上部取付ベース14と下部取付ベース13のプラグにも、アウターチューブ11の内壁とシールするシールリングが設置される。
上部取付ベース14と下部取付ベース13における上接続チャンネル141、及び下接続チャンネル131は、それぞれアウターチューブ11とインナーチューブ12の間の空隙に連通する外接続チャンネル、及びインナーチューブの内部に連通する内接続チャンネルを含み、たとえば、円周圧力供給及び冷却システム4の供給端と排出端は、それぞれ上部取付ベース14、下部取付ベース13における外接続チャンネルに連通し、注液システム6及び給気システム5は、内接続チャンネルに連通し、両方は、対応した制御弁を介してそれぞれ作動する。
図10に示されるように、前記インナーチューブ11と前記アウターチューブ12の間には、間隔7が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベース71が複数設けられ、点状支持ベース71の間には、制振シリコーンゴムパッド72によりインナーチューブ11の表面の周りに複数の取付溝73が設置される。前述したように、該間隔は、CT走査システムの走査範囲にあり、該間隔7に設置された点状支持ベース71は、支持作用を果たし、且つ装置全体の作動に影響を及ぼさずに、ほかの構造を支持することができ、均等に配置されている複数の点状支持ベース71によって透かし彫り状の支持構造が形成されている。このように、インナーチューブ11のCT走査へ影響を及ぼさない一方、ズームのための空間を与える。また、設置された制振シリコーンゴムパッド72は、走査過程における外力作用による振動が撮像装置に悪影響を与えることを防止し、また、環状で設置されるため、遮光作用を有し、撮像装置のフォーカス及び撮像・録画時の解像度に寄与する。
それぞれの前記取付溝73には、CCDカメラブラケット74が設置され、前記CCDカメラブラケット74には、電動ズームレバー75が取り付けられ、設置されたCCDカメラブラケット74は、CCDカメラなどの撮影録画装置の取り付けを容易にするためのものであり、本実施形態では、CCDカメラが好ましいが、解像度を満足できるほかのカメラであってもよく、且つ、本実施形態では、最適な撮影録画効果を確保するために、電動ズームレバー75がさらに設置されており、該電動ズームレバー75は、様々な状態での撮影録画のニーズを満たすように電子制御伸縮方式でそれに取り付けられたカメラの焦点距離を制御するという役割を果たす。
上記内容を総合すると、本実施形態では、具体的には、CT走査により内部変化を観察する方式と、外付けした撮像装置により洗浄された外表面の変化をキャッチする方式との2種の方式によって、サンプルの応力作用での変化過程をより視覚的に取得できる。さらに、本考案では、相対位置が異なる複数組の撮像装置を設置することで、各種状態ではサンプルが各位置に位置する場合の表面変化の画像を同時にキャッチすることができ、内部のCT逆画像を取得しているため、この2つの内容を組み合わせることでサンプルの三次元変化の過程を視覚的に把握できる。
また、本考案では、さらにCT断面を考慮する必要があり、同一位置で取得したCT画像は、一方向における変化過程だけをキャラクタリゼーションする断面であるので、三次元変化の場合は、一定の欠陥が存在するため、多角度からの走査結果を取得できるために、走査過程においてサンプルの実際位置を変える必要がある。
具体的な位置を変える前に、まず、サンプルの位置を順次校正する必要があり、対応した校正を実施するために、本実施形態では、前記CT走査システム3は、外付けしたCTイメージング装置とインナーチューブ11に設置された複数本の磁気校正レバー76との2つの部分を含み、インナーチューブ11の初期位置をゼロ点として、複数本の前記磁気校正レバー76は、インナーチューブ11の内壁に均等に配置されており、且つ異なる位置における磁気校正レバー76には、ゼロ点に対する回動角度に応じた異なる長さ及び異なる磁気強度の磁気識別ストリップ77が設置されている。
なお、同一実施例では、ゼロ点に対する回動角度が同じであり、異なる実施例では、該角度は、変化可能であり、異なるサンプルによる実際のニーズに応じて対応する角度を設定してもよく、その角度の設定は、サンプルテストの試験結果により決まる。
従来技術に比べて、本考案では、簡単な校正レバーで区別するのではない点で異なり、それは、一般的な校正レバーが試験過程において校正作用を果たすが、生成した走査画像にはいかなる標識もないからである。したがって、本実施形態では、異なる長さ及び磁気強度の磁気識別ストリップが設置されることによって区別することで、試験過程において視覚的に区別できる一方、CT走査を磁気干渉する構造とすることにより、後続の比較及び処理のため、その標識をCT走査画像に表示する。
