[發明專利]一種使用滯彈性應變恢復方法原位分析水合物沉積層應力狀態的實驗裝置

在審

• 申請號: 201610183925.3
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105784971A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 劉衛國;武朝然;宋永臣;李洋輝;駱汀汀;王增;沈實;王磊;吳琪
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;李寶元

技術領域

本發明涉及一種使用滯彈性應變復蘇(ASR)方法原位分析水合物沉積層力學特性裝置，屬天然氣水合物開采領域。

背景技術

隨著油氣資源的巨大消耗，人類在21世紀后期將面臨油氣資源的枯竭，全球經濟發展將面臨嚴峻的挑戰。天然氣水合物作為一種潛在的清潔能源，因其在世界范圍內分布廣、儲量大，被認為是21世紀最理想、具有商業開發前景的新能源。天然氣水合物的安全開采受到各國政府和研究機構的廣泛重視，已成為深海油氣資源開發的新的工程領域，并有可能對環境科學和能源工業的發展產生深遠的影響。

在天然氣水合物勘探與開采過程中，水合物分解會破壞沉積層的結構穩定性，并且隨著開采過程中分解區域的擴展，可能誘發地層變形、海底滑坡等地質災害，進而造成鉆探設備、海底管道等基礎設施的損壞及生命財產損失。地質力學是海洋甲烷水合物資源開發的重要研究領域。在生產過程中甲烷水合物的分解會導致沉積層力學特性的變化，而這些變化還會對天然氣開采產生極大的困擾，所以水合物沉積層的應力狀態是開采技術方案與開采效率優化方案設計的重要參考依據。

應力是表征力學性能的一個重要參數，是鉆井參數檢測的重要指標，2004在南海海槽水合物勘探中，利用原位水壓破裂試驗，直接測量了鉆孔應力狀態。2013年，在天然氣開采鉆井地點附近的位置，利用橫波分裂和突破的方法，間接測量了鉆孔應力狀態。兩次測試所獲得的數據表明，該地區的應力狀態是正斷層類型伴隨著略有各向異性的水平應力。通常情況下，從深層地下鉆取回收巖芯試樣過程中，巖芯試樣一旦從地層中取出，就無法維持其原位應力。然而，水合物沉積物的結構變化所造成的原位應力的釋放是可檢測的。因此，在原地應力的特征訊息可能會殘留在回收的沉積物中。但迄今為止，還沒有一種方法可以在水合物真實的開采過程中測量出原位水合物沉積物結構構造和應力狀態，因此，本項申請提出的方法，是一項創新的方法。

發明內容

為了克服上述現有技術中存在的問題，本發明利用滯彈性應變恢復(ASR)方法測量原位水合物巖心的應力狀態。滯彈性應變恢復(ASR)方法是一種通過使用各向同性粘彈性模型技術分析巖芯樣品的三維應力場，測量原位巖芯樣品恢復的彈性應變的方法。在該方法的主要思想是從應力引起的彈性應變所釋放的瞬間開始，隨后巖心的應變是逐步或隨時間變化的變形，即滯彈性應變恢復。原則上，滯彈性應變是由巖心鉆井過程中所釋放應力的誘導所致。因此，由ASR所測量巖心的應力狀態即是當時(取心時間)巖心所受的應力狀態。對于各向同性粘彈性材料，三個原位主應力方向與三個主滯彈性應變的方向是一致的。因此，基于在至少六個獨立方向測量的滯彈性應變數據，通過計算主應變方向可以確定其原位主應力方向。

本發明的技術方案：

一種使用滯彈性應變恢復方法原位分析水合物沉積層應力狀態的實驗裝置，該實驗裝置包括應變計、水浴槽、加熱冷卻循環器、數據記錄器、熱敏電阻溫度計和計算機數據采集系統；

通過加熱冷卻循環器控制水浴槽內試樣的溫度，水浴槽內設置有熱敏電阻溫度計，其采集的數據傳輸至數據記錄器，應變傳感器將物理信號轉換成電信號，電信號再被轉換成可顯示的數字化二進制數據顯示在數據記錄器上；待測樣品通過雙層塑料袋和鋁片包裹，置于水浴槽中，沿待測樣品的X軸和Y軸所在的切面交于待測樣品側表面的兩條交線，所述的待測樣品的X軸即為待測樣品圓形橫截面上的一條徑向坐標軸，所述的待測樣品的Y軸即為所在圓形橫截面上垂直于X軸的徑向坐標軸，每條交線上至少設置有一個單一型應變計和至少設置三個交叉型應變計，單一型應變計用于測量樣品X軸與Y軸方向上的滯彈性法向應變，交叉型應變計用于測量試樣Z軸、XZ與YZ方向上的滯彈性法向應變，所述的待測樣品的Z軸即為待測樣品的中軸線；沿著待測樣品的X軸和Y軸的角平分線所在的切面交于樣品側表面的兩條交線，每條交線上至少設置兩個單一型應變計，用于測量試樣XY方向上的滯彈性法向應變；應變計采集的數據通過應變傳感器傳輸到數據記錄器；計算機數據采集系統與數據記錄器連接，通過記憶卡將溫度和應變數據上傳至計算機數據采集系統，對溫度和應變數據進行處理和控制。

本發明的有益效果：

1.通過交叉式型應變計和單一型應變計可以精確測出待測樣品六個獨立的方向的滯彈性的正應變，已達到實驗要求。

2.通過待測樣品被雙層袋塑料袋和鋁片包裹并且浸沒在所述水浴中，保證防止因干燥引起任何可能的變形，確保實驗過程測量數據準確。

3.通過控制循環水浴槽的溫度，以保證實驗模擬原位條件下的溫度要求。