离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气体制取采集的方法技术方案

本发明专利技术提供一种离心机能量收集腔室，提供了与用于气体采集模拟的离心机能量收集腔室(CEHC)相关的系统和方法。某些CEHC可以包括高压腔室、高压注射泵、冷却系统、致动器和超载装置、井眼内的背压控制器、井眼上的加热元件、水气分离系统和流量测量系统。CEHC还可以提供可操作地连接到传感器和仪器的软件，软件包括连续地、实时地、周期性地或异步地测量和监测仿真变量的模块以及可以就测量所得调整仪器设定。定。定。

【技术实现步骤摘要】
离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气体制取采集的方法


[0001]本专利技术总体涉及从含水合物沉积物采集气体的领域，并且具体地涉及用于模拟含水合物沉积物
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结构相互作用或问题的实验装置和方法。

技术介绍

[0002]现存用于模拟从含水合物沉积物采集气体有几种专有装置。这些装置中的许多装置由以下部分组成：用于维持气体水合物形成的有利压力和温度的高压腔室和冷却单元、用于降低井眼压力的背压调节器装备、气水分离器和流量测量装置。在许多现有装置中，控制土壤行为的有效应力要么被忽略，要么通过各向同性或一维的超载载荷(surcharge loading)施加到沉积物。因此，在减压测试期间，应力梯度不会施加在土壤上。此外，专有装置不能通过连续通量高压流体施加正确的压力边界。因此，在采集气体期间，整个腔室立刻减压并且在井眼附近的局部离解以及压力场演变没有被捕获。因此，在井眼套管上引起的应力没有被正确地模拟。
[0003]授予Schofield的美国专利No.5,634,876公开了离心机和相关的设备和方法。土工离心测试是一种常见的先进物理建模方法，用于研究土壤
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结构相互作用问题以及全局土壤行为。使用土工离心机是一种模拟实际的场应力梯度的方法，土工离心机是一种强大且经济的物理建模工具，用于模拟和评估应力依赖性问题的变形和破坏机制，诸如在深水中的斜坡稳定性和气体开采等。此外，土工离心机可通过与离心机建模相关联的缩放定律(scaling laws)加速时间依赖性问题的解决。众所周知，水合物解离是受热传导和对流影响的时间依赖性过程。由于现有装置未被设计成在有效超重力场(例如，由土工离心机产生的重力场)下操作，在该有效超重力场中，通过传导和对流的热传递的时间被缩放，所以这些现有装置未能捕获含气体水合物的沉积物在长期开采下行为。因此，需要开发和设计可用于土工离心机环境的模拟气体水合物解离的装备。

