海洋水合物振动回转微钻实验装置的制作方法

本实用新型涉及海洋水合物振动回转微钻实验技术领域，尤其涉及海洋水合物振动回转微钻实验装置。

背景技术：

天然气水合物是在低温高压环境下，由天然气和水生成的一种似冰雪状笼形化合物，凭借着储量大、范围广、热值高、燃烧清洁等优点，被世界上许多国家视为未来最有开采前景的能源。天然气水合物广泛分布于水深超过300m的深水海底沉积物以及大陆永久冻土层中，我国具有丰富的海洋水合物资源，其资源量相当于我国陆地上和近海石油天然气总资源量的一半，开采前景广阔。

天然气水合物的研究手段主要包括室内实验、模拟实验以及钻探取心研究，其中钻探取心是最直接的研究手段，是研究天然气水合物必不可少的技术手段，但是天然气水合物取心和常规地质取心有很大的不同。当进行天然气水合物钻进时，容易对天然气水合物层产生扰动，使得天然气水合物发生分解，气体的不断溢出，一方面使得天然气水合物储层的支撑作用减小，导致天然气水合物储层的力学性质下降，另一方面产生的气体会使得孔隙压力增大，降低了有效压力，使得天然气水合物储层的强度下降，产生海底滑坡等地质灾害。同时现有的天然气水合物取样方法很难获得较高的岩心采取率，钻进效率也相对较低，特别针对海洋泥质粉砂储层天然气水合物的取样方法也较少。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对目前天然气水合物取样方法在取样过程中出现的缺点，提出一种海洋水合物振动回转微钻实验装置，可以进行天然气水合物微钻模拟实验，研究振动取样在海洋泥质粉砂储层的可行性以及评价振动对水合物物性的影响。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：海洋水合物振动回转微钻实验装置，其特征在于，包括：甲烷气瓶、反应釜、钻具、低温恒温水浴箱、真空泵、振动器、回转装置及微型计算机，

所述甲烷气瓶通过第一管路与反应釜的进气口密封连接，并在第一管路上依次设置有第一压力传感器、第一阀门、压力调节器、第二阀门及气体流量计，且第一压力传感器及气体流量计通过信号线连接到微型计算机上；

所述反应釜安装在低温恒温水浴箱内，反应釜的底部设置有第二压力传感器及温度传感器，且第二压力传感器及温度传感器通过信号线与微型计算机连接；

所述真空泵通过第二管路连接到位于气体流量计和反应釜的进气口之间的第一管路上，且在第二管路上设置有第三阀门；

所述钻具的上端与回转装置连接，钻具的下端穿过反应釜顶部置于反应釜内，并在钻具与反应釜的连接处设置有动密封装置；

所述振动器设置在钻具上，振动器用于驱动钻具作纵向强迫振动；

所述回转装置用于驱动钻具转动，回转装置上设置有进尺传感器、钻压传感器及转速传感器，进尺传感器、钻压传感器及转速传感器均通过信号线与微型计算机连接。

其中，所述低温恒温水浴箱的控温范围为-10℃～25℃。

其中，所述振动器的振动频率范围为25Hz～42Hz。

其中，所述回转装置的输入轴与电动机连接，回转装置的输入轴上的齿轮和回转装置的回转器内轴一端上的齿轮啮合，位于回转器内轴另一端的锥形齿轮和钻具上的锥形齿轮啮合从而驱动钻具转动。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型提出的海洋水合物振动回转微钻实验装置及方法较为真实的模拟了海洋泥质粉砂水合物储层，利用高频振动回转的方式，提高了取样速度，提高取样的成功率，降低钻进过程中对天然气水合物的扰动；采用的振动频率远远小于微波的振动频率，不会引起天然气水合物的分解；设计钻进参数可以调节，可以测定不同钻进参数和振动频率下对天然气水合物取样的影响，可以得出最优的钻进参数和振动频率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中海洋水合物振动回转微钻实验装置的整体结构示意图。

图中各标记如下：1-甲烷气瓶；2-第一压力传感器；3-第一阀门；4-压力调节器；5-第二阀门；6-真空泵；7-第三阀门；8-气体流量计；9-反应釜；10-进气口；11-第二压力传感器；12-温度传感器；13-动密封装置；14-钻具；15-低温恒温水浴箱；16-振动器；17-回转装置；18-进尺传感器；19-钻压传感器；20-转速传感器；21-微型计算机。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。本发明中使用的“第一”、“第二”及“第三”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

本实施例以海洋泥质粉砂储层为例：泥质粉砂模拟储层按照1700g石英砂、1500g白云母、1100g方解石、800g蒙脱石、550g伊利石及500g去离子蒸馏水进行混合配置，配置过程中需要搅拌机进行辅助混合。

如图1所示，海洋水合物振动回转微钻实验装置由水合物实验系统、微钻系统、供气系统、低温恒温系统及数据采集处理系统组成，可以进行水合物微钻模拟实验，研究振动取样在海洋泥质粉砂储层的可行性以及评价振动对天然气水合物物性的影响。

所述水合物实验系统包括反应釜9，反应釜9的进气口10通过管路与甲烷气瓶1密封连接，反应釜9的下部安装有第二压力传感器11和温度传感器12，水合物实验系统为天然气水合物的合成和模拟储层的钻进提供实验环境。

