CN112858018B - 含水合物沉积物旁压蠕变试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种天然气水合物室内蠕变试验装置及方法。包括液压传动模块、恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块，液压传动模块分别与恒温控制模块、旁压蠕变测试模块和顶压控制模块连接，恒温控制模块位于天然气水合物合成模块的外侧，旁压蠕变测试模块位于天然气水合物合成模块的正中心位置，顶压控制模块位于天然气水合物合成模块的顶部。其考虑了储层中静水压力对储层顶界的作用，构建了模拟水合物高压、低温成藏的环境条件，对测试段进行封隔处理，能排除静水压力对测试结果的影响，实现对储层侧向蠕变力学参数的测试。

Description

含水合物沉积物旁压蠕变试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种天然气水合物室内蠕变试验装置及方法。

背景技术

当前，随着全球天然气水合物研究从单一的勘察评价向实验室模拟+试采实践评价的推进，天然气水合物储层的力学特性成为了国内外研究的焦点。天然气水合物开采过程中的储层力学特性对水合物的高效、安全开采至关重要，未经评估的大降压开采方案、不合理的钻进方案、不合理的压裂增产方案等的实施都可能造成原储层力学稳定状态的打破，引发井壁失稳，甚至是海底滑坡、崩塌的发生。蠕动变形破坏作为一种历时长、缓慢发展的破坏形式，其对储层的破坏往往不是显而易见的。我国在南海神狐海域天然气试采中发现的钻井套管无法拔出的现象，更是引发了对储层蠕动变形导致套管被抱死的猜测。可见，对天然气水合物储层的蠕变力学研究至关重要，其直接影响着成井方式的选择和水合物开采方式选择。

从目前水合物蠕动变形测试的情况来看，在测试仪器方面，目前主要利用改装的三轴力学实验仪器对水合物蠕变力学特性进行测试，其反映的水合物力学特性集中在垂向；在测试试样方面，目前主要存在两种制样方式，分别为混合制样法和原位合成法，混合制样法是将纯水合物制成粉末状然后再与沉积物混合从而制成所需的水合物测试样，原位制样法则是将一定含水率的沉积物装入测试模具，然后通入高压气体，通过仪器提供的高压低温环境生成所需水合物测试样。总体而言，上述仪器及制样方法具有技术成熟，操作简单的特点，能很好测试人工制样水合物的垂向蠕变力学参数，但其不能满足测试天然气水合物储层侧向蠕动变形力学参数的需求，而侧向蠕动变形又是井壁蠕变破坏的重要组成部分。

总体而言，天然气水合物旁压蠕变工况和常规土体旁压蠕变工况在某些方面具有一定相似性。常规土体旁压蠕变的适用领域主要为陆地岩土层，其测试工况有以下几个特点：①旁压测试探头直接与空气接触；②测试地层或岩层深度较浅，测试装置下放操作简单；③环境条件(气压、温度等)对储层的影响较小，即使是在冻土蠕动变形旁压测试中，环境温度对储层中冰的状态改变的影响也几乎可以忽略；④实施方便，投入成本低。而天然气水合物旁压蠕变测试领域具有以下几个特点：①水合物对温度、压力较为敏感，环境温度和压力的改变都会导致水合物的分解；②海底天然气水合物所处的环境与陆地土体或岩体所处环境大不相同，水合物通常埋藏于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中，其储层顶界直接与海水相接，受到海水的静水压力作用；而陆地土体或岩体顶界主要与大气相接，大气对其影响较小；③对海底天然气水合物储层的旁压蠕变测试投入成本高，仪器的投放和测试等技术难度相对较大；④要想达到陆地土体或岩体测试段的力学环境，需要排除静水压力对测试探头的影响。基于以上对比，显而易见地，目前常规的旁压蠕变测试装置不能满足天然气水合物储层旁压蠕变测试的需要。

基于以上分析，在综合考率投入成本和仪器投放、测试技术难度的情况下，有必要设计一种可以在模拟含天然气水合物沉积物储层环境基础上进行旁压蠕变测试的实验装置，该装置将构建天然气水合物高压低温的成藏条件，解决静水压力影响测试结果的问题，并在此基础上完成对水合物侧向蠕变力学参数的测定，从而为天然气水合物的可持续开发提供力学参考。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种含水合物沉积物旁压蠕变试验装置及方法，其考虑了储层中静水压力对储层顶界的作用，构建了模拟水合物高压、低温成藏的环境条件，对测试段进行封隔处理，能排除静水压力对测试结果的影响，实现对储层侧向蠕变力学参数的测试。

