[发明专利]一种水合物生成和开采过程地层土壤形变监测装置及方法

说明书

本发明涉及一种水合物生成和开采过程地层形变监测装置，其特征在于，该监测装置包括低温室、水合物生成室、模拟开采井筒、光纤、形变监测系统、温度补偿系统、光纤解调仪和上位机；低温室内设置有放置待监测物质的水合物生成室，水合物生成室的底部中心纵向设置有模拟开采井筒，模拟开采井筒的外侧间隔套设有若干形变监测系统和温度补偿系统，每一形变监测系统和对应温度补偿系统之间均设置有对应光纤；光纤解调仪分别连接各光纤，用于发射特定频率的光，并对在各光纤中传播的光的光频率进行解调，得到解调后的光频率；上位机连接光纤解调仪，用于根据解调后的光频率，得到待监测物质的土壤应变分布，本发明可广泛用于水合物开采监测模拟领域中。

技术领域

本发明是关于一种水合物生成和开采过程地层土壤形变监测装置及方法，属于新能源开发实验领域。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)又称“可燃冰”，是由水和天然气在特定高压低温环境下形成的冰态、结晶状、超分子、笼形化合物，主要分布在水深大于300m的海洋及陆地永久冻土带，其中，海洋天然气水合物资源是全球性的。天然气水合物的显著特点是分布广、储量大、高密度和高热值，标准条件下1m³的天然气水合物可以释放出164m³甲烷气和0.8m³水。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体其有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料煤炭、石油和天然气等的两倍，因此，天然气水合物被各国视为未来石油天然气的替代能源。若能够合理开发利用天然气水合物，对于改善能源结构保护环境具有重大意义。目前，世界各国均在不断深入对天然气水合物的勘探开发研究。

不同于常规油气开采，天然气水合物由于其特殊的性质，对其开采具有很大的难度，目前仅有少数国家掌握。对于海域天然气水合物，通常一型和二型为主，一般以固体的形式存在于泥质海底松散沉积层中，需要通过一定的手段改变其存在环境的温压条件，使其分解为水和天然气，然后采用天然气开采工艺将分解后的天然气收集后输送至地面。然而，水合物分布与常规油气田相比，赋存深度较浅，上覆层和水合物生成层皆为透水层且未固结成岩，水合物分解生成气相和液相过程使得储层中各相的饱和度、有效孔隙度和渗透率等均随水合物分解而发生动态变化，进而影响地层稳定性，可能造成储层塌陷，甚至海底滑坡等地质灾害。

天然气水合物作为新兴能源，研究基础相对薄弱，为充分研究其物理化学性质，及其可能的地层稳定性问题，目前已有众多室内试验装置，但是，受实验条件和水合物特殊性质的限制，对于水合物地层稳定性的研究多通过数值模拟、结合室内试验观察等方法进行探索，难以直接获得地层变形数据，缺乏对水合物开采过程储层土壤形变的客观认识，不能进行开采条件对水合物储层土壤形变影响的观测。此外，目前对于实验条件下的土壤形变监测通常采用点式或线性的监测方法，监测数据的连续性差，不能有效反映土壤关键平面内形变的空间特性，且传递频率较低，往往不能实现实时监测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够分析不同开采条件的地层形变状态的水合物生成和开采过程地层土壤形变监测装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水合物生成和开采过程地层形变监测装置，该监测装置包括低温室、水合物生成室、模拟开采井筒、光纤、形变监测系统、温度补偿系统、光纤解调仪和上位机；

所述低温室内设置有放置待监测物质的所述水合物生成室，所述水合物生成室的底部中心纵向设置有所述模拟开采井筒，所述模拟开采井筒的外侧间隔套设有若干所述形变监测系统和温度补偿系统，每一所述形变监测系统和对应所述温度补偿系统之间均设置有对应所述光纤，所述形变监测系统用于实时监测待监测物质引起的对应所述光纤的形变，所述温度补偿系统用于实时监测温度差异引起的对应所述光纤的形变；

所述上位机连接所述光纤解调仪，所述光纤解调仪分别连接各所述光纤，所述光纤解调仪用于发射特定频率的光，并对在各所述光纤中传播的光的光频率进行解调，得到解调后的光频率；所述上位机用于根据解调后的光频率，得到待监测物质的土壤应变分布。