図11に示されるように、前記アウターチューブ12の両端の外側には、いずれも支持フレーム8が設置され、前記支持フレーム8には、いずれも回転歯車81が取り付けられ、前記回転歯車81は、支持フレーム8の内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車81の側面には、環状回転校正ディスク83が取り付けられ、前記アウターチューブ12の両端の端部には、回転歯車81と噛み合う歯付き回転ディスク84が固定して取り付けられ、前記回転歯車81は、歯付き回転ディスク84において0−360°回動し、且つ前記回転歯車81と歯付き回転ディスク84の間には、揺れ止め弾性パッド82が設置される。
本考案では、サーボモータと歯車同士が噛み合うことで角度が調整され、言い換えれば、回動角度は、サーボモータにより制御され、サーボモータの動力は、伝達過程における安定性を確保するために、歯車が噛み合う方式で伝達され、また、振動による撮像効果への影響を減少させるために、本考案では、さらに弾性パットを歯車が噛み合うときの隙間に充填する。
具体的には、注液システム6、給気システム5は、下部取付ベース13においてインナーチューブ11に連通する接続チャンネルに接続され、円周圧力供給及び冷却システム4は、下部取付ベース13、上部取付ベース14においてアウターチューブ11とインナーチューブ12の間の空隙に連通する接続チャンネルに接続され、円周圧力システム9は、上部取付ベース14においてインナーチューブ12から気液を排出するための接続チャンネルに接続される。
本実施形態において、給気システム5、注液システム6、背圧システム9、円周圧力供給及び冷却システム4及びCT走査システム3としては、従来技術における既存の設備を使用することができ、以下、それぞれ説明する。
注液システム6の接続構造は、図3に示されるように、注液システム6の定速定圧ポンプ601として、置換媒体を定量的に注入して試験のために動力源を提供するためのHAS−200HSB型2シリンダ定速定圧ポンプが使用される。この定速定圧ポンプは、作動圧力が50MPa、流速が0.01〜20mL/minであり、圧力の保護と位置の上限下限の保護を有し、ポンプヘッド材料として316Lが使用される。該ポンプには、データ収集システム2に接続できる通信ポートがあり、この2つのシリンダは、単一シリンダが独立して作動してもよく、2つのシリンダがそれぞれ独立して作動してもよく又は協働して作動してもよい。具体的には、蒸留水又は灯油を駆動媒体として排出し、排出過程において駆動媒体に対する定電圧、定電流及び追跡PLC制御を行う。2シリンダ定速定圧ポンプ601と下部取付ベーの間には、2台の圧力調整ピストン602が並列して取り付けられ、各圧力調整ピストン602の両端には、それぞれ四方弁603が取り付けられ、四方弁603は、気液を排出できるとともに、洗浄パイプラインなどのほかのパイプラインの接続を容易にする。圧力調整ピストン602は、容積が2000mLで、作動圧力が50MPaで、材質が316Lである。圧力調整ピストン602は、注入液及び置換液の離間、エネルギー貯蔵や緩衝及び輸送に用いられる。内壁の摩擦力を減少させるために、筒体の内表面に対して平坦化処理を施す。
図4に示されるように、背圧システム9は、上部取付ベース14のハイドレート排出管路に接続された背圧弁901と、背圧弁901での圧力を表示する背圧計A902と、反応釜の排出圧力が基準を超えると自動的に放圧するように背圧弁901での圧力を調整する背圧ポンプB903及び背圧容器904と、受けたハイドレートを気液分離する気液分離器905と、分離したガスを受けて測定するガスタンク906と、分離した液体を測る重量計測器907とを備える。
図5に示されるように、給気システム5は、ガス圧縮機によってインナーチューブ12にガスを注入し、ハイドレートを合成したり、ハイドレート貯留層の様々な採掘状態でのガス浸透率を測定したりする。たとえば、等温単相メタンガスを注入して出口でのガス流量を正確に測定し、且つダーシーの法則に従ってガス浸透率を測定することができる。
給気システム5は、圧力ガスを発生させる空気圧縮機501と、空気圧縮機501が発生したガスを増圧するガスブースターポンプ502と、増圧した低圧ガスを貯蔵する低圧貯蔵タンク503と、増圧した高圧ガスを貯蔵する高圧貯蔵タンク504と、実験要求に応じてインナーチューブに所定圧力を供給するために低圧貯蔵タンク503又は高圧貯蔵タンク504を選択する調圧弁505と、排出ガスの流量の大きさを制御する流量コントローラ506と、ガス及び液体を冷却させる冷却器508とを備える。調圧弁505の前のガス路には、ガス加湿装置507が取り付けられる。該ガス加湿装置507は、液体を収容した耐圧容器であり、流れるガスを自然に加湿する。
