專利名稱：柱形水合物沉積物中含相變熱傳導(dǎo)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到水合物分解領(lǐng)域，尤其是水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量
裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是在適當(dāng)高的壓力和適當(dāng)?shù)偷臏囟葪l件下，由水和天然氣組成的類 冰的籠形結(jié)晶化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、海洋和一些內(nèi)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(jìn)行了試 采。 油氣開采、水合物開采或自然條件變化會導(dǎo)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(zhì)失去膠接，另一方面會改變沉積層的結(jié)構(gòu)，生成氣又 會增大孔隙壓力，從而使該沉積層的強(qiáng)度降低。水合物沉積層強(qiáng)度的降低可引起多種嚴(yán)重 的災(zāi)害，如由于水合物分解導(dǎo)致的井口周圍土體大變形引起的海上或海床中結(jié)構(gòu)物的破 壞，如平臺傾覆、油氣井毀壞等。這種災(zāi)害對海床中結(jié)構(gòu)物將產(chǎn)生嚴(yán)重危害，但是對其控制 參數(shù)和演化過程等方面的研究還非常缺乏。據(jù)文獻(xiàn)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滑坡)共滑走2500 3200立方公里沉積物，是目前為止發(fā)現(xiàn) 的最大的海底滑坡。大量的地質(zhì)調(diào)查和分析表明產(chǎn)生該滑坡的原因是當(dāng)時水溫增加，水合 物發(fā)生了分解。水合物迅速分解將導(dǎo)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(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)、分解過程中滲流和熱擴(kuò)散的規(guī)律，以及水合物分解后地層 的強(qiáng)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(xiàn)象，為工程設(shè)計 提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
—種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量裝置，包括柱形模型箱、具有 一定間隔的透氣孔的上隔熱圓板、恒溫?zé)嵩础⒏呔葴囟葌鞲衅?、流量計和下隔熱圓板。
進(jìn)一步，模型箱的材料根據(jù)不同條件可選為不銹鋼或有機(jī)玻璃等、模型箱為圓柱 形，便于進(jìn)行水合物含相變熱傳導(dǎo)過程問題分析。 —種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量實驗方法，具體步驟如下
1)在圓柱形模型箱中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，干密度按照 研究的實際海域情況確定，形成不含水合物的沉積層7，并在實驗設(shè)定位置擺放布置熱源 8，熱源垂直放在地層正中央且穿過整個地層，以使整個模型和過程對稱、溫度傳感器9 ;并 加蓋隔熱圓板3 ;
2)若形成四氫呋喃水合物沉積物，預(yù)先將四氫呋喃與水配比成溶液并通過進(jìn)液口 滲入到沉積層中，然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)，經(jīng)過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物 沉積物； 3)若形成天然氣水合物，封閉透氣孔并且將甲烷氣源接通，在上部隔熱板上施加 垂直力與氣源壓力平衡；在恒溫箱提供的溫度和甲烷氣具備的壓力條件下經(jīng)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(guān)閉氣源，保持模型箱處于零度以下條件，此條件下氣孔 處降壓引起的水合物分解較慢，減小試驗誤差。打開封閉氣孔進(jìn)行排氣，開啟所有測量設(shè) 備，并設(shè)定一定的恒溫條件進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數(shù)的變化以 及相變陣面的位置； 5)試驗進(jìn)行到分解界面水合物分解與未分解的界面，可以明顯觀察到不再發(fā)展 時，停止實驗。 進(jìn)一步，步驟4)中所述的恒溫條件為根據(jù)實際情況和實驗分析的要求輸入等溫 或等功率的熱量。 —種水合物沉積物含相變熱傳導(dǎo)的自相似分析方法 沉積物中水合物含相變的熱傳導(dǎo)的溫度場可以寫成 T = f (X， t ;Th ;T0 ;Te ; P i ;Q ;K丄；P 2 ;C2 ;K2 ; A H ; ￡ 0) (1) 從而(1)式可以簡化為


仏
k2 6>A k^A// k^A/fSo
(r)
其中，g =: ，9 = A, 0'
0
k，
'叭
仏
仏
-為四個控制參數(shù)； 針對實驗數(shù)據(jù)，首先得到三個界面的位置隨時間的變化曲線，三個界面分別為分 解與未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面；
然后根據(jù)下面三個公式反演得到和區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)&
K4和潛熱A H :