本发明的技术方案是：一种含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，包括液压传动模块、恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块，液压传动模块分别与恒温控制模块、旁压蠕变测试模块和定压控制模块连接，恒温控制模块位于天然气水合物合成模块的外侧，旁压蠕变测试模块位于天然气水合物合成模块的正中心位置，顶压控制模块位于天然气水合物合成模块的顶部；

所述天然气水合物合成模块包括天然气水合物生成舱室，旁压蠕变测试模块包括旁压探头内管、输液管、液压顶杆和应力触探片，旁压探头内管位于天然气水合物生成舱室的中心处，旁压探头内管呈上粗下细的中空状，旁压探头内管下部外侧沿其周向均匀间隔设置数组应力触探片，相邻两组应力触探片之间存在间隙，沿旁压探头内管的竖直方向设置的位于同一竖直列的数块应力触探片为一组，应力触探片通过液压顶杆与旁压探头内管的外壁连接，液压顶杆与应力触探片连接处的外侧设有应力传感器，液压顶杆上设有位移传感器；

所述旁压探头内管中心设有输液管，输液管的顶端与液压传动模块连接，输液管与各液压顶杆连接。通过输液管为液压顶杆提供具有一定压力的液体，用于推动液压顶杆推动应力触探片径向移动，使应力触探片以恒定的压力作用于水合物储层。

本发明中，沿旁压探头内管的环形外部间隔设置四组应力触探片，每组应力触探片包括沿旁压探头内管的竖直方向间隔设置的有三块应力触探片。

所述天然气水合物合成模块还包括甲烷气瓶、压力缓冲罐和传感光纤，甲烷气瓶与压力缓冲罐连接，传感光纤的一端固定于天然气水合物生成舱室的外壁上，传感光纤的另一端与旁压蠕变测试模块固定连接，传感光纤为预拉伸光纤，传感光纤与光纤解调器相连，天然气水合物生成舱室内设有温度传感器。

所述旁压探头内管上部外侧设置数个叠加的橡胶阻隔环，橡胶阻隔环的内径不大于旁压探头内管上部的外径，橡胶阻隔环的外径不小于天然气水合物生成舱室的内径，从而实现了顶压控制模块与天然气水合物合成模块之间的分隔，防止顶压控制模块内的液体进入天然气水合物生成舱室。

所述顶压控制模块包括顶部压力舱室，顶部压力舱室与液压传动模块连接，顶部压力舱室采用封闭的橡胶囊体，橡胶囊体的中部密封套在旁压探头内管的外部。

所述液压顶杆包括固定杆和活塞杆，活塞杆和固定杆套在一起，且活塞杆沿固定杆滑动，固定杆的端部与旁压探头内管固定连接，活塞杆的端部与应力触探片固定连接，活塞杆沿固定杆滑动过程中，带动应力触探片沿旁压探头内管的径向运动，液压顶杆的活塞杆上设有位移传感器。

所述恒温控制模块的顶部固定有挡板，挡板与恒温控制舱室之间设有密封圈，挡板的上方固定有压盖，恒温控制模块和天然气水合物合成模块均设置在可移动底座上。

所述可移动底座与恒温控制舱室外壁、天然气水合物生成舱室外壁固定连接，可移动底座上还设有水合物储层成孔槽和旁压探头内管卡槽，旁压探头内管卡槽位于水合物储层成孔槽的内部，旁压探头内管的底部***旁压探头内管卡槽内。

所述数据接收处理模块包括工控机、恒温控制舱室压力采集器、传感光纤径向应变采集器、液压顶杆伸长量采集器、顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器、天然气水合物生成舱室温度采集器，恒温控制舱室压力采集器、传感光纤径向应变采集器、液压顶杆伸长量采集器、顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器、天然气水合物生成舱室温度采集器均与工控机连接。

本申请中，恒温控制舱室外壁和天然气水合物生成舱室外壁与可移动底座之间可以为一体式结构。

本发明还包括一种利用天然气水合物室内旁压蠕变试验装置测试水合物储层侧向蠕变力学参数的方法，其中,包括以下步骤:

