CN203396657U - 天然气水合物沉积物动三轴力学-声学-电学同步测试的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置。所述实验装置包括：三轴压力室，所述三轴压力室包括上端盖、下端盖和筒体，筒体上下两端设有通过液压管路与液压泵站连接的上压头和下压头，其中与上压头连接的液压管路上设有对合成的水合物试样进行动态加载控制的液压阀，上压头和下压头上分别还设有对所述试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，下压头还设有对所述试样进行电阻率测试的电阻率测试装置。本实用新型提供了室内水合物沉积物动态荷载作用下的力学响应特性研究，可实现水合物沉积物动荷载作用下的力学、电学和声学参数同步测试。

Description

天然气水合物沉积物动三轴力学-声学-电学同步测试的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置，其主要功能为研究天然气水合物沉积物及冻土地层纵波和外部动荷载条件下的力学响应特性。

背景技术

进入21世纪以来，随着油气资源可采量的减少和消耗量的增加，天然气水合物等非常规能源的勘探与开发被正式提上了议事日程。由于实际自然界中的水合物储层都处在一个动态作用的环境中，比如地震、海平面升降甚至人为扰动(钻井和开采)等。因而含水合物地层力学性质尤其是动态载荷作用下的水合物地层力学性质对突破天然气水合物钻井技术和安全开采技术非常重要，

然而受水合物形成及稳定存在的苛刻条件限制，以及相关实验装置和测试技术的不成熟，导致这方面的研究却非常少，基本上都是在静态荷载作用下进行实验模拟测试。国内《力学进展》2009年2期“水合物沉积物力学性质的研究现状”和2009年5期“水合物沉积物力学性质的实验装置和研究进展”中对国内外水合物沉积物力学性质研究装置、实验方法和研究现状进行了归纳总结；国家知识产权局在2011年5月公布了申请号为“201010222083.0”的“天然气水合物力学性能实验装置”；2011年7月公布了申请号为“201110002805.6”的“一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴实验装置”以及2011年11月公布了申请号为“201110183207.3”的“含天然气水合物沉积物三轴试验装置及其试验方法”，最近在2012年9月又公开了申请号为“201010586401”的“天然气水合物岩石力学三轴试验装置”。上述实验装置和方法都用于静载荷作用下水合物力学性质的研究，但缺点在于无法模拟自然条件下动荷载作用下水合物沉积物力学响应特性研究，同时仅仅局限于单一的水合物沉积物力学性能测试，缺少将水合物沉积物力学性能与其它物性进行关联性测试的方法。而实际自然界中水合物储层往往处在一个动态作用的环境中，比如地震、海平面升降甚至人为扰动(钻探和开采)等。此外，由于水合物沉积物试样获取困难，成本高昂，因此通过原位地球物理测井数据来估算原位地层力学性质成为选项之一，因此迫切需要对水合物地层在外部动载荷作用下的力学响应特性以及相应的电学和声学特性展开研究，并建立这些特性参数之间拟合的数学映射关系，从而为今后测井评价水合物地层力学性质以及声-电联合反演计算地层水合物饱和度奠定基础，进而对水合物勘探开发中的安全问题如井壁稳定、地层变形评价等应用提供支撑，甚至能为水合物钻井过程中的钻头选择提供有用信息。

实用新型内容

据此，针对现有水合物力学实验中静态测试过多而实际地质环境背景为动态这一研究矛盾，本实用新型目的之一就是提供一种天然气水合物动三轴力学及声波、电学特性同步测试实验装置。此外，在工程实践中如何准确获取原位地层水合物饱和度并快速评估原位水合物储层力学性质从而对钻井过程中井壁稳定进行评估分析也是水合物勘探开发中面临的难题，因此本实用新型的另一个目的就是提供准确的力学参数与波速关联关系，进而通过电阻率获得准确的水合物饱和度，通过水合物与波速关系获得力学参数与水合物饱和度之间的函数关系，从而为今后测井评价水合物地层力学性质以及声-电联合反演计算地层水合物饱和度奠定基础，进而对水合物勘探开发中钻头选择以及安全问题如井壁稳定、地层变形评价等应用提供支撑。

为了达到本实用新型的第一个目的，本实用新型提供一种天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置，所述实验装置包括：三轴压力室，所述三轴压力室包括上端盖、下端盖和筒体，筒体上下两端设有通过液压管路与液压泵站连接的上压头和下压头，其中与上压头连接的液压管路上设有对合成的水合物试样进行动态加载控制的液压阀，上压头和下压头上分别还设有对所述试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，下压头还设有对所述试样进行电阻率测试的电阻率测试装置。

