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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水合物分解領(lǐng)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(shù)：
天然氣水合物是在適當(dāng)高的壓力和適當(dāng)?shù)偷臏囟葪l件下，由水和天然氣組成的類 冰的籠形結(jié)晶化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境，是一 種重要的潛在資源。 隨著世界油氣可開采量的減少和消耗量的增加，深海水合物開采的迫切性日益顯 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，并進(jìn)行了試 采。 油氣開采、水合物開采或自然條件變化會導(dǎo)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(zhì)失去膠接，另一方面會改 變沉積層的結(jié)構(gòu)，生成的氣體又會增大孔隙壓力，從而使該沉積物的強(qiáng)度降低，出現(xiàn)較為明 顯的軟弱帶。水合物沉積層強(qiáng)度的降低是地層災(zāi)害發(fā)生的前兆，是多種地質(zhì)災(zāi)害誘因，可引 起多種嚴(yán)重的災(zāi)害，如由于水合物分解導(dǎo)致的井口周圍土體大變形引起的海上或海床中結(jié) 構(gòu)物的破壞，如平臺傾覆、油氣井毀壞等。這種災(zāi)害對海床中結(jié)構(gòu)物將產(chǎn)生嚴(yán)重危害，但是 對其控制參數(shù)和演化過程等方面的研究還非常缺乏。據(jù)文獻(xiàn)記載，挪威大陸架邊緣由于水 合物分解發(fā)生的海底滑坡(Stofegga滑坡)共滑走2500 3200立方公里沉積物，是目前 為止發(fā)現(xiàn)的最大的海底滑坡。大量的地質(zhì)調(diào)查和分析表明產(chǎn)生該滑坡的原因是由于當(dāng)時水 溫增加，水合物發(fā)生了分解。水合物迅速分解將導(dǎo)致大面積滑坡等多種破壞形式，并可能引 起海嘯。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于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制備有層理和密度分層變化的地層，并采用 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(xiàn)上述目的，本發(fā)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(shè)置有隔熱板，隔熱板上設(shè)置有熱源，熱源的上方用于堆積水合物沉
積層，模型筒內(nèi)沿其高度方向設(shè)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(shè)置有溫度測試點；所述溫度測試點上預(yù)埋有溫度傳感器，所述孔隙壓力測
試點上設(shè)置有孔隙壓力傳感器。 進(jìn)一步，模型筒的上部設(shè)置有頂蓋。 進(jìn)一步，所述模型筒為細(xì)長圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述熱源為圓片狀結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述模型筒上沿其高度方向設(shè)置有標(biāo)尺。
進(jìn)一步，所述模型筒的下部設(shè)置有注液管路和注氣管路。
進(jìn)一步，所述溫度傳感器和壓力傳感器均由監(jiān)控設(shè)備來控制，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)的采集分析。
—種利用上述裝置進(jìn)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干密度，形成不含水合 物的沉積層，并在實驗設(shè)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(jù)實驗需求的不同，沉積層上部封蓋不同強(qiáng)度的覆蓋層； 3)在制備過程中，設(shè)定一個或幾個有密度和強(qiáng)度差異的地層界面，供觀察分層破 壞現(xiàn)象的形成； 4)將設(shè)定量的待加溶液或待充氣體填充到沉積層中，以制備相應(yīng)的水合物沉積 物； 5)將模擬系統(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行恒低溫處理； 6)水合物沉積物形成后，關(guān)閉氣源，并將內(nèi)部殘余氣體排放，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(shè)備，設(shè)定熱源條件，進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄溫 度、空隙壓力場的變化，同時觀測分層現(xiàn)象； 8)記錄分層的層數(shù)、各個層發(fā)生的先后時間、位置、兩個層之間的厚度、孔隙壓力、
溫度參數(shù)。 進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步，所述步驟5)中的處理時間為2 3天。 本發(fā)明能模擬最大水深3000米下的地層破壞、同時采用微型孔隙壓力測量孔隙 壓力分布而不對地層產(chǎn)生明顯影響、能方便地制備有節(jié)理的地層。采用底部加熱的方法，能 很好地模擬地層中熱從下往上的傳播過程。


附圖1為發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，包括細(xì)長圓柱 狀結(jié)構(gòu)的模型筒1，其便于水合物分解引起的含相變的熱傳導(dǎo)過程、沉積層或覆蓋層破壞的 觀察和結(jié)果分析。模型筒1的底面上設(shè)置有隔熱板2，隔熱板2上設(shè)置有熱源3，隔熱板2 用于本裝置與工作臺之間的隔熱，使得熱源3可以較好的保持恒溫或者恒定功率加熱，為 了與模型筒1的形狀相適配，熱源3為圓片狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置有控溫器，以防止溫度過高。
熱源3的上方用于堆積水合物沉積層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(shè)置一個和多個地層界面(或?qū)永?，作為水合物分解 后分層破壞實驗的薄弱位置；蓋層5上方設(shè)置有模擬海水層的防凍液體層6，防凍液體層6 上方設(shè)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
4
模型筒1上沿其高度方向設(shè)置有標(biāo)尺8，標(biāo)尺8用于記錄不同區(qū)域的分界面以及出 現(xiàn)分層區(qū)域的位置和分層厚度等參數(shù)，模型筒1采用透明材質(zhì)制成時，可在筒壁上直接標(biāo) 識標(biāo)尺8 ;當(dāng)模型筒1采用非透明材質(zhì)制成時，可在標(biāo)尺處做成可視窗口，標(biāo)定刻度；
