含水合物沉积物出砂‑力学参数耦合过程模拟装置及方法与流程

本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，尤其是一种含水合物松散沉积物出砂过程与力学参数相互耦合关系评价的室内实验装置及方法。

背景技术：

天然气水合物资源是一种具有资源分布广、能源密度高等特点的重要替代能源，近年来，国际天然气水合物研究热点已经由天然气水合物勘探转向天然气水合物试开采。根据国际天然气水合物试开采经验，降压法是目前全球公认的最佳天然气水合物开采方法，但降压法开采天然气水合物必然会面临产能与出砂或地层稳定性之间的矛盾与平衡问题，即虽然提高生产压差有助于提高产能，但过大的生产压降势必造成井筒的坍塌、地层大量出砂等工程问题，特别是加拿大mallik2007～2008项目和日本nankaitrough2013项目经历均表明，出砂现象是制约天然气水合物资源长效开采的关键因素。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克地层中压力波的高效传递问题和出砂问题带来的困扰。

常规油气井实践经验表明，储层强度参数和地层应力扰动是引起地层出砂的重要因素，另外一方面，地层出砂将进一步降低储层的强度值，增加储层骨架有效应力，导致出砂进一步加剧，因此地层出砂过程与强度参数变化规律直接存在复杂的耦合过程。特别的，对于含水合物储层而言，由于储层本身埋深浅、胶结弱，水合物开采过程中储层本身会面临严重的出砂问题，再加上水合物分解、气液混相渗流等复杂现象，出砂过程与强度参数之间的耦合关系会变得更加复杂。虽然目前国内外学者对于含水合物沉积物强度参数与水合物分解过程的相关关系进行了大量的研究，但对水合物储层强度参数与储层出砂过程参数之间的关系研究缺远远赶不上工程需要，从而给实际水合物开采过程中储层强度参数的动态变化规律预测带来极大挑战，也给实际水合物开发过程中储层出砂预测带来非常大的困难。

在常规含水合物沉积物强度参数测试方法及测试仪器方面，国内外已经有了非常丰富的研究。如专利公开号cn104215499a提供了一种可以解决含天然气水合物沉积物样品制备过程中管道堵塞问题且能够原位实时精确控制样品中水合物饱和度的三轴力学参数测试专用反应釜，该专利公开的实验方法和装置能够对含水合物沉积物的轴向应变、体积应变、轴向偏应力参数进行测量，从而为含水合物松散沉积物力学参数的评估提供了有效途径。但是该专利公开的反应釜无法模拟出砂过程，因而无法模拟出砂过程对含水合物沉积物强度参数的影响规律。专利公开号cn205786187u、cn106353069a等分别公布了一维渗流条件下水合物储层出砂参数的监测方法及地层砂粒的微观运移机制监测方法，但是这些方法均假设地层出砂是由于流体携带作用造成的，因而未考虑实际地层应力条件下储层强度参数的变化过程对出砂参数的影响。综上所述，目前对含水合物松散沉积物出砂过程、三轴力学参数的独立研究均无法解决实际工程中所面临的出砂-力学参数耦合关系，研究思路和研究方法均无法满足矿场实践需求。

为此，明确天然气水合物降压开采过程中的关键出砂过程评估参数，发明一套能够在室内实验条件下模拟含水合物沉积物出砂过程参数与其强度参数之间耦合关系的实验方法并开展耦合关系评价实验，是揭开含水合物降压开采储层强度参数演化规律和储层出砂机理的重要手段，也是实际矿场天然气水合物降压开采过程中储层出砂量、出砂粒径等参数与储层抗剪强度、弹性模量等强度参数之间的耦合关系研究的前提。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟装置及方法，通过测量实际温压、应力条件下水合物沉积物出砂量、出砂粒径、出砂速度等出砂参数与其应力-应变曲线、抗剪强度、杨氏模量、内聚力等三轴力学参数的相互耦合关系，为含水合物储层出砂参数与力学参数之间的相关关系预测提供支撑，为天然气水合物储层出砂机理的探讨提供新的思路。

本发明的技术方案是：一种含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟装置，其中，包括高压反应釜、恒温控制系统、三轴加压系统、围压控制系统、孔压注入系统和出砂参数测试系统，围压控制系统、孔压注入系统、三轴加压系统分别与高压反应釜连接，出砂参数测试系统与高压反应釜的出口端连接；