尺，
7;
exp(-"^")-Z^
(2) ",^￡",7^"
乂rf 乂e2
、1
exp(—義2)
(3) -/^A//,—,,;^27^
5<formula>formula see original document page 6</formula>
(4) <formula>formula see original document page 6</formula> 其中A" A2，入3為分解與未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面的位置。 該裝置的優(yōu)越性裝置對稱，實驗時熱傳導(dǎo)過程也完全對稱，這樣非常便于實驗數(shù)據(jù)分析，并與理論分析對照。因為對稱，實驗中可以將傳感器沿圓周分散布置，對減小傳感器對試驗結(jié)果的干擾非常有利，可以采用較一維模型中傳感器多得多的傳感器進(jìn)行測量，獲得更多的數(shù)據(jù)。這樣就可以實現(xiàn)表層、中層和下層溫度的測量而獲得溫度場，準(zhǔn)確地分析出地層中熱傳導(dǎo)過程中的幾個相變界面。實驗可以模擬3000米水下的地層中的熱傳導(dǎo)過程，滿足工程的需要。地層溫度分布測量采用自行研制的專用熱電偶測量誤差小于1% ;同時能通過光纖照相系統(tǒng)實時記錄地層從穩(wěn)定到噴發(fā)的過程。


圖1為水合物熱分解時，沉積層內(nèi)形成三個界面示意 圖2為實驗裝置示意圖； 圖3為實驗測量的三個相變界面隨時間的變化示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，沉積物中水合物熱分解是一個含相變的熱傳導(dǎo)過程，這套柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量裝置，主要用于通過模型試驗找到熱傳導(dǎo)和相變發(fā)展的演化規(guī)律，這個水合物相關(guān)分析的基本問題。水合物熱分解時，沉積層內(nèi)形成三個界面，顯示在圓形區(qū)域內(nèi)如圖水汽化區(qū)與水液化區(qū)界面Rp水液化區(qū)與水合物分解區(qū)界面1 2、水合物分解區(qū)與水合物未分解區(qū)界面R3。 根據(jù)沉積物中水合物熱分解的熱傳導(dǎo)過程的特征，本發(fā)明公開了一種用于測定該
傳導(dǎo)過程中熱傳導(dǎo)和相變發(fā)展的演化規(guī)律的實驗裝置和分析方法，具體如下 如圖2所示，實驗裝置由柱形模型箱1、上隔熱圓板2、隔熱圓板2上設(shè)置有一定間
隔的透氣孔3，滿足充分透氣并使蓋板有足夠的強(qiáng)度，透氣孔3在水合物合成時封閉，加熱
實驗時打開，這樣能保證水合物合成過程中提供足夠的壓力又防止甲烷氣體泄漏、恒溫?zé)?br> 源8、高精度溫度傳感器9、流量計12、下隔熱板6等組成。模型箱l的材料根據(jù)不同條件可
選為不銹鋼或有機(jī)玻璃等、模型箱為圓柱形，便于進(jìn)行水合物含相變熱傳導(dǎo)過程問題分析；
高精度溫度傳感器9主要用于測定溫度場的分布，以及布置位置處的相變時刻、溫度梯度，
并用于分析三個相變區(qū)域隨時間的發(fā)展；隔熱圓板用于上下兩端的絕熱，使得熱量損失盡
量少，以滿足實際情況；透氣孔主要用于試驗過程中的排氣，使得整個分解過程沉積層內(nèi)不
會積累過大壓力引起突發(fā)破壞問題，并通過一定間隔分布的透氣孔可以觀測上端相變面的
位置，提供又一個測量三個相變區(qū)域的窗口，同時上隔熱圓板2又可以作為施加實驗需要
的壓力4的作用位置；流量計12連同進(jìn)氣口 ll，進(jìn)液口 10控制進(jìn)入沉積層孔隙內(nèi)的氣、水量，以形成一定飽和度的水合物沉積物；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5用于采集數(shù)據(jù)及其圖形等處理。
實驗步驟 1.如圖2所示，在圓柱形模型箱中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，干密度按照研究的實際海域情況確定，形成不含水合物的沉積層7，并在實驗設(shè)定位置擺放布置熱源8，熱源垂直放在地層正中央且穿過整個地層，以使整個模型和過程對稱、溫度傳感器9 ;并加蓋隔熱圓板3 ; 2.若形成四氫呋喃水合物沉積物，預(yù)先將四氫呋喃與水配比成溶液并通過進(jìn)液口滲入到沉積層中，然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)，經(jīng)過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物沉積物； 3.若形成天然氣水合物，封閉透氣孔并且將甲烷氣源接通，在上部隔熱板上施加垂直力與氣源壓力平衡；在恒溫箱提供的溫度和甲烷氣具備的壓力條件下經(jīng)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(guān)閉氣源，保持模型箱處于零度以下條件，此條件下氣孔處降壓引起的水合物分解較慢，減小試驗誤差。打開封閉氣孔進(jìn)行排氣，開啟所有測量設(shè)備，并設(shè)定一定的恒溫條件，該恒溫條件根據(jù)實際情況和實驗分析的要求輸入等溫或等功率的熱量；進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數(shù)的變化以及相變陣面的位 5.試驗進(jìn)行到分解界面水合物分解與未分解的界面，可以明顯觀察到不再發(fā)展時，停止實驗。 水合物沉積物含相變熱傳導(dǎo)的自相似分析方法
沉積物中水合物含相變的熱傳導(dǎo)的溫度場可以寫成 T = f (X， t ;Th ;T。 ；Te ; P丄；Q ;K丄；P2 ;C2 ;K2 ; AH ; ￡ 。) (1) 由于熱傳導(dǎo)是由熱量高溫向低溫傳遞的過程，其取決于溫差與傳熱系數(shù)
丄
