天然氣水合物沉積物動三軸力學-聲學-電學同步測試的實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置。所述實驗裝置包括：三軸壓力室，所述三軸壓力室包括上端蓋、下端蓋和筒體，筒體上下兩端設有通過液壓管路與液壓泵站連接的上壓頭和下壓頭，其中與上壓頭連接的液壓管路上設有對合成的水合物試樣進行動態加載控制的液壓閥，上壓頭和下壓頭上分別還設有對所述試樣進行縱橫波測試的聲波接收裝置和聲波發射裝置，下壓頭還設有對所述試樣進行電阻率測試的電阻率測試裝置。本實用新型提供了室內水合物沉積物動態荷載作用下的力學響應特性研究，可實現水合物沉積物動荷載作用下的力學、電學和聲學參數同步測試。
【專利說明】天然氣水合物沉積物動三軸力學-聲學-電學同步測試的實驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置，其主要功能為研究天然氣水合物沉積物及凍土地層縱波和外部動荷載條件下的力學響應特性。
【背景技術】
[0002]進入21世紀以來，隨著油氣資源可采量的減少和消耗量的增加，天然氣水合物等非常規能源的勘探與開發被正式提上了議事日程。由于實際自然界中的水合物儲層都處在一個動態作用的環境中，比如地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆井和開采)等。因而含水合物地層力學性質尤其是動態載荷作用下的水合物地層力學性質對突破天然氣水合物鉆井技術和安全開采技術非常重要，
[0003]然而受水合物形成及穩定存在的苛刻條件限制，以及相關實驗裝置和測試技術的不成熟，導致這方面的研究卻非常少，基本上都是在靜態荷載作用下進行實驗模擬測試。國內《力學進展》2009年2期“水合物沉積物力學性質的研究現狀”和2009年5期“水合物沉積物力學性質的實驗裝置和研究進展”中對國內外水合物沉積物力學性質研究裝置、實驗方法和研究現狀進行了歸納總結；國家知識產權局在2011年5月公布了申請號為“201010222083.0”的“天然氣水合物力學性能實驗裝置” ；2011年7月公布了申請號為“201110002805.6”的“一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸實驗裝置”以及2011年11月公布了申請號為“201110183207.3”的“含天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置及其試驗方法”，最近在2012年9月又公開了申請號為“201010586401”的“天然氣水合物巖石力學三軸試驗裝置”。上述實驗裝置和方法都用于靜載荷作用下水合物力學性質的研究，但缺點在于無法模擬自然條件下動荷載作用下水合物沉積物力學響應特性研究，同時僅僅局限于單一的水合物沉積物力學性能測試，缺少將水合物沉積物力學性能與其它物性進行關聯性測試的方法。而實際自然界中水合物儲層往往處在一個動態作用的環境中，比如地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆探和開采)等。此外，由于水合物沉積物試樣獲取困難，成本高昂，因此通過原位地球物理測井數據來估算原位地層力學性質成為選項之一，因此迫切需要對水合物地層在外部動載荷作用下的力學響應特性以及相應的電學和聲學特性展開研究，并建立這些特性參數之間擬合的數學映射關系，從而為今后測井評價水合物地層力學性質以及聲-電聯合反演計算地層水合物飽和度奠定基礎，進而對水合物勘探開發中的安全問題如井壁穩定、地層變形評價等應用提供支撐，甚至能為水合物鉆井過程中的鉆頭選擇提供有用信息。
實用新型內容
[0004]據此，針對現有水合物力學實驗中靜態測試過多而實際地質環境背景為動態這一研究矛盾，本實用新型目的之一就是提供一種天然氣水合物動三軸力學及聲波、電學特性同步測試實驗裝置。此外，在工程實踐中如何準確獲取原位地層水合物飽和度并快速評估原位水合物儲層力學性質從而對鉆井過程中井壁穩定進行評估分析也是水合物勘探開發中面臨的難題，因此本實用新型的另一個目的就是提供準確的力學參數與波速關聯關系，進而通過電阻率獲得準確的水合物飽和度，通過水合物與波速關系獲得力學參數與水合物飽和度之間的函數關系，從而為今后測井評價水合物地層力學性質以及聲-電聯合反演計算地層水合物飽和度奠定基礎，進而對水合物勘探開發中鉆頭選擇以及安全問題如井壁穩定、地層變形評價等應用提供支撐。