冷却器508は、反応釜に注入されたガス及び液体を冷却させ、冷却処理後のガス及び液体は、反応釜におけるハイドレートの平衡状態を破壊することがない。空気圧縮機501として、型番GCS50の製品を使用することができ、設計圧力が1.0MPaで、流量が0.465m3/minであり、空気圧縮機501はさらに、管路システム全体のガスパージのために使用できる。該ガスブースターポンプ502として、型番GBD60、増圧比60:1、最大出口圧力498Bar、最大流量40L/minのSITEC型ガスブースターポンプを用い得る。低圧貯蔵タンク503は主に、空気圧縮機501で増圧した空気を貯蔵し、容積0.1m3、作動圧力0.8MPa、設計圧力1MPaといった条件を満たす必要がある。高圧貯蔵タンク502は、容積2000mL、最大作動圧力50MPaといった条件を満たす必要がある。調圧弁505は、手動調圧弁以外、対応した圧力計を備え、主に増圧した高圧ガスを所望の作動圧力に調整するように機能する。手動調圧弁は、最大入口圧力が50MPaであり、出口圧力が0〜40MPaで調整可能である。流量コントローラ506としては、最大作動圧力が40MPaであり、データ収集システム2と通信可能に接続できる通信インターフェースを有するBONCO製高圧流量計が使用される。
データ収集システム2は、データ処理ソフトウェアを有する制御システムを含み、制御システムは、パソコン、産業用コンピュータなどのデータ処理及び分析機能を有する設備であってもよい。制御システムは、データ処理ソフトウェアによって実験過程を制御するとともに、CT走査システム3及び実験過程に対して、画像及びデータの収集、分析及び結果の出力などを行う。
CT走査システムは、前記反応釜を収納し、反応釜におけるサンプルの反応過程での変化を走査し、具体的には、CT装置は三英公司製のマルチスケール岩石三次元走査イメージングシステム(オープン式マイクロフォーカスX線走査)である。
作動するときに、取り付けられた反応釜1のインナーチューブ11及びアウターチューブ12には、各システムを同時に接続し、同じ主管路を介してインナーチューブ12に液体、水、ガスを注入し、次に各システムを制御弁付きの分岐管を介して主管に接続し、必要に応じて、対応した制御弁を開弁すればよい。X光走査源を上下部コネクタ14と下部コネクタ13の間におけるサンプル収納空間に正対するように、反応釜1をCT走査システム3の走査室にセットする。その中、給気システム5は、反応釜1に所定圧力のメタンガスを提供し、注液システム6は、反応釜1におけるサンプルに水を提供し、円周圧力供給及び冷却システム4は、反応釜1に循環冷凍液を注入して反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持し、背圧システム9は、反応釜1の先端に接続されて、実験が終了した後に、先端の圧力と基端の圧力を同じに保持し、CT走査システム3は、反応サンプルの実験過程における変化の画像を走査し、データ収集システム2は、実験要求に応じて各システムの作動を制御し、実験過程における各種データを収集して分析して出力する。具体的な作動過程については、以下の方法の記載において詳細に説明する。
本実施形態では、非磁性透明のアウターチューブとインナーチューブを利用してCT走査を行うとともに、実験過程を観察することを可能にし、このように、ハイドレートの反応過程をリアルタイムで監視して調整でき、貯留層の有効応力の作用でのハイドレートの分解過程における貯留層の孔隙率低下、浸透率低下の変化過程を正確に取得し、実際に地層からハイドレートを採掘するために確実で信頼できるデータを提供する。
本考案の一実施形態では、前述天然ガスハイドレートの分解過程の可視化実験装置の使用方法が開示されており、該使用方法は、一般的には、ステップ100−ステップ600を含む。
ステップ100において、対応した区域からのハイドレート含有泥質シルト層の原料をサンプルとして、乾燥させた後、反応釜のインナーチューブに仕込み、組み立てられた反応釜をCT走査システムの内部にセットし、次に各補助システムを接続してデータ収集システムにより実験過程を制御する。