S1.准备工序，包括顶压控制模块的密闭性检查、液压顶杆密闭性检查、天然气水合物原位样品合成、恒温控制模块的检查；

S2.天然气水合物的旁压蠕变测试工序，具体包括以下步骤：

S2.1.水合物储层测试环境的构建；

S2.2.水合物旁压蠕变测试：

S2.2.1.向液压顶杆压入液体，液压顶杆伸长后，使应力触探片与井壁处的水合物储层接触，并不断加大液压顶杆内部压力；

S2.2.2.液压顶杆通过应力触探片对水合物储层施加的横向力达到设定值后，保持该横向力值，持续保持对水合物储层的压力作用；

S2.2.3.监测液压顶杆随水合物蠕变发展的变化情况，记录液压顶杆伸长量随时间的变化曲线；

S2.2.4.监测水合物储层的温度随时间的变化情况，用于定性评估水合物是否发生分解；

S2.2.5.监测恒温控制舱室的温度变化情况与顶部压力舱室的内部压力变化情况，用于定性评估水合物储层在垂向上的变形情况；

S2.2.6.监测整个蠕动变形过程中水合物试样的侧向应变变化情况，用于绘制蠕变曲线。

上述S2中，水合物储层测试环境的构建包括以下步骤：

S2.1.1.构建设定的顶压环境，向顶部压力舱室内注入液体，达到设定的压力值后停止注入，并使其压力值在整个旁压蠕变测试过程中保持不变；

S2.1.2.构建设定的储层温度条件，向恒温控制舱室注入液体，并启动温度控制程序，保证其温度值在整个旁压蠕变测试阶段保持不变。

本发明的有益效果是：

(1)集成度高：将天然气水合物合成模块和旁压蠕变测试模块集成于一个反应釜中，可以实现原位制样和原位旁压蠕变测试，避免了样品合成与转移的繁琐操作；

(2)采用双层橡胶阻隔环的设计，既可以保证上覆液体压力顺利传导到水合物样品顶界，又可以保证测试段无静水压力影响，保证测试结果的准确性；

(3)采用液压传动方式对水合物样品侧向加载：应力触探片采用液压顶杆与旁压探头内管刚性连接，可实现以液压顶杆伸长量的直接测试替代对井壁土体变形的直接测试，原理简单，操作方便；

(4)相较于海底原位测试，具有投入成本低，技术容易达到，测试高效快捷的特点。

综上所述，该装置对水合物储层进行旁压蠕变测试能在更接近水合物成藏条件的工况下，实现对储层侧向蠕变力学参数的测试，能够为天然气水合物开采过程中的钻进成井方案及降压开采方案的设计提供有效的风险预估。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是旁压蠕变测试模块的结构示意图；

图3是图2中的A-A向剖视结构示意图；

图4是底座的俯视结构示意图；

图5是压盖的俯视结构示意图；

图6是挡板的俯视结构示意图。

图中：1工控机；2压力缓冲罐；3甲烷气瓶；4水箱；5恒温控制舱室压力采集器；6传感光纤径向应变采集器；7加压泵；8光纤调解器；9底座；10可移动底座；11温度传感器；12固定螺杆；13卡位螺丝；14传感光纤；15液压顶杆伸长量采集器；16顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器；17天然气水合物生成舱室温度采集器；18旁压探头内管；19输液管；20液压顶杆；21应力传感器；22应力触探片；23位移传感器；24恒温控制舱室外壁；25天然气水合物生成舱室外壁；26水合物储层成孔槽；27旁压探头内管卡槽；28固定螺杆连接螺栓孔；29压盖；30挡板；31天然气水合物生成舱室连接螺栓孔；32恒温控制舱室连接螺栓孔；33恒温控制舱室；34天然气水合物生成舱室；35顶部压力舱室。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图1为本发明所述的天然气水合物室内旁压蠕变试验装置，包括液压传动模块、恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块、数据接收处理模块，液压传动模块分别与恒温控制模块、旁压蠕变测试模块和定压控制模块连接，恒温控制模块位于天然气水合物合成模块的外侧，通过恒温控制模块对天然气水合物合成模块内的水体进行加热/降温，保持天然气水合物合成模块内部试样的温度恒定。天然气水合物合成模块用于对天然气水合物试样的原位合成。旁压蠕变测试模块位于天然气水合物合成模块的正中心位置，旁压蠕变测试模块用于测试水合物试样的侧向蠕变力学性质与温度。顶压控制模块位于天然气水合物合成模块的顶部，用于提供对试样顶部的压力。数据接收处理模块分别与恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块连接，用于采集和保存整个旁压蠕变测试过程中的压力、温度、位移变化信息，并进行数据预处理。

