[发明专利]一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的装置和实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及到水合物分解领域，尤其是水合物分解导致的地层破坏 模拟的实验装置和方法。

背景技术

天然气水合物是在适当高的压力和适当低的温度条件下，由水和天 然气组成的类冰的笼形结晶化合物。天然气水合物广泛分布在大陆、海 洋和一些内陆湖的深水环境，是一种重要的潜在资源。

随着世界油气可开采量的减少和消耗量的增加，深海水合物开采的 迫切性日益显著。美国、日本、加拿大等国开展了大量的相平衡条件、 勘探方法等方面的工作，并进行了试采。

油气开采、水合物开采或自然条件变化会导致水合物沉积层中水合 物分解。水合物分解一方面使沉积层中的岩土介质失去胶接，另一方面 会改变沉积层的结构，生成气又会增大孔隙压力，从而使该沉积层的强 度降低。水合物沉积层强度的降低可引起多种严重的灾害，如由于水合 物分解导致的井口周围土体大变形引起的海上或海床中结构物的破坏， 如平台倾覆、油气井毁坏等。这种灾害对海床中结构物将产生严重危害， 但是对其控制参数和演化过程等方面的研究还非常缺乏。据文献记载， 挪威大陆架边缘由于水合物分解发生的海底滑坡(Storegga)共滑走 2500～3200立方公里沉积物，是目前为止发现的最大的海底滑坡。大量 的地质调查和分析表明产生该滑坡的原因是当时水温增加，水合物发生 了分解。水合物迅速分解将导致大面积滑坡等多种破坏形式，并可能引 起海啸。

目前世界上对于该问题的研究成果很少，现场数据更少，因此必须 首先通过实验获得水合物沉积物的基本参数、分解过程中渗流和热扩散 的规律，以及水合物分解后地层的强度等。

并且通过实验获得水合物引起的地层破坏的条件、主要特征和现象， 为工程设计提供依据。

发明内容

沉积物中水合物分解可能引起突出喷发破坏的灾害，本实验装置主 要用于模拟沉积物水合物热分解，且分解产生气体不能迅速排出的条件 下，沉积层内压力温度的演化规律和水合物分解前锋的推进规律，探索 水合物分解后高压气体引起的突出喷发破坏灾害评估方法。

一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验装置：包括，带有顶 盖的模型箱，模型箱四周封闭，能抵抗水合物形成和模拟地层应力所需 要的压力；顶盖能上下移动，作为实验需要提供大于1个大气压的压力 时施加外力的位置，并在顶盖预留孔口供分解实验时排气用；模型箱的 边壁涂有隔热涂料，使得边壁与外界具有隔热功能；在模型箱下部设置 沉积物层以形成水合物地层，沉积物层上方为不含水合物的盖层，盖层 上方为模拟海水层的防冻液体层，水层上方为可活动的模型箱顶盖；模 型箱内还设置有流量计、孔压计、温度传感器、热源、监控设备、采集 和数据处理系统；流量计主要用于控制进入沉积层孔隙中的水量或气量， 即将水或气的饱和度定量化，满足试验需求；孔压计用于测量布置点的 压力，沿竖直方向布置若干孔压计实时记录沉积层内的压力场；温度传 感器用于实时记录沉积层内的温度场；热源用于满足恒温或者恒定功率 的加热条件；监控设备用于远程实时记录水合物分解前锋的推进、水合 物分解后的混合物突出前后覆盖层表面的变化、气体突出过程，保证安 全和记录准确；采集和数据处理系统用于采集并处理实时记录的数据。

进一步，所述模型箱形状为长方体或圆柱体。

进一步，所述模型箱顶盖根据实验条件的不同选择不同材料制成： 形成四氢呋喃水合物沉积物时采用有机玻璃材料；形成甲烷水合物沉积 物，采用高强度不锈钢材料。

一种模拟水合物分解导致的地层突出破坏的试验方法，包括以下步 骤：

(1)在模型箱中填入实验土，分层砸实使其具备一定的干密度，形 成不含水合物的沉积层，并在实验设定位置摆放布置热源、温度传感器 及孔压计。根据实验需求的不同，沉积层上部封盖不同强度的覆盖层；

(2)将一定量的水通过进液口渗入到沉积层中，在形成四氢呋喃水 合物沉积物时，预先将四氢呋喃与水配比成溶液，均匀的渗入沉积层； 在形成甲烷水合物地层时，则继续将甲烷气源接通使其渗入地层，这时 在盖板顶部施加与气压相等的垂直载荷提供水合物形成时需要的压力。 然后将系统放入恒温箱内。

(3)由温控箱提供低温，经过2-3天的时间形成一定饱和度的水合 物沉积物；