[0005]為了達到本實用新型的第一個目的，本實用新型提供一種天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置，所述實驗裝置包括:三軸壓力室，所述三軸壓力室包括上端蓋、下端蓋和筒體，筒體上下兩端設有通過液壓管路與液壓泵站連接的上壓頭和下壓頭，其中與上壓頭連接的液壓管路上設有對合成的水合物試樣進行動態加載控制的液壓閥，上壓頭和下壓頭上分別還設有對所述試樣進行縱橫波測試的聲波接收裝置和聲波發射裝置，下壓頭還設有對所述試樣進行電阻率測試的電阻率測試裝置。
[0006]進一步地，所述實驗裝置還包括:控制所述液壓閥動作的工控機，所述液壓閥連接所述上壓頭。
[0007]進一步地，與所述三軸壓力室連接的氣體增壓泵。
[0008]進一步地，所述上壓頭的下端設有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器。
[0009]進一步地，所述下壓頭的上端裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器。
[0010]進一步地，所述下端蓋上裝有第三壓力傳感器、第三溫度傳感器和第四溫度傳感器。
[0011]進一步地，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的低溫循環冷卻裝置。
[0012]進一步地，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的真空泵。
[0013]進一步地，所述實驗裝置還包括:與所述氣體增壓泵連接的氣體流量計。
[0014]進一步地，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的平流泵。
[0015]本實用新型具有以下的有益效果:
[0016](I)本實用新型實現了對天然氣水合物的動態加載，能夠模擬自然條件下動荷載作用下水合物沉積物力學響應特性研究，模擬例如地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆井和開采)，能夠提供更為科學的實驗數據，鑒于目前尚無一套綜合研究外部動荷載條件下水合物沉積物力學響應特性的實驗裝置和實驗方法，本實用新型可很好地彌補這方面的不足。
[0017](2)本實用新型將水合物沉積物動三軸力學性能與聲波和電學特性同步集成在一起，通過后期數據處理可建立水合物沉積物波速、動態力學參數之間的關聯關系，為水合物地層鉆井過程中的聲波測井數據評價地層力學特性及其井壁穩定性評價提供理論依據。
[0018](3)通過電阻率測量和計算可以快速得到水合物飽和度值，避免了常規水合物模擬實驗中繁瑣的水合物飽和度估算測量，同時以波速為橋梁，還可根據電阻率測量得到的水合物飽和度值建立起水合物力學參數與水合物飽和度之間的函數關系，從而可用于今后通過準確的電阻率測井獲得水合物飽和度值來評價地層力學性質進而用于鉆頭選型、聲-電聯合反演確定地層水合物飽和度以及與水合物相關的井壁穩定、地層變形以及海底滑坡等相關的模擬研究。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型所涉及的天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置的結構示意圖。
[0020]附圖標號說明:
[0021]1-液壓泵站、2-液壓閥、3-低溫循環冷卻裝置、4-下端蓋、5-筒體、6_試樣、7_上端蓋、8-上壓頭、9-壓力和位移傳感器、10-聲波接收裝置、11-第一壓力傳感器、12-第一溫度傳感器、13-聲波發射裝置、14-第二壓力傳感器、15-閥門、16-第二溫度傳感器、17-真空泵、18-工控機、19-第三壓力傳感器、20-下壓頭、21-第三溫度傳感器、22-第四溫度傳感器、23-活塞容器、24-平流泵、25-水槽、26-氣體增壓泵、27-天然氣瓶、28-流量計、29-下立軸、30-底座、31-電極(電阻率測試裝置)、32_鹽度計
