一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置和方法
2023-11-30 22:40:51
專利名稱：一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置和方法
技術領域：
本發明涉及水合物分解領域，尤其是一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置
和方法。
背景技術：
天然氣水合物是在適當高的壓力和適當低的溫度條件下，由水和天然氣組成的類 冰的籠形結晶化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、海洋和一些內陸湖的深水環境，是一 種重要的潛在資源。 隨著世界油氣可開採量的減少和消耗量的增加，深海水合物開採的迫切性日益顯 著。美國、日本、加拿大等國開展了大量的相平衡條件、勘探方法等方面的工作，並進行了試 採。 油氣開採、水合物開採或自然條件變化會導致水合物沉積物地層(簡稱水合物沉 積物)中水合物分解。水合物分解一方面使沉積層中的巖土介質失去膠接，另一方面會改 變沉積層的結構，生成的氣體又會增大孔隙壓力，從而使該沉積物的強度降低，出現較為明 顯的軟弱帶。水合物沉積層強度的降低是地層災害發生的前兆，是多種地質災害誘因，可引 起多種嚴重的災害，如由於水合物分解導致的井口周圍土體大變形引起的海上或海床中結 構物的破壞，如平臺傾覆、油氣井毀壞等。這種災害對海床中結構物將產生嚴重危害，但是 對其控制參數和演化過程等方面的研究還非常缺乏。據文獻記載，挪威大陸架邊緣由於水 合物分解發生的海底滑坡(Stofegga滑坡)共滑走2500 3200立方公裡沉積物，是目前 為止發現的最大的海底滑坡。大量的地質調查和分析表明產生該滑坡的原因是由於當時水 溫增加，水合物發生了分解。水合物迅速分解將導致大面積滑坡等多種破壞形式，並可能引 起海嘯。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種水合物分解致地層分層破 壞的模擬裝置和方法，該裝置和方法能方便的製備有層理和密度分層變化的地層，並採用 底部加熱的方法，能很好地模擬地層中熱從下往上的傳播過程。 為實現上述目的，本發明一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，包括模型
筒，該模型筒的底面上設置有隔熱板，隔熱板上設置有熱源，熱源的上方用於堆積水合物沉
積層，模型筒內沿其高度方向設置有多個孔隙壓力測試點，與每個孔隙壓力測試點相同的
高度位置上還設置有溫度測試點；所述溫度測試點上預埋有溫度傳感器，所述孔隙壓力測
試點上設置有孔隙壓力傳感器。 進一步，模型筒的上部設置有頂蓋。 進一步，所述模型筒為細長圓柱狀結構，所述熱源為圓片狀結構。
進一步，所述模型筒上沿其高度方向設置有標尺。
進一步，所述模型筒的下部設置有注液管路和注氣管路。
進一步，所述溫度傳感器和壓力傳感器均由監控設備來控制，由數據處理系統進 行數據的採集分析。
—種利用上述裝置進行的模擬方法，具體為 1)在模型筒中填入實驗土，分幾個層砸實使其具備一定的幹密度，形成不含水合 物的沉積層，並在實驗設定位置擺放布置熱源、溫度傳感器和孔隙壓力傳感器；
2)根據實驗需求的不同，沉積層上部封蓋不同強度的覆蓋層； 3)在製備過程中，設定一個或幾個有密度和強度差異的地層界面，供觀察分層破 壞現象的形成； 4)將設定量的待加溶液或待充氣體填充到沉積層中，以製備相應的水合物沉積 物； 5)將模擬系統放入恆溫箱內進行恆低溫處理； 6)水合物沉積物形成後，關閉氣源，並將內部殘餘氣體排放，由外力通過頂蓋施加 壓力到水層和地層中提供分解實驗時所需要的壓力條件； 7)開啟測量設備，設定熱源條件，進行沉積物中水合物分解試驗，並實時記錄溫 度、空隙壓力場的變化，同時觀測分層現象； 8)記錄分層的層數、各個層發生的先後時間、位置、兩個層之間的厚度、孔隙壓力、
溫度參數。 進一步，所述步驟4)中的待加溶液為四氫呋喃水溶液，其形成的水合物沉積物為 四氫呋喃水合物沉積物。 進一步，所述步驟4)中的待充氣體為甲烷，在填充甲烷氣體時，需要在所述模型 筒的蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷，以提供甲烷水合物沉積物形成時需要的壓力。
