一种水合物物性测试一维试验装置

1.本发明涉及天然气水合物物性研究技术领域，特别是涉及一种水合物物性测试一维试验装置。


背景技术：

2.天然气水合物是一种由天然气和水在低温和高压条件下形成的似冰状笼型结晶化合物，广泛分布于高纬度极地冻土地层和海洋湖泊等深水地层中，具有储量大和能量密度高等特点，被认为是一种潜在能源。其中，甲烷的能源密度(在标准状况下每单位岩石体积中的甲烷体积)很大，是煤和黑色页岩的10倍，天然气的2.5倍。
3.天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。天然气水合物的形成条件：低温，温度一般低于10℃；高压，压力一般高于10mpa；充足的天然气(烃类，以甲烷为主)气体来源；有利的水合物赋存空间。
4.水合物储层岩石骨架通常属于未固结、弱固结或裂隙发育地层，水合物开采将引起地层胶结强度、孔隙度、有效应力、渗透系数的改变，同时，由于水合物在海底地层中分层分布，开采过程中水合物层和盖层之间存在渗透率的不同，水合物分解改变原有的渗流平衡，极易出现层间出水出砂现象，引起井壁稳定性变差造成井塌，严重影响水合物资源的有效开发利用。因此，地层出砂与防砂是水合物分解过程中面临的关键问题之一。
5.中国南海海域的水合物以分散方式或弱胶结方式充填在泥质沉积物孔隙中，在水合物分解过程中可能面临严重的出砂问题，造成开采井的堵塞，严重制约深海天然气水合物的开采效率，增加其开采成本，影响其商业化进程。如何解决水合物开采过程中井筒出砂及其治理，需要充分考虑深海天然气水合物赋存的特殊条件，揭示水合储层开采过程出砂机理，分析影响水合物地层出砂的深层原因，探讨了目前常规油气井出砂预测技术及防砂技术对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考。研究水合物开采过程中的出砂与防砂问题，对于我国经济高效开发深海水合物资源有现实意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种水合物物性测试一维试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种水合物物性测试一维试验装置，包括低温恒温箱和设置在所述低温恒温箱内的本体，所述本体包括：试样本体、出砂可视模块和底座；
8.所述试样本体包括轴向加载模块、试样生成模块和模拟开采降压模块；
9.所述试样生成模块内设置有水饱和骨架材料，所述试样生成模块上设置有若干传感器接口；所述轴向加载模块用于对所述水饱和骨架材料施加轴向压力；所述水饱和骨架材料可从所述模拟开采降压模块排出；所述出砂可视模块用于观测所述水饱和骨架材料的
流出量；所述轴向加载模块和所述模拟开采降压模块分别设置在所述试样生成模块两端；所述轴向加载模块、试样生成模块和模拟开采降压模块设置在所述出砂可视模块内，所述轴向加载模块、试样生成模块、模拟开采降压模块和出砂可视模块的轴线位于同一直线上；所述出砂可视模块设置在所述底座的顶面。
10.优选的，所述试样生成模块包括筒体和压帽；
11.所述压帽与所述筒体的一端外壁可拆卸连接，所述压帽与所述模拟开采降压模块连接，所述筒体的另一端与所述轴向加载模块连接；若干所述传感器接口等间距开设在所述筒体外壁上。
12.优选的，所述轴向加载模块包括轴压活塞、轴压压帽、压头、轴压筒、密封套和挡砂板；
13.所述轴压筒的一端内壁与所述筒体另一端外壁可拆卸连接，所述轴压筒的另一端与所述轴压压帽可拆卸连接，所述压头设置在所述轴压筒内，所述密封套外壁分别与所述筒体内壁和轴压筒内壁抵接，所述压头一端位于所述筒体内，且与所述筒体内壁抵接，所述压头的另一端开设有插接孔，所述轴压活塞一端贯穿所述轴压压帽端面且与所述插接孔内壁抵接，所述密封套套设在所述压头外壁上，所述轴压活塞和所述压头开设有连通的第一通孔；所述挡砂板与所述压头侧面固接。