【具體實施方式】
[0022]為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的【具體實施方式】。
[0023]如圖1所示，天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置(即:天然氣水合物沉積物電學-聲學-力學性質三者同步測試的實驗裝置)包括:三軸壓力室，所述三軸壓力室設置在底座30上，三軸壓力室包括上端蓋7、下端蓋4和筒體5，筒體5內設有對試樣6加載的上壓頭8和下壓頭20，試樣6安放在上壓頭8和下壓頭20之間，下壓頭20固定在下立軸29上，所述上壓頭8通過液壓管路與液壓泵站I連接，所述液壓管路上設有對所述合成的水合物試樣進行動態加載控制的液壓閥2。
[0024]上壓頭8通過活塞密封與壓力室上端蓋7相連并穿過上端蓋7伸入到筒體5內，上壓頭8上端裝有壓力和位移傳感器9 ;上壓頭8的下端設有第一溫度傳感器12、第一壓力傳感器11 ;下壓頭20的上端裝有第二溫度傳感器16、第二壓力傳感器14。其中第一壓力傳感器11、第二壓力傳感器14用于測試試樣6上下兩端的孔隙壓力，精度±1%;第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器16用于測量試樣上下兩端的溫度，精度±0.5°C。下端蓋4上裝有第三壓力傳感器19、第三溫度傳感器21和第四溫度傳感器22，用于測量筒體5中試樣之外的壓力和溫度。
[0025]液壓泵站I通過液壓管路向上壓頭8提供液壓動力。液壓泵站可提供最大動態負荷200kN，最大靜態負荷250kN ;軸向負荷行程±75mm ;軸向加載靜應變速度可調范圍
0.01mm/min-5mm/min,靜應力速度可調范圍 0.lMPa/min_3MPa/min。
[0026]本實用新型的天然氣水合物沉積物電學-聲學-力學性質三者同步測試實驗裝置(天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置)與現有技術的主要區別在于:一是本實用新型中的上壓頭8能夠振動，實現對試樣6的動態加載，模擬地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆井和開采)。為此，本實用新型設置了液壓閥2，通過液壓閥2的打開方向和開度，控制液壓管路中的液壓油的流量和方向，從而實現上壓頭8的振動。二是本實用新型中在三軸壓力室內上壓頭8和下壓頭20上分別裝有聲波接收裝置10和聲波發射裝置13以及電阻率測試裝置31 (電極)，可實現水合物沉積物的動三軸力學性能和聲波與電學特性的同步測試。至于三軸壓力室的其他結構，除了本實用新型的描述外，可以與現有技術相同或參考現有技術。[0027]本實驗裝置的水注入機構由活塞容器23和平流泵24組成，注氣機構由天然氣瓶27、氣體增壓泵26和流量計28構成。當需要在三軸壓力室內合成水合物沉積物試樣時，先通過真空泵17(控制閥門15的動作)對試樣抽真空，然后通過水/氣注入機構向試樣內注入水/氣，所注氣體量通過氣體流量計28控制。
[0028]本實驗裝置的溫度/壓力控制機構由低溫循環冷卻裝置3和液壓泵站I構成，實驗中通過低溫循環冷卻裝置3中的硅油循環對三軸壓力室進行溫度控制，可控溫度范圍-50°C~室溫；三軸壓力室圍壓通過液壓泵站I來實現，圍壓可控范圍O~35MPa。
[0029]進一步地，所述天天然氣水合物沉積物電學-聲學-力學性質三者同步測試實驗裝置包括:工控機18，工控機18通過控制所述液壓閥2的動作來控制所述上壓頭8的振動。本實驗裝置的工控機18是一個數據采集系統，主要包括電腦，通過與壓力和位移傳感器9、第一壓力傳感器11、第一溫度傳感器12、第二壓力傳感器14、第二溫度傳感器16、第三壓力傳感器19、第三溫度傳感器21和第四溫度傳感器22相連，實現實驗過程中試樣6兩端溫度、壓力，上壓頭8軸向壓力和位移，圍壓溫度和壓力，實驗環境溫度的監測 。