技术实现思路

[0004]作为未来的潜在能源，甲烷水合物是最常出现的气体水合物，并且通常在永冻土和海洋土壤沉积物中发现。本专利技术提供了用于通过实验室中的物理模型研究这些沉积物的行为的系统和方法，以开发从这些沉积物中提取气体的更可靠方法，并确保海上基础设施的安全。
[0005]根据本公开的一个方面，提供一种离心机能量收集腔室，即CEHC，包括：高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作的离心机中的沉积物床内形成水合物；一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于所述沉积物床周围的水合物形成；冷却系统，其包括构造为对所述高压腔室内的所述沉积物床进行冷却的内置冷却盘管；内置致动器，其构造为提供在所述高压腔室内作用的致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。
[0006]可选地，所述一个或多个高压泵包括一对注射泵。
[0007]可选地，所述一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
[0008]可选地，所述CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力的惰性气体源。
[0009]可选地，所述CEHC还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统、以及构造为测量水流量的水流量测量系统。
[0010]可选地，所述冷却系统还包括循环热交换器，所述循环热交换器在所述高压腔室外部并且构造为分别选择性地维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。
[0011]可选地，所述CEHC还包括构造为测量所述沉积物床内的沉降的高压线性可变位移传感器，即LVDT。
[0012]可选地，所述CEHC被牢固地紧固至所述离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
[0013]可选地，所述CEHC还包括构造为在所述离心机处于运行时连续地测量温度、压力、泵送速率和井眼压力中的一者或多者的仪器模块、传感器和软件。
[0014]可选地，所述惰性气体源包括N2气瓶。
[0015]可选地，所述高压LVDT构造为测量模拟海床和所述沉积物床内的多个海上结构中的一个海上结构的沉降。
[0016]本公开的另一方面提供一种模拟气体采集的方法，所述方法包括以下步骤：在操作的离心机中提供离心机能量收集腔室，即CEHC，所述CEHC包括：高压腔室；沉积物床，其在所述高压腔室内；高压泵，其可操作地连接到所述高压腔室；冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室；致动器，其构造为提供致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；通过操作所述离心机产生离心载荷；通过所述高压泵将所述高压腔室内的所述沉积物床加压到足以形成或维持气体水合物的第一压力；通过所述冷却系统将所述高压腔室内的所述沉积物床冷却至足以在所述第一压力下形成或维持气体水合物的第一温度；在离心载荷下在所述沉积物床内形成或维持气体水合物；在所述沉积物床内并在所述离心载荷下，在从含水合物土壤采集气体期间，进行水合物解离、井眼套管变形或海床沉降的模拟。
[0017]可选地，所述高压泵包括一对注射泵，并且通过所述高压泵对所述高压腔室内的所述沉积物床加压的步骤包括重复轮流操作所述一对注射泵以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。
[0018]可选地，所提供的CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括惰性气体源并且构造为控制所述井眼内部的压力。
[0019]可选地，所提供的CEHC还包括：水气分离系统；传感器组，其包括选自包含以下各项的组群的至少一个传感器：温度传感器，压力传感器，气体流量测量系统，其构造为测量气体的流量，水流量测量系统，其构造为测量水的流量，以及，高压线性可变位移传感器，即LVDT，其构造为测量所述沉积物床内的沉降；以及，仪器模块，其构造为在所述离心机处于运行时监测来自所述传感器组的至少一个传感器。
[0020]可选地，所述仪器模块还包括：处理器，其与来自所述传感器组的至少一个传感器
可操作地通信，以及，机器可读介质，其与所述处理器可操作地通信并且具有存储在所述机器可读介质上的指令，所述指令在由所述处理器执行时报告或记录与温度、压力、泵送速率或井眼压力相关的至少一个值。
[0021]可选地，所提供的CEHC被牢固地紧固到所述离心机，并且被充分密封和隔离以作为绝热系统进行操作。
[0022]本公开的又一方面提供一种离心机能量收集腔室系统，所述离心机能量收集腔室即CEHC，所述系统包括：离心机，高压腔室，其安装至所述离心机，沉积物床，其在所述高压腔室内，高压泵，其包括多个注射泵，所述高压泵可操作地连接到所述高压腔室并且构造为用于所述多个注射泵的重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流，冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室，致动器，其构造为提供致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离心机能量收集腔室，即CEHC，包括：高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作中的离心机中的沉积物床内形成水合物，一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于所述沉积物床周围的水合物形成，冷却系统，其构造为对所述高压腔室内的所述沉积物床进行冷却的内置冷却盘管，内置致动器，其构造为提供在所述高压腔室内作用的致动力，以及超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。2.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述一个或多个高压泵包括一对注射泵。3.根据权利要求2所述的CEHC，其中，所述一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。4.根据权利要求1所述的CEHC，还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力的惰性气体源。5.根据权利要求1所述的CEHC，还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统、以及构造为测量水流量的水流量测量系统。6.根据权利要求1所述的CEHC，所述冷却系统还包括循环热交换器，所述循环热交换器在所述高压腔室外部并且构造为维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。7.根据权利要求1所述的CEHC，还包括构造为测量所述沉积物床沉降的高压线性可变位移传感器，即LVDT。8.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述CEHC被牢固地紧固至所述离心机并且被充分地密封和隔离以作为绝热系统进行操作。9.根据权利要求1所述的CEHC，其中，所述CEHC还包括构造为在所述离心机处于运行时连续地测量温度、压力、泵送速率和井眼压力中的一者或多者的仪器模块、传感器和软件。10.根据权利要求4所述的CEHC，其中，所述惰性气体源包括N2气瓶。11.根据权利要求7所述的CEHC，其中，所述高压LVDT构造为测量模拟海床和所述沉积物床内的多个海上结构中的一个海上结构的沉降。12.一种模拟气体采集的方法，所述方法包括以下步骤：在操作中的离心机中提供离心机能量收集腔室，即CEHC，所述CEHC包括：高压腔室，沉积物床，其在所述高压腔室内，高压泵，其可操作地连接到所述高压腔室，冷却系统，其可操作地连接到所述高压腔室，致动器，其构造为提供致动力，以及超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷；通过操作所述离心机产生离心载荷；通过所述高压泵将所述高压腔室内的所述沉积物床加压到足以形成或维持气体水合物的第一压力；
通过所述冷却系统将所述高压腔室内的所述沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏伟，西纳，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：