サンプルの乾燥は、焼き又はオーブンにより行われる。ここで、補助システムとは、前述した給気システム5、注液システム6、円周圧力供給及び冷却システム4並びに背圧システム9を指す。取り付けられた反応釜1を容易に安定的に保持するために、反応釜1の底部には、円形基台17を設置し、反応釜1を下部取付ベース13にて基台17の円心に固定し、次に、基台17を反応釜1とともにCT走査システム3の載置台にセットし、ネジによって基台17を載置台に固定して接続するようにしてもよい。
実験前、まず、給気システム5を用いて反応釜1にヘリウムガスを注入してシール性をテストすることによって、実験の正確性及び安全性を確保する。
X線と反応釜1との距離が走査要求を満たすように、データ収集システム2でCT走査システム3のX線を調整する。
サンプルの乾燥は、焼き又はオーブンにより行われる。ここで、補助システムとは、前述した給気システム5、注液システム6、円周圧力供給及び冷却システム4並びに背圧システム9を指す。取り付けられた反応釜1を容易に安定的に保持するために、反応釜1の底部には、円形基台17を設置し、反応釜1を下部取付ベース13にて基台17の円心に固定し、次に、基台17を反応釜1とともにCT走査システム3の載置台にセットし、ネジによって基台17を載置台に固定して接続するようにしてもよい。
実験前、まず、給気システム5を用いて反応釜1にヘリウムガスを注入してシール性をテストすることによって、実験の正確性及び安全性を確保する。
X線と反応釜1との距離が走査要求を満たすように、データ収集システム2でCT走査システム3のX線を調整する。
ステップ200において、注液システムを制御して下部取付ベースからインナーチューブに液体を注入し、円周圧力供給及び冷却システムを制御してアウターチューブに冷凍液を循環的に注入し、インナーチューブに対して降温を行うとともに円周圧力を提供し、その中、インナーチューブにおける液体の置換圧力勾配を3MPa/mとし、アウターチューブにおける円周圧力を置換圧力よりも0.2MPa大きく保持し、反応釜の出口圧力を大気圧とする。
液体の注入量については、内部に充填されたサンプルが水飽和状態となるようにする。ここで、注入される液体は、単相液体、具体的には、蒸留水である。反応釜1の上部取付ベース14のインナーチューブ12に接続された接続チャンネルから水が排出されているか否かを観察することにより、注水量が要求を満たすか否かを判定することができる。水が排出されると、内部が飽和状態となっており、水を排出した後にさらに蒸留水を1.5−2PV注入した後、注液システム6の作動を停止する。円周圧力供給及び冷却システム4に使用される冷凍液は、温度2℃の不凍液である。
液体の注入量については、内部に充填されたサンプルが水飽和状態となるようにする。ここで、注入される液体は、単相液体、具体的には、蒸留水である。反応釜1の上部取付ベース14のインナーチューブ12に接続された接続チャンネルから水が排出されているか否かを観察することにより、注水量が要求を満たすか否かを判定することができる。水が排出されると、内部が飽和状態となっており、水を排出した後にさらに蒸留水を1.5−2PV注入した後、注液システム6の作動を停止する。円周圧力供給及び冷却システム4に使用される冷凍液は、温度2℃の不凍液である。
ステップ300において、インナーチューブにおけるサンプルが水飽和になった後、注液システムを閉じ、ガス注入システムを起動させて下部取付ベースからインナーチューブにガスを注入し、ガス置換圧力勾配を3MPa/m未満にし、ガス流量が安定になると、1.5−2pvでガスを持続的に注入する。
ここで注入されるガスはメタンであり、このとき、インナーチューブ12の上端出口での圧力が大気圧である。ガス流速が安定になると、1.5−2pvのガスを持続的に注入してもよい。
ここで注入されるガスはメタンであり、このとき、インナーチューブ12の上端出口での圧力が大気圧である。ガス流速が安定になると、1.5−2pvのガスを持続的に注入してもよい。
ステップ400において、置換が終了した後、反応釜の出口端と背圧システムを接続して、背圧の圧力を給気圧力と同じに設定するとともに、また拘束圧を同期して増大させ、サンプルの孔隙圧力が所定ガス圧力になると、CT走査システムを起動させてサンプルに対して走査を開始させ、現在状態でのサンプル画像を得る。
持続的に給気した後に、サンプルの孔隙圧力を次第に増大できるが、拘束圧の圧力を常に孔隙圧力よりも0.2MPa大きくする必要がある。CT走査を行うときに、ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する必要がある。
持続的に給気した後に、サンプルの孔隙圧力を次第に増大できるが、拘束圧の圧力を常に孔隙圧力よりも0.2MPa大きくする必要がある。CT走査を行うときに、ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する必要がある。
