CN110542617B - 一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水合物沉积物动‑静态力学参数同步测量反应釜和测量方法，涉及天然气水合物基础物性测试领域，包括壳体，还包括设置在所述壳体内的本体组件，设置在所述壳体侧面的两相对侧组件，设置在所述壳体顶端的上盖组件以及设置在所述壳体底端的下盖组件本发明的有益效果是，集成了TDR测试、声波测试和应力应变测试能力，克服了原有力学参数测试方法用含水量直接估算沉积物饱和度导致的估计误差；将超声探测技术联合应用到三轴试验上，能实时获取不同水合物饱和度和不同剪切破坏条件下沉积体系的声波参数，为三轴力学特性测试提供有力的支撑数据，能够更好的为含水合物沉积体系的动态变化提供解释依据。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物基础物性测试领域，具体涉及通过室内三轴试验同步获取含水合物沉积物动态强度参数与静态强度参数，特别是一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法。
背景技术
天然气水合物储集层力学性质是解释和解决天然气水合物能源开采过程中涉及的工程地质问题所需的基础信息，目前研究水合物储集层力学性质的方法主要有3类：室内三轴/单轴压缩测试、基于测井资料采用经验公式估算、采用离散单元法等数值模拟方法预测，其中通过室内三轴/单轴压缩试验获得的储层力学数据通常被称为静态力学参数，而通过野外测井资料估算获得的力学数据称为动态力学参数，从常规油气储层的经验判断，储层的动态力学参数与静态力学参数存在某种定量的转化关系，因而无法用室内压缩试验获得的力学参数简单地取代野外估算数据进行现场工程设计，但是也不能在没有室内模拟试验校准地情况下单纯依靠测井资料地估算结果进行工程设计因此，非常有必要针对天然气水合物储层建立其动、静态力学参数相关关系。
从获取室内静态力学参数地角度，三轴试验是获取含水合物沉积物的力学性质的最主要也是最常用的手段，其核心是根据天然气水合物在沉积物中存在的基本温压条件，设计专用的水合物三轴力学测试反应釜青岛海洋地质研究所(公开号：CN206556991U、CN104215499A)、大连理工大学(公开号：CN106092772A)、中科院武汉岩土力学所(公开号：CN202166560U)等单位基于上述思路设计了不同结构类型的专用反应釜，获得了大量的室内静态三轴力学数据同时，为了促进天然气水合物三轴力学试验数据向现场应用的转化，天然气水合物动态三轴试验***(公开号：CN104655494A、CA108240957A)也获得了一定的发展，但动三轴测量得到的所谓“动态力学参数”与基于测井资料解释获得的岩土动力学参数是两个不同的概念，因此两者不可以混淆使用。
另外，从基于测井数据估算动态储层力学参数的角度，目前在常规油气储层中获取其强度参数的主要依据是储层的声波数据特别是在无横波资料的情况下，首先通过经验公式计算横波时差，然后采用相应的半经验公式计算储层的动态杨氏模量、动态泊松比、体积模量、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、内聚力、内摩擦角等动态力学参数对水合物储层而言，需要首先采用取芯获得的岩心饱和度数据与纵横波数据的对应关系，拟合出纵横波数据与水合物饱和度数据之间的关系，再将其带入常规储层动态力学参数模型求解强度参数的纵向分布规律。
理论上而言，通过室内试验模拟手段，建立获取含水合物沉积物动态、静态力学参数的一体化方法，可以采用不同的试验装置分别进行水合物饱和度、水合物声学特性、水合物三轴力学性质的方法，然后将这些数据联合起来进行分析但是受制样条件的限制，不可能在不同的试验***中同时合成完全一致的含水合物沉积物样品因此，有必要建立天然气水合物沉积物动-静态力学性质一体化测试***及相应的评价方法。
发明内容