所述微钻系统包括钻具14、振动器16及回转装置17，钻具14的上端与回转装置17连接，钻具14的下端穿过反应釜9顶部置于反应釜9内，并在钻具14与反应釜9的连接处设置有动密封装置13；振动器16设置在钻具14上，振动器16用于驱动钻具14作纵向强迫振动；回转装置17用于驱动钻具14转动，回转装置17上设置有进尺传感器18、钻压传感器19及转速传感器20，进尺传感器18、钻压传感器19及转速传感器20均通过信号线与微型计算机21连接，微钻系统提供激振力、钻进参数等，对合成好的天然气水合物模拟储层进行钻进。

所述供气系统包括甲烷气瓶1、第一压力传感器2、第一阀门3、压力调节器4、第二阀门5、真空泵6、第三阀门7及气体流量计8，其中，第一压力传感器2设置在甲烷气瓶1与第一阀门3之间，气体流量计8设置在第二阀门5和反应釜9的进气口10之间，各部分通过管路进行连接，最终通过进气口10与反应釜9连接；供气系统为天然气水合物的合成提供气体来源和压力环境。

所述低温恒温系统包括低温恒温水浴箱15，低温恒温水浴箱15为市场上购买的设备，低温恒温水浴箱的控温范围为-10℃～25℃，低温恒温方式为水浴调节方式，水浴介质为酒精或者乙二醇，反应釜9安装在低温恒温水浴箱15内，低温恒温系统为天然气水合物的合成和模拟钻进提供温度环境。

所述数据采集处理系统包括第一压力传感器2、第二压力传感器11、气体流量计8、温度传感器12、进尺传感器18、钻压传感器19、转速传感器20及微型计算机21，其中各个传感器安装在其他系统中，通过信号线连接到微型计算机21，数据采集处理系统对采集到的数据进行处理。

进一步，微钻系统的振动器16需要单独配置电动机驱动；

振动器16的振动频率应达到高频振动的频率范围，即25Hz～42Hz。

钻进参数可以进行调节，便于在不同的钻进参数下进行实验研究。

反应釜9的功能不仅包括作为微钻实验的进行场所，还包括进行天然气水合物的合成和分解的功能，其中动密封装置13应该能够耐受较高的压力，耐压至少20MPa。

反应釜9下部需要固定，防止钻进过程中反应釜9移动造成安全事故。

优选的，所述回转装置17的输入轴与电动机连接，回转装置17的输入轴上的齿轮和回转装置17的回转器内轴一端上的齿轮啮合，位于回转器内轴另一端的锥形齿轮和钻具14上的锥形齿轮啮合从而驱动钻具14转动。

海洋泥质粉砂储层天然气水合物振动回转微钻模拟实验方法包括以下步骤：

(一)系统调试：在天然气水合物合成之前预先调试好钻进系统，检查振动器16和回转装置17的工作状态和性能及进尺传感器18、钻压传感器19、转速传感器20的灵敏度，之后将所有的阀门全部关闭，连接甲烷气瓶1等实验装备，预先通入气体进行试压，确保管路无漏气；

(二)储层材料制备与装填：分别称量1700g石英砂、1500g白云母、1100g方解石、800g蒙脱石、550g伊利石及500g去离子蒸馏水作为储层材料，将储层材料分几次导入搅拌机中搅拌均匀，将搅拌好的混合材料全部倒入预先清洗烘干的反应釜9中，同时使用去离子蒸馏水冲洗搅拌机，并将其冲洗搅拌机的去离子蒸馏水倒入至反应釜9中，所用冲洗搅拌机的去离子蒸馏水计入总去离子蒸馏水的用量中，得到模拟储层，将模拟储层捣实，密封反应釜9；

(三)抽真空处理：打开第三阀门7，使用真空泵6抽走反应釜9和管路中的空气，排除实验过程中空气的影响，完毕后关闭第三阀门7；

(四)合成天然气水合物：利用低温恒温水浴箱15调节水浴温度到2℃。拧开甲烷气瓶1，打开第一阀门3，使用压力调节器4将甲烷气瓶1输出的气体压力调节平稳后打开第二阀门5，通过进气口10将甲烷气体缓慢通入反应釜9内，通过反应釜9上安装的第二压力传感器11检测反应釜9内的压力情况，根据气体流量计8检测通入反应釜9内甲烷气体的量，当反应釜9内的压力达到预定压力8MPa后，关闭第二阀门5，开始合成天然气水合物，合成过程中通过温度传感器12检测反应釜9中的温度变化；

(五)微钻实验：待天然气水合物合成完毕，开动钻机，调节钻进参数，其中钻进参数包括钻压、转速及振动频率，驱动钻具14进行钻进实验；钻进过程中通过第二压力传感器11、温度传感器12检测反应釜9内温度和压力的变化，通过进尺传感器18、钻压传感器19、转速传感器20记录钻进参数，当钻进深度达到预定深度100mm时，停止钻进，进行提钻取心；

(六)结果分析：对钻取岩心进行饱和度等测试，并结合相应的钻进参数，分析实验数据。