[0030]本實用新型還提供一種天然氣水合物沉積物電學-聲學-力學性質三者同步測試的實驗方法，即天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試實驗方法，該方法包括以下步驟:
[0031 ] 步驟A:合成水合物試樣；
[0032]步驟B:對所述合成的水合物試樣進行動態加載，測試動態模量、動態泊松比等參數，并同時進行波速和電阻率測試，直至試樣剪切破壞。本實用新型對試樣的加載不同于現有的靜態加載，本實用新型的加載力隨時間的變化而變化，且可模擬地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆井和開采)下的水合物儲層環境。
[0033]步驟C:對測試的力學參數和波速通過擬合方法建立映射關系，對測試的電阻率值進行計算獲得水合物飽和度值，將水合物飽和度值與對應的波速和力學參數關聯起來建立相應的函數關系。
[0034]進一步地,所述步驟B包括:
[0035]步驟B1:將所述合成的水合物試樣安放在三軸壓力室中；
[0036]步驟B2:然后控制液壓管路中的液壓油的流量和方向實現所述上壓頭的振動，通過上壓頭的振動實現對所述合成的水合物試樣的動態加載。通過液壓方式實現液壓加載裝置的振動，控制精度高，振動易于實現，而且振動方式也接近地震、海平面升降甚至人為擾動(鉆井和開采)的實際情況。在振動加載過程中測試樣品的動態力學參數如動態模量Ed、動態泊松比μ <!等參數，同時通過上、下壓頭上的聲波接收裝置和聲波發射裝置對試樣進行波速以及電阻率測量。
[0037]進一步地,所述步驟Β2具體包括:
[0038]步驟Β21:在工控機18中設定所述上壓頭振動的波形；
[0039]步驟Β22:所述工控機按照選定的波形控制設置在液壓管路上的液壓閥的打開方向和開度。這樣，可以模擬各種自然環境或人工開采狀況。
[0040]進一步地，所述上壓頭的振動波形為正弦波、三角波和方波。進一步地，所述步驟A包括:
[0041]a.裝樣:將孔隙度(Φ)和粒徑(d) —定的沉積物骨架試樣6(直徑50mm，高IOOmm)置于三軸壓力室(例如筒體5)內后將三軸壓力室安裝密封；
[0042]b.抽真空:利用真空泵對沉積物骨架試樣6進行抽真空；
[0043]c.對試樣6進行圍壓預加載(設置壓力10_15MPa)；
[0044]d.低溫冷卻循環:開啟低溫冷卻循環裝置，對三軸壓力室進行恒溫冷卻；
[0045]e.注水和氣:待各溫度傳感器讀數達到設定溫度，且不再變化后，將純凈水經平流泵和活塞容器注入到三軸壓力室內沉積物骨架試樣的孔隙中；注水結束后，天然氣瓶中的高純度甲烷氣體經氣體增壓泵和流量計注入到沉積物骨架試樣孔隙中，通過流量計和增壓泵上的壓力表控制注入氣體流量和壓力；
[0046]f.然后進行水合物沉積物合成:在設定的溫度4°C條件下恒溫靜置18-20h，當各壓力傳感器的讀數降低至某一值且不再變化時，表示沉積物骨架中水合物生成完成。
[0047]進一步地,所述步驟A進一步包括:
[0048]al.裝樣:打開三軸壓力室上端蓋7，通過控制液壓泵站I由下立軸29調節筒體5的升降，將直徑為50mm，高度為IOOmm的沉積物骨架試樣6置于三軸壓力室內的上壓頭8和下壓頭20間，沉積物骨架試樣6用橡皮膜包裹，并將橡皮膜與上下壓頭端部進行捆扎；沉積物骨架試樣6裝好后將三軸壓力室安裝密封；
[0049]bl.抽真空:利用真空泵17對沉積物骨架試樣6進行抽真空；
[0050]cl.施加圍壓:開啟液壓泵站I,設置壓力10_15MPa,對試樣6進行圍壓預加載，以保證水或氣注入時橡皮膜與試樣仍緊密接觸；
[0051]dl.低溫冷卻循環:開啟低溫冷卻循環裝置3，設置溫度4°C，對三軸壓力室進行恒溫冷卻；
[0052]el.注水和氣:待第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器16、第三溫度傳感器21和第四溫度傳感器22的讀數均為4°C，且不再變化后，將純凈水經平流泵24 (連接水槽25)和活塞容器23注入到三軸壓力室中沉積物骨架試樣6的孔隙中，其中，第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器16用于測量試樣6上下兩端的溫度；注水結束后，天然氣瓶27中的高純度甲烷氣體經氣體增壓泵26和流量計28注入到沉積物骨架試樣6的孔隙中，注入氣體的量通過流量計28控制，氣體壓力為8-10MPa ；
