专利名称：一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的装置和实验方法
技术领域：
本发明涉及到水合物分解领域，尤其是水合物分解导致的地层破坏模拟的实验装
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层中水合物分解。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，生成气又 会增大孔隙压力，从而使该沉积层的强度降低。水合物沉积层强度的降低可引起多种严重 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(Storegga)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。
目前世界上对于该问题的研究成果很少，现场数据更少，因此必须首先通过实验 获得水合物沉积物的基本参数、分解过程中渗流和热扩散的规律，以及水合物分解后地层 的强度等。 并且通过实验获得水合物引起的地层破坏的条件、主要特征和现象，为工程设计 提供依据。
发明内容
沉积物中水合物分解可能引起突出喷发破坏的灾害，本实验装置主要用于模拟沉 积物水合物热分解，且分解产生气体不能迅速排出的条件下，沉积层内压力温度的演化规 律和水合物分解前锋的推进规律，探索水合物分解后高压气体引起的突出喷发破坏灾害评 估方法。 —种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验装置包括，带有顶盖的模型箱， 模型箱四周封闭，能抵抗水合物形成和模拟地层应力所需要的压力；顶盖能上下移动，作为 实验需要提供大于1个大气压的压力时施加外力的位置，并在顶盖预留孔口供分解实验时 排气用；模型箱的边壁涂有隔热涂料，使得边壁与外界具有隔热功能；在模型箱下部设置沉积物层以形成水合物地层，沉积物层上方为不含水合物的盖层，盖层上方为模拟海水层 的防冻液体层，水层上方为可活动的模型箱顶盖；模型箱内还设置有流量计、孔压计、温度 传感器、热源、监控设备、采集和数据处理系统；流量计主要用于控制进入沉积层孔隙中的 水量或气量，即将水或气的饱和度定量化，满足试验需求；孔压计用于测量布置点的压力， 沿竖直方向布置若干孔压计实时记录沉积层内的压力场；温度传感器用于实时记录沉积层 内的温度场；热源用于满足恒温或者恒定功率的加热条件；监控设备用于远程实时记录水 合物分解前锋的推进、水合物分解后的混合物突出前后覆盖层表面的变化、气体突出过程， 保证安全和记录准确；采集和数据处理系统用于采集并处理实时记录的数据。
进一步，所述模型箱形状为长方体或圆柱体。 进一步，所述模型箱顶盖根据实验条件的不同选择不同材料制成形成四氢呋喃 水合物沉积物时采用有机玻璃材料；形成甲烷水合物沉积物，采用高强度不锈钢材料。
—种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验方法，包括以下步骤
(1)在模型箱中填入实验土，分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、温度传感器及孔压计。根据实验需求的不同，沉 积层上部封盖不同强度的覆盖层； (2)将一定量的水通过进液口渗入到沉积层中，在形成四氢呋喃水合物沉积物时， 预先将四氢呋喃与水配比成溶液，均匀的渗入沉积层；在形成甲烷水合物地层时，则继续将 甲烷气源接通使其渗入地层，这时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。然后将系统放入恒温箱内。
(3)由温控箱提供低温，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；
(4)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实验需要的围压条件，开启所有测量设备，并设定一定的热源 条件，进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化。 (5)试验进行到突出灾害的发生，记录这一时刻的水合物分解前缘、压力场分布、 温度场分布、喷出土量和气量，并观测突出方式及相关几何参数。 —种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验结果分析方法，首先根据实验测 量水合物分解前缘、压力场和温度场分布，确定水合物分解混合物在沉积层中的分布的几 何形状和压力，再根据沉积层及覆盖层的力学性质和几何参数，确定可能发生突出破坏的 临界条件、破坏范围和喷出量；其中，临界条件为 Pg " A (/7C + pmgz)/
s 1 — V