ステップ500において、次に、背圧の圧力を入口圧力よりも0.01MPa低く設定するとともに、拘束圧を設定圧力までに下げ、水和合成過程を持続的に行い、ハイドレートの合成が終了すると、円周圧力の圧力を増大させて地層圧力でのハイドレートの貯留層状態をシミュレーションし、該過程を走査して、サンプルの反応過程の画像を取得する。
ステップ600において、実験が終了した後、取得したCT画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行い、設定条件で地層ハイドレートを採掘するときのハイドレートの分解状態及び貯留層の構造変化を取得することができる。
本実施形態では、泥質シルト貯留層のサンプルに対しては、1MPaの有効応力でハイドレートの合成及び分解の実験を行い、実験結果から、貯留層の有効応力の作用で、ハイドレートが分解するのに伴い、貯留層の孔隙率が低下して、浸透率が低下することが明らかになる。泥質シルト貯留層では、それにおけるハイドレートが分解すると、以下の2つの効果がある。1、ハイドレートが分解すると、貯留層の孔隙空間が大きくなり、孔隙率が増大する。2、貯留層の圧力が下がりハイドレートが分解し、その結果、貯留層の有効応力が大きくなり、圧縮作用で貯留層の孔隙空間が低下する。実験結果から、2種の作用で貯留層の孔隙率が最終的に低下し、浸透率が低下することが明らかになり、このことから、泥質シルト貯留層の場合は、ハイドレートの分解過程において地層の有効応力が貯留層の孔隙率及び浸透率の変化に対して支配的な作用を果たすことが分かった。
本考案の一実施形態では、サンプルに対して地層圧力をシミュレーションした状態で、背圧の圧力をサンプルの両端の圧力が採掘状態での圧力差となるように設定し、CT走査システムによって該過程でのサンプルにおけるハイドレートの分解画像を取得する採掘シミュレーションステップをさらに追加してもよい。
以下、具体的な実施例にて、本実験装置の使用過程を説明する。
1.泥質シルトサンプルを準備して、オーブンにおいて12時間乾燥させる。サンプルを取り出して直径2mm程度の粒子に粉砕する。6gのサンプルを反応釜のキャビティに仕込む。
2.低温高圧システムを組み立てる。反応釜を基台でフォーカスX線CT装置のステージに固定し、ガス注入システムと拘束圧循環システムのパイプラインを接続する。ヘリウムガスを使用してシステムに対してシール性をテストする。
3.ガス注入システムの弁V1を閉弁し、注液システムの弁V2及び拘束圧冷却循環システムを開いて、冷循環温度を2℃に設定し、ガス背圧システムの弁V4を閉弁し、反応釜の出口端の弁V3を開弁し、出口端の圧力を大気圧にする。液体注入圧力を0.7MPaに設定する。拘束圧システムの圧力を0.6MPaに設定する。液体注入ポンプを起動させ、単相液体(蒸留水)を使用してサンプルを飽和させる。出口端で水が現れると、蒸留水を1.5−2PVを引き続き注入する。
4.注液システムの弁V2を閉弁する。注液システムと反応釜を連通させる。0.7MPaのメタンガスを用いて反応釜における水飽和のサンプルに対して置換実験を行う。給気口端でガス流量計により測量したところ、流体流速が安定になると、1.5−2pvのガスを引き続き注入する。
5.置換が終了した後、弁V3を閉弁し、弁V4を開弁し、反応釜の出口端と背圧システムを接続する。背圧の圧力を給気圧力と同じに設定する。前のガス圧力を保持したままでガスを注入し続け、サンプルの孔隙圧力を次第に増大させるとともに、拘束圧を同期して増大させ、拘束圧の圧力を孔隙圧力よりも0.2MPa大きく保持する。孔隙圧力を8MPaに増大し、拘束圧の圧力を8.2MPaにする。ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する。このとき、X線CT走査を行う。
6.CT走査が終了した後、背圧を7.98MPaに設定し、循環液を減圧させ、給気口を開放したままで反応釜にガスを持続的に供給し、ガスが反応釜に連続的に入るようにする。円周圧力の循環圧力を設定圧力までに下げてハイドレート合成実験を行う。
7.ハイドレート合成が終了するまで、このような状態を12時間維持する。
8.走査が終了した後、拘束圧循環システムの圧力を9MPaまでに増大させ、このときに、1MPaの地層圧力でのハイドレート貯留層の状態をシミュレーションすることができる。次に、CT走査及び三次元再構成を行う。結果を図6及び7に示されている。