液压传动模块包括水箱4和加压泵7，水箱4与加压泵7之间的连接管路上设有控制阀Ⅰ。液压传动模块可以为恒温控制模块、旁压蠕变测试模块和定压控制模块提供具有一定温度和压力的液体。

恒温控制模块包括恒温控制舱室33，水箱4通过加压泵7与恒温控制舱室33连接。加压泵7与恒温控制舱室33之间的连接管路上设有控制阀Ⅱ、控制阀Ⅲ和压力计Ⅰ，控制阀Ⅱ和控制阀Ⅲ通过控制连接管路中的水体的接通与关闭，保证恒温控制舱室33内的水位符合要求，压力计Ⅰ用于实时监测连接管路内的水压。恒温控制舱室33的顶部连接有压力计Ⅱ和控制阀Ⅳ，压力计Ⅱ用于对恒温控制舱室内的混合压进行实时监测，控制阀Ⅳ用于超压情况下的降压，以确保恒温控制舱室33的安全。

天然气水合物合成模块包括甲烷气瓶3、压力缓冲罐2、天然气水合物生成舱室34、传感光纤14，甲烷气瓶3与压力缓冲罐2连接，甲烷气瓶3的出气口与压力缓冲罐2之间的连接管路上设有控制阀Ⅴ和压力计Ⅲ，压力计Ⅲ用于对甲烷气罐3出气管道内部的压力进行监测。压力缓冲罐2经过控制阀Ⅵ后分流成两条线路，其中的一路连接管线与天然气水合物生成舱室34的顶部连接，该连接管路上设有控制阀Ⅶ，另一路连接管线与天然气水合物生成舱室34的底部连接，该连接管路上设有控制阀Ⅷ和压力计Ⅳ，压力计Ⅳ用于天然气水合物生成舱室34的孔隙压，控制阀Ⅶ和控制阀Ⅷ用于控制甲烷气体进出天然气水合物生成舱室34。天然气水合物生成舱室34内填充有砂粒层。传感光纤14的一端位于天然气水合物生成舱室34的外侧，并通过卡位螺丝13固定于天然气水合物生成舱室34的外壁上，传感光纤14的另一端通过卡位螺丝13与旁压蠕变测试模块固定连接。传感光纤14为预拉伸光纤，采用聚氨酯紧套光纤，传感光纤14与光纤解调器8相连，光纤解调器8将传感光纤14传递过来的光信号转换为电信号，并传输至数据接收处理模块。天然气水合物生成舱室34的储层内设有温度传感器11，温度传感器11用于监测整个旁压蠕变过程中试样的温度变化情况。

如图1至图4所示，旁压蠕变测试模块包括旁压探头内管18、输液管19、液压顶杆20和应力触探片22。旁压探头内管18呈上粗下细的中空状。旁压探头内管18上部较粗部分的外侧可以设置数个叠加的橡胶阻隔环，橡胶阻隔环的内径不大于旁压探头内管18上部的外径，橡胶阻隔环的外径不小于天然气水合物生成舱室34的内径，从而实现了顶压控制模块与天然气水合物合成模块之间的分隔，防止顶压控制模块内的液体进入天然气水合物生成舱室34。旁压探头内管18下部较细部分的截面呈圆形，且旁压探头内管18的外部沿其环形轴向均匀间隔设置数组应力触探片22，相邻两组应力触探片22之间存在间隙。沿旁压探头内管的竖直方向设置的位于同一竖直列的数块应力触探片22为一组。应力触探片22通过液压顶杆20与旁压探头内管18的外壁连接。液压顶杆20包括固定杆和活塞杆，活塞杆和固定杆套在一起，且活塞杆可以沿固定杆滑动，固定杆的端部与旁压探头内管18固定连接，活塞杆的端部与应力触探片22固定连接，当活塞杆沿固定杆滑动过程中，带动应力触探片22沿旁压探头内管18的径向运动。液压顶杆20与应力触探片22连接处的外侧设有应力传感器21，液压顶杆20向外伸长的过程中，应力触探片22在液压顶杆的作用下与水合物储层之间产生力的作用，应力传感器21用于测量应力触探片与水合物储层之间的应力值。液压顶杆的活塞杆上设有位移传感器23，位移传感器23用于监测整个蠕变过程中液压顶杆20的长度变化量。为了更准确测量样品侧向位移变化量，本申请中，传感光纤14用于直接测量试样侧向位移变化量，通过对位移传感器23和传感光纤14分别测得的位移变化值进行对比和分析，得到试样侧向蠕动变形比较合理的数值，以此减小测量误差。