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(1) p。为大气压，P m为土体密度，g为重力加速，z为垂直坐标，V为泊松比，h为盖层
厚度，R为水合物分解区特征长度，Pg为临界压力， 破坏范围L为 丄《5(及+ 2/ztan伊) (2) 式中( 为盖层的内摩擦角。其中的系数B根据实验数据由式(2)反演确定； 喷出量Q由下式确定
g = C
(3) a ， |3 ， C为常系数，根据实验数据由式(3)反演确定。
图1为本发明中实验装置的截面主视图；
图2为本发明中实验装置的截面侧视图；
图3为一个实验测得的地层中的压力和温度；
图4为另一个实验测得的另地层中的压力和温度。
具体实施例方式
如图1、2所示，模型箱9形状为长方体或圆柱体，四周封闭能抵抗水合物形成和模 拟地层应力所需要的压力，顶盖2能上下移动作为实验需要提供大于1个大气压的压力时 施加外力的位置，并在顶盖2预留孔口供分解实验时排气用。根据实验条件的不同选择不 同材料制成若形成四氢呋喃水合物沉积物可采用有机玻璃材料便于直接观察；若形成甲 烷水合物沉积物，需采用高强度不锈钢材料。模型箱的边壁涂有隔热涂料，使得边壁与外界 隔热功能，在模型箱下部为沉积物层16以形成水合物地层，沉积物层16上方为不含水合物 的盖层10，盖层10上方为模拟海水层的防冻液体层3，防冻液层上方为可活动的模型箱顶 盖2，垂直外力施加于顶盖上提供地层和水合物形成所需要的压力条件。流量计11主要用 于控制由进液口进入沉积层孔隙中的水量或气量，即将水或气的饱和度定量化，满足试验 需求；孔压计5用于测量布置点的压力，沿竖直方向布置若干孔压计5实时记录沉积层内的 压力场；温度传感器15用于实时记录沉积层内的温度场；热源6用于满足恒温或者恒定功 率的加热条件；监控设备7用于远程实时记录水合物分解前锋的推进、水合物分解后混合 物(水、气、土颗粒)突出前后覆盖层表面的变化、突出过程，保证安全和记录准确；采集和 数据处理系统1用于采集并处理实时记录的数据。
实验步骤
如图1、2所示 1.在模型箱9中填入实验土，分层砸实使其具备一定的干密度，该密度按照海底 实际地区的情况取值。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6、温度 传感器15及孔压计5，根据对称性，热源6放在下部水合物层的正中间。因为模型是对称的， 温度传感器15在上层和下层均以不小于2cm的间距进行布置，且一边传感器布置在上层， 一边传感器布置在下层，这样避免传感器对土体的干扰，又可以测到整个温度场的分布；孔 压计5布置与温度传感器6对应布置并紧挨着，便于数据分析。根据实验需求的不同，沉 积层上部封盖不同强度和厚度的覆盖层，例如为模拟盖层IO被掀开然后突出的情况，盖 层的强度要高(大于108Pa)且呈脆性；如模拟局部开孔破坏情况，则盖层厚度至少有下面 水合物层厚度的一半，且有局部强度低的位置，强度小于106Pa，其他位置的盖层强度大于 107Pa ; 2.将一定量的水通过进液口 13渗透到沉积层中，若形成四氢呋喃水合物沉积物， 预先将四氢呋喃与水配比成溶液，均匀的渗入沉积层；如形成甲烷水合物地层，则在水完全渗入后，继续将甲烷接通并使其渗入地层，这时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。然后将系统放入恒温箱内8 ; 3.由温控箱提供低温，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；
4.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地层的围压，如模拟3000米水下的地层，则加围压30MPa。开启所 有测量设备，并设定一定的热源条件，热源条件即使加热装置如加热棒输出设定的温度如 100° ，200° ，300°等，或输出设定的功率如100W，500W，1000W等，大小的确定主要根据研
究的实际情况确定，进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化，如温度、 孔压等； 5.试验进行到喷发突出灾害的发生，记录这一时刻的水合物分解前缘、孔隙压力
场分布、温度场分布、喷出土量和气量，并观测突出方式及测定相关几何参数。 试验结果分析方法 通过本实验装置开展的模型试验，找到水合物分解且气体不能快速排出条件下， 沉积物中水合物分解喷发突出的判据。如图3、4所示，首先根据实验测量水合物分解前缘、 压力场和温度场分布，确定水合物分解区在沉积层中的分布的几何形状和压力，再根据沉 积层及覆盖层的力学性质(刚度、强度)和几何参数(厚度等)，确定可能发生突出破坏的 临界条件、破坏范围和喷出量。
临界条件确定
2v ~(Pc+Pwgz)
卜v
1
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)3
3 + 4v
