專利名稱：一種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的裝置和實驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到水合物分解領域，尤其是水合物分解導致的地層破壞模擬的實驗裝
置和方法。
背景技術：
天然氣水合物是在適當高的壓力和適當低的溫度條件下，由水和天然氣組成的類 冰的籠形結晶化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、海洋和一些內陸湖的深水環(huán)境，是一 種重要的潛在資源。 隨著世界油氣可開采量的減少和消耗量的增加，深海水合物開采的迫切性日益顯 著。美國、日本、加拿大等國開展了大量的相平衡條件、勘探方法等方面的工作，并進行了試 采。 油氣開采、水合物開采或自然條件變化會導致水合物沉積層中水合物分解。水合 物分解一方面使沉積層中的巖土介質失去膠接，另一方面會改變沉積層的結構，生成氣又 會增大孔隙壓力，從而使該沉積層的強度降低。水合物沉積層強度的降低可引起多種嚴重 的災害，如由于水合物分解導致的井口周圍土體大變形引起的海上或海床中結構物的破 壞，如平臺傾覆、油氣井毀壞等。這種災害對海床中結構物將產生嚴重危害，但是對其控制 參數和演化過程等方面的研究還非常缺乏。據文獻記載，挪威大陸架邊緣由于水合物分解 發(fā)生的海底滑坡(Storegga)共滑走2500 3200立方公里沉積物，是目前為止發(fā)現的最大 的海底滑坡。大量的地質調查和分析表明產生該滑坡的原因是當時水溫增加，水合物發(fā)生 了分解。水合物迅速分解將導致大面積滑坡等多種破壞形式，并可能引起海嘯。
目前世界上對于該問題的研究成果很少，現場數據更少，因此必須首先通過實驗 獲得水合物沉積物的基本參數、分解過程中滲流和熱擴散的規(guī)律，以及水合物分解后地層 的強度等。 并且通過實驗獲得水合物引起的地層破壞的條件、主要特征和現象，為工程設計 提供依據。

發(fā)明內容
沉積物中水合物分解可能引起突出噴發(fā)破壞的災害，本實驗裝置主要用于模擬沉 積物水合物熱分解，且分解產生氣體不能迅速排出的條件下，沉積層內壓力溫度的演化規(guī) 律和水合物分解前鋒的推進規(guī)律，探索水合物分解后高壓氣體引起的突出噴發(fā)破壞災害評 估方法。 —種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗裝置包括，帶有頂蓋的模型箱， 模型箱四周封閉，能抵抗水合物形成和模擬地層應力所需要的壓力；頂蓋能上下移動，作為 實驗需要提供大于1個大氣壓的壓力時施加外力的位置，并在頂蓋預留孔口供分解實驗時 排氣用；模型箱的邊壁涂有隔熱涂料，使得邊壁與外界具有隔熱功能；在模型箱下部設置沉積物層以形成水合物地層，沉積物層上方為不含水合物的蓋層，蓋層上方為模擬海水層 的防凍液體層，水層上方為可活動的模型箱頂蓋；模型箱內還設置有流量計、孔壓計、溫度 傳感器、熱源、監(jiān)控設備、采集和數據處理系統(tǒng)；流量計主要用于控制進入沉積層孔隙中的 水量或氣量，即將水或氣的飽和度定量化，滿足試驗需求；孔壓計用于測量布置點的壓力， 沿豎直方向布置若干孔壓計實時記錄沉積層內的壓力場；溫度傳感器用于實時記錄沉積層 內的溫度場；熱源用于滿足恒溫或者恒定功率的加熱條件；監(jiān)控設備用于遠程實時記錄水 合物分解前鋒的推進、水合物分解后的混合物突出前后覆蓋層表面的變化、氣體突出過程， 保證安全和記錄準確；采集和數據處理系統(tǒng)用于采集并處理實時記錄的數據。
進一步，所述模型箱形狀為長方體或圓柱體。 進一步，所述模型箱頂蓋根據實驗條件的不同選擇不同材料制成形成四氫呋喃 水合物沉積物時采用有機玻璃材料；形成甲烷水合物沉積物，采用高強度不銹鋼材料。
—種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗方法，包括以下步驟