[0053]Π水合物沉積物合成:注水和氣后，沉積物骨架試樣6在4°C恒溫條件下靜置18-20h,當第一壓力傳感器11和第二壓力傳感器14的讀數降低至某一范圍且不再變化時，表示沉積物骨架中水合物生成完成。
[0054]進一步地,所述步驟C包括:
[0055]a.將動態力學測試獲得的動態模量Ed、動態泊松比μ d等力學參數和通過同步聲波測試獲得的波速Vp和Vs通過數值擬合方法建立力學參數與聲波波速之間的映射關系，如得到Ed與Vp、Vs的關系以及μ d與Vp、Vs的關系，即
[0056]Ei = I O' apv~ (f Vs2) / (?)，//,, = e (v(； - dv； )/(v(； -v52)(I)
[0057]式中，vp，vs為縱波和橫波波速，單位為km/s ； P為沉積物密度，單位為g/cm3 ；Ed為動態楊氏模量，單位為MPa ; μ d為動態泊松比；a，b，C，d，e為實驗結果擬合出的系數。
[0058]l、a,b, c, d, e為實驗結果擬合出的系數,是利用多元回歸分析方法確定系數a,b,c, d, θο[0059]2、本實用新型采用了
【權利要求】
1.一種天然氣水合物沉積物動三軸力學-電學-聲學同步測試的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置包括:三軸壓力室，所述三軸壓力室包括上端蓋、下端蓋和筒體，筒體上下兩端設有通過液壓管路與液壓泵站連接的上壓頭和下壓頭，其中與上壓頭連接的液壓管路上設有對合成的水合物試樣進行動態加載控制的液壓閥，上壓頭和下壓頭上分別還設有對所述試樣進行縱橫波測試的聲波接收裝置和聲波發射裝置，下壓頭還設有對所述試樣進行電阻率測試的電阻率測試裝置。
2.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括:控制所述液壓閥動作的工控機，所述液壓閥連接所述上壓頭。
3.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，與所述三軸壓力室連接的氣體增壓泵。
4.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述上壓頭的下端設有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器。
5.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述下壓頭的上端裝有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器。
6.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述下端蓋上裝有第三壓力傳感器、第三溫度傳感器和第四溫度傳感器。
7.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的低溫循環冷卻裝置。
8.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的真空泵。
9.如權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括:與所述氣體增壓泵連接的氣體流量計。
10.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括:與所述三軸壓力室連接的平流泵。
【文檔編號】G01N27/04GK203396657SQ201320327023
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月7日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】李實 , 寧伏龍, 馬德勝, 蔣國盛, 張可, 余義兵, 陳興隆, 劉力, 俞宏偉, 李軍 申請人:中國石油天然氣股份有限公司