本发明的目的是为实际开采井中水合物储层的工程地质参数评价与工程设计方案提供建议，设计了一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量反应釜，包括壳体，还包括设置在所述壳体内的本体组件，设置在所述壳体侧面的两相对侧组件，设置在所述壳体顶端的上盖组件以及设置在所述壳体底端的下盖组件，其中，所述本体组件包括：沉积物胶桶，所述沉积物胶桶位于所述壳体内；透压成型模壳，所述透压成型模壳为闭合后内径与所述沉积物胶桶外径相等的两环形壳；所述侧组件包括：加力杆，所述加力杆与所述壳体滑动设置且连接所述环形壳；加力架，所述加力架螺旋设置在所述壳体的侧面，并通过转球与所述加力杆连接；所述上盖组件包括：上密封压盖，所述上密封压盖设置在所述沉积物胶桶的两端；上内盖，所述上内盖设置在所述上密封压盖上，所述上内盖设有用于固定TDR接口以及排饱和水的出口通腔；上超声探头，所述上超声探头设置在所述上内盖内，所述上超声探头与所述沉积物胶桶的内腔相对；上盒盖，所述上盒盖设置在所述壳体的顶端开口处；上导力轴，所述上导力轴设有与所述上超声探头以及上内盖贯通的内腔，所述上导力轴与所述上内盖固定，所述上导力轴与所述上盒盖滑动设置；上导力冒，所述上导力冒与所述上导力轴连接，所述上导力冒的侧面设有与所述上导力轴内腔贯通的出口；所述下盖组件包括：下密封压盖，所述下密封压盖设置在所述沉积物胶桶的底端出口处；下盒盖，所述下盒盖设置在所述下密封压盖的下方，所述下盒盖与所述壳体的底端开口处连接，所述下盒盖设有与壳体内腔贯通的饱和水进口通腔；下超声探头，所述下超声探头设置在所述下盒盖上，与所述沉积物胶桶的内腔相对；转接板，所述转接板设置在所述下盒盖上，所述转接板设有与所述下超声探头贯通的内腔。
进一步的，所述上内盖采用双凹字形设计，第一级凹陷处用于安装上超声探头，第二级凹陷与下密封压盖连接。
进一步的，所述上盒盖和壳体采用螺栓连接。
进一步的，所述上导力轴在壳体内侧位置设置凸台，凸台直径大于上盒盖通孔直径。
进一步的，所述上导力冒的内径大于上导力轴外径2mm以内。
进一步的，所述下盒盖和壳体采用螺栓连接。
一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，包括以下步骤：
A、连接反应釜各部件，将饱和沉积物砂样分次填装至反应釜内部的沉积物胶桶内部，转接板连接外部三轴仪；
B、将整个反应釜放到步进式恒温***，通过下盒盖的进口通腔同步增加孔压和围压，保持有效孔压在MPa以内，当孔压增加到预设值后，根据需要持续缓慢增加围压值，至预设的有效围压值，然后开启恒温***降温；
C、调节反应釜上内盖的出口通腔，向反应釜中的沉积物内部注入合成水合物所需的气体，注入过程中通过上内盖的出口通腔排出部分孔隙水，用TDR实时检测沉积物中剩余的水量，并根据排出的总水量，与TDR测试结果做对比，校准TDR含水饱和度测量结果，此过程中通过双向调节反应釜下盒盖的进口通腔和上内盖的出口通腔，保证孔压基本维持恒定；
D、关闭反应釜反应釜下盒盖的进口通腔和上内盖的出口通腔，持续降温至预设温度，并维持恒定；当沉积物温度降低到预设值后，启动超声波测试仪，发射信号对超声波换能器进行激励，选择合适稳定的频率进行测试，进行超声波的发射和接收，取此时的声波测试数据作为松散沉积物动态力学参数计算的背景值；
E、与步骤D同步的，实时测量水合物生成过程中TDR的变化，计算水合物饱和度的变化，当沉积物中的水合物饱和度达到预设值后，采用步骤D相同的办法测量此时的声波数据，作为天然气水合物合成后、剪切破坏前含水合物沉积物声波数据；随着水合物饱和度的变化，可实时对反应体系进行超声波测量，实时监测不同水合物饱和度时含水合物沉积物的纵横波参数；
F、关闭TDR测量，开启三轴仪，设定剪切速率，开始剪切实验；
G、与步骤F同步地，以恒定的采样频率采集三轴剪切变形和破坏过程中天然气水合物沉积物的声波数据，并记录对应时刻的应力应变曲线；
H、采用步骤G得到的应力应变曲线分析沉积物静态力学参数的演化规律，采用步骤E得到的声波数据，采用岩石物理模型计算沉积物的动态力学参数，采用步骤G中采集的声波数据判断沉积物变形破坏过程对声波演化特性的影响规律。
本发明的有益效果是：