質(zhì)量的物質(zhì)的相變潛熱的吸收由相變區(qū)域處的溫度梯度以及傳熱能力即熱傳導(dǎo)系數(shù)決定，
將溫度寫成溫差形式e = t-t。， e h = th-t。， e = te
熱、密度分別一起寫成形式K =
尺，
-T。，兩個區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)與比
P2C2
，潛熱、密度與熱傳導(dǎo)系數(shù)寫成
A織o
，從而(1)可以簡化為
仏
其中，《=——，9 =
仏
(r)
仏
K， A
-為四個控制參數(shù)c 如圖3所示，針對實驗數(shù)據(jù)，首先得到三個界面的位置隨時間的變化曲線，三個界面分別為分解與未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面。
然后根據(jù)下面三個公式反演得到和區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)& K4和潛熱AH :尺, "/("斧)"
exp(-A ) =PwA//w—j屈V^
U2
3) —"/(A2J,,3
P、a 2/ 2
L一^
(3) = PyA/^—gfi^^V^
exp(—n;i3o —a:3、fn ,m犯 &
力
乂e3 "2
3)-er/(;i2》
-exp(-義:)
(4)
(2) -PaM/^A^J^V^ 其中A" A2， ^3為三個界面(分解與未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面)的位置。
8
權(quán)利要求
一種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量裝置，包括柱形模型箱、具有一定間隔的透氣孔的上隔熱圓板、恒溫?zé)嵩?、高精度溫度傳感器、流量計和下隔熱圓板。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述測量裝置，其特征為模型箱的材料根據(jù)不同條件可選為不 銹鋼或有機(jī)玻璃等、模型箱為圓柱形，便于進(jìn)行水合物含相變熱傳導(dǎo)過程問題分析。
3. —種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量實驗方法，具體步驟如下1) 在圓柱形模型箱中填入實驗土，分層砸實使其具備一定的干密度，干密度按照研究 的實際海域情況確定，形成不含水合物的沉積層，并在實驗設(shè)定位置擺放布置熱源，熱源垂 直放在地層正中央且穿過整個地層，以使整個模型和過程對稱、溫度傳感器；并加蓋隔熱圓 板；2) 若形成四氫呋喃水合物沉積物，預(yù)先將四氫呋喃與水配比成溶液并通過進(jìn)液口滲入 到沉積層中，然后將系統(tǒng)放入恒溫箱內(nèi)，經(jīng)過2-3天的時間形成一定飽和度的水合物沉積 物；3) 若形成天然氣水合物，封閉透氣孔并且將甲烷氣源接通，在上部隔熱板上施加垂直 力與氣源壓力平衡。在恒溫箱提供的溫度和甲烷氣具備的壓力條件下經(jīng)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(guān)閉氣源，保持模型箱處于零度以下條件，此條件下氣孔處降 壓引起的水合物分解較慢，減小試驗誤差。打開封閉氣孔進(jìn)行排氣，開啟所有測量設(shè)備，并 設(shè)定一定的恒溫條件進(jìn)行沉積物中水合物分解試驗，并實時記錄各個參數(shù)的變化以及相變 陣面的位置；5) 試驗進(jìn)行到分解界面水合物分解與未分解的界面，可以明顯觀察到不再發(fā)展時，停止實驗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3中所述實驗，其特征為步驟4)中所述的恒溫條件為根據(jù)實際情況 和實驗分析的要求輸入等溫或等功率的熱量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3中所述試驗的水合物沉積物含相變熱傳導(dǎo)的自相似分析方法 沉積物中水合物含相變的熱傳導(dǎo)的溫度場可以寫成<formula>formula see original document page 2</formula> 從而(1)式可以簡化為<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula>-為四個控制參數(shù)；針對實驗數(shù)據(jù)，首先得到三個界面的位置隨時間的變化曲線，三個界面分別為分解與 未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面；然后根據(jù)下面三個公式反演得到和區(qū)域的熱傳導(dǎo)系數(shù)& K4和潛熱AH :<formula>formula see original document page 2</formula>(2)<formula>formula see original document page 3</formula>其中Ap A2，入3為分解與未分解界面、水合物氣化與水液化界面、水汽化與液化界面 的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柱形水合物沉積物熱源周圍含相變熱傳導(dǎo)測量裝置，包括柱形模型箱、具有一定間隔的透氣孔的上隔熱圓板、恒溫?zé)嵩?、高精度溫度傳感器、流量計和下隔熱圓板。并提供了一種模擬水合物分解導(dǎo)致的地層突出破壞的試驗方法，以及該模擬試驗的實驗結(jié)果分析方法。
文檔編號G01N25/20GK101696949SQ20091023693
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)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(xué)院力學(xué)研究所;