专利名称：水合物开采技术综合实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及天然气水合物领域，特别是涉及一种天然气水合物开采技术综合实验系统。
背景技术：
随着油气可开采量的逐渐减少和消耗量的逐渐增加，水合物开采的迫切性日益显著。为了研究深海海域含不同沉积物的天然气水合物的物理和力学特性，为我国海洋天然气水合物的开采提供准确参数，必须弄清楚天然气水合物的分解条件、热力学参数、力学参数、分解前后的地层的材料参数变化等等，为开采可行性分析、开采方法、开采后地层稳定性提供基础数据。进行水合物实验要求高压低温条件，需要有独立的实验空间，因此，建成一套综合实验平台是较节省经费和空间而且方便的办法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种通过保持整体环境一致，准确模拟水合物的开采前后的真实环境，以保证实验过程中数据的准确性的水合物开采技术综合实验系统。
为实现上述目的，本发明一种水合物开采技术综合实验系统，包括水合物合成与分解模块、水合物开采模拟模块、参数分析模块、高压低温环境模块和控制模块；其中，水合物合成与分解模块负责模拟水合物合成与分解所需的环境；水合物开采模拟模块模拟不同条件下，水合物的开采和运送过程；参数分析模块负责分析含水合物的沉积层在水合物开采前后的参数变化；高压低温环境模块负责使整个实验系统处于整体一致的环境内；控制模块与其余模块相连，并根据指令控制所有模块进行统一协调的工作。
进一步，还包括图像测量及分析模块，负责对参数分析模块的实验过程进行图像自动采集和分析。
进一步，所述水合物合成与分解模块包括盐浴槽池、供气系统、增压系统、高压釜和磁力搅拌机；其中，盐浴槽池根据指令配置一定浓度的盐液，供气系统在增压系统和磁力搅拌机的作用下，向高压釜内输入气体。
进一步，所述水合物开采模拟模块包括机器人和实验仪器，该机器人在控制模块的控制下，操作实验仪器，实现水合物的开采和运送。
进一步，所述参数分析模块包括孔隙水测量仪、气相色谱、粒度仪、X衍射水合物识别系统和高压低温静动三轴仪；其中，孔隙水测量仪测量孔隙水的含量，气相色谱仪测量气体含量，粒度仪测量水合物粒度的尺寸，X衍射水合物识别系统识别沉积物中的水合物，高压低温静动三轴仪测量应力应变关系、强度参数、渗流参数和蠕变特性。
进一步，所述高压低温环境模块包括制冷系统和增压系统，制冷系统使整个系统的达到要求的低温环境，增压系统保证水合物的合成、开采、运送及参数分析的空间保持要求的高压环境。
进一步，所述水合物合成与分解模块还包括光纤探头，光纤探头设置在所述高压釜内，光纤探头与控制系统相连。
本发明水合物开采技术综合实验系统，通过实现整体环境的一致性，正确模拟水合物开采过程中，水、气和热的流动特性，模拟按照一定的条件对水合物进行开采，实现对地层压实和滑坡可能性分析、经济性分析、开采方式的分析和评估开采井的产能和配置。
图1为本发明水合物开采技术综合实验系统的流程图；图2为水合物合成与分解部分的局部结构示意图。
具体实施例方式
图1中，水合物开采技术综合实验系统包括水合物合成与分解模块、水合物开采模拟模块、参数分析模块、高压低温环境模块和控制模块。水合物合成与分解模块创造水合物的合成环境，在该合成环境中，完成纯水合物及沉积物中水合物的合成；水合物开采模拟模块是由机器人通过水合物移动通道，将样品从合成与分解模块运送到该模块，进行进一步的开采模拟试验；参数分析模块通过对纯水合物样品的实验，以及含水合物的沉积物样品在水合物分解前后的力学参数变化，得到水合物的力学性质及水合物在分解前后的力学参数变化，为开采模拟分析提供基础数据；高压低温环境模块保证整个实验系统处于整体一致的高压低温环境内，保证分析采集的水合物样品的分析环境的一致性；控制模块与所有的模块相连，控制模块根据操作者的指令，控制所有模块按照一定的程序，并通过高压低温环境模块及时调整系统的高压低温环境空间，并保证系统内各模块进行统一协调的工作。本实验系统能够对水合物合成与分解条件、水合物性质、开采前后海底地层土性参数的变化、滑坡可能性的判别、水合物开采后海底地层压实的大小进行分析。
图2中，天然气组分气瓶2通过高压泵5和流量计13后与高压平衡釜3的气相口7相通，盐浴槽池1内的盐液经过液体加料泵14后与高压平衡釜3液相口9相连，磁力搅拌机4设置在高压平衡釜3下端。高压平衡釜3上设置有气相口7、压力表口8、液相口9、安全阀11、玻璃视镜6和测温口10，其中，气相口7供进气用，液相口9供进出盐液，安全阀11带有排气阀口，通过排气阀与外部接收气瓶17相连，通过玻璃视镜6可以直接观察高压平衡釜3内的相变情况；压力表口8还带压力传感器，用来显示压力及进行采集压力，测温口10通过温度计15测量釜内的温度。压力传感器和温度计15将采集的数据传输给控制系统16。釜体的工作介质为海水、天然气和沉积物。釜体均为内外球形，受力效果好，釜壁较薄。增压采用气体高压泵5及相关配套装置，可将低压天然气增压至40MPa以上，该装置工作稳定，性能可靠，占地面积小，并设有安全排气装置。制冷系统通过压缩机制冷，盐浴槽池1根据需要配置一定浓度的盐液。另外还可以在高压平衡釜3内安装光纤探头12，通过光纤探头12将采集的图像资料传输至控制系统，控制系统通过图像分析直接获取实验现象第一手资料。还可在高压平衡釜3内设置声发射设备，该声发射设备与控制系统相连。
