[发明专利]模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置和测试方法

说明书

本发明属海洋能源土开采力学测试领域，具体地，涉及一种模拟水合物开采引起海洋能源土‑井耦合作用的测试装置和测试方法。测试装置包括三轴压力室、应力加载系统、供气增压系统、恒温水浴、开采井、回压阀、气液分离回收系统和数据采集系统；应力加载系统与三轴压力室连接，实现不同应力方式加载；供气增压系统与三轴压力室连接，提供气源并控制气体压力施加，生成水合物；恒温水浴系统将三轴压力室无缝包围，控制室内温度；开采井放置于试样内部，安装至三轴压力室中，模拟开采引起的土‑井耦合作用；回压阀与三轴压力室连接，降压实现水合物分解；气液分离回收系统与回压阀连接，对气体、液体进行计量并回收；数据采集系统定时采集试验数据并予以存储处理。本发明可实现海洋水合物能源土的生成，并可准确测试海洋水合物开采引起能源土‑井耦合作用。

技术领域

本发明属海洋能源土开采力学测试领域，具体地，涉及一种模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置和测试方法。

背景技术

天然气水合物作为一种新型清洁能源，污染小，资源潜力巨大。因此水合物的开采成为当今世界的研究热点。据统计，全球约99％以上的水合物稳定存在于海底低温高压环境中，并与砂土混合形成海洋能源土。海洋能源土成岩性差、抗剪强度低，水合物在其孔隙中起到了有效的胶结作用。在开采过程中，水合物的分解会改变能源土的饱和度、强度和刚度等，使得能源土孔隙压力增大，土层有效应力和胶结强度减小，引发生产井周围地层变形，进而对井筒力学特性产生影响，甚至引发井壁失稳、海底滑坡、海地面沉降等地质灾害。然而以往有关水合物的研究主要集中于产能评价和沉积物的力学特性，忽略了水合物开采对土体和井筒的影响；因此开展水合物开采对海洋土- 井耦合作用的研究对水合物开采具有重要的意义。

海洋能源土力学性质是目前的研究重点之一，周家作等在文《多功能水合物沉积物三轴试验系统的研制与应用》(岩土力学，41(1)： 343-352，2020.)中总结已有的试验经验，提出了一种新型多功能水合物沉积物三轴试验系统。该系统包括供排气模块、应力加载模块、温控模块、数据采集模块和辅助模块，各部分相对独立且具有良好的协同与拓展性。采用液压泵进行围压和轴压的加载，通过不同的加载模式实现水合物合成、三轴剪切、体变测量和水合物分解测试。此系统能够精确测试三轴试验过程中的体积变形，控制分解的温度气压条件并测试分解过程中的变形，可以为水合物沉积物力学特性研究奠定实验基础。但是水合物开采引起土体力学参数改变，进而影响井筒的力学性质，而上述试验系统没有考虑水合物开采对生产井的影响。

在参阅国内相关资料的基础上，认为现有的水合物三轴试验装置存在一定局限性，不能同时考虑水合物开采对土体和井筒的影响。本发明在当今现有水合物试验设备的基础上进行改进，发明一种模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置和测试方法。该装置可实现海洋能源土的生成，进行能源土样与井筒接触面力学特性试验，并且可以模拟水合物开采引起的土-井耦合作用，为研究水合物开采对海洋能源土-井耦合作用的影响提供良好的试验技术支持。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置和测试方法。该装置可测量水合物开采过程中土体的应变、井筒的应力以及气体压强的变化，利用数据采集系统进行显示，操作简单，结果可靠。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下：

模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，包括：三轴压力室、应力加载系统、供气增压系统、恒温水浴系统、开采井、回压阀、气液分离回收系统和数据采集系统；其中：应力加载系统与三轴压力室连接，实现不同应力方式加载；供气增压系统与三轴压力室连接，提供气源并控制气体压力施加，生成水合物；恒温水浴系统将三轴压力室无缝包围，控制室内温度；开采井放置于试样内部，安装至三轴压力室中，模拟开采引起的土-井耦合作用；回压阀与三轴压力室连接，降压实现水合物分解；气液分离回收系统与回压阀连接，对气体、液体进行计量并回收；数据采集系统定时采集试验数据并予以存储处理。