/ A Z 、3 (—+ —V
6王 p。为大气压，P m为土体密度，g为重力加速，z为垂直坐标，V为泊松比，h为盖层 厚度，R为水合物分解区特征长度，Pg为临界压力，由实验数据确定上式中的系数A，就得到 临界破坏条件的应用公式。
破坏范围L由下式确定 丄《5(i + 2/ ta—
P为盖层的内摩擦角。其中的系数B根据实验数据由上式反演确定。
喷出量Q由下式确定 AY
g = C"广
、 a ， |3 ， C为常系数，根据实验数据由上式反演确定。
权利要求
一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验装置包括，带有顶盖的模型箱，模型箱四周封闭，能抵抗水合物形成和模拟地层应力所需要的压力；顶盖能上下移动，作为实验需要提供大于1个大气压的压力时施加外力的位置，并在顶盖预留孔口供分解实验时排气用；模型箱的边壁涂有隔热涂料，使得边壁与外界具有隔热功能；在模型箱下部设置沉积物层以形成水合物地层，沉积物层上方为不含水合物的盖层，盖层上方为模拟海水层的防冻液体层，水层上方为可活动的模型箱顶盖；模型箱内还设置有流量计、孔压计、温度传感器、热源、监控设备、采集和数据处理系统；流量计主要用于控制进入沉积层孔隙中的水量或气量，即将水或气的饱和度定量化，满足试验需求；孔压计用于测量布置点的压力，沿竖直方向布置若干孔压计实时记录沉积层内的压力场；温度传感器用于实时记录沉积层内的温度场；热源用于满足恒温或者恒定功率的加热条件；监控设备用于远程实时记录水合物分解前锋的推进、水合物分解后的混合物突出前后覆盖层表面的变化、气体突出过程，保证安全和记录准确；采集和数据处理系统用于采集并处理实时记录的数据。
2. 根据权利要求l中所述的实验装置，其特征为，所述模型箱形状为长方体或圆柱体。
3. 根据权利要求l中所述的实验装置，其特征为，所述模型箱顶盖根据实验条件的不 同选择不同材料制成形成四氢呋喃水合物沉积物时采用有机玻璃材料；形成甲烷水合物 沉积物，采用高强度不锈钢材料。
4. 一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验方法，包括以下步骤(1) 在模型箱中填入实验土，分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、温度传感器及孔压计；根据实验需求的不同，沉积层 上部封盖不同强度的覆盖层；(2) 将一定量的水通过进液口渗入到沉积层中，在形成四氢呋喃水合物沉积物时，预先 将四氢呋喃与水配比成溶液，均匀的渗入沉积层；在形成甲烷水合物地层时，则继续将甲烷 气源接通使其渗入地层，这时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；然后将系统放入恒温箱内。(3) 由温控箱提供低温，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合物沉积物；(4) 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实验需要的围压条件，开启所有测量设备，并设定一定的热源条件， 进行沉积物中水合物分解试验，并实时记录各个参数的变化；(5) 试验进行到突出灾害的发生，记录这一时刻的水合物分解前缘、压力场分布、温度 场分布、喷出土量和气量，并观测突出方式及相关几何参数。
5. —种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验结果分析方法，首先根据实验测量 水合物分解前缘、压力场和温度场分布，确定水合物分解混合物在沉积层中的分布的几何 形状和压力，再根据沉积层及覆盖层的力学性质和几何参数，确定可能发生突出破坏的临 界条件、破坏范围和喷出量；其中，临界条件为<formula>formula see original document page 2</formula>P。为大气压，P m为土体密度，g为重力加速，Z为垂直坐标，V为泊松比，h为盖层厚度，<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本发明公开了一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验装置包括，带有顶盖的模型箱，模型箱内还设置有流量计、孔压计、温度传感器、热源、监控设备和采集和数据处理系统。并提供了一种柱形水合物沉积物热源周围含相变热传导测量实验方法，以及试验结果的分析方法。
文档编号G01N33/24GK101701955SQ20091023693
公开日2010年5月5日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27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