水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法制造方法及图纸

技术编号:19387599 阅读:34 留言:0更新日期:2018-11-10 01:33
本发明专利技术属海洋天然气水合物开采领域,具体涉及一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法,包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统。该装置能够实现对水合物沉积物不排水抗剪强度的连续测量,大大提高了测量效率,并且避免了多次制样过程中的人为因素对模拟结果的影响,为研究海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析,提供更为丰富的力学数据。

Continuous measurement device and method for undrained shear strength of hydrate deposits

The invention belongs to the field of offshore gas hydrate exploitation, and specifically relates to a continuous measuring device and method for undrained shear strength of hydrate sediment, including a hydrate reservoir simulation reactor subsystem, a gas supply subsystem, a cooling subsystem, a cross plate shear probe subsystem and a data acquisition monitoring and measurement subsystem. The device can realize the continuous measurement of undrained shear strength of hydrate sediments, greatly improve the measurement efficiency, and avoid the influence of artificial factors on the simulation results in the process of multiple sample preparation. It can provide more information for the analysis of spatial distribution data such as mechanical heterogeneity of marine gas hydrate sediment reservoirs. For abundant mechanical data.

【技术实现步骤摘要】
水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法
本专利技术属海洋天然气水合物开采领域,具体涉及一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法。
技术介绍
天然气水合物是一种分布广、能源密度高的非常规油气资源,广泛分布于全球永久冻土带和大陆边缘深海浅层沉积物中,其中海洋沉积物中的天然气水合物资源量占全部天然气水合物资源量的90%以上。与陆地永久冻土带的天然气水合物开采技术相比,海洋天然气水合物开采过程中面临更加复杂的工程地质难题,而这些工程地质难题的解决依赖于含水合物沉积物基本地质力学参数,尤其是强度参数的准确预测。因此,含水合物沉积物不排水抗剪强度的准确预测是揭示海洋天然气水合物开采过程中可能面临的工程地质风险的前提。目前含水合物沉积物不排水抗剪强度参数的确定方法主要有以下几种:不排水三轴剪切实验、原位孔压静力触探及不排水直剪实验等。其中原位孔压静力触探是现场工程地质调查的重要手段,深海现场施工成本高、钻探孔数有限,而且测量数据往往具有很强的“区域依赖性”,不能反映其他地区或相邻区储层的不排水抗剪强度特征。目前室内常用的不排水三轴剪切实验和不排水直剪实验,在进行含水合物沉积物不排水抗剪强度预测方面取得了非常好的效果,但仍然存在效率严重偏低的问题,主要表现在:目前不排水三轴剪切实验或直剪实验都采用标准试样,即一般采用Φ39.1mmX120mm、Φ50mmX100mm等常规土力学标准里面规定的试样进行实验。由于力学实验具有“破坏性”,即一个试样只能进行一次实验,然后试样报废,必须换样重新合成,方可进行下轮实验。这对于制样周期较长(通常需要72h以上)的水合物沉积物合成而言,实验效率无疑大打折扣。另外,由于每次制样过程中都不可避免的会发生人为因素导致的制样结果差异(如沉积物本身的压实程度),因此反复制样过程中造成的人为因素对实验结果的影响也增大。为此,对于海洋天然气水合物沉积物不排水抗剪强度模拟的主要发展需求是:(1)如何能提高实验效率,即通过一次制样进行若干组不同的抗剪强度测试,通过同一个实验样品尽可能获取多的抗剪强度测试数据;(2)如何模拟完全统一制样条件下不同水合物饱和度储层的抗剪强度参数,即:如何克服由于反复制样带来的人为因素对不排水抗剪强度测试结果的影响。解决上述两个问题将对含水合物沉积物不排水抗剪强度测试研究带来颠覆性的变革,极大的提高实验测试效率,并可以据此开展针对海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析,提供更为丰富的力学数据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,该装置能够实现对水合物沉积物不排水抗剪强度的连续测量,大大提高了测量效率,并且避免了多次制样过程中的人为因素对模拟结果的影响,为研究海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析,提供更为丰富的力学数据。