[发明专利]冻土地层融化沉降试验模拟装置及方法

说明书

本发明提供了一种冻土地层融化沉降试验模拟装置及方法，所述装置包括：配置有反应腔的反应容器；与反应容器连接的加压组件和温控组件；环绕反应容器侧壁的围压组件；模拟导管系统，包括设在反应腔中的导管、穿设在导管中的钻杆，钻杆与导管之间形成环空；钻井液循环系统，包括钻井液储罐、与导管连通的进液管线、与环空连通的回液管线、设在进液管线上的加热装置、增压泵和开关阀、设在回液管线上的过滤装置；与反应腔连通的采集测量装置；与加压组件、温控组件、开关阀和采集测量装置连接的控制模块。本发明能够获取不同加热范围、加热温度条件下，冻土层融出水量与地层沉降量的变化规律。

技术领域

本发明涉及冻土地层区域资源勘探开发中地层融化沉降研究用装备，尤其涉及一种应用于钻遇冻土层过程中地层融化沉降模拟试验的装置，以及利用该装置进行冻土地层融化沉降试验模拟的方法。

背景技术

北极、亚北极以及我国的青藏高原、新疆地区广泛发育着大面积的多年冻土，这些区域除了常规油气资源之外，还赋存着大量的天然气水合物，存在着极大的开发价值。然而，冻土层钻井面临着巨大的技术挑战。具体为，由于钻井液与地层间的热交换作用导致冻土层升温融化，冻土的承载力大幅下降，井口和表层导管在井口载荷的作用下容易发生失稳下沉，导致作业中断，严重影响作业安全。

目前，已有学者对钻遇冻土过程中地层沉降进行有限元分析的数值模拟，但对于有关于冻土地层受热融化沉降的模拟试验仅有少部分研究。同时对加热范围、加热温度、冻土融化排出水量与地层沉降量的相关关系研究较为欠缺，对于地层沉降的预测尚需加以重视，且未见有控制加热温度和加热范围的含冻土地层模拟沉降试验装置，对不同条件下地层沉降量的预测精度不高。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种冻土地层融化沉降试验模拟装置及方法，可较佳的解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种冻土地层融化沉降试验模拟装置，包括：

反应容器，具有用于生成冻土层和模拟冻土层沉降的反应腔，设有用于供用户观察所述反应腔内部情况的可视化窗口；所述反应容器包括：上端开口的容器体、可拆卸盖合在所述容器体上端的上盖；所述反应腔的底部设有滤网；

加压组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的压力；

温控组件，与所述反应容器连接，用于调节所述反应腔内部的温度；

围压组件，环绕所述反应容器的侧壁，用于调节所述反应腔内部的围压；

模拟导管系统，包括：设在所述反应腔中并插入冻土层中的多个导管、对应穿设在多个所述导管中的多个钻杆；所述导管的侧壁上设有开孔，对应的所述钻杆与所述导管之间形成环空；所述导管的底部与所述滤网间隔设置；

钻井液循环系统，包括：钻井液储罐、连通所述钻井液储罐与多个所述钻杆上端的进液管线、连通所述钻井液储罐与多个所述环空的回液管线、设在所述进液管线上的加热装置、增压泵、开关阀和注入流量计、设在所述回液管线上的过滤装置和流出流量计；

采集测量装置，与所述反应腔的底部连通，用于收集和测量冻土层融化后的液体量；

控制模块，与所述加压组件、温控组件、开关阀、注入流量计、流出流量计和采集测量装置连接，用于控制所述加压组件、温控组件和开关阀的开闭，以及获取所述注入流量计、流出流量计、采集测量装置的流量。

一种利用上述实施例所述的冻土地层融化沉降试验模拟装置的方法，包括：

步骤S1：将所述上盖从所述容器体上端拆卸下来，将模拟砂土层均匀铺设在所述反应容器的底部，将所述导管插入模拟砂土层中，再在所述导管的四周敷设含水砂层，随后将所述上盖连接在所述容器体上端；