[發明專利]模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置和測試方法

在審

• 申請號: 202010891748.0
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111980673A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 張玉;于婷婷;張宗楠;李昊;付光明
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B47/001
• 分類號: E21B47/001;E21B49/00;E21B49/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，包括：三軸壓力室、應力加載系統、供氣增壓系統、恒溫水浴、開采井、回壓閥、氣液分離回收系統和數據采集系統；應力加載系統與三軸壓力室連接，實現不同應力方式加載；供氣增壓系統與三軸壓力室連接，提供氣源并控制氣體壓力施加，生成水合物；恒溫水浴系統將三軸壓力室無縫包圍，控制室內溫度；開采井放置于試樣內部，安裝至三軸壓力室中，模擬開采引起的土-井耦合作用；回壓閥與三軸壓力室連接，降壓實現水合物分解；氣液分離回收系統與回壓閥連接，對氣體、液體進行計量并回收；數據采集系統定時采集試驗數據并予以存儲處理。

2.根據權利要求1所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，其特征在于：三軸壓力室自下而上裝有圓形底座、土體試樣和上墊塊。圓形底座上表面圓心處設有半徑5mm圓孔，圓孔貫穿部分圓形底座并從側面穿出，與高氣壓泵連接；土體試樣高100mm，直徑50mm,外側包裹熱縮膠套，熱縮膠套上下端分別與上墊塊和圓形底座相連，保證試樣密封；此外，熱縮膠套軸向兩側設有兩個軸向應變傳感器，外表面上部、中部和下部設有三個環向應變傳感器；土體試樣中心設有圓孔，圓孔直徑與井筒直徑相同，用于放置井筒。上墊塊自下表面設置有直徑17mm的圓孔，圓孔頂部與井筒頂部至少距離15厘米，保證在試驗過程中上墊塊始終不與井筒接觸，實現土體試樣與井筒的耦合試驗；且圓孔從上墊塊側面穿出，與回壓閥連接。

3.根據權利要求1-2所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，其特征在于：開采井為直徑15mm的圓筒，放置于試樣內部中心，井底與圓形底座接觸，井頂高于試樣3cm，且超過土體部分設置密封橡膠圈，保證和上墊塊圓孔密封，氣、水不外滲；井筒圓周上開孔保證氣體和水流動，開孔后在外側包裹鋼絲網，確保沒有固體顆粒進入管道導致堵塞；井筒周圍安裝應力傳感器，監測井筒應力狀態。

4.根據權利要求1-3所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，其特征在于：恒溫水浴系統，包括水浴水槽和溫度表；水浴水槽將三軸壓力室無縫包圍；溫度施加范圍值為-10℃～20℃。

5.根據權利要求1-4所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，其特征在于：回壓閥通過上墊塊與三軸壓力室連接，當回壓閥壓力低于試樣內部氣壓時，氣體通過回壓閥排出直至氣壓達到與回壓閥相等，設置回壓閥可控制降壓實現水合物分解。

6.根據權利要求1-5所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用的測試裝置，其特征在于：氣液分離回收系統，包括氣液分離計、氣體流量計、液體流量計、干燥盒、氣體收集裝置和液體收集裝置。氣液分離計與回壓閥連接，將氣液混合物進行分離；液體直接流入液體回收裝置，氣體通過干燥盒流入氣體回收裝置，并進行計量。氣體流量計記錄產氣速率和累計產氣量，由此判斷水合物的開采狀況。

7.根據權利要求1-6所述的模擬水合物開采引起海洋能源土-井耦合作用測試裝置的測試方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)、將砂土與去離子水混合制作一定干密度和含水量的非飽和試驗土樣，用熱縮膠套包好并置于三軸壓力室內；

(2)、通過應力加載系統施加圍壓、軸壓至預定壓力，然后使用供氣增壓系統，將甲烷氣體注入土體試樣至預定壓力，進行檢漏后靜置；

(3)、水浴水槽注水，降低三軸壓力室內溫度至反應所需溫度(5℃度以下)，此時水合物開始生成，壓力室內壓力逐漸降低；當壓力室內壓力保持不變時，天然氣水合物成功生成；

(4)、調整壓閥壓力低于試樣氣壓，氣體通過回壓閥排除直至回壓閥壓力與試樣內氣壓相等，實現降壓開采；當氣壓降至水合物分解壓力時，水合物開始分解。由回壓閥排出的氣液混合物經過氣液分離計分離，分別進行回收計量。并可通過氣體計量計判斷水合物的分解狀態。

(5)、水合物分解導致試樣剛度降低，產生分解變形，產生土-井耦合作用。試樣應變傳感器可得到土體變形，井筒應力傳感器可監測井筒應力狀態，由此計算得到井筒彈性變形；測試結束取出井筒測量其塑性變形。

(6)、此外，亦可開展能源土樣與井筒接觸面力學特性試驗；水合物生成后，通過應力加載系統緩慢施加軸向荷載，能源土樣與井筒產生接觸變形，得到水合物能源土樣與井筒結構接觸面力學特性。