進一步，所述步驟5)中的處理時間為2 3天。 本發明能模擬最大水深3000米下的地層破壞、同時採用微型孔隙壓力測量孔隙 壓力分布而不對地層產生明顯影響、能方便地製備有節理的地層。採用底部加熱的方法，能 很好地模擬地層中熱從下往上的傳播過程。
附圖1為發明結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，包括細長圓柱 狀結構的模型筒1，其便於水合物分解引起的含相變的熱傳導過程、沉積層或覆蓋層破壞的 觀察和結果分析。模型筒1的底面上設置有隔熱板2，隔熱板2上設置有熱源3，隔熱板2 用於本裝置與工作檯之間的隔熱，使得熱源3可以較好的保持恆溫或者恆定功率加熱，為 了與模型筒1的形狀相適配，熱源3為圓片狀結構，其內部設置有控溫器，以防止溫度過高。
熱源3的上方用於堆積水合物沉積層4，水合物沉積層4上方為蓋層5，在制樣時 在水合物沉積層4和蓋層5中人為地設置一個和多個地層界面(或層理)，作為水合物分解 後分層破壞實驗的薄弱位置；蓋層5上方設置有模擬海水層的防凍液體層6，防凍液體層6 上方設置有可活動的模型箱頂蓋7，對頂蓋7施加垂直外力時，以提供地層和水合物形成所
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模型筒1上沿其高度方向設置有標尺8，標尺8用於記錄不同區域的分界面以及出 現分層區域的位置和分層厚度等參數，模型筒1採用透明材質製成時，可在筒壁上直接標 識標尺8 ;當模型筒1採用非透明材質製成時，可在標尺處做成可視窗口，標定刻度；
模型筒的下部設置有注液管路9和注氣管路10，注液管路9和注氣管路10上均設 置有流量計17。模型筒1內沿其高度方向設置有多個孔隙壓力測試點ll，與每個孔隙壓力 測試點11相同的高度位置上還設置有溫度測試點12 ;溫度測試點12上預埋有溫度傳感器 13，孔隙壓力測試點11上設置有孔隙壓力傳感器14。孔隙壓力傳感器14用於測量孔隙壓 力場的分布，並記錄氣化區域；溫度傳感器13用於測量溫度場的分布，並記錄不同分解區 域；溫度傳感器13和孔隙壓力傳感器14均由監控設備15來控制，監控設備15用於實時監 測分層現象以及分解面的位置，並對照標尺記錄對應位置；同時實時監測實驗中合成水合 物沉積物、不同厚度和強度的覆蓋層以分析覆蓋層對分層的影響。實驗中所得的數據均由 數據處理系統16進行數據的採集分析。
利用上述裝置進行的模擬方法，具體為 1)在模型筒中填入實驗土，分幾個層砸實使其具備一定的幹密度，形成不含水合 物的沉積物，並在實驗設定位置擺放布置熱源、溫度傳感器和壓力傳感器；
2)根據實驗需求的不同，沉積物上部封蓋不同強度的覆蓋層； 3)在製備過程中，設定一個或幾個有密度和強度差異的地層界面，供觀察分層破 壞現象的形成； 4)如果製備四氫呋喃水合物沉積物，則預先將四氫呋喃與水配比成溶液，將設定
量的四氫呋喃水溶液通過進液口填充到沉積層中。如果製備甲烷水合物沉積物，則將甲烷
氣源接通，在蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷提供水合物形成時需要的壓力； 5)將模擬系統放入恆溫箱內進行恆低溫處理，在恆溫箱提供的低溫和氣源提供的
壓力條件下經過2 3天的時間形成具有設定的飽和度的水合物沉積物； 6)水合物沉積物形成後，關閉液源和氣源，並將內部殘餘氣體排放，由外力通過頂
蓋施加壓力到水層和地層中提供分解實驗時所需要的壓力條件； 7)開啟測量設備，設定熱源條件，進行沉積物中水合物分解試驗，並實時記錄溫度 壓力場的變化，同時觀測分層現象； 8)記錄分層的層數、各個層發生的先後時間、位置、兩個層之間的厚度、壓力、溫度參數。 試驗結果分析方法 通過溫度、壓力測量數據確定水合物各個分解區域根據水汽化、水合物分解液化 和氣化溫度，由測到的溫度分布確定水合物分解區、水汽化區、液化區等的位置和形狀。
通過分層的先後順序以及位置確定分層發生的最主要原因由水合物分解區、水 汽化區、液化區等的位置、以及制樣時人為設置的地層層理位置，結合壓力分布、水和氣體 的滲透性參數，地層與筒壁的摩擦等，分析出分層破壞的最主要原因和條件。
