水合物回转钻进过程中扰动特性观察测试台及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种扰动特性观察测试台，用于观察水合物回转钻进过程中的扰动特性，涉及水合物测试技术领域，其包括：水合物生成单元、可分离的水合物保压钻探舱、球阀保压单元以及示踪颗粒轨迹追踪单元，水合物生成单元包括水合物生成桶，所述水合物生成桶用于反应生成带有金属示踪颗粒的水合物；可分离的水合物保压钻探舱具有密闭腔体，且所述腔体内设有钻机，所述钻机用于钻进带有金属示踪颗粒的水合物中；球阀保压单元设置在所述水合物保压钻探舱和所述水合物生成单元之间，用于控制两者的联通和封闭；示踪颗粒轨迹追踪单元用于检测、追踪和显示所述水合物生成桶内金属示踪颗粒的轨迹。轨迹。轨迹。

【技术实现步骤摘要】
水合物回转钻进过程中扰动特性观察测试台及测试方法


[0001]本专利技术涉及水合物测试
，具体涉及一种水合物回转钻进过程中扰动特性观察测试台及测试方法。

技术介绍

[0002]天然气水合物是一种气体分子(以甲烷为主)与水在一定温度和压力条件下形成的结晶状固体物质，俗称“可燃冰”。天然气水合物的赋存环境主要是高纬度地区的永冻土层下和大陆向海洋延伸的大陆架下的几百米深度范围内，其储量丰富，清洁干净，具有极高的资源价值，同时水合物的成藏物化条件好，被认为是潜力巨大的化石燃料的替代资源。因此天然气水合物近年来一直是科学界和油气工业界的研究热点。除了作为一种新型绿色低碳的高效能源以外，水合物对于研究全球气候变化，海洋地质灾害以及海洋工程安全等方面也备受科学界关注。而对于这些方面的研究，最直接最有效的方式就是在海底获得完整的，未受扰动的天然气水合物原位样品，并开展进一步实验分析。
[0003]天然气水合物地层在钻井过程中，地层在受到钻探扰动时很容易像土体受力一样，发生土体的挤压，变形，土体颗粒也会发生错动，局部的土体颗粒会落到原来的空隙中去，发生土体的体积变形，也就导致了孔隙度，渗透率，饱和度等重要地层参数的变化。这种情况下，取心钻进的过程中，部分土体被挤入岩心管成为了岩心，一部分受挤压进入空隙，还有一部分随钻井液流失，这样钻井周围一定范围内的地层扰动将非常严重。
[0004]由于天然气水合物特殊的性能特点，其赋存状态，破坏机理及物理力学性质变化等又都与常规的海底沉积物有很大不同，也在很大程度上影响着天然气水合物的勘查和开采的结果。天然气水合物的储量一般采用波速测井的方式进行勘探，但由于钻探的过程中，钻井周围的地层由于受到地层扰动的影响会产生较大的塑性变形。这种扰动产生的塑性变形给波速测井的结果带来较大误差，甚至导致测得的天然气水合物储量距离真实数据相去甚远，不能正确反应水合物在地层的赋存状态；此外，扰动可能导致温压场改变使得水合物发生分解，不仅会导致水合物样品完整度较差，降低进一步的研究价值，同时也会引起储层强度及应力状态的改变，导致储层出砂、井壁坍塌、地层沉降以及滑坡等工程问题。
[0005]从取样工具上看，为使得获取的样品能够始终保持样品原始压力不会导致气体气相组分散失和有机组分分解，样品的物理性质不会因压力释放而发生破坏，内部的流体也不会因为温度和压力的变化发生挥发及流失，因此，在天然气水合物勘探取样中主要采用保压取样装置。水合物保压取样装置分为压入式保压取样装置和回转式保压取样装置，压入式保压取样装置一般通过钻杆内的泵压加大到一定程度后，剪断销钉，同时推动钻具内关压入地层，这种方式适合于偏软地层的海底天然气水合物取样。而对于中硬或硬地层中的天然气水合物取样，一般采用回转式保压取样装置，这种取样装置通过外管带动取样钻具旋转进行钻进，岩心逐渐进入岩心管内，完成取样。其中，压入式保压取样装置单次进尺约为1m，而回转式保压取样装置在采用同样的外管总成和底部钻具组合的情况下，单次进尺可达3m，更多的单次进尺长度意味着更高的效率，以及更低的成本。由此可见，回转式保
压取样装置在获取水合物样品长度上更具优势。因此有必要研究天然气水合物在回转钻进条件下的扰动特性的变化规律。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种水合物回转钻进过程中扰动特性观察测试台，在对水合物进行高压低温钻进测试中，其采用X光追踪金属示踪颗粒的轨迹，将金属示踪颗粒的实时位置显示在X光探测器上，并通过数据信号线将金属示踪颗粒的行动轨迹传输给电脑相应软件，从而进行天然气水合物在钻进条件下扰动特性的变化规律研究。本专利技术还提供了一种水合物回转钻进过程中扰动特性测试方法，其能够检测合成的水合物中的金属示踪颗粒的行动轨迹。
[0007]为实现上述目的，本专利技术可以采用以下技术方案进行：
[0008]一种扰动特性观察测试台，用于观察水合物回转钻进过程中的扰动特性，其包括：
[0009]水合物生成单元，其包括水合物生成桶，所述水合物生成桶用于反应生成带有金属示踪颗粒的水合物；
[0010]可分离的水合物保压钻探舱，其具有密闭腔体，且所述腔体内设有钻机，所述钻机用于钻进带有金属示踪颗粒的水合物中；
[0011]球阀保压单元，其设置在所述水合物保压钻探舱和所述水合物生成单元之间，用于控制两者的联通和封闭；以及，
[0012]示踪颗粒轨迹追踪单元，用于检测、追踪和显示所述水合物生成桶内金属示踪颗粒的轨迹。