本实施例中，沿旁压探头内管18的环形外部间隔设置四组应力触探片，每组应力触探片包括沿旁压探头内管18的竖直方向间隔设置的三块应力触探片22，应力触探片22所对应的圆心角为70°，相邻两组应力触探片之间的间隔圆心角为20°。

旁压探头内管18的中心设有输液管19，输液管19的顶端通过连接管路与加压泵7连接，加压泵7与输液管19之间的连接管路上设有压力计Ⅴ。输液管19与各液压顶杆20连接，为液压顶杆20提供具有一定压力的液体，用于推动液压顶杆20和应力触探片22径向移动，使应力触探片22以恒定压力作用于水合物储层。

顶压控制模块位于天然气水合物合成模块和旁压蠕变测试模块的上方，顶压控制模块包括顶部压力舱室35，顶部压力舱室35与液压传动模块连接，顶部压力舱室35通过连接管路与加压泵连接，向顶部压力舱室35内注入液体，从而对顶压控制模块下方的试样施加静水压力。本实施例中，顶部压力舱室35采用封闭的橡胶囊体，橡胶囊体的中心环套在旁压蠕变测试模块中旁压探头内管18的外部，且橡胶囊体与旁压探头内管18之间为密封连接，此时顶压控制模块与其下方的天然气水合物合成模块和旁压蠕变测试模块之间无需再设置橡胶阻隔环。

恒温控制模块的顶部固定有挡板30，挡板30与恒温控制舱室33之间设有密封圈，防止恒温控制舱室33内的液体流出。挡板30的上方固定有压盖29。恒温控制模块和天然气水合物合成模块均设置在可移动底座10上，可移动底座10固定在其下方的底座9上，可移动底座10与底座9之间为可拆卸连接，即可移动底座10可以从底座9上拆卸下来。底座9与压盖29之间通过数根竖直方向设置的固定螺杆12固定连接，从而将恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块固定在可移动底座10和底座9之间，因此如图5和图6所示，压盖29上预留有固定螺杆连接螺栓孔28。压盖29、挡板30和恒温控制舱室33的顶部之间通过螺栓固定连接，因此在压盖29和挡板30上预留有恒温控制舱室连接螺栓孔32。压盖29、挡板30和天然气水合物生成舱室34的顶部之间通过螺栓固定连接，因此在压盖29和挡板30上与预留有天然气水合物生成舱室连接螺栓孔31。

恒温控制模块和天然气水合物合成模块均设置在可移动底座10上，如图4所示，可移动底座10与恒温控制舱室外壁24、天然气水合物生成舱室外壁25固定连接，本实施例中，恒温控制舱室外壁24和天然气水合物生成舱室外壁25与可移动底座10为一体式结构。可移动底座10上还设有水合物储层成孔槽26和旁压探头内管卡槽27，旁压探头内管卡槽27位于水合物储层成孔槽26的内部。水合物储层成孔槽26作为控制水合物试样合成中用于成孔的占位槽，其只作为水合物试样合成用。旁压探头内管18的底部***旁压探头内管卡槽27内，当挡板30和压盖29顶部的螺栓拧紧加压时，旁压探头内管18被挤压固定在旁压探头内管卡槽27内，避免液压顶杆20在液体流动加压过程中对旁压探头内管18产生作用导致其偏移。试验结束后，旁压探头内管18的底部可以从旁压探头内管卡槽27内取出。

