一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法，属于天然气水合物开采技术领域，适用于研究天然气水合物开采时周围岩体的破裂情况及移动。本装置在天然气水合物开采模拟系统基础上添加声发射监测系统，不仅可以实时观测水合物降压分解过程中的沉积物结构的轴向形变量，形成数据及图像，并可利用软件进行后处理与分析，而且可以通过声发射监测装置监测周围岩体的破裂及位移，研究其对天然气水合物开采的影响。特殊的活塞结构，能够减少石英砂的排出，同时，设置的激光测距传感器一方面能进行活塞位移距离测定，另一方面还能反映液压系统的问题情况和出砂情况。液控系统能够通过进退阀并利用平流泵注水来控制液压缸的升降，以调解反应釜的活塞杆所承受的轴压，储层上覆层压力恒定。储层上覆层压力恒定。储层上覆层压力恒定。

【技术实现步骤摘要】
一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法


[0001]本专利技术属于天然气水合物开采
，具体涉及一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法。

技术介绍

[0002]天然气水合物（可燃冰）作为一种新型能源，因其燃烧只产生水和二氧化碳，十分清洁环保，所以备受关注。据统计，全球有10%的海底区域都储存着可燃冰，分布于世界各个大洋边缘海域的大陆坡、大陆隆和盆地，等等。而我国的可燃冰储存量丰富，主要集中在我国南海东海海域、青藏高原以及东北冻土区域中，其中南海海域是我国可燃冰最主要的分布区，数据显示，全国可燃冰资源储存量大约有1000亿吨油当量，而近800亿吨都位于南海。但是海底可燃冰开采十分困难，因其在海底松散的沉积泥土中，开采可燃冰后，在海底水压作用下，极易引发周围结构塌陷，引发震动进而引起海啸等灾害。
[0003]针对可燃冰开采过程中海底结构塌陷，目前的模拟装置大多只能实现可视观测，并不能实现定量分析。例如，中国专利ZL202011467473.4公开了一种地层坍塌实验装置及模拟方法，用于天然气水合物储层开采过程中地层坍塌的模拟，其将容器、模拟井筒等由透明玻璃板制作而成，实现全程可视化模拟。因此，为了满足教学、示范要求，更准确的模拟天然气水合物储层开采过程中的地层坍塌情况，有必要对现有技术进一步改进。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法，以更加准确的监测天然气水合物储层开采过程中地层坍塌的情况。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其包括天然气水合物储层模拟单元、天然气水合物生成单元、地层压力模拟单元、天然气水合物开采单元、数据采集单元和中央处理单元，其中，天然气水合物储层模拟单元包括机架，机架包括底座、顶板以及连接在底座和顶板之间的支撑件，机架的底座中部设置有反应釜，反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，反应釜本体内由下向上依次设置有模拟水合物层、第一活塞和活塞杆，活塞杆下端连接在第一活塞上部，活塞杆上端穿出反应釜的顶盖，反应釜本体四周设置有温控单元；天然气水合物生成单元包括第一管路、第二管路和第三管路，第一管路包括依次连接的真空泵和缓冲容器，缓冲容器远离真空泵的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与反应釜本体内的模拟水合物层连通；第二管路包括依次连接的高压气瓶、调压阀和单向阀，单向阀远离调压阀的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层连通；第三管路包括平流泵，平流泵一端连接储液罐，另一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层连通；高压气瓶中装设甲烷气体；地层压力模拟单元包括轴压液压缸，轴压液压缸内设置有第二活塞，第二活塞将轴压液压缸内部分为上腔室和下腔室，上腔室和下腔室分别通过管线连接至液控系统，用
于实现轴压调节，其中，天然气水合物储层模拟单元的活塞杆顶端穿入轴压液压缸内并连接在第二活塞的底部；天然气水合物开采单元包括依次连接的气液分离器、出口背压阀和出口阀，出口阀远离出口背压阀的一侧连接至反应釜的顶盖并与反应釜内位于第一活塞上部的腔室连通；数据采集单元包括压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元，并且，所述压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元均连接至中央处理单元。。
[0006]优选的，所述模拟水合物层采用石英砂来进行模拟，第一活塞在轴向的中下部具有环形槽，环形槽将所述第一活塞分为底部活塞部分、过渡活塞部分和上部活塞部分，其中，底部活塞部分设置有沿轴向方向的第一孔，且第一孔沿第一活塞的环向均布，各第一孔的顶端均位于环形槽内；上部活塞部分设置有沿轴向方向的第二孔，第二孔也沿第一活塞的环向均布，各第二孔的底端均位于环形槽内，并且其中，第一孔与第二孔错位设置。
[0007]进一步优选的，第二孔的直径小于第一孔的直径。
[0008]优选的，第一活塞的靠近底部位置嵌设有上部声发射接收传感器，第一活塞的上方中部设置有槽结构，槽结构从上至下分为两段，下段用于设置微控制处理单元，上段位于微控制处理单元的上方，其内侧壁上设置有连接螺纹，用于连接活塞杆；在槽结构的外侧还设置有沿环向分布的若干激光测距传感器，激光测距传感器与微控制处理单元连接，激光测距传感器的顶面与第一活塞的顶面平齐。
[0009]优选的，在激光测距传感器的上表面上设置有一层透明材料保护层。
[0010]进一步的，在反应釜的底盖中部还嵌设有下部声发射接收传感器，下部声发射接收传感器和上部声发射接收传感器相互协同作用，在使用时，下部声发射接收传感器接收来自于上部声发射接收传感器的声信号，上部声发射接收传感器接收来自于下部声发射接收传感器的声信号；且，下部声发射接收传感器和上部声发射接收传感器均接收来自于模拟水合物层的破裂信号。
[0011]优选的，天然气水合物生成单元的第一管路、第二管路和第三管路均分别连接至一多通的一个通道，并通过该多通的另外的通道连接至反应釜的底盖。
[0012]优选的，在第一管路上的缓冲容器5上还设置有真空表11，其也属于数据采集单元的压力采集单元中的一部分，其也连接至中央处理单元。
[0013]与现有技术相比，本专利技术至少具备以下有益效果：1、实现了用超声波监测天然气水合物开采时周围沉积物的破裂情况，研究天然气水合物不同开采规模下产生破裂的能量大小、破裂位置、频次等参数，探讨声发射监测装置在天然气水合物开采中的应用；2、在反应釜内设置的特殊的活塞结构，能够减少石英砂的排出，同时，设置的激光测距传感器一方面能进行活塞位移距离测定，另一方面还能反映液压系统的问题情况和出砂情况；3、液控系统能够通过进退阀并利用平流泵注水来控制液压缸的升降，以调解反应釜的活塞杆所承受的轴压，储层上覆层压力恒定；利用气液分离罐以分离反应所产生的自由水，并可以利用电子天平计量记录反应产生的自由水的质量，尾气管线尾端还装有气体