(1)本申请的反应釜同时集成了TDR测试、声波测试和应力应变测试能力，克服了原有力学参数测试方法用含水量直接估算沉积物饱和度导致的估计误差；
(2)采用TDR测量沉积物中的含水合物饱和度信息，与声波、应力应变数据对应，能够通过一轮实验快速得到特定试样的动态、静态力学参数量化信息；
(3)含水合物沉积物剪切变形过程中持续快速测量声波信息及其演化规律，能够为实际储存破坏过程中声学特性的演化特性建模提供基础理论依据；
(4)将超声探测技术联合应用到三轴试验上，能实时获取不同水合物饱和度和不同剪切破坏条件下沉积体系的声波参数，为三轴力学特性测试提供有力的支撑数据，能够更好的为含水合物沉积体系的动态变化提供解释依据。
附图说明
图1是本申请反应釜的结构示意图；
图2是本申请反应釜壳体的剖视图。
以上各图中，1、壳体；21、沉积物胶桶；22、透压成型模壳；31、加力杆；32、加力架；41、上密封压盖；42、上内盖；43、上超声探头；44、上盒盖；45、上导力轴；46、上导力冒；51、下密封压盖；52、下盒盖；53、下超声探头；54、转接板。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
本申请的思路是通过室内三轴试验同步获取含水合物沉积物动态强度参数与静态强度参数，并建立两者之间的对应关系的方法及其对应的专用测量装置。
一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量反应釜，如图1和图2所示，包括壳体1，本体组件，侧组件，上盖组件和下盖组件具体的：
本体组件设置在壳体1的内部，本体组件包括沉积物胶桶21和透压成型模壳22沉积物胶桶21位于壳体1内，透压成型模壳22为闭合后内径与沉积物胶桶21外径相等的两环形壳
两相对侧组件设置在壳体1的侧面，侧组件包括加力杆31和加力架32，加力杆31与壳体1滑动设置且连接环形壳；加力架32螺旋设置在壳体1的侧面，并通过转球与加力杆31连接，加力杆31在加力架32的作用下前后滑动，带动反应釜本体内部的透压成型模壳运动，实现对内部的沉积物胶桶的固定。
上盖组件设置在壳体1的顶端，上盖组件包括上密封压盖41，上内盖42，上超声探头43，上盒盖44，上导力轴45和上导力冒46上密封压盖41设置在沉积物胶桶21的两端，上内盖42设置在上密封压盖41上，上内盖42设有用于固定TDR接口以及排饱和水的出口通腔，图中A处所示位置上超声探头43设置在上内盖42内，上超声探头43与沉积物胶桶21的内腔相对，上超声探头43的高度和直径均与内盖凹陷深度、凹陷直径相等，是本反应釜中用于测量含水合物沉积物试样声波信号的主要元件，与下盖组件中安装的下超声探头53成对，配合使用。
上盒盖44设置在壳体1的顶端开口处，采用螺栓连接，采用侧壁密封环密封，上导力轴45设有与上超声探头43以及上内盖42贯通的内腔，上导力轴45与上内盖42固定，上导力轴45与上盒盖44滑动设置，上导力轴45与上盒盖44之间安装半封闭密封圈，实现滑动密封，上导力轴45在壳体1内侧设置凸台，凸台直径大于压力盒盖通孔直径，凸台的主要作用是：一方面防止上导力轴45脱落，在壳体1内高压条件下保证安全；另一方面是为上盒盖44的安装提供抬肩，上导力冒46与上导力轴45连接，上导力冒46的侧面设有与上导力轴45内腔贯通的出口，上导力冒46与外部三轴加载反力架接触，用于加载，超声信号采集线、孔压出口高压管线及TDR采集线通过上导力冒46的侧面小孔穿出，优选的，上导力冒46侧面小孔的内径大于上导力轴45外径2mm以内，保证上述采集线和孔压出口管线顺利穿出，并防止三轴加载的过程中发生压载重心的偏移。
优选的，上内盖42采用双凹字形设计，第一级凹陷处用于安装上超声探头43，第一级凹陷面的直径与壳体1内沉积物胶桶21的直径相等第二级凹陷实际上是一个平台凸起，平台凸起与下密封压盖51之间采用螺纹连接，胶圈密封上密封压盖41为环形闸板，其外径与上内盖42外径相同，圆环内径与上内盖42第二级凹陷内缘直径相同(即样品直径)，上密封压盖41与上内盖42之间通过螺纹连接，连接处压紧样品模的一端，实现样品的密封。