数据接收处理模块包括工控机1、恒温控制舱室压力采集器5、传感光纤径向应变采集器6、液压顶杆伸长量采集器15、顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器16、天然气水合物生成舱室温度采集器17，恒温控制舱室压力采集器5、传感光纤径向应变采集器6、液压顶杆伸长量采集器15、顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器16、天然气水合物生成舱室温度采集器17均与工控机1连接。其中，恒温控制舱室压力采集器5用于采集恒温控制舱室的压力，顶部压力舱室和液压顶杆压力采集器16用于采集顶部压力舱室35的内部压力和液压顶杆20内部的压力，天然气水合物生成舱室温度采集器17用于采集水合物储层内部与旁压探头接触内壁的储层温度，液压顶杆伸长量采集器15用于采集整个蠕变过程中液压顶杆的长度变化数据，传感光纤径向应变采集器6用于采集整个蠕变过程中传感光纤的伸缩量数据，用于转化为储层蠕变数据。

利用该装置测试水合物储层侧向蠕变力学参数的方法包括以下步骤。

第一步，天然气水合物储层旁压蠕变试验的准备工序，准备工序包括以下详细步骤。

步骤1.1：顶压控制模块的密闭性检查，其具体包括以下步骤：

1.1.1将水合物合成过程中的占位管置于水合物储层成孔槽26中，用于合成样品时形成测试用的钻孔；

1.1.2根据调查到的目标海域水合物储层砂粒比曲线，在天然气水合物生成舱室34填筑规定量的砂粒层，并充分捣实，不通气合成水合物；

1.1.3保证天然气水合物生成舱室34内填筑砂柱上顶面的平整，将步骤1.1.1中的占位管缓慢拔出，将旁压探头内管18***旁压探头内管卡槽27中，防止旁压探头内管18在液压顶杆加压过程中发生偏移；

1.1.4将与样品顶界直接接触的橡胶阻隔环套于旁压探头内管18的上端，并移动到与砂柱完全紧密接触，而后将其上部的橡胶阻隔环也套于旁压探头内管18的上端，并使旁压探头内管18与橡胶阻隔环之间完全贴合；

1.1.5将压盖29和挡板30上的螺栓拧紧，查看其贴合情况，符合要求后对顶压控制模块内的橡胶囊体快速注入液体，当压力达到预设值后，关闭阀门，根据压力计查看压力是否保持长时间稳定，如果出现压力快速下降则说明橡胶阻隔环或挡板30的密闭效果未达标，应对其进行检查，以排除漏液情况；

步骤1.2：液压顶杆密闭性检查，其具体包括以下步骤：

1.2.1将液压顶杆输液管19与加压泵7连接，对液压顶杆20压入液体，使液压顶杆的活塞杆伸长至与井壁接触；

1.2.2液压顶杆伸长到设定长度后，停止压入液体，检查各液压顶杆内部压力情况，各顶杆压力是否相同或在误差范围内，并且是否能保持一定时间，如果各液压顶杆的压力差异较大，则表明旁压探头内管18可能发生了偏移，若液压顶杆的压力不能保持一定时间，则表明液压顶杆的密闭性较差，应检查其密闭性能；

1.2.3在保证各液压顶杆的内部压力差异在要求范围内后，还应对水合物储层对应力触探片22的反作用力进行评估，查看各液应力触探片上的应力传感器所记录的应力值是否符合要求，若不符合应检查旁压探头内管18是否发生偏移；