所述高压反应釜包括反应釜本体、试样胶桶、上法兰盖、支撑法兰、下法兰盖和三轴加压活塞杆，试样胶桶和支撑法兰设置在反应釜本体内，支撑法兰沿反应釜本体内壁滑动，且支撑法兰与反应釜本体的内壁之间设有供围压液流通的流动通道，上法兰盖和下法兰盖分别安装于反应釜本体的两端，试样胶桶的入口端与支撑法兰密封连接，试样胶桶的出口端与下法兰盖密封连接；

所述围压控制系统包括反应釜本体的内壁与试样胶桶之间的盛装围压液的空间，以及与该空间连通的围压液入口和围压液出口，围压液入口设置在上法兰盖上，围压液出口设置在下法兰盖上；

三轴加压系统包括三轴加压活塞杆和三轴加载仪，三轴加压活塞杆的一端穿过上法兰盖与支撑法兰接触，对应的在支撑法兰的端面设有与三轴加压活塞杆接触的凹槽；三轴加载仪的一侧位于上法兰盖的外侧，且与三轴加压活塞杆活动连接，三轴加载仪的另一侧位于下法兰盖的外侧，且与下法兰盖固定连接。

本发明中，所述高压反应釜还包括抱紧装置，反应釜本体沿其轴线方向设有抱紧装置，所述抱紧装置包括两个对称设置的带孔半开缸套、与带孔半开缸套固定连接的调整连杆和用于放置调整连杆的调整连杆座，调整连杆座固定在反应釜本体上，带孔半开缸套位于试样胶桶的外侧，带孔半开缸套的内径与试样胶桶的外径相对应。

所述孔压注入系统包括孔隙压力介质注入直管，上法兰盖和支撑法兰上均设有与试样胶桶的内部连通的孔隙压力介质注入孔，孔隙压力介质注入直管设置在孔隙压力介质注入孔内，上法兰盖与孔隙压力介质注入直管、三轴加压活塞杆之间动密封连接。

所述试样胶桶的出口端设有产出砂粒收集腔，产出砂粒收集腔设置在下法兰盖内，产出砂粒收集腔呈倒圆锥形，倒圆锥形的底部出口为反应釜本体的出口，下法兰盖与试样胶桶的接触端固定有多孔网板。

所述出砂参数测试系统包括在线激光粒度仪和在线测量高精度电子天平，在线激光粒度仪与高压反应釜的出口端连接，在线测量高精度电子天平位于在线激光粒度仪的下方，在线激光粒度仪实时监测流经其感光元件区域的流体中所含砂粒的粒径分布规律，经过固液分离的砂粒用在线测量高精度电子天平称重计量，获取试样产出砂量数据。

本发明还包括上述含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟装置的模拟方法，该方法包括以下步骤：

(1)装样：

①根据专用反应釜内试样胶桶的尺寸，测定天然海滩砂的粒度分布规律，称取天然海滩砂，在天然海滩砂中加入蒸馏水，充分搅拌均匀并静置24h；

②将湿砂样分四次装入试样胶桶，分层压实；

(2)生成水合物：

逐渐升高孔压和围压，同时使反应釜本体降温，向反应釜本体中注入甲烷气体生成水合物，48～72h后水合物合成完毕；

(3)模拟出砂：

①通过恒压泵向试样中注入恒压的蒸馏水，同时打开反应釜本体的出口阀门并连接在线激光粒度仪、在线电子天平，利用激光粒度仪测试产出砂粒的粒径变化规律，利用在线电子天平测试产出砂液总质量的变化规律，最后换算出总的出砂量；