进一步地，所述实验装置还包括：控制所述液压阀动作的工控机，所述液压阀连接所述上压头。

进一步地，与所述三轴压力室连接的气体增压泵。

进一步地，所述上压头的下端设有第一温度传感器和第一压力传感器。

进一步地，所述下压头的上端装有第二温度传感器和第二压力传感器。

进一步地，所述下端盖上装有第三压力传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。

进一步地，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的低温循环冷却装置。

进一步地，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的真空泵。

进一步地，所述实验装置还包括：与所述气体增压泵连接的气体流量计。

进一步地，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的平流泵。

本实用新型具有以下的有益效果：

(1)本实用新型实现了对天然气水合物的动态加载，能够模拟自然条件下动荷载作用下水合物沉积物力学响应特性研究，模拟例如地震、海平面升降甚至人为扰动(钻井和开采)，能够提供更为科学的实验数据，鉴于目前尚无一套综合研究外部动荷载条件下水合物沉积物力学响应特性的实验装置和实验方法，本实用新型可很好地弥补这方面的不足。

(2)本实用新型将水合物沉积物动三轴力学性能与声波和电学特性同步集成在一起，通过后期数据处理可建立水合物沉积物波速、动态力学参数之间的关联关系，为水合物地层钻井过程中的声波测井数据评价地层力学特性及其井壁稳定性评价提供理论依据。

(3)通过电阻率测量和计算可以快速得到水合物饱和度值，避免了常规水合物模拟实验中繁琐的水合物饱和度估算测量，同时以波速为桥梁，还可根据电阻率测量得到的水合物饱和度值建立起水合物力学参数与水合物饱和度之间的函数关系，从而可用于今后通过准确的电阻率测井获得水合物饱和度值来评价地层力学性质进而用于钻头选型、声-电联合反演确定地层水合物饱和度以及与水合物相关的井壁稳定、地层变形以及海底滑坡等相关的模拟研究。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置的结构示意图。

附图标号说明：

1-液压泵站、2-液压阀、3-低温循环冷却装置、4-下端盖、5-筒体、6-试样、7-上端盖、8-上压头、9-压力和位移传感器、10-声波接收装置、11-第一压力传感器、12-第一温度传感器、13-声波发射装置、14-第二压力传感器、15-阀门、16-第二温度传感器、17-真空泵、18-工控机、19-第三压力传感器、20-下压头、21-第三温度传感器、22-第四温度传感器、23-活塞容器、24-平流泵、25-水槽、26-气体增压泵、27-天然气瓶、28-流量计、29-下立轴、30-底座、31-电极(电阻率测试装置)、32-盐度计

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置(即：天然气水合物沉积物电学-声学-力学性质三者同步测试的实验装置)包括：三轴压力室，所述三轴压力室设置在底座30上，三轴压力室包括上端盖7、下端盖4和筒体5，筒体5内设有对试样6加载的上压头8和下压头20，试样6安放在上压头8和下压头20之间，下压头20固定在下立轴29上，所述上压头8通过液压管路与液压泵站1连接，所述液压管路上设有对所述合成的水合物试样进行动态加载控制的液压阀2。

上压头8通过活塞密封与压力室上端盖7相连并穿过上端盖7伸入到筒体5内，上压头8上端装有压力和位移传感器9；上压头8的下端设有第一温度传感器12、第一压力传感器11；下压头20的上端装有第二温度传感器16、第二压力传感器14。其中第一压力传感器11、第二压力传感器14用于测试试样6上下两端的孔隙压力，精度±1％；第一温度传感器12、第二温度传感器16用于测量试样上下两端的温度，精度±0.5℃。下端盖4上装有第三压力传感器19、第三温度传感器21和第四温度传感器22，用于测量筒体5中试样之外的压力和温度。

液压泵站1通过液压管路向上压头8提供液压动力。液压泵站可提供最大动态负荷200kN，最大静态负荷250kN；轴向负荷行程±75mm；轴向加载静应变速度可调范围0.01mm/min-5mm/min，静应力速度可调范围0.1MPa/min-3MPa/min。