步骤1.3：天然气水合物原位样品合成，其具体包括以下步骤：

1.3.1将传感光纤14的一端与天然气水合物生成舱室的外壁处锁紧，另一端与应力触探片之间通过卡位螺丝锁紧，使其达到预设的预拉伸变形；

1.3.2称量一定质量经烘干处理的砂样，加入一定体积质量分数为0.03％的SDS溶液搅拌，使两者充分混合，当制备水合物饱和度为0％的试样时则无须加入SDS溶液；

1.3.3分多次将砂样装入天然气水合物生成舱室34内，分层压实；

1.3.4施加设定的围压，从天然气水合物生成舱室34的下进气管路缓慢通入甲烷气体，天然气水合物生成舱室34的上进气管路敞开，用于排除试样及连接管路中的空气；

1.3.5从天然气水合物生成舱室34的上进气管路和下进气管路同时向舱室内通入甲烷，逐步增大围压到设定值，孔压通过围压与孔压的压差进行控制；

1.3.6启动恒温控制模块，根据实验方案设定***温度，降温合成水合物沉积物；

1.3.7维持上述温压条件48—60h，制样完成；

步骤1.4：恒温控制模块的检查，其具体包括以下步骤：

1.4.1将压盖29和挡板30上的螺丝拧紧，保证恒温控制舱室的密闭；

1.4.2向恒温控制舱室33注入一定体积水体，达到要求后停止注入，启动加热/降温程序，使恒温控制舱温度达到设定的温度值；

1.4.3通过合成水合物样品内部埋设的温度传感器11实时监测水合物储层的温度情况，并以此作为反馈，控制加热/降温程序的启动与关闭；

第二步，天然气水合物的旁压蠕变测试工序，包括以下详细步骤。

步骤2.1：水合物储层测试环境的构建：

2.1.1构建设定的顶压环境，向顶部压力舱室35内注入液体，达到设定的压力值后停止注入，并使其压力值在整个旁压蠕变测试过程中保持不变；

2.1.2构建设定的储层温度条件，向恒温控制舱室33注入液体，并启动温度控制程序，保证其温度值在整个旁压蠕变测试阶段保持不变；

步骤2.2：水合物旁压蠕变测试：

2.2.1向液压顶杆20压入液体，液压顶杆20伸长后，使应力触探片22与井壁接触，并不断加大液压顶杆内部压力；

2.2.2液压顶杆20通过应力触探片22对水合物储层施加的横向力达到设定值后，保持该横向力值，持续保持对水合物储层的压力作用；

2.2.3监测液压顶杆20随水合物蠕变发展的变化情况，记录液压顶杆20伸长量随时间的变化曲线；

2.2.4监测水合物储层的温度随时间的变化情况，用于定性评估水合物是否发生分解；

2.2.5监测恒温控制舱室33的温度变化情况与顶部压力舱室35的内部压力变化情况，用于定性评估水合物储层在垂向上的变形情况；

2.2.6监测整个蠕动变形过程中水合物试样的侧向应变变化情况，用于绘制蠕变曲线。

综上，本发明充分考虑了天然气水合物合成与旁压蠕变测试中的主要工况，对天然气水合物合成模块与旁压蠕变模块进行了集成，避免了合成试样与测试之间繁琐的样品转移操作，通过模拟天然气水合物的成藏环境，使得测试环境更符合真实情况。通过本发明对天然气水合物储层进行测试，能够评价分析：水合物侧向位移随时间的变化规律、不同饱和度水合物的侧向蠕变应变规律、不同砂粒比水合物的侧向蠕变应变规律，为天然气水合物开发中的钻完井方案、降压开采方案设计提供风险提示。

以上对本发明所提供的天然气水合物室内蠕变试验装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，包括液压传动模块、恒温控制模块、天然气水合物合成模块、旁压蠕变测试模块、顶压控制模块，液压传动模块分别与恒温控制模块、旁压蠕变测试模块和顶压控制模块连接，恒温控制模块位于天然气水合物合成模块的外侧，旁压蠕变测试模块位于天然气水合物合成模块的正中心位置，顶压控制模块位于天然气水合物合成模块的顶部，恒温控制模块包括恒温控制舱室（33）；

所述天然气水合物合成模块包括天然气水合物生成舱室（34），旁压蠕变测试模块包括旁压探头内管（18）、输液管（19）、液压顶杆（20）和应力触探片（22），旁压探头内管（18）位于天然气水合物生成舱室（34）的中心处，旁压探头内管（18）呈上粗下细的中空状，旁压探头内管（18）下部外侧沿其周向均匀间隔设置数组应力触探片，相邻两组应力触探片之间存在间隙，沿旁压探头内管的竖直方向设置的位于同一竖直列的数块应力触探片（22）为一组，应力触探片（22）通过液压顶杆（20）与旁压探头内管（18）的外壁连接，液压顶杆（20）与应力触探片（22）连接处的外侧设有应力传感器（21），液压顶杆（20）上设有位移传感器（23）；

