[发明专利]一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法

说明书

本发明提供了一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法，属于天然气水合物开采技术领域，适用于研究天然气水合物开采时周围岩体的破裂情况及移动。本装置在天然气水合物开采模拟系统基础上添加声发射监测系统，不仅可以实时观测水合物降压分解过程中的沉积物结构的轴向形变量，形成数据及图像，并可利用软件进行后处理与分析，而且可以通过声发射监测装置监测周围岩体的破裂及位移，研究其对天然气水合物开采的影响。特殊的活塞结构，能够减少石英砂的排出，同时，设置的激光测距传感器一方面能进行活塞位移距离测定，另一方面还能反映液压系统的问题情况和出砂情况。液控系统能够通过进退阀并利用平流泵注水来控制液压缸的升降，以调解反应釜的活塞杆所承受的轴压，储层上覆层压力恒定。

技术领域

本发明属于天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物（可燃冰）作为一种新型能源，因其燃烧只产生水和二氧化碳，十分清洁环保，所以备受关注。据统计，全球有10%的海底区域都储存着可燃冰，分布于世界各个大洋边缘海域的大陆坡、大陆隆和盆地，等等。而我国的可燃冰储存量丰富，主要集中在我国南海东海海域、青藏高原以及东北冻土区域中，其中南海海域是我国可燃冰最主要的分布区，数据显示，全国可燃冰资源储存量大约有1000亿吨油当量，而近800亿吨都位于南海。但是海底可燃冰开采十分困难，因其在海底松散的沉积泥土中，开采可燃冰后，在海底水压作用下，极易引发周围结构塌陷，引发震动进而引起海啸等灾害。

针对可燃冰开采过程中海底结构塌陷，目前的模拟装置大多只能实现可视观测，并不能实现定量分析。例如，中国专利ZL202011467473.4公开了一种地层坍塌实验装置及模拟方法，用于天然气水合物储层开采过程中地层坍塌的模拟，其将容器、模拟井筒等由透明玻璃板制作而成，实现全程可视化模拟。因此，为了满足教学、示范要求，更准确的模拟天然气水合物储层开采过程中的地层坍塌情况，有必要对现有技术进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种监测天然气水合物开采状态的实验装置及方法，以更加准确的监测天然气水合物储层开采过程中地层坍塌的情况。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种监测天然气水合物开采状态的实验装置，其包括天然气水合物储层模拟单元、天然气水合物生成单元、地层压力模拟单元、天然气水合物开采单元、数据采集单元和中央处理单元，其中，天然气水合物储层模拟单元包括机架，机架包括底座、顶板以及连接在底座和顶板之间的支撑件，机架的底座中部设置有反应釜，反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，反应釜本体内由下向上依次设置有模拟水合物层、第一活塞和活塞杆，活塞杆下端连接在第一活塞上部，活塞杆上端穿出反应釜的顶盖，反应釜本体四周设置有温控单元；

天然气水合物生成单元包括第一管路、第二管路和第三管路，第一管路包括依次连接的真空泵和缓冲容器，缓冲容器远离真空泵的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与反应釜本体内的模拟水合物层连通；第二管路包括依次连接的高压气瓶、调压阀和单向阀，单向阀远离调压阀的一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层连通；第三管路包括平流泵，平流泵一端连接储液罐，另一端通过阀门连接至反应釜的底盖并与应釜本体内的模拟水合物层连通；高压气瓶中装设甲烷气体；

地层压力模拟单元包括轴压液压缸，轴压液压缸内设置有第二活塞，第二活塞将轴压液压缸内部分为上腔室和下腔室，上腔室和下腔室分别通过管线连接至液控系统，用于实现轴压调节，其中，天然气水合物储层模拟单元的活塞杆顶端穿入轴压液压缸内并连接在第二活塞的底部；

天然气水合物开采单元包括依次连接的气液分离器、出口背压阀和出口阀，出口阀远离出口背压阀的一侧连接至反应釜的顶盖并与反应釜内位于第一活塞上部的腔室连通；

数据采集单元包括压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元，并且，所述压力采集单元、温度采集单元、流量采集单元、位移测量单元、声信号发射接收单元和称重单元均连接至中央处理单元。。