本实用新型的天然气水合物沉积物电学-声学-力学性质三者同步测试实验装置(天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置)与现有技术的主要区别在于：一是本实用新型中的上压头8能够振动，实现对试样6的动态加载，模拟地震、海平面升降甚至人为扰动(钻井和开采)。为此，本实用新型设置了液压阀2，通过液压阀2的打开方向和开度，控制液压管路中的液压油的流量和方向，从而实现上压头8的振动。二是本实用新型中在三轴压力室内上压头8和下压头20上分别装有声波接收装置10和声波发射装置13以及电阻率测试装置31(电极)，可实现水合物沉积物的动三轴力学性能和声波与电学特性的同步测试。至于三轴压力室的其他结构，除了本实用新型的描述外，可以与现有技术相同或参考现有技术。

本实验装置的水注入机构由活塞容器23和平流泵24组成，注气机构由天然气瓶27、气体增压泵26和流量计28构成。当需要在三轴压力室内合成水合物沉积物试样时，先通过真空泵17(控制阀门15的动作)对试样抽真空，然后通过水/气注入机构向试样内注入水/气，所注气体量通过气体流量计28控制。

本实验装置的温度/压力控制机构由低温循环冷却装置3和液压泵站1构成，实验中通过低温循环冷却装置3中的硅油循环对三轴压力室进行温度控制，可控温度范围-50℃～室温；三轴压力室围压通过液压泵站1来实现，围压可控范围0～35MPa。

进一步地，所述天天然气水合物沉积物电学-声学-力学性质三者同步测试实验装置包括：工控机18，工控机18通过控制所述液压阀2的动作来控制所述上压头8的振动。本实验装置的工控机18是一个数据采集***，主要包括电脑，通过与压力和位移传感器9、第一压力传感器11、第一温度传感器12、第二压力传感器14、第二温度传感器16、第三压力传感器19、第三温度传感器21和第四温度传感器22相连，实现实验过程中试样6两端温度、压力，上压头8轴向压力和位移，围压温度和压力，实验环境温度的监测。

本实用新型还提供一种天然气水合物沉积物电学-声学-力学性质三者同步测试的实验方法，即天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤A：合成水合物试样；

步骤B：对所述合成的水合物试样进行动态加载，测试动态模量、动态泊松比等参数，并同时进行波速和电阻率测试，直至试样剪切破坏。本实用新型对试样的加载不同于现有的静态加载，本实用新型的加载力随时间的变化而变化，且可模拟地震、海平面升降甚至人为扰动(钻井和开采)下的水合物储层环境。

步骤C：对测试的力学参数和波速通过拟合方法建立映射关系，对测试的电阻率值进行计算获得水合物饱和度值，将水合物饱和度值与对应的波速和力学参数关联起来建立相应的函数关系。

进一步地，所述步骤B包括：

步骤B1：将所述合成的水合物试样安放在三轴压力室中；

步骤B2：然后控制液压管路中的液压油的流量和方向实现所述上压头的振动，通过上压头的振动实现对所述合成的水合物试样的动态加载。通过液压方式实现液压加载装置的振动，控制精度高，振动易于实现，而且振动方式也接近地震、海平面升降甚至人为扰动(钻井和开采)的实际情况。在振动加载过程中测试样品的动态力学参数如动态模量E_d、动态泊松比μ_d等参数，同时通过上、下压头上的声波接收装置和声波发射装置对试样进行波速以及电阻率测量。

进一步地，所述步骤B2具体包括：

步骤B21：在工控机18中设定所述上压头振动的波形；

步骤B22：所述工控机按照选定的波形控制设置在液压管路上的液压阀的打开方向和开度。这样，可以模拟各种自然环境或人工开采状况。

进一步地，所述上压头的振动波形为正弦波、三角波和方波。进一步地，所述步骤A包括：

a.装样：将孔隙度(Φ)和粒径(d)一定的沉积物骨架试样6(直径50mm，高100mm)置于三轴压力室(例如筒体5)内后将三轴压力室安装密封；

b.抽真空：利用真空泵对沉积物骨架试样6进行抽真空；

c.对试样6进行围压预加载(设置压力10-15MPa)；

d.低温冷却循环：开启低温冷却循环装置，对三轴压力室进行恒温冷却；

e.注水和气：待各温度传感器读数达到设定温度，且不再变化后，将纯净水经平流泵和活塞容器注入到三轴压力室内沉积物骨架试样的孔隙中；注水结束后，天然气瓶中的高纯度甲烷气体经气体增压泵和流量计注入到沉积物骨架试样孔隙中，通过流量计和增压泵上的压力表控制注入气体流量和压力；