流量计，可以计算实验过程产生的甲烷的速率与总量。
附图说明
[0014]通过结合附图对本专利技术示例性实施例进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0015]图1是本专利技术的实验装置的结构示意图；图2是本专利技术反应釜内第一活塞的结构示意图；图中，各附图标记表示如下：1
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流量计，2
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气液分离器，3
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电子天平，4
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真空泵，5
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缓冲容器，6
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高压气瓶，7
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调压阀，8
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单向阀，9
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出口背压阀，10
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出口阀，11
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真空表，12
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入口压力传感器，13
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入口压力表，14
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入口安本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其包括天然气水合物储层模拟单元、天然气水合物生成单元、地层压力模拟单元、天然气水合物开采单元、数据采集单元和中央处理单元，其特征在于，天然气水合物储层模拟单元包括机架（15），机架（15）包括底座、顶板以及连接在底座和顶板之间的支撑件，机架（15）的底座中部设置有反应釜，反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，反应釜本体内由下向上依次设置有模拟水合物层（31）、第一活塞和活塞杆（17），活塞杆（17）下端连接在第一活塞上部，活塞杆（17）上端穿出反应釜的顶盖，反应釜本体四周设置有温控单元；天然气水合物生成单元包括第一管路、第二管路和第三管路，第一管路包括依次连接的真空泵（4）和缓冲容器（5），缓冲容器（5）远离真空泵（4）的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与反应釜本体内的模拟水合物层（31）连通；第二管路包括依次连接的高压气瓶（6）、调压阀（7）和单向阀（8），单向阀（8）远离调压阀（7）的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层（31）连通；第三管路包括平流泵（25），平流泵（25）一端连接储液罐（24），另一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层（31）连通；高压气瓶（6）中装设甲烷气体；地层压力模拟单元包括轴压液压缸（16），轴压液压缸（16）内设置有第二活塞，第二活塞将轴压液压缸（16）内部分为上腔室和下腔室，上腔室和下腔室分别通过管线连接至液控系统，用于实现轴压调节，其中，天然气水合物储层模拟单元的活塞杆（17）顶端穿入轴压液压缸（16）内并连接在第二活塞的底部；天然气水合物开采单元包括依次连接的气液分离器（2）、出口背压阀（9）和出口阀（10），出口阀（10）远离出口背压阀（9）的一侧连接至反应釜的顶盖并与反应釜内位于第一活塞上部的腔室连通；数据采集单元包括压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元，并且，所述压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元均连接至中央处理单元。2.如权利要求1所述的一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其特征在于，所述模拟水合物层（31）采用石英砂来进行模拟，第一活塞表面在轴向的中下部具有环形槽（33），环形槽（33）将所述第一活塞分为底部活塞部分、过渡活塞部分和上部活塞部分，其中，底部活塞部分设置有沿轴向方向的第一孔（32），且第一孔（32）沿第一活塞的环向均布，各第一孔（32）的顶端均位于环形槽（33）内；上部活塞部分设置有沿轴向方向的第二孔（34），第二孔（34）也沿第一活塞的环向均布，各第二孔（34）的底端均位于环形槽（33）内，并且其中，第一孔（32）与第二孔（34）错位设置。3.如权利要求2所述的一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其特征在于，第二孔（34）的直径小于第一孔（32）的直径。4.如权利要求2所述的一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其特征在于，所述位移测量单元包括激光测距传感器（30），所述声信号发射接收单元包括上部声发射接收传感器（27），所述上部声发射接收传感器（27）嵌设在第一活塞的靠近底部位置，第一活塞的上方中部设置有槽结构，槽结构从上至下分为两段，下段用于设置微控制处理单元（29），上段位于微控制处理单元（29）的上方，其内侧壁上设置有连接螺纹，用于连接活塞杆（17）；在
槽结构的外侧设置沿环向分布的若干所述激光测距传感器（30），激光测距传感器（30）与微控制处理单元（29）连接，激光测距传感器（30...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘淑敏，李学龙，薛守振，尹大伟，曾青东，邹全乐，冯帆，杜兆文，翟明华，付建华，孔彪，孙中光，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：