②当根据上述步骤计算得到的砂样产出总量为设定值时，关闭反应釜本体的出入口阀门，停止恒压泵注入，静置一段时间使试样内孔隙压力恢复均匀；

(4)进行三轴剪切实验：

启动三轴加载仪，设定剪切速率，通过三轴加压活塞杆向试样施加轴压，开始三轴剪切实验，记录应力-应变曲线；

(5)改变步骤(1)石英砂的起始含水量，重复实验步骤(1)～(4)，验证不同的水合物饱和度条件下地层出砂参数对沉积物强度参数的影响规律；

(6)改变步骤(3)中的出砂量值，重复步骤(1)～(4)，验证相同水合物饱和度条件下出砂量对试样强度参数的影响规律。

特别地，当结束步骤(3)开始步骤(4)之前，模拟出砂结束后，孔隙压力没有恢复到设定的孔隙压力值，此时需要打开反应釜本体的孔压入口阀门，以低排量向试样加入孔压，使试样压力恢复到设定值，然后再进行步骤(4)。

本发明的有益效果：

(1)本发明能够模拟含水合物沉积物所处的实际地层温度、应力条件，增强室内模拟结果的工程指导意义；

(2)本发明能够测量不同水合物饱和度条件下沉积物出砂量对应力-应变曲线、抗剪强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角的影响；

(3)本发明能够测量不同水合物饱和度条件下沉积物出砂粒径对应力-应变曲线、抗剪强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角的影响；

(4)本发明能够评价不同起始孔隙比的沉积物三轴力学参数对出砂粒径、出砂量的影响；

(5)本发明能够评价含水合物沉积物上述出砂过程参数与三轴强度参数之间的耦合关系。

附图说明

图1含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟装置的结构示意图；

图2含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程测试方法。

图中：1—孔压注入系统；2—三轴加载仪；3—反应釜本体；4—水合物沉积物试样；5—抱紧装置；6—围压液出口；7—产出砂收集腔；8—在线激光粒度仪；9—烧杯；10—恒温控制系统；11—支架；12—在线测量高精度电子天平；13—围压控制系统；14—支撑法兰；15—三轴加压活塞杆；16—下法兰盖；17—上法兰盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟装置，包括孔压注入系统、围压控制系统13、高压反应釜、恒温控制系统10、三轴加压系统、出砂参数测试系统和支架11，孔压注入系统、围压控制系统13、高压反应釜、恒温控制系统10、三轴加压系统和出砂参数测试系统均设置在支架11上，孔压注入系统1、围压控制系统13、三轴加压系统分别与高压反应釜连接，通过恒温控制系统10控制高压反应釜内的温度，出砂参数测试系统与高压反应釜的出口端连接。

高压反应釜包括反应釜本体3、盛装有水合物沉积物试样4的试样胶桶、上法兰盖17、支撑法兰14、下法兰盖17和三轴加压活塞杆15，试样胶桶和支撑法兰14设置在反应釜本体3内，支撑法兰14沿反应釜本体3的内壁滑动，并且支撑法兰14与反应釜本体3的内壁之间设有供围压液流通的流动通道，上法兰盖17和下法兰盖17分别安装于反应釜本体3的两端，试样胶桶的入口端与支撑法兰14密封连接，试样胶桶的出口端与下法兰盖17密封连接。支撑法兰14与试样胶桶的接触端设有多孔导流板。

围压控制系统13包括反应釜本体3的内壁与试样胶桶的外壁之间的盛装围压液的空间、以及与该空间连通的围压液入口和围压液出口，围压液入口和围压液出口设置在上法兰盖17上。通过外部的围压控制系统向试样胶桶的外侧施加围压。

孔压注入系统1包括孔隙压力介质注入直管，上法兰盖17和支撑法兰14上均设有与试样胶桶的内部连通的孔隙压力介质注入孔，孔隙压力介质注入孔内设有孔隙压力介质注入直管。通过孔隙压力介质注入直管，向试样胶桶中注入甲烷气体。

为了实现准确收集一定水流渗流作用下的试样产出砂，防止试样产出的微粒在反应釜出口处及管路中的沉降，并且保证能进行正常的三轴剪切实验，试样胶桶的出口端设有产出砂粒收集腔7，产出砂粒收集腔7设置在下法兰盖16内，产出砂粒收集腔7呈倒三角式圆锥槽。下法兰盖16与试样胶桶的接触端固定有高强度钛合金多孔网板，多孔网板设置在产出砂粒收集腔7内。当反应釜水平放置时，反应釜本体的出口端即圆锥槽的底部出口位于最下方，保证产出砂粒能全部流出反应釜及管。