f.然后进行水合物沉积物合成：在设定的温度4℃条件下恒温静置18-20h，当各压力传感器的读数降低至某一值且不再变化时，表示沉积物骨架中水合物生成完成。

进一步地，所述步骤A进一步包括：

a1.装样：打开三轴压力室上端盖7，通过控制液压泵站1由下立轴29调节筒体5的升降，将直径为50mm，高度为100mm的沉积物骨架试样6置于三轴压力室内的上压头8和下压头20间，沉积物骨架试样6用橡皮膜包裹，并将橡皮膜与上下压头端部进行捆扎；沉积物骨架试样6装好后将三轴压力室安装密封；

b1.抽真空：利用真空泵17对沉积物骨架试样6进行抽真空；

c1.施加围压：开启液压泵站1，设置压力10-15MPa，对试样6进行围压预加载，以保证水或气注入时橡皮膜与试样仍紧密接触；

d1.低温冷却循环：开启低温冷却循环装置3，设置温度4℃，对三轴压力室进行恒温冷却；

e1.注水和气：待第一温度传感器12、第二温度传感器16、第三温度传感器21和第四温度传感器22的读数均为4℃，且不再变化后，将纯净水经平流泵24(连接水槽25)和活塞容器23注入到三轴压力室中沉积物骨架试样6的孔隙中，其中，第一温度传感器12、第二温度传感器16用于测量试样6上下两端的温度；注水结束后，天然气瓶27中的高纯度甲烷气体经气体增压泵26和流量计28注入到沉积物骨架试样6的孔隙中，注入气体的量通过流量计28控制，气体压力为8-10MPa；

f1水合物沉积物合成：注水和气后，沉积物骨架试样6在4℃恒温条件下静置18-20h，当第一压力传感器11和第二压力传感器14的读数降低至某一范围且不再变化时，表示沉积物骨架中水合物生成完成。

进一步地，所述步骤C包括：

a.将动态力学测试获得的动态模量E_d、动态泊松比μ_d等力学参数和通过同步声波测试获得的波速V_p和V_s通过数值拟合方法建立力学参数与声波波速之间的映射关系，如得到E_d与V_p、V_s的关系以及μ_d与V_p、V_s的关系，即

$E_d={10}^3\mathrm{a\ρ}{v}_s^2({\mathrm{bv}}_p^2-{\mathrm{cv}}_s^2)/(v_p^2-v_s^2),$ ${\mathrm{\μ}}_d=e(v_p^2-{\mathrm{dv}}_s^2)/(v_p^2-v_s^2)---\left(1\right)$

式中，v_ρ，v_s为纵波和横波波速，单位为km/s；ρ为沉积物密度，单位为g/cm³；E_d为动态杨氏模量，单位为MPa；μ_d为动态泊松比；a，b，c，d，e为实验结果拟合出的系数。

1、a，b，c，d，e为实验结果拟合出的系数，是利用多元回归分析方法确定系数a，b，c，d，e。

2、本实用新型采用了 $E_d={10}^3\mathrm{a\ρ}{v}_s^2({\mathrm{bv}}_p^2-{\mathrm{cv}}_s^2)/(v_p^2-v_s^2),$ ${\mathrm{\μ}}_d=e(v_p^2-{\mathrm{dv}}_s^2)/(v_p^2-v_s^2);$

现有的公式都是用于常规油气地层的，并不适用于非常规的水合物地层，本实用新型的目的之一就是建立适用于水合物地层的这一关系式，也就是，本实用新型是在用于常规油气地层的公式的基础上，通过实验论证或者确定

并利用多元回归分析方法确定系数a，b，c，d，e；然后可将这个公式应用到实际声波测井评价水合物地层井壁稳定性或地层变形研究中，即根据实际的水合物地层声波测井数据vρ，vs用公式(1)计算出原位地层相关力学参数，根据计算的力学参数再进一步通过力学分析模型评价井壁或地层稳定性。