为了实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统;所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜,所述反应釜包括反应釜本体,所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖,所述反应釜本体内设置有内胆,所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接,并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空,所述上、下端盖上,对应内胆的位置分别设置有出气口、进气口;所述内胆中填充有饱和沉积物;所述内胆为双层尼龙夹层结构,双尼龙夹层内层内壁均匀设置至少3层电极,每层包括至少4个沿内胆圆周方向均匀分布的电极测点,所述双尼龙夹层内层外壁,对应电极测点的位置,封装有与电极测点相连的电缆,所述电缆穿入环空并穿过上端盖连接到电阻层析成像检测仪上;所述内胆的下部设置有一多孔网板;所述供气子系统包括甲烷气瓶;所述冷却子系统包括换热器和低温水箱,所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中,所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口,上部设置有环空的出水口,所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空,并由环空的出水口流出进入低温水箱内;所述十字板剪切探杆子系统包括十字板剪切探杆、十字板探头、扭转步进电机、贯入电机和拉线编码器;所述上端盖上,对应内胆的位置设置有通孔,所述十字板剪切探杆设置在通孔内,能够沿通孔上下滑动,并与通孔之间密封配合,所述十字板探头安装在十字板剪切探杆的下端;所述反应釜上固定连接有反力支撑架,所述扭转步进电机和贯入电机设置在反力支撑架上,所述扭转步进电机能够带动十字板剪切探杆转动,所述贯入电机能够带动十字板剪切探杆上下运动,所述拉线编码器的本体设置在贯入电机上,所述拉线编码器的金属丝线连接在十字板探头上;所述数据采集监控量测子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪,所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆中的温度和压力信息,所述十字板剪切数据采集仪和十字板探头电连接,所述电阻层析成像检测仪和各电极测点电连接,所述拉线编码器、扭转步进电机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。进一步地,所述内胆的高度设置为十字板探头高度的20倍,所述内胆内径与十字板探头尺寸的关系为:D>10d,其中,D为反应釜内筒内径,d为十字板探头外切圆直径。进一步地,所述十字板剪切探杆与十字板探头尾部等直径,十字板探头尾部加工锥头公螺纹反丝丝扣,所述十字板剪切探杆下端加工与十字板探头尾部螺纹反丝对应的母头螺纹反丝丝扣,反丝丝扣拧紧配合。进一步地,所述十字板剪切探杆为高强度空心杆,十字板剪切探杆内部同时穿过拉线编码器金属丝线和电缆,拉线编码器丝线和电缆分别与十字板探头连接。进一步地,所述支撑架上,沿十字板剪切探杆的贯入方向设置有导杆,所述导杆上连接有滑块,所述十字板剪切探杆的上端与滑块连接;所述贯入电机设置在反力支撑架上,贯入电机的转轴通过行星滚珠丝杠与滑块连接,贯入电机的转轴转动能够带动滑块沿导杆上下滑动,所述扭转步进电机设置在滑块上,扭转步进电机通过扭力传送杆带动十字板剪切探杆转动。进一步地,所述上端盖的通孔内,与十字板剪切探杆配合处设置有三层密封环。进一步地,所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转支架。本专利技术的另一个目的在于提供一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量方法,包括:S1.装样:将十字板探头从反应釜上端盖的内部穿出,安装反应釜的其他结构,向内胆中填装含有一定水饱和度的沉积物,分层压实,至距上端盖25.4mm的高度,然后将十字板探头和反应釜上端盖安装;S2.合成含水合物沉积物:连接换热器、低温水箱和甲烷气瓶,甲烷气体首先经过换热器控温,然后通过下端盖上的进气口注入内胆气室,并控制气室内压力一定,使其自然向上渗漏;同时开启低温水箱内的水经过换热器控温,进入环空内,循环对内胆中的沉积物进行冷却;S3.监测水合物生成情况:每隔1~1.5h,通过电阻层析成像检测仪,反复测量直到内胆中的水合物合成完毕;S4.十字板剪切实验:安装十字板剪切探杆子系统,对内胆中的含水合物沉积物不排水抗剪强度测试,得到不排水抗剪强度-深本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,其特征在于,包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统;所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜,所述反应釜包括反应釜本体,所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖,所述反应釜本体内设置有内胆,所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接,并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空,所述上、下端盖上,对应内胆的位置分别设置有出气口、进气口;所述内胆中填充有饱和沉积物;所述内胆为双层尼龙夹层结构,双尼龙夹层内层内壁均匀设置至少3层电极,每层包括至少4个沿内胆圆周方向均匀分布的电极测点,所述双尼龙夹层内层外壁,对应电极测点的位置,封装有与电极测点相连的电缆,所述电缆穿入环空并穿过上端盖连接到电阻层析成像检测仪上;所述内胆的下部设置有一多孔网板;所述供气子系统包括甲烷气瓶;所述冷却子系统包括换热器和低温水箱,所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中,所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口,上部设置有环空的出水口,所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空,并由环空的出水口流出进入低温水箱内;所述十字板剪切探杆子系统包括十字板剪切探杆、十字板探头、扭转步进电机、贯入电机和拉线编码器;所述上端盖上,对应内胆的位置设置有通孔,所述十字板剪切探杆设置在通孔内,能够沿通孔上下滑动,并与通孔之间密封配合,所述十字板探头安装在十字板剪切探杆的下端;所述反应釜上固定连接有反力支撑架,所述扭转步进电机和贯入电机设置在反力支撑架上,所述扭转步进电机能够带动十字板剪切探杆转动,所述贯入电机能够带动十字板剪切探杆上下运动,所述拉线编码器的本体设置在贯入电机上,所述拉线编码器的金属丝线连接在十字板探头上;所述数据采集监控量测子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪,所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆中的温度和压力信息,所述十字板剪切数据采集仪和十字板探头电连接,所述电阻层析成像检测仪和各电极测点电连接,所述拉线编码器、扭转步进电机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。...