三轴加压系统包括三轴加压活塞杆15和三轴加载仪2，三轴加压活塞杆15的一端穿过上法兰盖17与支撑法兰14接触，对应的在支撑法兰14的端面设有与三轴加压活塞杆15接触的凹槽。三轴加载仪2的一侧位于上法兰盖17的外侧，且与三轴加压活塞杆15活动连接，三轴加载仪2的另一侧位于下法兰盖16的外侧，且与下法兰盖16固定连接。通过外部的定量加压装置，使三轴加压活塞杆15向试样胶桶施加轴压。上法兰盖17与孔隙压力介质注入直管、三轴加压活塞杆15之间动密封连接。

高压反应釜还包括抱紧装置5，反应釜本体3沿其轴线方向设有抱紧装置5，所述抱紧装置5包括两个对称设置的带孔半开缸套、与带孔半开缸套固定连接的调整连杆和用于放置调整连杆的调整连杆座，调整连杆座固定在反应釜本体上，带孔半开缸套位于试样胶桶的外侧，带孔半开缸套的内径与试样胶桶的外径相对应。两个带孔半开缸套抱紧后正好将试样胶桶抱死，有效解决装样过程中松散沉积物试样无法保持规则柱状体的难题。含水合物沉积物试样合成并且给试样加载地层应力条件后，利用调整连杆向外拧动带孔半开缸套，此时试样会在水平加载条件下维持柱状。

出砂参数测试系统包括在线激光粒度仪8和在线测量高精度电子天平12，在线激光粒度仪8与高压反应釜的出口端连接，在线测量高精度电子天平12位于在线激光粒度仪8下方，在线激光粒度仪8实时监测流经其感光元件区域的流体中所含砂粒的粒径分布规律，经过固液分离的砂粒用在线测量高精度电子天平12称重计量，获取试样产出砂量数据。

本发明还包括一种含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟方法，该方法包括以下步骤：

第一步，装样：

根据专用反应釜内试样胶桶的尺寸，测定天然海滩砂的粒度分布规律，称取天然海滩砂，在天然海滩砂中加入蒸馏水，充分搅拌均匀并静置24h；然后将湿砂样分四次装入试样胶桶，分层压实，在试样胶桶的入口端安装多孔导流板和支撑法兰，在试样胶桶的出口端安装多孔网板。

第二步，生成水合物：

通过外部的围压控制系统向试样胶桶的外侧施加围压，同时通过恒温控制系统使反应釜本体降温，通过孔隙压力注入直管向反应釜本体中注入甲烷气体生成水合物，48～72h后水合物合成完毕。

第三步，模拟出砂：

通过孔压注入系统1向试样中注入恒压的蒸馏水，同时打开反应釜本体3的出口阀门并连接在线激光粒度仪8和在线测量高精度电子天平12，利用在线激光粒度仪8测试产出砂粒的粒径变化规律，利用线测量高精度电子天平12测试产出砂液总质量的变化规律，最后换算出总的出砂量。

当根据上述步骤计算得到的砂样产出总量为设定值时，关闭反应釜本体的出入口阀门，停止孔压注入系统1的注入，静置30min使试样内孔隙压力恢复均匀。当静置结束后，孔隙压力没有恢复到设定的孔隙压力值，打开反应釜本体的孔压入口阀门，以低排量向试样加入孔压，使试样压力恢复到设定值。

第四步，进行三轴剪切实验：

启动三轴加压系统2，设定剪切速率，通过外部的三轴加载仪，使三轴加压活塞杆向试样胶桶施加轴压，开始三轴剪切实验，记录应力-应变曲线。

第五步，改变第一步骤中石英砂的起始含水量，重复第一步骤至第四步骤，验证不同的水合物饱和度条件下地层出砂参数对沉积物强度参数的影响规律；

第六步，改变第三步骤中的出砂量值，重复第一步骤至第四步骤，验证相同水合物饱和度条件下出砂量对试样强度参数的影响规律。

本发明的工作原理如下：

(1)反应釜和三轴加压装置配合，能够实现给含水合物松散沉积物施加一定的预应力作用，使沉积物所处的压力条件接近实际地层应力条件，并且温度控制系统可以使沉积物所处的温度环境接近实际地层的温度环境；

