专利名称：一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置和方法
技术领域：
本发明涉及水合物分解领域，尤其是一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置
和方法。
背景技术：
天然气水合物是在适当高的压力和适当低的温度条件下，由水和天然气组成的类 冰的笼形结晶化合物。天然气水合物广泛分布在大陆、海洋和一些内陆湖的深水环境，是一 种重要的潜在资源。 随着世界油气可开采量的减少和消耗量的增加，深海水合物开采的迫切性日益显 著。美国、日本、加拿大等国开展了大量的相平衡条件、勘探方法等方面的工作，并进行了试 采。 油气开采、水合物开采或自然条件变化会导致水合物沉积物地层(简称水合物沉 积物)中水合物分解。水合物分解一方面使沉积层中的岩土介质失去胶接，另一方面会改 变沉积层的结构，生成的气体又会增大孔隙压力，从而使该沉积物的强度降低，出现较为明 显的软弱带。水合物沉积层强度的降低是地层灾害发生的前兆，是多种地质灾害诱因，可引 起多种严重的灾害，如由于水合物分解导致的井口周围土体大变形引起的海上或海床中结 构物的破坏，如平台倾覆、油气井毁坏等。这种灾害对海床中结构物将产生严重危害，但是 对其控制参数和演化过程等方面的研究还非常缺乏。据文献记载，挪威大陆架边缘由于水 合物分解发生的海底滑坡(Stofegga滑坡)共滑走2500 3200立方公里沉积物，是目前 为止发现的最大的海底滑坡。大量的地质调查和分析表明产生该滑坡的原因是由于当时水 温增加，水合物发生了分解。水合物迅速分解将导致大面积滑坡等多种破坏形式，并可能引 起海啸。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种水合物分解致地层分层破 坏的模拟装置和方法，该装置和方法能方便的制备有层理和密度分层变化的地层，并采用 底部加热的方法，能很好地模拟地层中热从下往上的传播过程。 为实现上述目的，本发明一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，包括模型
筒，该模型筒的底面上设置有隔热板，隔热板上设置有热源，热源的上方用于堆积水合物沉
积层，模型筒内沿其高度方向设置有多个孔隙压力测试点，与每个孔隙压力测试点相同的
高度位置上还设置有温度测试点；所述温度测试点上预埋有温度传感器，所述孔隙压力测
试点上设置有孔隙压力传感器。 进一步，模型筒的上部设置有顶盖。 进一步，所述模型筒为细长圆柱状结构，所述热源为圆片状结构。
进一步，所述模型筒上沿其高度方向设置有标尺。
进一步，所述模型筒的下部设置有注液管路和注气管路。
进一步，所述温度传感器和压力传感器均由监控设备来控制，由数据处理系统进 行数据的采集分析。
—种利用上述装置进行的模拟方法，具体为 1)在模型筒中填入实验土，分几个层砸实使其具备一定的干密度，形成不含水合 物的沉积层，并在实验设定位置摆放布置热源、温度传感器和孔隙压力传感器；
2)根据实验需求的不同，沉积层上部封盖不同强度的覆盖层； 3)在制备过程中，设定一个或几个有密度和强度差异的地层界面，供观察分层破 坏现象的形成； 4)将设定量的待加溶液或待充气体填充到沉积层中，以制备相应的水合物沉积 物； 5)将模拟系统放入恒温箱内进行恒低温处理； 6)水合物沉积物形成后，关闭气源，并将内部残余气体排放，由外力通过顶盖施加 压力到水层和地层中提供分解实验时所需要的压力条件； 7)开启测量设备，设定热源条件，进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录温 度、空隙压力场的变化，同时观测分层现象； 8)记录分层的层数、各个层发生的先后时间、位置、两个层之间的厚度、孔隙压力、
温度参数。 进一步，所述步骤4)中的待加溶液为四氢呋喃水溶液，其形成的水合物沉积物为 四氢呋喃水合物沉积物。 进一步，所述步骤4)中的待充气体为甲烷，在填充甲烷气体时，需要在所述模型 筒的盖板顶部施加与气压相等的垂直载荷，以提供甲烷水合物沉积物形成时需要的压力。