14.优选的，所述轴压活塞与所述轴压压帽之间设置有第一o型圈，所述轴压活塞与所述轴压筒内壁之间设置有第二o型圈，所述轴压压帽与所述轴压筒之间设置有第三o型圈，所述压头与所述密封套之间设置有第四o型圈，所述密封套与所述轴压筒内壁之间设置有第五o型圈，所述密封套与所述筒体内壁之间设置有第六o型圈；
15.优选的，所述模拟开采降压模块包括堵头、调节片和变径压帽；
16.所述堵头的一端设置在所述筒体内，且所述堵头与所述筒体内壁之间设置有孔用弹性挡圈，所述堵头的另一端贯穿所述压帽且套设有所述变径压帽，所述调节片设置在所述变径压帽与所述堵头之间，所述堵头、调节片和变径压帽均开设有相互连通的第二通孔，所述堵头与所述变径压帽之间设置有第七o型圈，所述堵头靠近所述压帽端面处外壁套设有轴用弹性挡圈。
17.优选的，所述出砂可视模块包括视窗压帽、环形垫圈、环形垫片、密封垫片、视窗玻璃、主体、第八o型圈、第九o型圈和接头；
18.所述主体设置为筒状结构，所述主体的底部外壁与所述底座顶面固接，所述视窗压帽设置有两个，且分别与所述主体的两端内壁可拆卸连接，所述主体内壁两端分别开设有环形卡接槽，所述环形卡接槽内壁固接有环形垫圈，所述视窗玻璃设置为圆柱结构，所述视窗玻璃的周面与所述环形垫圈内壁抵接，所述第八o型圈设置在所述视窗玻璃与所述环形垫圈之间，所述环形垫片与所述视窗玻璃一侧抵接，所述密封垫片设置在所述视窗玻璃另一侧与所述视窗压帽之间，所述接头设置有两个，且关于所述主体轴线对称设置在所述主体周壁上，所述接头为筒状结构，所述接头连通所述主体内腔，两所述接头分别与所述轴向加载模块和所述模拟开采降压模块连接，所述第九o型圈设置在所述接头与所述主体内壁之间。
19.优选的，两所述接头分别与所述轴压活塞和所述变径压帽密接。
20.优选的，连接所述变径压帽的所述接头连通有计量器，连接所述轴压活塞的所述
接头连接有加压系统。
21.优选的，所述低温恒温箱外接有供水系统、供气系统和数据采集系统。
22.优选的，所述传感器接口分别插接有温度传感器、压力传感器和电阻加热器。
23.本发明公开了以下技术效果：设置的试样生成模块可用于对水饱和骨架材料的存储和压紧，使物料更加接近实际开采时状态，设置的轴向加载模块可对在低温恒温箱施加水分和天然气后生成的含水合物试样施加设定的轴向压力，在轴向压力和水合物分解过程气和水的裹挟作用下促使水饱和骨架材料从设置的模拟开采降压模块流出，再通过出砂可视模块进行观测和测量。本发明可以模拟轴向压力作用下水合物分解过程中储层出砂过程和不同筛网孔径时水合物分解过程中储层出砂过程，本发明可以有效揭示水合物储层出砂的机理。本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，出砂过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明试样本体的结构示意图；
26.图2为a1的局部放大图；
27.图3为本发明出砂可视模块的正视图；
28.图4为本发明出砂可视模块的左视图；
29.图5为本发明出砂可视模块的俯视图；
30.图6为本发明中实施例的结构示意图；
31.其中，1、底座；2、水饱和骨架材料；3、传感器接口；4、筒体；5、压帽；6、轴压活塞；7、轴压压帽；8、压头；9、轴压筒；10、密封套；11、挡砂板；12、第一通孔；13、第一o型圈；14、第二o型圈；15、第三o型圈；16、第四o型圈；17、第五o型圈；18、第六o型圈；19、堵头；20、调节片；21、变径压帽；22、孔用弹性挡圈；23、第二通孔；24、第七o型圈；25、轴用弹性挡圈；26、视窗压帽；27、环形垫圈；28、环形垫片；29、密封垫片；30、视窗玻璃；31、主体；32、第八o型圈；33、第九o型圈；34、接头；35、玻璃筒体；36、左端盖；37、右端盖；38、锁紧杆。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.本发明提供一种水合物物性测试一维试验装置，包括低温恒温箱和设置在低温恒温箱内的本体，本体包括：试样本体、出砂可视模块和底座1；