水合物合成和分解模块的设计压力高，使实验系统能够适应深水区域(0-3000m水深压力)的天然气水合物；可视化程度高，不仅可以直接看见高压装置内的相变情况，还能通过光纤在不同部位摄像，直接获取实验现象的第一手材料；测试手段多，根据水合物沉积层具有高声波速的特征，采用声发射设备随时记录相的变化，判断水合物的形成和分解；自动化程度高，所有仪表均采用数字显示，并通过计算机软件自动采集。
机器人在控制系统的控制下，操作实验仪器，实现水合物的开采和运送，机器人可以在封闭的环境中进行运输、实验仪器操作、开挖、CPT测试等。操作者通过控制系统能控制机器人自由运动，运送物体，简单开挖。水合物样品通过参数分析模块进行分析测试，参数分析模块内的孔隙水测量仪测量样品的孔隙水的含量，气相色谱仪测量样品的气体含量，粒度仪测量水合物粒度的尺寸，X衍射水合物识别系统识别沉积物中的水合物，高压低温静动三轴仪对纯水合物样品或含水合物的沉积物，进行静态或动态的单向或双向加载实验，得到纯水合物样品或含水合物的沉积物应力应变关系、强度参数、渗流特性和蠕变特性，从而得到水合物分解、渗流的基本参数，为开采提供基础。同时，还可以设置图像测量及分析系统，该系统通过在参数分析模块的各仪器处设置探头，进行图像采集，并输送至图像测量及分析仪器，对实验过程进行图像自动采集和分析变形、气体成分等，能自动采集图片，储存，分辨数码图片，根据连续的图片分析研究对象的变形、气体成分变化等。这种非接触式测量可以避免对样品的扰动，也不受高压等特殊环境的限制。
高压低温环境模块包括压缩机和气体增压泵，通过压缩机使整个系统环境的温度达到低温要求，通过气体增压泵保证水合物的合成、开采、输送、及参数分析的空间保持高压环境。
权利要求
1.一种水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，包括水合物合成与分解模块、水合物开采模拟模块、参数分析模块、高压低温环境模块和控制模块；其中，水合物合成与分解模块负责模拟水合物合成与分解所需的环境；水合物开采模拟模块模拟不同条件下，水合物的开采和运送过程；参数分析模块负责分析含水合物的沉积层在水合物开采前后的参数变化；高压低温环境模块负责使整个实验系统处于整体一致的环境内；控制模块与其余模块相连，并根据指令控制所有模块进行统一协调的工作。
2.根据权利要求1所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，还包括图像测量及分析模块，负责对参数分析模块的实验过程进行图像自动采集和分析。
3.根据权利要求2所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，所述水合物合成与分解模块包括盐浴槽池、供气系统、增压系统、高压釜和磁力搅拌机；其中，盐浴槽池根据指令配置一定浓度的盐液，供气系统在增压系统和磁力搅拌机的作用下，向高压釜内输入气体。
4.根据权利要求3所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，所述水合物开采模拟模块包括机器人和实验仪器，该机器人在控制模块的控制下，操作实验仪器，实现水合物的开采和运送。
5.根据权利要求4所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，所述参数分析模块包括孔隙水测量仪、气相色谱、粒度仪、X衍射水合物识别系统和高压低温静动三轴仪；其中，孔隙水测量仪测量孔隙水的含量，气相色谱仪测量气体含量，粒度仪测量水合物粒度的尺寸，X衍射水合物识别系统识别沉积物中的水合物，高压低温静动三轴仪测量应力应变关系、强度参数、渗流参数和蠕变特性。
6.根据权利要求5所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，所述高压低温环境模块包括制冷系统和增压系统，制冷系统使整个系统的达到要求的低温环境，增压系统保证水合物的合成、开采、运送及参数分析的空间保持要求的高压环境。
7.根据权利要求6所述水合物开采技术综合实验系统，其特征在于，所述水合物合成与分解模块还包括光纤探头，光纤探头设置在所述高压釜内，光纤探头与控制系统相连。
全文摘要
本发明公开一种水合物开采技术综合实验系统，包括水合物合成与分解模块、水合物开采模拟模块、参数分析模块、高压低温环境模块和控制模块；水合物合成与分解模块模拟水合物合成与分解所需的环境；水合物开采模拟模块模拟不同条件下，水合物的开采和运送过程；参数分析模块分析含水合物的沉积层在水合物开采前后的参数变化；高压低温环境模块使整个实验系统处于整体一致的环境内；控制模块控制所有模块进行统一协调的工作。本发明通过实现整体环境的一致性，正确模拟水合物开采过程中，水、气和热的流动特性，模拟按照一定的条件对水合物进行开采，实现对地层压实和滑坡可能性分析、经济性分析、开采方式的分析和评估开采井的产能和配置。
文档编号E21B43/01GK1757879SQ20051012330
公开日2006年4月12日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者鲁晓兵, 王淑云, 时忠民 申请人:中国科学院力学研究所