进一步，所述步骤5)中的处理时间为2 3天。 本发明能模拟最大水深3000米下的地层破坏、同时采用微型孔隙压力测量孔隙 压力分布而不对地层产生明显影响、能方便地制备有节理的地层。采用底部加热的方法，能 很好地模拟地层中热从下往上的传播过程。
附图1为发明结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，包括细长圆柱 状结构的模型筒1，其便于水合物分解引起的含相变的热传导过程、沉积层或覆盖层破坏的 观察和结果分析。模型筒1的底面上设置有隔热板2，隔热板2上设置有热源3，隔热板2 用于本装置与工作台之间的隔热，使得热源3可以较好的保持恒温或者恒定功率加热，为 了与模型筒1的形状相适配，热源3为圆片状结构，其内部设置有控温器，以防止温度过高。
热源3的上方用于堆积水合物沉积层4，水合物沉积层4上方为盖层5，在制样时 在水合物沉积层4和盖层5中人为地设置一个和多个地层界面(或层理)，作为水合物分解 后分层破坏实验的薄弱位置；盖层5上方设置有模拟海水层的防冻液体层6，防冻液体层6 上方设置有可活动的模型箱顶盖7，对顶盖7施加垂直外力时，以提供地层和水合物形成所
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模型筒1上沿其高度方向设置有标尺8，标尺8用于记录不同区域的分界面以及出 现分层区域的位置和分层厚度等参数，模型筒1采用透明材质制成时，可在筒壁上直接标 识标尺8 ;当模型筒1采用非透明材质制成时，可在标尺处做成可视窗口，标定刻度；
模型筒的下部设置有注液管路9和注气管路10，注液管路9和注气管路10上均设 置有流量计17。模型筒1内沿其高度方向设置有多个孔隙压力测试点ll，与每个孔隙压力 测试点11相同的高度位置上还设置有温度测试点12 ;温度测试点12上预埋有温度传感器 13，孔隙压力测试点11上设置有孔隙压力传感器14。孔隙压力传感器14用于测量孔隙压 力场的分布，并记录气化区域；温度传感器13用于测量温度场的分布，并记录不同分解区 域；温度传感器13和孔隙压力传感器14均由监控设备15来控制，监控设备15用于实时监 测分层现象以及分解面的位置，并对照标尺记录对应位置；同时实时监测实验中合成水合 物沉积物、不同厚度和强度的覆盖层以分析覆盖层对分层的影响。实验中所得的数据均由 数据处理系统16进行数据的采集分析。
利用上述装置进行的模拟方法，具体为 1)在模型筒中填入实验土，分几个层砸实使其具备一定的干密度，形成不含水合 物的沉积物，并在实验设定位置摆放布置热源、温度传感器和压力传感器；
2)根据实验需求的不同，沉积物上部封盖不同强度的覆盖层； 3)在制备过程中，设定一个或几个有密度和强度差异的地层界面，供观察分层破 坏现象的形成； 4)如果制备四氢呋喃水合物沉积物，则预先将四氢呋喃与水配比成溶液，将设定
量的四氢呋喃水溶液通过进液口填充到沉积层中。如果制备甲烷水合物沉积物，则将甲烷
气源接通，在盖板顶部施加与气压相等的垂直载荷提供水合物形成时需要的压力； 5)将模拟系统放入恒温箱内进行恒低温处理，在恒温箱提供的低温和气源提供的
压力条件下经过2 3天的时间形成具有设定的饱和度的水合物沉积物； 6)水合物沉积物形成后，关闭液源和气源，并将内部残余气体排放，由外力通过顶
盖施加压力到水层和地层中提供分解实验时所需要的压力条件； 7)开启测量设备，设定热源条件，进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录温度 压力场的变化，同时观测分层现象； 8)记录分层的层数、各个层发生的先后时间、位置、两个层之间的厚度、压力、温度参数。 试验结果分析方法 通过温度、压力测量数据确定水合物各个分解区域根据水汽化、水合物分解液化 和气化温度，由测到的温度分布确定水合物分解区、水汽化区、液化区等的位置和形状。
通过分层的先后顺序以及位置确定分层发生的最主要原因由水合物分解区、水 汽化区、液化区等的位置、以及制样时人为设置的地层层理位置，结合压力分布、水和气体 的渗透性参数，地层与筒壁的摩擦等，分析出分层破坏的最主要原因和条件。
通过实验确定下式中的临界值A:
r ， P ^ ——"
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，A是发生破坏的临界值，P是最大孔隙压力，t是侧壁摩擦阻力，S是层理处的强度。