下盖组件设置在壳体1的底端，下盖组件包括下密封压盖51、下盒盖52、下超声探头53和转接板54，下密封压盖51设置在沉积物胶桶21的底端出口处，下密封压盖51凸起部分深入壳体1内，与壳体1之间采用侧面胶圈密封，用螺栓连接，采用侧壁密封环密封。下盒盖52设置在下密封压盖51的下方，下盒盖52与壳体1的底端开口处采用螺栓连接，下盒盖52设有与壳体1内腔贯通的饱和水进口通腔，图中B处所示，下超声探头53设置在下盒盖52上，与沉积物胶桶21的内腔相对；转接板54设置在下盒盖52的凹槽上，转接板54外侧同样设计凹槽，凹槽与外部三轴仪的底座配合，保证三轴压缩的时候反应釜不发生中心偏移，转接板54设有与下超声探头53贯通的内腔。
与上述水合物沉积物动-静态力学参数同步测量反应釜同步的，本发明提出如下同步测量天然气水合物沉积物动、静态力学参数的方法：
(1)连接反应釜各部件，将饱和沉积物砂样分次填装至反应釜内部的沉积物胶桶21内部，连接外部三轴仪；
(2)将整个装置放到步进式恒温***，同步增加孔压和围压，保持有效孔压在1MPa以内，当孔压增加到预设值后，根据需要持续缓慢增加围压值，至预设的有效围压值，然后开启恒温***降温；
(3)调节反应釜孔压出入口，向反应釜中的沉积物内部注入合成水合物所需的气体，注入过程中排出部分孔隙水，用TDR实时检测沉积物中剩余的水量，并根据排出的总水量，与TDR测试结果做对比，校准TDR含水饱和度测量结果，此过程中通过双向调节反应釜的孔压出入口，保证孔压基本维持恒定；
(4)关闭反应釜孔压出入口，持续降温至预设温度，并维持恒定沉积物温度降低到预设值后，启动超声波测试仪，发射信号对超声波换能器进行激励，选择合适稳定的频率进行测试，一般选择50KHz频率作为固有频率，进行超声波的发射和接收，取此时的声波测试数据作为松散沉积物动态力学参数计算的背景值；
(5)与步骤(4)同步的，实时测量水合物生成过程中TDR的变化，计算水合物饱和度的变化，当沉积物中的水合物饱和度达到预设值后，采用步骤(4)相同的办法测量此时的声波数据，作为天然气水合物合成后、剪切破坏前含水合物沉积物声波数据随着水合物饱和度的变化，可实时对反应体系进行超声波测量，实时监测不同水合物饱和度时含水合物沉积物的纵横波参数
(6)关闭TDR测量，开启三轴仪，设定剪切速率，开始剪切实验；
(7)与步骤(6)同步地，以恒定的采样频率采集三轴剪切变形和破坏过程中天然气水合物沉积物的声波数据，并记录对应时刻的应力应变曲线；
(8)采用步骤(7)得到的应力应变曲线分析沉积物静态力学参数的演化规律，采用步骤(5)得到的声波数据，采用岩石物理模型计算沉积物的动态力学参数，采用步骤(7)中采集的声波数据判断沉积物变形破坏过程对声波演化特性的影响规律。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、连接反应釜各部件，所述反应釜包括壳体(1)和设置在所述壳体(1)内的本体组件、设置在所述壳体(1)侧面的两相对侧组件、设置在所述壳体(1)顶端的上盖组件以及设置在所述壳体(1)底端的下盖组件，其中，
所述本体组件包括：
沉积物胶桶(21)，所述沉积物胶桶(21)位于所述壳体(1)内；
透压成型模壳(22)，所述透压成型模壳(22)为闭合后内径与所述沉积物胶桶(21)外径相等的两环形壳；
所述侧组件包括：
加力杆(31)，所述加力杆(31)与所述壳体(1)滑动设置且连接所述环形壳；
加力架(32)，所述加力架(32)螺旋设置在所述壳体(1)的侧面，并通过转球与所述加力杆(31)连接；
所述上盖组件包括：
上密封压盖(41)，所述上密封压盖(41)设置在所述沉积物胶桶(21)的两端；
上内盖(42)，所述上内盖(42)设置在所述上密封压盖(41)上，所述上内盖(42)设有用于固定TDR接口以及排饱和水的出口通腔；
上超声探头(43)，所述上超声探头(43)设置在所述上内盖(42)内，所述上超声探头(43)与所述沉积物胶桶(21)的内腔相对；
上盒盖(44)，所述上盒盖(44)设置在所述壳体(1)的顶端开口处；