通過實驗確定下式中的臨界值A:
r ， P ^ ——"
5
，A是發生破壞的臨界值，P是最大孔隙壓力，t是側壁摩擦阻力，S是層理處的強度。
權利要求
一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，包括模型筒，該模型筒的底面上設置有隔熱板，隔熱板上設置有熱源，熱源的上方用於堆積水合物沉積層，模型筒內沿其高度方向設置有多個孔隙壓力測試點，與每個孔隙壓力測試點相同的高度位置上還設置有溫度測試點；所述溫度測試點上預埋有溫度傳感器，所述孔隙壓力測試點上設置有孔隙壓力傳感器。
2. 如權利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，所述模 型筒的上部設置有頂蓋。
3. 如權利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，所述模 型筒為細長圓柱狀結構，所述熱源為圓片狀結構。
4. 如權利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，所述模 型筒上沿其高度方向設置有標尺。
5. 如權利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，所述模 型筒的下部設置有注液管路和注氣管路。
6. 如權利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特徵在於，所述溫 度傳感器和壓力傳感器均由監控設備來控制，由數據處理系統進行數據的採集分析。
7. —種利用上述裝置進行的模擬方法，具體為1) 在模型筒中填入實驗土，分幾個層砸實使其具備一定的幹密度，形成不含水合物的 沉積層，並在實驗設定位置擺放布置熱源、溫度傳感器和孔隙壓力傳感器；2) 根據實驗需求的不同，沉積層上部封蓋不同強度的覆蓋層；3) 在製備過程中，設定一個或幾個有密度和強度差異的地層界面，供觀察分層破壞現 象的形成；4) 將設定量的待加溶液或待充氣體填充到沉積層中，以製備相應的水合物沉積物；5) 將模擬系統放入恆溫箱內進行恆低溫處理；6) 水合物沉積物形成後，關閉氣源，並將內部殘餘氣體排放，由外力通過頂蓋施加壓力 到水層和地層中提供分解實驗時所需要的壓力條件；7) 開啟測量設備，設定熱源條件，進行沉積物中水合物分解試驗，並實時記錄溫度、孔 隙壓力場的變化，同時觀測分層現象；8) 記錄分層的層數、各個層發生的先後時間、位置、兩個層之間的厚度、壓力、溫度參數。
8. 如權利要求7所述的模擬方法，其特徵在於，所述步驟4)中的待加溶液為四氫呋喃 水溶液，其形成的水合物沉積物為四氫呋喃水合物沉積物。
9. 如權利要求7所述的模擬方法，其特徵在於，所述步驟4)中的待充氣體為甲烷，在填 充甲烷氣體時，需要在所述模型筒的蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷，以提供甲烷水 合物沉積物形成時需要的壓力。
10. 如權利要求7所述的模擬方法，其特徵在於，所述步驟5)中的處理時間為2 3天。
全文摘要
本發明公開了一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，包括模型筒，該模型筒的底面上設置有隔熱板，隔熱板上設置有熱源，熱源的上方用於堆積水合物沉積層，模型筒內沿其高度方向設置有多個壓力測試點，與每個壓力測試點相同的高度位置上還設置有溫度測試點；所述溫度測試點上預埋有溫度傳感器，所述壓力測試點上設置有壓力傳感器。本發明能模擬最大水深3000米下的地層破壞、同時採用微型孔隙壓力測量孔隙壓力分布而不對地層產生明顯影響、能方便地製備有層理的地層。採用底部加熱的方法，能很好地模擬地層中熱從下往上的傳播過程。
文檔編號G01V9/00GK101697018SQ200910236248
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者姚海元, 張旭輝, 李清平, 王淑雲, 王愛蘭, 趙京, 魯曉兵 申請人:中國科學院力學研究所;