权利要求
一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，包括模型筒，该模型筒的底面上设置有隔热板，隔热板上设置有热源，热源的上方用于堆积水合物沉积层，模型筒内沿其高度方向设置有多个孔隙压力测试点，与每个孔隙压力测试点相同的高度位置上还设置有温度测试点；所述温度测试点上预埋有温度传感器，所述孔隙压力测试点上设置有孔隙压力传感器。
2. 如权利要求1所述的水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，所述模 型筒的上部设置有顶盖。
3. 如权利要求1所述的水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，所述模 型筒为细长圆柱状结构，所述热源为圆片状结构。
4. 如权利要求1所述的水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，所述模 型筒上沿其高度方向设置有标尺。
5. 如权利要求1所述的水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，所述模 型筒的下部设置有注液管路和注气管路。
6. 如权利要求1所述的水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，其特征在于，所述温 度传感器和压力传感器均由监控设备来控制，由数据处理系统进行数据的采集分析。
7. —种利用上述装置进行的模拟方法，具体为1) 在模型筒中填入实验土，分几个层砸实使其具备一定的干密度，形成不含水合物的 沉积层，并在实验设定位置摆放布置热源、温度传感器和孔隙压力传感器；2) 根据实验需求的不同，沉积层上部封盖不同强度的覆盖层；3) 在制备过程中，设定一个或几个有密度和强度差异的地层界面，供观察分层破坏现 象的形成；4) 将设定量的待加溶液或待充气体填充到沉积层中，以制备相应的水合物沉积物；5) 将模拟系统放入恒温箱内进行恒低温处理；6) 水合物沉积物形成后，关闭气源，并将内部残余气体排放，由外力通过顶盖施加压力 到水层和地层中提供分解实验时所需要的压力条件；7) 开启测量设备，设定热源条件，进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录温度、孔 隙压力场的变化，同时观测分层现象；8) 记录分层的层数、各个层发生的先后时间、位置、两个层之间的厚度、压力、温度参数。
8. 如权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤4)中的待加溶液为四氢呋喃 水溶液，其形成的水合物沉积物为四氢呋喃水合物沉积物。
9. 如权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤4)中的待充气体为甲烷，在填 充甲烷气体时，需要在所述模型筒的盖板顶部施加与气压相等的垂直载荷，以提供甲烷水 合物沉积物形成时需要的压力。
10. 如权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤5)中的处理时间为2 3天。
全文摘要
本发明公开了一种水合物分解致地层分层破坏的模拟装置，包括模型筒，该模型筒的底面上设置有隔热板，隔热板上设置有热源，热源的上方用于堆积水合物沉积层，模型筒内沿其高度方向设置有多个压力测试点，与每个压力测试点相同的高度位置上还设置有温度测试点；所述温度测试点上预埋有温度传感器，所述压力测试点上设置有压力传感器。本发明能模拟最大水深3000米下的地层破坏、同时采用微型孔隙压力测量孔隙压力分布而不对地层产生明显影响、能方便地制备有层理的地层。采用底部加热的方法，能很好地模拟地层中热从下往上的传播过程。
文档编号G01V9/00GK101697018SQ200910236248
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者姚海元, 张旭辉, 李清平, 王淑云, 王爱兰, 赵京, 鲁晓兵 申请人:中国科学院力学研究所;