上导力轴(45)，所述上导力轴(45)设有与所述上超声探头(43)以及上内盖(42)贯通的内腔，所述上导力轴(45)与所述上内盖(42)固定，所述上导力轴(45)与所述上盒盖(44)滑动设置；
上导力冒(46)，所述上导力冒(46)与所述上导力轴(45)连接，所述上导力冒(46)的侧面设有与所述上导力轴(45)内腔贯通的出口；
所述下盖组件包括：
下密封压盖(51)，所述下密封压盖(51)设置在所述沉积物胶桶(21)的底端出口处；
下盒盖(52)，所述下盒盖(52)设置在所述下密封压盖(51)的下方，所述下盒盖(52)与所述壳体(1)的底端开口处连接，所述下盒盖(52)设有与壳体(1)内腔贯通的饱和水进口通腔；
下超声探头(53)，所述下超声探头(53)设置在所述下盒盖(52)上，与所述沉积物胶桶(21)的内腔相对；
转接板(54)，所述转接板(54)设置在所述下盒盖(52)上，所述转接板(54)设有与所述下超声探头(53)贯通的内腔；
将饱和沉积物砂样分次填装至反应釜内部的沉积物胶桶(21)内部，转接板(54)连接外部三轴仪；
B、将整个反应釜放到步进式恒温***，通过下盒盖(52)的进口通腔同步增加孔压和围压，保持有效孔压在1MPa以内，当孔压增加到预设值后，根据需要持续缓慢增加围压值，至预设的有效围压值，然后开启恒温***降温；
C、调节反应釜上内盖(42)的出口通腔，向反应釜中的沉积物内部注入合成水合物所需的气体，注入过程中通过上内盖(42)的出口通腔排出部分孔隙水，用TDR实时检测沉积物中剩余的水量，并根据排出的总水量，与TDR测试结果做对比，校准TDR含水饱和度测量结果，此过程中通过双向调节反应釜下盒盖(52)的进口通腔和上内盖(42)的出口通腔，保证孔压基本维持恒定；
D、关闭反应釜下盒盖(52)的进口通腔和上内盖(42)的出口通腔，持续降温至预设温度，并维持恒定；当沉积物温度降低到预设值后，启动超声波测试仪，发射信号对超声波换能器进行激励，选择合适稳定的频率进行测试，进行超声波的发射和接收，取此时的声波测试数据作为松散沉积物动态力学参数计算的背景值；
E、与步骤D同步的，实时测量水合物生成过程中TDR的变化，计算水合物饱和度的变化，当沉积物中的水合物饱和度达到预设值后，采用步骤D相同的办法测量此时的声波数据，作为天然气水合物合成后、剪切破坏前含水合物沉积物声波数据；随着水合物饱和度的变化，可实时对反应体系进行超声波测量，实时监测不同水合物饱和度时含水合物沉积物的纵横波参数；
F、关闭TDR测量，开启三轴仪，设定剪切速率，开始剪切实验；
G、与步骤F同步地，以恒定的采样频率采集三轴剪切变形和破坏过程中天然气水合物沉积物的声波数据，并记录对应时刻的应力应变曲线；
H、采用步骤G得到的应力应变曲线分析沉积物静态力学参数的演化规律，采用步骤E得到的声波数据，采用岩石物理模型计算沉积物的动态力学参数，采用步骤G中采集的声波数据判断沉积物变形破坏过程对声波演化特性的影响规律。
2.根据权利要求1所述的水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，所述上内盖(42)采用双凹字形设计，第一级凹陷处用于安装上超声探头(43)，第二级凹陷与下密封压盖(51)连接。
3.根据权利要求1所述的水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，所述上盒盖(44)和壳体(1)采用螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，所述上导力轴(45)在壳体(1)内侧位置设置凸台，凸台直径大于上盒盖(44)通孔直径。
5.根据权利要求1所述的水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，所述上导力冒(46)的内径大于上导力轴(45)外径2mm以内。
6.根据权利要求1所述的水合物沉积物动-静态力学参数同步测量方法，其特征在于，所述下盒盖(52)和壳体(1)采用螺栓连接。
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