[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

权利要求书

1.一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，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。

2.根据权利要求1所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，其特征在于：三轴压力室自下而上装有圆形底座、土体试样和上垫块。圆形底座上表面圆心处设有半径5mm圆孔，圆孔贯穿部分圆形底座并从侧面穿出，与高气压泵连接；土体试样高100mm，直径50mm,外侧包裹热缩胶套，热缩胶套上下端分别与上垫块和圆形底座相连，保证试样密封；此外，热缩胶套轴向两侧设有两个轴向应变传感器，外表面上部、中部和下部设有三个环向应变传感器；土体试样中心设有圆孔，圆孔直径与井筒直径相同，用于放置井筒。上垫块自下表面设置有直径17mm的圆孔，圆孔顶部与井筒顶部至少距离15厘米，保证在试验过程中上垫块始终不与井筒接触，实现土体试样与井筒的耦合试验；且圆孔从上垫块侧面穿出，与回压阀连接。

3.根据权利要求1-2所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，其特征在于：开采井为直径15mm的圆筒，放置于试样内部中心，井底与圆形底座接触，井顶高于试样3cm，且超过土体部分设置密封橡胶圈，保证和上垫块圆孔密封，气、水不外渗；井筒圆周上开孔保证气体和水流动，开孔后在外侧包裹钢丝网，确保没有固体颗粒进入管道导致堵塞；井筒周围安装应力传感器，监测井筒应力状态。

4.根据权利要求1-3所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，其特征在于：恒温水浴系统，包括水浴水槽和温度表；水浴水槽将三轴压力室无缝包围；温度施加范围值为-10℃～20℃。

5.根据权利要求1-4所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，其特征在于：回压阀通过上垫块与三轴压力室连接，当回压阀压力低于试样内部气压时，气体通过回压阀排出直至气压达到与回压阀相等，设置回压阀可控制降压实现水合物分解。

6.根据权利要求1-5所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用的测试装置，其特征在于：气液分离回收系统，包括气液分离计、气体流量计、液体流量计、干燥盒、气体收集装置和液体收集装置。气液分离计与回压阀连接，将气液混合物进行分离；液体直接流入液体回收装置，气体通过干燥盒流入气体回收装置，并进行计量。气体流量计记录产气速率和累计产气量，由此判断水合物的开采状况。

7.根据权利要求1-6所述的模拟水合物开采引起海洋能源土-井耦合作用测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将砂土与去离子水混合制作一定干密度和含水量的非饱和试验土样，用热缩胶套包好并置于三轴压力室内；

(2)、通过应力加载系统施加围压、轴压至预定压力，然后使用供气增压系统，将甲烷气体注入土体试样至预定压力，进行检漏后静置；

(3)、水浴水槽注水，降低三轴压力室内温度至反应所需温度(5℃度以下)，此时水合物开始生成，压力室内压力逐渐降低；当压力室内压力保持不变时，天然气水合物成功生成；

(4)、调整压阀压力低于试样气压，气体通过回压阀排除直至回压阀压力与试样内气压相等，实现降压开采；当气压降至水合物分解压力时，水合物开始分解。由回压阀排出的气液混合物经过气液分离计分离，分别进行回收计量。并可通过气体计量计判断水合物的分解状态。

(5)、水合物分解导致试样刚度降低，产生分解变形，产生土-井耦合作用。试样应变传感器可得到土体变形，井筒应力传感器可监测井筒应力状态，由此计算得到井筒弹性变形；测试结束取出井筒测量其塑性变形。

(6)、此外，亦可开展能源土样与井筒接触面力学特性试验；水合物生成后，通过应力加载系统缓慢施加轴向荷载，能源土样与井筒产生接触变形，得到水合物能源土样与井筒结构接触面力学特性。