9.減圧採掘過程をシミュレーションする。具体的には、ガス供給弁を閉弁し、背圧の圧力を2MPaに設定し、同時に拘束圧の圧力を3MPaに設定し、反応釜におけるメタンを分解させる。分解が終了した後、貯留層に対してCT走査を行い、得られたCT画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行い、ハイドレートの分解状態及び貯留層の構造変化を観察する。結果を図8及び9に示されている。
1.泥質シルトサンプルを準備して、オーブンにおいて12時間乾燥させる。サンプルを取り出して直径2mm程度の粒子に粉砕する。6gのサンプルを反応釜のキャビティに仕込む。
2.低温高圧システムを組み立てる。反応釜を基台でフォーカスX線CT装置のステージに固定し、ガス注入システムと拘束圧循環システムのパイプラインを接続する。ヘリウムガスを使用してシステムに対してシール性をテストする。
3.ガス注入システムの弁V1を閉弁し、注液システムの弁V2及び拘束圧冷却循環システムを開いて、冷循環温度を2℃に設定し、ガス背圧システムの弁V4を閉弁し、反応釜の出口端の弁V3を開弁し、出口端の圧力を大気圧にする。液体注入圧力を0.7MPaに設定する。拘束圧システムの圧力を0.6MPaに設定する。液体注入ポンプを起動させ、単相液体(蒸留水)を使用してサンプルを飽和させる。出口端で水が現れると、蒸留水を1.5−2PVを引き続き注入する。
4.注液システムの弁V2を閉弁する。注液システムと反応釜を連通させる。0.7MPaのメタンガスを用いて反応釜における水飽和のサンプルに対して置換実験を行う。給気口端でガス流量計により測量したところ、流体流速が安定になると、1.5−2pvのガスを引き続き注入する。
5.置換が終了した後、弁V3を閉弁し、弁V4を開弁し、反応釜の出口端と背圧システムを接続する。背圧の圧力を給気圧力と同じに設定する。前のガス圧力を保持したままでガスを注入し続け、サンプルの孔隙圧力を次第に増大させるとともに、拘束圧を同期して増大させ、拘束圧の圧力を孔隙圧力よりも0.2MPa大きく保持する。孔隙圧力を8MPaに増大し、拘束圧の圧力を8.2MPaにする。ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する。このとき、X線CT走査を行う。
6.CT走査が終了した後、背圧を7.98MPaに設定し、循環液を減圧させ、給気口を開放したままで反応釜にガスを持続的に供給し、ガスが反応釜に連続的に入るようにする。円周圧力の循環圧力を設定圧力までに下げてハイドレート合成実験を行う。
7.ハイドレート合成が終了するまで、このような状態を12時間維持する。
8.走査が終了した後、拘束圧循環システムの圧力を9MPaまでに増大させ、このときに、1MPaの地層圧力でのハイドレート貯留層の状態をシミュレーションすることができる。次に、CT走査及び三次元再構成を行う。結果を図6及び7に示されている。
9.減圧採掘過程をシミュレーションする。具体的には、ガス供給弁を閉弁し、背圧の圧力を2MPaに設定し、同時に拘束圧の圧力を3MPaに設定し、反応釜におけるメタンを分解させる。分解が終了した後、貯留層に対してCT走査を行い、得られたCT画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行い、ハイドレートの分解状態及び貯留層の構造変化を観察する。結果を図8及び9に示されている。
なお、当業者であれば、本明細書において本考案の複数の例示的な実施例を詳細に示して説明したが、本考案の精神及び範囲から逸脱することなく、本考案の開示内容に基づいて本考案の原理に合致する複数の変形又は修正を直接決定又は導出することができることを認識するべきである。このため、本考案の範囲は、これらの変形又は修正をすべて含むと理解されるべきである。
1−反応釜;2−データ収集システム;3−CT走査システム;4−円周圧力供給及び冷却システム;5−給気システム;6−注液システム;7−間隔;8−支持フレーム;9−背圧システム;11−アウターチューブ;12−インナーチューブ;13−下部取付ベース;14−上部取付ベース;15−上部コネクタ;16−下部コネクタ;17−基台;131−下接続チャンネル;141−上接続チャンネル;501−空気圧縮機;502−ガスブースターポンプ;503−低圧貯蔵タンク;504−高圧貯蔵タンク;505−調圧弁;506−流量コントローラ;507−ガス加湿装置;508−冷却器;601−定速定圧ポンプ;602−圧力調整ピストン03−四方弁;71−点状支持ベース;72−制振シリコーンゴムパッド;73−取付溝;74−CCDカメラブラケット;75−電動ズームレバー;76−磁気校正レバー;77−磁気識別ストリップ;81−回転歯車;82−揺れ止め弾性パッド;83−環状回転校正ディスク;84−歯付き回転ディスク;901−背圧弁;902−背圧計A;903−背圧計B;904−背圧容器;905−気液分離器;906−ガスタンク;907−重量計測器。