(1)在模型箱中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，形成不含水合物的 沉積層，并在實驗設定位置擺放布置熱源、溫度傳感器及孔壓計。根據實驗需求的不同，沉 積層上部封蓋不同強度的覆蓋層； (2)將一定量的水通過進液口滲入到沉積層中，在形成四氫呋喃水合物沉積物時， 預先將四氫呋喃與水配比成溶液，均勻的滲入沉積層；在形成甲烷水合物地層時，則繼續(xù)將 甲烷氣源接通使其滲入地層，這時在蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷提供水合物形成 時需要的壓力。然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內。
(3)由溫控箱提供低溫，經過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物沉積物；
(4)水合物沉積物形成后，關閉氣源，并將內部殘余氣體排放，由外力通過頂蓋施 加壓力到水層和地層中提供實驗需要的圍壓條件，開啟所有測量設備，并設定一定的熱源 條件，進行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數的變化。 (5)試驗進行到突出災害的發(fā)生，記錄這一時刻的水合物分解前緣、壓力場分布、 溫度場分布、噴出土量和氣量，并觀測突出方式及相關幾何參數。 —種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗結果分析方法，首先根據實驗測 量水合物分解前緣、壓力場和溫度場分布，確定水合物分解混合物在沉積層中的分布的幾 何形狀和壓力，再根據沉積層及覆蓋層的力學性質和幾何參數，確定可能發(fā)生突出破壞的 臨界條件、破壞范圍和噴出量；其中，臨界條件為 Pg " A (/7C + pmgz)/
s 1 — V
1 一 + . 3 + 4v 尺
Z、3 ,A Z、3 ,A Z、4
(—)j (一+一v (—+一r
(1) p。為大氣壓，P m為土體密度，g為重力加速，z為垂直坐標，V為泊松比，h為蓋層
厚度，R為水合物分解區(qū)特征長度，Pg為臨界壓力， 破壞范圍L為 丄《5(及+ 2/ztan伊) (2) 式中( 為蓋層的內摩擦角。其中的系數B根據實驗數據由式(2)反演確定； 噴出量Q由下式確定
g = C
(3) a ， |3 ， C為常系數，根據實驗數據由式(3)反演確定。


圖1為本發(fā)明中實驗裝置的截面主視圖；
圖2為本發(fā)明中實驗裝置的截面?zhèn)纫晥D；
圖3為一個實驗測得的地層中的壓力和溫度；
圖4為另一個實驗測得的另地層中的壓力和溫度。
具體實施例方式
如圖1、2所示，模型箱9形狀為長方體或圓柱體，四周封閉能抵抗水合物形成和模 擬地層應力所需要的壓力，頂蓋2能上下移動作為實驗需要提供大于1個大氣壓的壓力時 施加外力的位置，并在頂蓋2預留孔口供分解實驗時排氣用。根據實驗條件的不同選擇不 同材料制成若形成四氫呋喃水合物沉積物可采用有機玻璃材料便于直接觀察；若形成甲 烷水合物沉積物，需采用高強度不銹鋼材料。模型箱的邊壁涂有隔熱涂料，使得邊壁與外界 隔熱功能，在模型箱下部為沉積物層16以形成水合物地層，沉積物層16上方為不含水合物 的蓋層10，蓋層10上方為模擬海水層的防凍液體層3，防凍液層上方為可活動的模型箱頂 蓋2，垂直外力施加于頂蓋上提供地層和水合物形成所需要的壓力條件。流量計11主要用 于控制由進液口進入沉積層孔隙中的水量或氣量，即將水或氣的飽和度定量化，滿足試驗 需求；孔壓計5用于測量布置點的壓力，沿豎直方向布置若干孔壓計5實時記錄沉積層內的 壓力場；溫度傳感器15用于實時記錄沉積層內的溫度場；熱源6用于滿足恒溫或者恒定功 率的加熱條件；監(jiān)控設備7用于遠程實時記錄水合物分解前鋒的推進、水合物分解后混合 物(水、氣、土顆粒)突出前后覆蓋層表面的變化、突出過程，保證安全和記錄準確；采集和 數據處理系統(tǒng)1用于采集并處理實時記錄的數據。
實驗步驟
