[發明專利]模擬天然氣水合物開采時孔壁破壞情況的試驗系統和方法

有效

• 申請號: 201910015807.5
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109555519B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 陳星欣;張欣然;楊恒超;郭力群;蔡奇鵬
• 申請（專利權）人: 華僑大學;江蘇省地質工程有限公司
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00;E21B43/01
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;張迪

本發明提供了模擬天然氣水合物開采時孔壁破壞情況的試驗系統和方法，模型試驗箱裝置包括上下設置的壓力室和土樣存放室，以及將二者密封隔離的加壓板；豎向壓力系統用于向壓力室中施加壓力以推動加壓板向下移動；土樣存放室中存有土樣；土樣存放室的背板具有陣列設置的通孔，每個通孔都連接至孔隙水壓力計；土樣存放室的左右兩側分別連通出水口和入水口，出水口處的篩網上粘貼有防水應變片，以測量出水口處的篩網的水平和豎直應變；滲流系統與入水口連通，以向土樣存放室中輸入水氣混合物；變形量測系統測量土樣中砂體的移動和變形情況；孔壓量測系統得到土樣孔隙水壓力的空間分布和隨時間的演化特性。

技術領域

本發明涉及一種天然氣水合物開采時模擬出砂導致孔壁破壞情況的試驗系統及方法，用來模擬真實水氣流動過程中的土樣固結變形、井壁受力－變形－破壞、砂粒流動狀態、孔隙水壓力等特性。

背景技術

天然氣水合物是分布于深海沉積物中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結晶物質。其資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價值，被視為后石油時代的重要替代能源，因而成為油氣工業界長期研究熱點。根據國際天然氣水合物試開采經驗，降壓法是目前全球公認的最佳天然氣水合物開采方法。因為天然氣水合物埋藏淺，所處的沉積層通常未固結成巖且細粉砂含量較高，加上降壓開采時生產壓差較大，礫石移動造成篩網破壞導致出砂。構成地層的巖石的碎屑(砂)混雜在石油和天然氣中一起流入到生產井內，會導致堵塞生產井、磨損生產設備的管道、堵塞重要閥門等。2013年3月在日本愛知縣附近深海可燃冰層中成功提取出甲烷，后因出砂被迫中止試采。2017年3月在日本南海海槽開采時因防砂系統失效，也導致試采作業被迫中止。可見，在開采天然氣水合物的鉆井、完井及采氣過程中，含天然氣水合物地層的力學性質發生變化，可能導致井壁失穩、出砂、地層坍塌、海底滑坡甚至海嘯等工程和地質災害，其中井壁失穩導致的出砂問題尤為嚴重。

綜上所述，出砂是制約天然氣水合物資源長效開采的關鍵因素，因此在天然氣水合物商業化開采前迫切需要進行出砂機理的研究，以便采用合適的防砂技術手段來避免出砂問題。為模擬開采天然氣水合物時的出砂情況，現有的試驗大多研究的是開采天然氣水合物導致的出砂量，卻無法測量某一特定時刻砂的位移場。而且大多試驗裝置無法研究出砂前孔壁的變形和受力狀態。尚未有試驗裝置既可測試每一時刻砂的運動狀態，又能研究出砂破壞前孔壁的受力狀態，還能測得總出砂量。因此研制這種綜合性的試驗裝置顯得尤為迫切和重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服現有常規試驗設備僅能研究出砂時砂體質量，以及不能考慮井壁受力狀態的缺陷，提供一種更符合實際工程需要的試驗系統，該系統可滿足真實水氣流動過程中對土樣固結變形、井壁受力－變形－破壞、砂粒流動狀態、孔隙水壓力等進行精確量測的試驗需要。

本發明解決這些技術問題所采用的技術方案是：

一種模擬天然氣水合物開采時孔壁破壞情況的試驗系統，包括：模型試驗箱裝置、豎向壓力系統、滲流系統、變形量測系統、孔壓量測系統；

所述模型試驗箱裝置包括上下設置的壓力室和土樣存放室，以及將二者密封隔離的加壓板，注意模型裝置內壁以及加壓板四個角應做成圓弧倒角，加壓板邊緣用橡膠密封圈密封，加圧板可自由上下活動并且可防漏水；所述加壓板與豎桿的一端連接；所述豎向壓力系統用于向所述壓力室中施加壓力以推動所述加壓板和豎桿向下移動；

所述土樣存放室中存有土樣，所述土樣的上表面覆蓋有橡皮膜；橡皮膜通過壓力室與土樣存放室之間的法蘭夾住并固定。所述土樣存放室的背板具有陣列設置的通孔，每個通孔都連接至孔隙水壓力計；所述土樣存放室的左右兩側分別連通出水口和入水口，并且所述出水口和入水口處分別設置有不同規格的篩網；出水口處的篩網上粘貼有防水應變片，以測量出水口處的篩網的水平和豎直應變；

所述滲流系統與所述入水口連通，以向所述土樣存放室中輸入水氣混合物；