Claims (5)
- 堆積物の構造変化の可視化実験装置であって、
反応釜、それぞれ前記反応釜に接続された状態調整システム及びCT走査システムを備え、前記反応釜の内部には、データ収集システムが取り付けられ、且つ前記データ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続され、
前記反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブとインナーチューブを含み、前記インナーチューブと前記アウターチューブの間には、間隔が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベースが複数設けられ、点状支持ベース間には、制振シリコーンゴムパッドによりインナーチューブの表面の周りに複数の取付溝が設置され、各前記取付溝には、CCDカメラブラケットが設置され、前記CCDカメラブラケットには、電動ズームレバーが取り付けられ、
前記アウターチューブの両端の外側には、いずれも支持フレームが設置され、前記支持フレームには、いずれも回転歯車が取り付けられ、前記回転歯車は、支持フレームの内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車の側面には、環状回転校正ディスクが取り付けられ、前記アウターチューブの両端の端部には、回転歯車と噛み合う歯付き回転ディスクが固定して取り付けられ、前記回転歯車は、歯付き回転ディスクにおいて0−360°回動し、且つ前記回転歯車と歯付き回転ディスクの間には、揺れ止め弾性パッドが設置されることを特徴とする堆積物の構造変化の可視化実験装置。 - 前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記インナーチューブの両端には、それぞれ中空チャンネルを有する上部コネクタと下部コネクタが設けられ、前記上部コネクタと下部コネクタは、それぞれ前記上部取付ベースと下部取付ベースに対応して接続され、インナーチューブを前記アウターチューブの内部に固定することを特徴とする請求項1に記載の可視化実験装置。
- 前記上部取付ベースと下部取付ベースには、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、前記アウターチューブは、両端の雌ネジを介して前記プラグに螺合され、前記プラグには、雌ネジ孔が設置され、前記上部コネクタと下部コネクタの一端は、それぞれ雄ネジを介して前記プラグの雌ネジ孔に螺合され、前記上部コネクタと下部コネクタの他端は、それぞれ前記インナーチューブの両端にシールして挿入され、前記上部コネクタと下部コネクタの間におけるインナーチューブ空間がサンプルの反応空間となることを特徴とする請求項2に記載の可視化実験装置。
- 前記状態調整システムは、給気システム、注液システム、円周圧力供給及び冷却システム、並びに背圧システムを含み、前記給気システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ所定圧力のメタンガスを供給し、前記注液システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ液体を注入し、前記円周圧力供給及び冷却システムが前記反応釜に循環冷凍液を注入することで反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持するとともに、実験に必要なサンプルの円周圧力を提供し、前記背圧システムが前記反応釜の先端に接続されて、実験においてシステムの圧力をいずれかの設定圧力に維持することに用いられることを特徴とする請求項3に記載の可視化実験装置。
- 前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記円周圧力供給及び冷却システムの供給管路が前記上部取付ベースの接続チャンネルに接続され、前記アウターチューブの内壁と前記インナーチューブの間の空間に冷凍液を注入し、前記上部取付ベースは、接続チャンネルを介して前記円周圧力供給及び冷却システムの排出管路に接続されて冷凍液を排出することを特徴とする請求項4に記載の可視化実験装置。
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