如圖1、2所示 1.在模型箱9中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，該密度按照海底 實際地區(qū)的情況取值。形成不含水合物的沉積層，并在實驗設定位置擺放布置熱源6、溫度 傳感器15及孔壓計5，根據對稱性，熱源6放在下部水合物層的正中間。因為模型是對稱的， 溫度傳感器15在上層和下層均以不小于2cm的間距進行布置，且一邊傳感器布置在上層， 一邊傳感器布置在下層，這樣避免傳感器對土體的干擾，又可以測到整個溫度場的分布；孔 壓計5布置與溫度傳感器6對應布置并緊挨著，便于數據分析。根據實驗需求的不同，沉 積層上部封蓋不同強度和厚度的覆蓋層，例如為模擬蓋層IO被掀開然后突出的情況，蓋 層的強度要高(大于108Pa)且呈脆性；如模擬局部開孔破壞情況，則蓋層厚度至少有下面 水合物層厚度的一半，且有局部強度低的位置，強度小于106Pa，其他位置的蓋層強度大于 107Pa ; 2.將一定量的水通過進液口 13滲透到沉積層中，若形成四氫呋喃水合物沉積物， 預先將四氫呋喃與水配比成溶液，均勻的滲入沉積層；如形成甲烷水合物地層，則在水完全滲入后，繼續(xù)將甲烷接通并使其滲入地層，這時在蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷提 供水合物形成時需要的壓力。然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內8 ; 3.由溫控箱提供低溫，經過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物沉積物；
4.水合物沉積物形成后，關閉氣源，并將內部殘余氣體排放，由外力通過頂蓋施加 壓力到水層和地層中提供地層的圍壓，如模擬3000米水下的地層，則加圍壓30MPa。開啟所 有測量設備，并設定一定的熱源條件，熱源條件即使加熱裝置如加熱棒輸出設定的溫度如 100° ，200° ，300°等，或輸出設定的功率如100W，500W，1000W等，大小的確定主要根據研
究的實際情況確定，進行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數的變化，如溫度、 孔壓等； 5.試驗進行到噴發(fā)突出災害的發(fā)生，記錄這一時刻的水合物分解前緣、孔隙壓力
場分布、溫度場分布、噴出土量和氣量，并觀測突出方式及測定相關幾何參數。 試驗結果分析方法 通過本實驗裝置開展的模型試驗，找到水合物分解且氣體不能快速排出條件下， 沉積物中水合物分解噴發(fā)突出的判據。如圖3、4所示，首先根據實驗測量水合物分解前緣、 壓力場和溫度場分布，確定水合物分解區(qū)在沉積層中的分布的幾何形狀和壓力，再根據沉 積層及覆蓋層的力學性質(剛度、強度)和幾何參數(厚度等)，確定可能發(fā)生突出破壞的 臨界條件、破壞范圍和噴出量。
臨界條件確定
2v ~(Pc+Pwgz)
卜v
1
+
)3
3 + 4v
/ A Z 、3 (—+ —V
6王 p。為大氣壓，P m為土體密度，g為重力加速，z為垂直坐標，V為泊松比，h為蓋層 厚度，R為水合物分解區(qū)特征長度，Pg為臨界壓力，由實驗數據確定上式中的系數A，就得到 臨界破壞條件的應用公式。
破壞范圍L由下式確定 丄《5(i + 2/ ta—
P為蓋層的內摩擦角。其中的系數B根據實驗數據由上式反演確定。
噴出量Q由下式確定 AY

g = C"廣
、 a ， |3 ， C為常系數，根據實驗數據由上式反演確定。
權利要求