[0013]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述水合物保压钻探舱包括固定架套、升降机、竖向加压杆和升降台电机，所述固定架套上固定有所述升降机，所述升降机上连接有可沿高度方向上下活动的所述竖向加压杆，所述竖向加压杆的下端连接所述钻机，所述升降台电机用于驱动所述升降机，从而驱动所述钻机沿其高度方向上下运动；所述钻机包括钻机电机、减速器、钻杆及钻头，所述钻机电机的输出端通过所述减速器连接所述钻杆，所述钻杆的下端设有所述钻头。
[0014]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述球阀保压单元包括球阀阀体和球阀控制杆，其中，所述球阀控制杆用于控制所述球阀阀体的翻转，以控制球阀阀门的打开和关闭。
[0015]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，还包括控制与检测单元，所述控制与检测单元包括：
[0016]第一温度传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于接收来自温度控制器发出的控制指令，检测水合物生成的环境温度；
[0017]第一压力传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境压力；
[0018]电机控制器，其与升降台电机、钻机电机控制信号相连；
[0019]电脑控制器，其与所述电机控制器、所述第一温度传感器、所述第一压力传感器控制信号相连；以及，
[0020]运行于所述电脑控制器的程序软件。
[0021]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述示踪颗粒轨迹追踪单元包括：
[0022]X光衍射仪，其用于向所述水合物生成桶发射特定波长的电磁波；
[0023]X光探测器，其用于显示所述水合物生成桶内水合物的金属示踪颗粒的实时位置；以及，
[0024]数字图像处理法DIC，其用于处理金属示踪颗粒的实时位置数据，并将金属示踪颗粒的移动轨迹显示在电脑控制器的屏幕上。
[0025]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述水合物保压钻探舱还包括：
[0026]第二温度传感器，其用于检测所述水合物保压钻探舱内的环境温度；
[0027]第二压力传感器，其用于检测所述水合物保压钻探舱内的环境压力。
[0028]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述水合物生成单元设有带有电磁阀门的第二进气口、第二出气口、进水口和出水口。
[0029]如上所述的扰动特性观察测试台，进一步地，所述水合物生成桶的采用透光且强度符合设定要求的有机玻璃或特种玻璃。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扰动特性观察测试台，用于观察水合物回转钻进过程中的扰动特性，其特征在于，包括：水合物生成单元，其包括水合物生成桶，所述水合物生成桶用于反应生成带有金属示踪颗粒的水合物；可分离的水合物保压钻探舱，其具有密闭腔体，且所述腔体内设有钻机，所述钻机用于钻进带有金属示踪颗粒的水合物中；球阀保压单元，其设置在所述水合物保压钻探舱和所述水合物生成单元之间，用于控制两者的联通和封闭；以及，示踪颗粒轨迹追踪单元，用于检测、追踪和显示所述水合物生成桶内金属示踪颗粒的轨迹。2.根据权利要求1所述的扰动特性观察测试台，其特征在于，所述水合物保压钻探舱包括固定架套、升降机、竖向加压杆和升降台电机，所述固定架套上固定有所述升降机，所述升降机上连接有可沿高度方向上下活动的所述竖向加压杆，所述竖向加压杆的下端连接所述钻机，所述升降台电机用于驱动所述升降机，从而驱动所述钻机沿其高度方向上下运动；所述钻机包括钻机电机、减速器、钻杆及钻头，所述钻机电机的输出端通过所述减速器连接所述钻杆，所述钻杆的下端设有所述钻头。3.根据权利要求1所述的扰动特性观察测试台，其特征在于，所述球阀保压单元包括球阀阀体和球阀控制杆，其中，所述球阀控制杆用于控制所述球阀阀体的翻转，以控制球阀阀门的打开和关闭。4.根据权利要求1所述的扰动特性观察测试台，其特征在于，还包括控制与检测单元，所述控制与检测单元包括：第一温度传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于接收来自温度控制器发出的控制指令，检测水合物生成的环境温度；第一压力传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境压力；电机控制器，其与升降台电机、钻机电机控制信号相连；电脑控制器，其与所述电机控制器、所述第一温度传感器、所述第一压力传感器控制信号相连；以及，运行于所述电脑控制器的程序软件。5.根据权利要求1所述的扰动特性观察测试台，其特征在于，所述示踪颗粒轨迹追踪单元包括：X光衍射仪，其用于向所述水合物生成桶发射特定波长的电磁波；X光探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星辰，宫达，刘安，于彦江，曾静，寇贝贝，王英圣，
申请(专利权)人：广州海洋地质调查局，
类型：发明
国别省市：