模型筒的下部設(shè)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(shè) 置有流量計17。模型筒1內(nèi)沿其高度方向設(shè)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(shè)置有溫度測試點12 ;溫度測試點12上預(yù)埋有溫度傳感器 13，孔隙壓力測試點11上設(shè)置有孔隙壓力傳感器14。孔隙壓力傳感器14用于測量孔隙壓 力場的分布，并記錄氣化區(qū)域；溫度傳感器13用于測量溫度場的分布，并記錄不同分解區(qū) 域；溫度傳感器13和孔隙壓力傳感器14均由監(jiān)控設(shè)備15來控制，監(jiān)控設(shè)備15用于實時監(jiān) 測分層現(xiàn)象以及分解面的位置，并對照標(biāo)尺記錄對應(yīng)位置；同時實時監(jiān)測實驗中合成水合 物沉積物、不同厚度和強(qiáng)度的覆蓋層以分析覆蓋層對分層的影響。實驗中所得的數(shù)據(jù)均由 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析。
利用上述裝置進(jìn)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干密度，形成不含水合 物的沉積物，并在實驗設(shè)定位置擺放布置熱源、溫度傳感器和壓力傳感器；
2)根據(jù)實驗需求的不同，沉積物上部封蓋不同強(qiáng)度的覆蓋層； 3)在制備過程中，設(shè)定一個或幾個有密度和強(qiáng)度差異的地層界面，供觀察分層破 壞現(xiàn)象的形成； 4)如果制備四氫呋喃水合物沉積物，則預(yù)先將四氫呋喃與水配比成溶液，將設(shè)定
量的四氫呋喃水溶液通過進(jìn)液口填充到沉積層中。如果制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(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行恒低溫處理，在恒溫箱提供的低溫和氣源提供的
壓力條件下經(jīng)過2 3天的時間形成具有設(shè)定的飽和度的水合物沉積物； 6)水合物沉積物形成后，關(guān)閉液源和氣源，并將內(nèi)部殘余氣體排放，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(shè)備，設(shè)定熱源條件，進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄溫度 壓力場的變化，同時觀測分層現(xiàn)象； 8)記錄分層的層數(shù)、各個層發(fā)生的先后時間、位置、兩個層之間的厚度、壓力、溫度參數(shù)。 試驗結(jié)果分析方法 通過溫度、壓力測量數(shù)據(jù)確定水合物各個分解區(qū)域根據(jù)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(qū)、水汽化區(qū)、液化區(qū)等的位置和形狀。
通過分層的先后順序以及位置確定分層發(fā)生的最主要原因由水合物分解區(qū)、水 汽化區(qū)、液化區(qū)等的位置、以及制樣時人為設(shè)置的地層層理位置，結(jié)合壓力分布、水和氣體 的滲透性參數(shù)，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(chǔ):
r ， P ^ ——"
5
，A是發(fā)生破壞的臨界值，P是最大孔隙壓力，t是側(cè)壁摩擦阻力，S是層理處的強(qiáng)度。
權(quán)利要求
一種水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，包括模型筒，該模型筒的底面上設(shè)置有隔熱板，隔熱板上設(shè)置有熱源，熱源的上方用于堆積水合物沉積層，模型筒內(nèi)沿其高度方向設(shè)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(shè)置有溫度測試點；所述溫度測試點上預(yù)埋有溫度傳感器，所述孔隙壓力測試點上設(shè)置有孔隙壓力傳感器。
2. 如權(quán)利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，所述模 型筒的上部設(shè)置有頂蓋。
3. 如權(quán)利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，所述模 型筒為細(xì)長圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述熱源為圓片狀結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，所述模 型筒上沿其高度方向設(shè)置有標(biāo)尺。
5. 如權(quán)利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，所述模 型筒的下部設(shè)置有注液管路和注氣管路。
6. 如權(quán)利要求1所述的水合物分解致地層分層破壞的模擬裝置，其特征在于，所述溫 度傳感器和壓力傳感器均由監(jiān)控設(shè)備來控制，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析。
7. —種利用上述裝置進(jìn)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干密度，形成不含水合物的 沉積層，并在實驗設(shè)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(jù)實驗需求的不同，沉積層上部封蓋不同強(qiáng)度的覆蓋層；3) 在制備過程中，設(shè)定一個或幾個有密度和強(qiáng)度差異的地層界面，供觀察分層破壞現(xiàn) 象的形成；4) 將設(shè)定量的待加溶液或待充氣體填充到沉積層中，以制備相應(yīng)的水合物沉積物；5) 將模擬系統(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行恒低溫處理；6) 水合物沉積物形成后，關(guān)閉氣源，并將內(nèi)部殘余氣體排放，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(shè)備，設(shè)定熱源條件，進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄溫度、孔 隙壓力場的變化，同時觀測分層現(xiàn)象；8) 記錄分層的層數(shù)、各個層發(fā)生的先后時間、位置、兩個層之間的厚度、壓力、溫度參數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的模擬方法，其特征在于，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(quán)利要求7所述的模擬方法，其特征在于，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(quán)利要求7所述的模擬方法，其特征在于，所述步驟5)中的處理時間為2 3天。
全文摘要
本發(fā)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(shè)置有隔熱板，隔熱板上設(shè)置有熱源，熱源的上方用于堆積水合物沉積層，模型筒內(nèi)沿其高度方向設(shè)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(shè)置有溫度測試點；所述溫度測試點上預(yù)埋有溫度傳感器，所述壓力測試點上設(shè)置有壓力傳感器。本發(fā)明能模擬最大水深3000米下的地層破壞、同時采用微型孔隙壓力測量孔隙壓力分布而不對地層產(chǎn)生明顯影響、能方便地制備有層理的地層。采用底部加熱的方法，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(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者姚海元, 張旭輝, 李清平, 王淑云, 王愛蘭, 趙京, 魯曉兵 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所;