一種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗裝置包括，帶有頂蓋的模型箱，模型箱四周封閉，能抵抗水合物形成和模擬地層應力所需要的壓力；頂蓋能上下移動，作為實驗需要提供大于1個大氣壓的壓力時施加外力的位置，并在頂蓋預留孔口供分解實驗時排氣用；模型箱的邊壁涂有隔熱涂料，使得邊壁與外界具有隔熱功能；在模型箱下部設置沉積物層以形成水合物地層，沉積物層上方為不含水合物的蓋層，蓋層上方為模擬海水層的防凍液體層，水層上方為可活動的模型箱頂蓋；模型箱內還設置有流量計、孔壓計、溫度傳感器、熱源、監(jiān)控設備、采集和數據處理系統(tǒng)；流量計主要用于控制進入沉積層孔隙中的水量或氣量，即將水或氣的飽和度定量化，滿足試驗需求；孔壓計用于測量布置點的壓力，沿豎直方向布置若干孔壓計實時記錄沉積層內的壓力場；溫度傳感器用于實時記錄沉積層內的溫度場；熱源用于滿足恒溫或者恒定功率的加熱條件；監(jiān)控設備用于遠程實時記錄水合物分解前鋒的推進、水合物分解后的混合物突出前后覆蓋層表面的變化、氣體突出過程，保證安全和記錄準確；采集和數據處理系統(tǒng)用于采集并處理實時記錄的數據。
2. 根據權利要求l中所述的實驗裝置，其特征為，所述模型箱形狀為長方體或圓柱體。
3. 根據權利要求l中所述的實驗裝置，其特征為，所述模型箱頂蓋根據實驗條件的不 同選擇不同材料制成形成四氫呋喃水合物沉積物時采用有機玻璃材料；形成甲烷水合物 沉積物，采用高強度不銹鋼材料。
4. 一種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗方法，包括以下步驟(1) 在模型箱中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，形成不含水合物的沉積 層，并在實驗設定位置擺放布置熱源、溫度傳感器及孔壓計；根據實驗需求的不同，沉積層 上部封蓋不同強度的覆蓋層；(2) 將一定量的水通過進液口滲入到沉積層中，在形成四氫呋喃水合物沉積物時，預先 將四氫呋喃與水配比成溶液，均勻的滲入沉積層；在形成甲烷水合物地層時，則繼續(xù)將甲烷 氣源接通使其滲入地層，這時在蓋板頂部施加與氣壓相等的垂直載荷提供水合物形成時需 要的壓力；然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內。(3) 由溫控箱提供低溫，經過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物沉積物；(4) 水合物沉積物形成后，關閉氣源，并將內部殘余氣體排放，由外力通過頂蓋施加壓 力到水層和地層中提供實驗需要的圍壓條件，開啟所有測量設備，并設定一定的熱源條件， 進行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數的變化；(5) 試驗進行到突出災害的發(fā)生，記錄這一時刻的水合物分解前緣、壓力場分布、溫度 場分布、噴出土量和氣量，并觀測突出方式及相關幾何參數。
5. —種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗結果分析方法，首先根據實驗測量 水合物分解前緣、壓力場和溫度場分布，確定水合物分解混合物在沉積層中的分布的幾何 形狀和壓力，再根據沉積層及覆蓋層的力學性質和幾何參數，確定可能發(fā)生突出破壞的臨 界條件、破壞范圍和噴出量；其中，臨界條件為<formula>formula see original document page 2</formula>P。為大氣壓，P m為土體密度，g為重力加速，Z為垂直坐標，V為泊松比，h為蓋層厚度，<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬水合物分解導致的地層突出破壞的試驗裝置包括，帶有頂蓋的模型箱，模型箱內還設置有流量計、孔壓計、溫度傳感器、熱源、監(jiān)控設備和采集和數據處理系統(tǒng)。并提供了一種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導測量實驗方法，以及試驗結果的分析方法。
文檔編號G01N33/24GK101701955SQ20091023693
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2009年10月27日
發(fā)明者姚海元, 張旭輝, 李清平, 王淑云, 王愛蘭, 趙京, 魯曉兵 申請人:中國科學院力學研究所