3、本实用新型通过波速与水合物饱和度及波速与力学参数间关系得到水合物饱和度与动态力学参数之间的关联关系，本实用新型这样做的目的：水合物地层的力学性质与水合物含量即饱和度有密切关系，因此寻找水合物饱和度与地层力学性质之间的函数关系一直是在数值模拟分析水合物地层井壁或者地层稳定性需要解决的关键问题。通过实际水合物样品测试可以获得较为准确的力学性质与水合物饱和度的关系，但是实际水合物样品取样困难，成本高昂，而且也无法做到100％保真。加之动态环境下的力学性质对实际水合物研究更具价值，因此通过测井方法建立水合物饱和度与力学性质之间的关系会更为简易快速且成本相对较低，而且目前的电阻率和核磁共振测井可以获得非常准确的水合物饱和度，因此如果建立了准确的水合物饱和度与力学参数关系，就可以将这一关系式用于实际的电阻率、声波、核磁共振测井评价地层力学性质或者数值模拟分析评价水合物地层井壁或者地层稳定性中，从而为水合物安全勘探与开发提供理论支撑和技术指导。

b.同步测量样品电阻率值和孔隙水盐度，然后通过阿尔奇公式计算样品中水合物饱和度：

$S_h=1-{\left(\frac{a{R}_w}{{\mathrm{\φ}}^m{R}_t}\right)}^{1/n}---\left(2\right)$

式中，R_t是样品的电阻率(Ω·m)，R_w是孔隙水电阻率(Ω·m)，Φ是岩石孔隙度(％)，S_h是含水合物饱和度(％)，a、m、n是经验参数。其中，a和m的值可以通过R₀/R_w与Φ的交会图得到(R₀为地层仅含水时的电阻率)，a一般取0.9～1，；m决定于储层岩性，取值范围从1.715(未固结地层)到2.1661(砂岩)，n通常取值为1.9386。通过盐度计32(例如，连接流量计28)测量结果，然后根据Fofonoff方法即海水状态方程计算孔隙水电阻率R_w。

c.随后将样品分解，通过排水法确定样品中水合物含量，并将其结果与通过阿尔奇公式所估算的水合物饱和度做对比，重复实验3次，从而修正阿尔奇公式中的经验参数a、m、n取值；

d.在后续实验中用修正后的阿尔奇公式计算样品中水合物饱和度，将水合物饱和度与波速关联起来；

e.保持其它实验条件不变，在静态条件下测试样品的力学性质，建立动静力学参数之间的转换关系；

f.根据步骤a、步骤d和步骤e可建立起水合物饱和度与样品力学参数之间的函数关系。改变样品的孔隙度(Φ)，重复上述实验过程，建立水合物饱和度与波速和孔隙度之间的函数关系，结合阿尔奇公式，可用于实际声学-电学测井联合反演计算水合物饱和度。

本实用新型既可利用压力室合成水合物沉积物试样进行力学-电学-声学同步测试关联，也可利用已有的海洋和冻土水合物地层声波和电阻率测井数据及岩心分析数据进行关联计算，此时利用岩心分析得到的孔隙水盐度结合电阻率测井数据及阿尔奇公式计算水合物饱和度，然后将对应位置的波速数据和前述计算的水合物饱和度通过数值拟合方法建立关联，再根据建立的力学参数与波速间的映射关系建立其水合物饱和度与地层力学参数之间的函数关系。

本实用新型提供了前期室内水合物沉积物动态荷载作用下的力学响应特性研究，可实现水合物沉积物动荷载作用下的力学性能和声波和电学特性同步测试及其相互关联研究，为今后测井评价水合物地层力学性质以及声-电联合反演计算地层水合物饱和度奠定基础，进而对水合物勘探开发中的安全问题如井壁稳定、地层变形评价等应用提供支撑，甚至能为水合物钻井过程中的钻头选择提供有用信息。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。为本实用新型的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合。

Claims (10)

1.一种天然气水合物沉积物动三轴力学-电学-声学同步测试的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：三轴压力室，所述三轴压力室包括上端盖、下端盖和筒体，筒体上下两端设有通过液压管路与液压泵站连接的上压头和下压头，其中与上压头连接的液压管路上设有对合成的水合物试样进行动态加载控制的液压阀，上压头和下压头上分别还设有对所述试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，下压头还设有对所述试样进行电阻率测试的电阻率测试装置。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：控制所述液压阀动作的工控机，所述液压阀连接所述上压头。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，与所述三轴压力室连接的气体增压泵。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述上压头的下端设有第一温度传感器和第一压力传感器。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述下压头的上端装有第二温度传感器和第二压力传感器。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述下端盖上装有第三压力传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的低温循环冷却装置。

8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的真空泵。

9.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：与所述气体增压泵连接的气体流量计。

10.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：与所述三轴压力室连接的平流泵。

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