[发明专利]一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置

说明书

本发明属于岩土工程技术领域，提出了一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置。该天然气水合物开采模拟装置包括外部壳体、高压反应釜、可视窗、温度控制系统、压力控制系统、开采井和高速摄像系统；利用鼓式离心机创造超重力场进行模拟天然气水合物储层的真实环境，进行实现天然气水合物降压开采实验模拟，能够较好地克服海底被海水覆盖的局限，较为直观、准确地显示土体在自重应力作用下的变形状态和破坏过程，进而反映出真实的地层响应。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置。

背景技术

天然气水合物是一种由水和天然气在低温高压下生成的类冰的笼形结晶化合物，天然气水合物广泛分布于全球大陆外边缘和永久冻土带，储量巨大，是有望替代传统化石燃料的新一代清洁能源。然而，天然气水合物是一种亚稳态物质，在开采过程中，温度与压力的变化势必会引起水合物储层结构的变化，导致储层强度衰减及储层变化，进而影响到开采工程设施的安全性，甚至诱发海底滑坡等地质灾害。因此，水合物分解引起地层稳定性问题是深海油气和将来的天然气水合物开发中海床安全性评估需要解决的关键问题之一。

土工离心模型实验是将原型实体按几何尺寸缩小制成模型，放在高加速度场中达到与原型相同的应力状态，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，从而再现原型特性，是目前国际岩土工程界广为关注和大力研究发展的一项物理模拟技术，几乎已应用到岩土工程的所有领域。其优点是能以原材料模型在原型应力状态下显示出土体变形的全过程，可较真实地模拟土体的应力应变本构关系。将离心模拟实验技术应用到对含天然气水合物的沉积物的研究中，能够较好地克服海底被海水覆盖的局限，较为直观、准确地显示土体在自重应力作用下的变形状态和破坏过程，是研究海底斜坡稳定性的有效方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，利用土工离心机创造超重力场来模拟天然气水合物储层的真实环境，进行天然气水合物降压开采实验模拟，进而反映出真实的地层响应。

本发明通过以下技术方案实现：一种适用于鼓式离心机的天然气水合物开采模拟装置，该天然气水合物开采模拟装置包括外部壳体1、高压反应釜9、可视窗、温度控制系统、压力控制系统、开采井14和高速摄像系统；

外部壳体1前端开口，开口四周设有螺纹孔以及密封圈凹槽6，用于与高压反应釜9密封连接；外部壳体1后端端面为圆曲面，用于与鼓式离心机内部贴合，同时对整个开采模拟装置提供支撑；外部壳体1侧面设有进水口7、出水口8和正方形可视窗2；正方形可视窗2中间通过法兰盘和螺栓配合，密封固定安装透明玻璃3；外部壳体底面5宽度大于两侧面间距，外部壳体底面5两端设有螺纹孔，通过与螺栓配合固定于鼓式离心机的环形模型槽；

高压反应釜9置于外部壳体1内，其内部为椭圆柱形空腔；反应釜前端18为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体1端面一致，其上加工有螺纹孔，用螺栓与外部壳体1进行连接；反应釜后端19为一体结构的突出板，尺寸与外部壳体1的内侧一致；高压反应釜9前后端面均通过密封圈11和螺栓密封连接有密封盖；后密封盖10整体表面光滑；前密封盖12中心处开有小孔，分别为开采井孔20和数据采集孔13，开采井孔20用于安装开采井14，数据采集孔13用于安装传感器数据线；高压反应釜9两侧面均开有长方形可视窗15，位置与正方形可视窗2位置相对应；长方形可视窗15通过螺栓和法兰盘密封固定耐高压透明玻璃17。

开采井14为弹性管，其通过开采井孔20伸入至高压反应釜9内部，伸入部分的井壁安装有应变片22，用于测量开采过程中井壁的受力及变形情况；开采井14最前端安装电磁减压阀21，用于降压开采模拟。

温度控制系统包括制冷循环水浴23、水浴连接管路24和测温元件25，制冷循环水浴23置于鼓式离心机侧，利用水浴连接管路24连接进水口7和出水口8；通过外部壳体1与高压反应釜9之间的密封空腔进行制冷剂循环，用于保证高压反应釜9内的温度稳定；测温元件25置于高压反应釜9内部进行温度的实时测量。