(2)用恒压泵向含水合物松散沉积物试样中注入恒压水流，出口端用背压阀控制背压压力，通过这种手段模拟实际降压开采水合物储层井底压力与地层原始压力之间的稳定压差，从而为模拟实际降压开采水合物储层出砂过程参数-力学参数之间的耦合关系提供基础；

(3)如果维持恒压泵出口压力恒定，向含水合物松散沉积物试样中注入流体，则试样出口端的压力越低，含水合物沉积物内部的流体流速越快，流体对沉积物内部松散颗粒的携带运移作用就越强，微粒产出粒径和产出量也会相应的增大；

(4)对于起始孔隙度一定的沉积物，含水合物饱和度越高，水合物对松散沉积物的胶结作用越明显，沉积物三轴强度参数越高，相同压降条件、水流流速条件下的出砂趋势也越弱；反之，含水合物饱和度越低，则含水合物沉积物强度参数越低，沉积物内部游离颗粒的被水流携带产出的几率越大，因此一定压降条件、水流流速条件下试样出砂量和出砂粒径可能越大。

(5)对于一定水合物饱和度的沉积物，在恒压泵驱替条件下，沉积物两侧的压降幅度越大，则沉积物内部流体流速越快，一定驱替时间内砂粒产出量就可能越大，产出砂粒径也可能越大；试样游离砂粒的产出导致试样孔隙度增大，并且可能削弱粘土等微小颗粒的胶结作用，导致沉积物强度参数的进一步降低。

(6)改变实验条件，比如恒压泵泵压、驱替时间等，测量含水合物沉积物强度参数随出砂过程参数的变化规律，探讨出砂过程对含水合物沉积物强度参数的影响规律；改变沉积物初始孔隙度和水合物饱和度，在相同恒压泵泵压、驱替时间条件下观测出砂参数的动态变化规律；结合上述两者，分析出砂过程参数-力学参数的耦合关系。

实施例1

一种含水合物沉积物出砂-力学参数耦合过程模拟方法，包括以下步骤：

第一步，装样：

根据专用反应釜内试样胶桶的尺寸，本实施例中，试样胶桶的尺寸为φ39.1mm×120mm，测定天然海滩砂的粒度分布规律，称取192g天然海滩砂，在天然海滩砂中加入16ml蒸馏水，充分搅拌均匀并静置24h；然后将湿砂样分四次装入试样胶桶，分层压实，在试样胶桶的入口端安装多孔导流板和支撑法兰14，在试样胶桶的出口端安装多孔网板。

第二步，生成水合物：

通过围压控制系统14向试样胶桶的外侧施加围压，通过恒温控制系统使反应釜本体内部沉积物温度降温至1°，通过孔隙压力注入直管向反应釜本体中注入甲烷气体生成水合物，72h后水合物合成完毕。

第三步，模拟出砂：

将孔压注入系统1的出口压力设定为14mpa，通过孔压注入系统1向试样中注入恒压的蒸馏水，同时打开反应釜本体3的出口阀门并连接在线激光粒度仪4和在线测量高精度电子天平6，利用在线激光粒度仪4测试产出砂粒的粒径变化规律，利用线测量高精度电子天平6测试产出砂液总质量的变化规律，最后换算出总的出砂量。

当根据上述步骤计算得到的砂样产出总量为3g时，关闭反应釜本体的出入口阀门，停止恒压泵1的注入，静置30min使试样内孔隙压力恢复均匀。当静置结束后，如果孔隙压力没有恢复到设定的孔隙压力值，如12mpa，打开反应釜本体的入口阀门，以低排量向试样加压，使试样压力恢复到设定值。

第四步，进行三轴剪切实验：

启动三轴加载仪2，设定剪切速率，通过外部的定量加压装置，使三轴加压活塞杆15向试样胶桶施加轴压，开始三轴剪切实验，记录应力-应变曲线。

第五步，改变第一步骤中石英砂的起始含水量，由16ml增加到24ml，重复第一步骤至第四步骤，验证不同的水合物饱和度条件下地层出砂参数对沉积物强度参数的影响规律；

第六步，改变第三步骤中的出砂量值，由3g变更为5g，重复第一步骤至第四步骤，验证相同水合物饱和度条件下出砂量对试样强度参数的影响规律。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。