35.试样本体包括轴向加载模块、试样生成模块和模拟开采降压模块；
36.试样生成模块内设置有水饱和骨架材料2，试样生成模块上设置有若干传感器接口3；轴向加载模块用于对水饱和骨架材料2施加轴向压力；水饱和骨架材料2可从模拟开采降压模块排出；出砂可视模块用于观测水饱和骨架材料2的流出量；轴向加载模块和模拟开采降压模块分别设置在试样生成模块两端；轴向加载模块、试样生成模块和模拟开采降压模块设置在出砂可视模块内，轴向加载模块、试样生成模块、模拟开采降压模块和出砂可视模块的轴线位于同一直线上；出砂可视模块设置在底座1的顶面。
37.水饱和骨架材料指的是用蒸馏水充分饱和的细砂、高岭土等松散的颗粒物。
38.设置的试样生成模块可用于对水饱和骨架材料2的存储和压紧，使物料更加接近实际开采时状态，设置的轴向加载模块可对在低温恒温箱施加水分和天然气后生成的含水合物试样施加设定的轴向压力，在轴向压力和水合物分解过程气和水的裹挟作用下促使水饱和骨架材料从设置的模拟开采降压模块流出，再通过出砂可视模块进行观测和测量。本发明可以模拟轴向压力作用下水合物分解过程中储层出砂过程和不同筛网孔径时水合物分解过程中储层出砂过程，本发明可以有效揭示水合物储层出砂的机理。
39.最大承压25mpa，适用温度范围
‑
15℃
‑
200℃。
40.进一步优化方案，试样生成模块包括筒体4和压帽5；
41.压帽5与筒体4的一端外壁可拆卸连接，压帽5与模拟开采降压模块连接，筒体4的另一端与轴向加载模块连接；
42.筒体4的优选内径为100mm，长度500mm；
43.设置的筒体4用于储存水饱和骨架材料，设置的压帽5可用于连接模拟开采降压模块。
44.进一步优化方案，轴向加载模块包括轴压活塞6、轴压压帽7、压头8、轴压筒9、密封套10和挡砂板11；
45.轴压筒9的一端内壁与筒体4另一端外壁可拆卸连接，轴压筒9的另一端与轴压压帽7可拆卸连接，压头8设置在轴压筒9内，密封套10外壁分别与筒体4内壁和轴压筒9内壁抵接，压头8一端位于筒体4内，且与筒体4内壁抵接，压头8的另一端开设有插接孔，轴压活塞6一端贯穿轴压压帽7端面且与插接孔内壁抵接，密封套10套设在压头8外壁上，轴压活塞6和压头8开设有连通的第一通孔12；挡砂板11与压头8侧面固接。
46.轴向加载模块最大可施加40mpa轴向压力。
47.设置的挡砂板11可以防止水饱和骨架材料2从轴向加载模块侧泄露，密封套10的设置可以在保证压头8对水饱和骨架材料2施加轴向压力的同时，防止水饱和骨架材料2泄露。
48.挡砂板11为高密度细孔隙的材料制成。
49.进一步优化方案，轴压活塞6与轴压压帽7之间设置有第一o型圈13，轴压活塞6与轴压筒9内壁之间设置有第二o型圈14，轴压压帽7与轴压筒9之间设置有第三o型圈15，压头8与密封套10之间设置有第四o型圈16，密封套10与轴压筒9内壁之间设置有第五o型圈17，密封套10与筒体4内壁之间设置有第六o型圈18；
50.上述o型圈为氟胶材质等抗酸性气体腐蚀材质制成。
51.设置的上述o型圈可以起到辅助密封的效果，提高密封性。
52.进一步优化方案，模拟开采降压模块包括堵头19、调节片20和变径压帽21；
53.堵头19的一端设置在筒体4内，且堵头19与筒体4内壁之间设置有孔用弹性挡圈22，堵头19的另一端贯穿压帽5且套设有变径压帽21，调节片20设置在变径压帽21与堵头19之间，堵头19、调节片20和变径压帽21均开设有相互连通的第二通孔23，堵头19与变径压帽21之间设置有第七o型圈24，堵头19靠近压帽5端面处外壁套设有轴用弹性挡圈25。
54.模拟开采降压模块可以根据模拟的不同出砂孔尺寸更换变径压帽，控制出砂量，提高的本装置的测量精度。
55.进一步优化方案，出砂可视模块包括视窗压帽26、环形垫圈27、环形垫片28、密封垫片29、视窗玻璃30、主体31、第八o型圈32、第九o型圈33和接头34；