所述旁压探头内管（18）的中心设有输液管（19），输液管（19）的顶端与液压传动模块连接，输液管（19）与各液压顶杆（20）连接；

所述顶压控制模块包括顶部压力舱室（35），顶部压力舱室（35）与液压传动模块连接，顶部压力舱室（35）采用封闭的橡胶囊体，橡胶囊体的中部密封套在旁压探头内管（18）的外部。

2.根据权利要求1所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，沿旁压探头内管（18）的环形外部均匀间隔设置四组应力触探片，每组应力触探片包括沿旁压探头内管（18）的竖直方向间隔设置的三块应力触探片（22）。

3.根据权利要求1所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，所述天然气水合物合成模块还包括甲烷气瓶（3）、压力缓冲罐（2）和传感光纤（14），甲烷气瓶（3）与压力缓冲罐（2）连接，传感光纤（14）的一端固定于天然气水合物生成舱室（34）的外壁上，传感光纤（14）的另一端与旁压蠕变测试模块固定连接，传感光纤（14）为预拉伸光纤，传感光纤（14）与光纤解调器（8）相连，天然气水合物生成舱室（34）内设有温度传感器（11）。

4.根据权利要求1所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，所述旁压探头内管（18）上部外侧设置数个叠加的橡胶阻隔环，橡胶阻隔环的内径不大于旁压探头内管（18）上部的外径，橡胶阻隔环的外径不小于天然气水合物生成舱室（34）的内径。

5.根据权利要求1所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，所述液压顶杆（20）包括固定杆和活塞杆，活塞杆和固定杆套在一起，且活塞杆沿固定杆滑动，固定杆的端部与旁压探头内管（18）固定连接，活塞杆的端部与应力触探片（22）固定连接，活塞杆沿固定杆滑动过程中，带动应力触探片（22）沿旁压探头内管（18）的径向运动，液压顶杆的活塞杆上设有位移传感器（23）。

6.根据权利要求1所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，所述恒温控制模块的顶部固定有挡板（30），挡板（30）与恒温控制舱室（33）之间设有密封圈，挡板（30）的上方固定有压盖（29），恒温控制模块和天然气水合物合成模块均设置在可移动底座（10）上。

7.根据权利要求6所述的含水合物沉积物旁压蠕变试验装置，其特征在于，所述可移动底座（10）与恒温控制舱室外壁（24）、天然气水合物生成舱室外壁（25）固定连接，可移动底座（10）上还设有水合物储层成孔槽（26）和旁压探头内管卡槽（27），旁压探头内管卡槽（27）位于水合物储层成孔槽（26）的内部，旁压探头内管（18）的底部***旁压探头内管卡槽（27）内。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述含水合物沉积物旁压蠕变试验装置测试水合物储层侧向蠕变力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1.准备工序，包括顶压控制模块的密闭性检查、液压顶杆密闭性检查、天然气水合物原位样品合成、恒温控制模块的检查；

S2.天然气水合物的旁压蠕变测试工序，具体包括以下步骤：

S2.1.水合物储层测试环境的构建；

S2.2.水合物旁压蠕变测试：

S2.2.1.向液压顶杆压入液体，液压顶杆伸长后，使应力触探片与井壁处的水合物储层接触，并不断加大液压顶杆内部压力；

S2.2.2.液压顶杆通过应力触探片对水合物储层施加的横向力达到设定值后，保持该横向力值，持续保持对水合物储层的压力作用；

S2.2.3. 监测液压顶杆随水合物蠕变发展的变化情况，记录液压顶杆伸长量随时间的变化曲线；

S2.2.4.监测水合物储层的温度随时间的变化情况，用于定性评估水合物是否发生分解；

S2.2.5.监测恒温控制舱室的温度变化情况与顶部压力舱室的内部压力变化情况，用于定性评估水合物储层在垂向上的变形情况；

S2.2.6.监测整个蠕动变形过程中水合物试样的侧向应变变化情况，用于绘制蠕变曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，上述S2中，水合物储层测试环境的构建包括以下步骤：

S2.1.1.构建设定的顶压环境，向顶部压力舱室内注入液体，达到设定的压力值后停止注入，并使其压力值在整个旁压蠕变测试过程中保持不变；

S2.1.2.构建设定的储层温度条件，向恒温控制舱室注入液体，并启动温度控制程序，保证其温度值在整个旁压蠕变测试阶段保持不变。

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