[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

本發明屬海洋能源土開采力學測試領域，具體地，涉及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和測試方法。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。本發明可實現海洋水合物能源土的生成，并可準確測試海洋水合物開采引起能源土?井耦合作用。

技術領域

本發明屬海洋能源土開采力學測試領域，具體地，涉及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和測試方法。

背景技術

天然氣水合物作為一種新型清潔能源，污染小，資源潛力巨大。因此水合物的開采成為當今世界的研究熱點。據統計，全球約99％以上的水合物穩定存在于海底低溫高壓環境中，并與砂土混合形成海洋能源土。海洋能源土成巖性差、抗剪強度低，水合物在其孔隙中起到了有效的膠結作用。在開采過程中，水合物的分解會改變能源土的飽和度、強度和剛度等，使得能源土孔隙壓力增大，土層有效應力和膠結強度減小，引發生產井周圍地層變形，進而對井筒力學特性產生影響，甚至引發井壁失穩、海底滑坡、海地面沉降等地質災害。然而以往有關水合物的研究主要集中于產能評價和沉積物的力學特性，忽略了水合物開采對土體和井筒的影響；因此開展水合物開采對海洋土- 井耦合作用的研究對水合物開采具有重要的意義。

海洋能源土力學性質是目前的研究重點之一，周家作等在文《多功能水合物沉積物三軸試驗系統的研制與應用》(巖土力學，41(1)： 343-352，2020.)中總結已有的試驗經驗，提出了一種新型多功能水合物沉積物三軸試驗系統。該系統包括供排氣模塊、應力加載模塊、溫控模塊、數據采集模塊和輔助模塊，各部分相對獨立且具有良好的協同與拓展性。采用液壓泵進行圍壓和軸壓的加載，通過不同的加載模式實現水合物合成、三軸剪切、體變測量和水合物分解測試。此系統能夠精確測試三軸試驗過程中的體積變形，控制分解的溫度氣壓條件并測試分解過程中的變形，可以為水合物沉積物力學特性研究奠定實驗基礎。但是水合物開采引起土體力學參數改變，進而影響井筒的力學性質，而上述試驗系統沒有考慮水合物開采對生產井的影響。

在參閱國內相關資料的基礎上，認為現有的水合物三軸試驗裝置存在一定局限性，不能同時考慮水合物開采對土體和井筒的影響。本發明在當今現有水合物試驗設備的基礎上進行改進，發明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和測試方法。該裝置可實現海洋能源土的生成，進行能源土樣與井筒接觸面力學特性試驗，并且可以模擬水合物開采引起的土-井耦合作用，為研究水合物開采對海洋能源土-井耦合作用的影響提供良好的試驗技術支持。

發明內容

為克服現有技術存在的缺陷，本發明提供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和測試方法。該裝置可測量水合物開采過程中土體的應變、井筒的應力以及氣體壓強的變化，利用數據采集系統進行顯示，操作簡單，結果可靠。

為實現上述目的，本發明采用的解決方案如下：

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、恒溫水浴系統、開采井、回壓閥、氣液分離回收系統和數據采集系統；其中：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。