56.主体31设置为筒状结构，主体31的底部外壁与底座1顶面固接，视窗压帽26设置有两个，且分别与主体31的两端内壁可拆卸连接，主体31内壁两端分别开设有环形卡接槽，环形卡接槽内壁固接有环形垫圈27，视窗玻璃30设置为圆柱结构，视窗玻璃30的周面与环形垫圈27内壁抵接，第八o型圈32设置在视窗玻璃30与环形垫圈27之间，环形垫片28与视窗玻璃30一侧抵接，密封垫片29设置在视窗玻璃30另一侧与视窗压帽26之间，接头34设置有两个，且关于主体31轴线对称设置在主体31周壁上，接头34为筒状结构，接头34连通主体31内腔，两接头分别与轴向加载模块和模拟开采降压模块连接，第九o型圈33设置在接头34与主体31内壁之间。
57.进行观测测量时，可从设置在两侧的视窗压帽26透过视窗玻璃30观测水合物开采过程中出砂过程和出砂机理，结合所测得数据，可以为深海水合物开采出砂控制提供相应的理论支持。
58.进一步优化方案，两接头34分别与轴压活塞6和变径压帽21密接。
59.进一步优化方案，连接变径压帽21的接头34连通有计量器，连接轴压活塞6的接头34连接有加压系统。
60.设置的计量器可以测量记录出砂速度、出砂质量等相关数据，获取更加精准的测量数据。设置的计量器在本发明中设置为流量计。
61.进一步优化方案，低温恒温箱外接有供水系统、供气系统和数据采集系统；
62.设置的供水系统、供气系统和数据采集系统均为现有技术，供水系统用于向低温恒温箱内提供水分，设置的供气系统同于向低温恒温箱抽取气体和提供天然气，数据采集系统同于控制水量和气体含量。
63.设置的供水系统由水泵、压力传感器、水箱、关断阀和流量计组成；设置的供气系统由气泵、关断阀、天然气罐和流量计组成；设置的数据采集系统由数据发送部，数据采集部和联接管理部组成。
64.进一步优化方案，传感器接口3分别插接有温度传感器、压力传感器和电阻加热器。
65.首先将设定级配粒度的水饱和骨架材料2填充到筒体4中并压实，通过传感器接口3安装温度传感器、压力传感器或电阻加热器插入填充好的水饱和骨架材料2，依次连接好轴向加载模块、试样生成模块、模拟开采降压模块和出砂可视模块，调节变径压帽21使得调节片20达到试验设计要求的直径尺寸；将连接好的式样本体插进主体31内，两接头34分别与主体31通过螺纹连接，将两接头34分别与轴向加载模块和模拟开采降压模块卡接，然后
将组合好的一种水合物物性测试一维试验装置整体放入低温恒温箱中，连接好数据采集系统、供气供水系统和排气器等周边系统，关闭箱门，根据水合物相平衡曲线设定恒温箱内部温度，排净系统中空气并将系统中充满天然气等试验气体并维持设定压力使水饱和骨架材料2空隙中生成水合物；待水合物在水饱和骨架材料2空隙中充分生成后，通过轴压活塞6对上述生成的含水合物试样施加设定的轴向压力；通过排气系统降低试样出砂可视模块侧的气体压力，由于气体压力的降低打破水合物相平衡条件而促使水合物分解，在轴向压力和水合物分解过程气和水的裹挟作用下，水饱和骨架材料2会从调节片20和变径压帽21流动到出砂可视模块，进而通过计量器测量记录出砂速度、出砂质量等相关数据。
66.在本发明的一个实施例中,为了可以实现对水合物的直观观测,设置了第二试样生成模块,第二试样生成模块包括玻璃筒体35、左端盖36、右端盖37和锁紧杆38；
67.左端盖36的一端设置在玻璃筒体35内腔的一端，且与玻璃筒体35内壁抵接，右端盖37的一端设置在玻璃筒体35内腔的另一端，且与玻璃筒体35内壁抵接，锁紧杆38设置有若干个，若干锁紧杆38绕玻璃筒体35中心线周向阵列设置，且锁紧杆38的两端分别贯穿左端盖36和右端盖37，锁紧杆38的两端分别通过螺纹连接有螺母，左端盖36和右端盖37中心均开设有调节孔，玻璃筒体35内设置有水饱和骨架材料2，左端盖36和右端盖37与玻璃筒体35内壁抵接处设置有密封圈。
68.第二试样生成模块的右端盖37与模拟开采降压模块进行连接后可形成第二试样本体，可用替换上述试样本体。
69.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
70.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。