【技术特征摘要】
1.水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,其特征在于,包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统;所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜,所述反应釜包括反应釜本体,所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖,所述反应釜本体内设置有内胆,所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接,并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空,所述上、下端盖上,对应内胆的位置分别设置有出气口、进气口;所述内胆中填充有饱和沉积物;所述内胆为双层尼龙夹层结构,双尼龙夹层内层内壁均匀设置至少3层电极,每层包括至少4个沿内胆圆周方向均匀分布的电极测点,所述双尼龙夹层内层外壁,对应电极测点的位置,封装有与电极测点相连的电缆,所述电缆穿入环空并穿过上端盖连接到电阻层析成像检测仪上;所述内胆的下部设置有一多孔网板;所述供气子系统包括甲烷气瓶;所述冷却子系统包括换热器和低温水箱,所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中,所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口,上部设置有环空的出水口,所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空,并由环空的出水口流出进入低温水箱内;所述十字板剪切探杆子系统包括十字板剪切探杆、十字板探头、扭转步进电机、贯入电机和拉线编码器;所述上端盖上,对应内胆的位置设置有通孔,所述十字板剪切探杆设置在通孔内,能够沿通孔上下滑动,并与通孔之间密封配合,所述十字板探头安装在十字板剪切探杆的下端;所述反应釜上固定连接有反力支撑架,所述扭转步进电机和贯入电机设置在反力支撑架上,所述扭转步进电机能够带动十字板剪切探杆转动,所述贯入电机能够带动十字板剪切探杆上下运动,所述拉线编码器的本体设置在贯入电机上,所述拉线编码器的金属丝线连接在十字板探头上;所述数据采集监控量测子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪,所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆中的温度和压力信息,所述十字板剪切数据采集仪和十字板探头电连接,所述电阻层析成像检测仪和各电极测点电连接,所述拉线编码器、扭转步进电机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。2.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,其特征在于:所述内胆的高度设置为十字板探头高度的20倍,所述内胆内径与十字板探头尺寸的关系为:D>10d,其中,D为反应釜内筒内径,d为十字板探头外切圆直径。3.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,其特征在于:所述十字板剪切探杆与十字板探头尾部等直径,十字板探头尾部加工锥头公螺纹反丝丝扣,所述十字板剪切探杆下端加工与十字板探头尾部螺纹反丝对应的母头螺纹反丝丝扣,反丝丝扣拧紧配合。4.根据权利要求3所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置,其特征在于,所述十字板剪切探杆为高强度空心...

【专利技术属性】
技术研发人员:李彦龙刘昌岭陈强孙建业王代刚孟庆国吴能友李承峰
申请(专利权)人:青岛海洋地质研究所
类型:发明
国别省市:山东,37

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