技术领域
[0001] 本实用新型属海洋
天然气水合物开采领域，具体涉及一种含水合物沉积物工程静探参数模拟装置。
背景技术
[0002] 天然气水合物是指在一定的温压条件下，由甲烷气体与水结合形成的笼状化合物。理想状态下1m3天然气水合物分解可以释放164m3(标况)的天然气，因此天然气水合物被认为是具有巨大
能源潜能的非常规能源，通常分布在陆地永久冻土带或大陆边缘深海浅层沉积物中。为了有效开发利用天然气水合物，目前在加拿大Mallik、美国Alaska北坡、日本Nankai Trough、中国木里盆地、中国南海神狐海域都开展了一定的天然气水合物试采。获得了一定的认识，为天然气水合物资源的开发利用提供了一定的经验
基础。与冻土带天然气水合物开发相比，海洋天然气水合物开采面临更大的挑战。
[0003] 其中关键挑战之一就是：海洋天然气水合物赋存区水深大，水合物储层工程参数评价困难大。由于工程参数评价误差导致的施工
风险也将成倍增加。这些风险主要表现在：对水合物储层上覆
地层工程参数评价依赖于现场工程地质调查，现场工程地质调查耗时长、成本高，无疑增加了开采成本。而且对储层工程地质参数的评价方面，目前尚为空白。我国在首次海域天然气水合物试采前夕层对试采区上覆地层的工程地质参数开展调查，取得了非常珍贵的数据，也积累了深海工程地质参数评价的基本技术。但是由于现场工程地质调查未能
覆盖实际天然气水合物储层，而且目前国内外均无相关的研究报道。水合物储层工程地质参数的缺失对后期开采过程中储层
稳定性评价、储层出砂过程模拟及工程地质风险评价均带来了巨大的困难。
[0004] 静
力触探是获取现场工程地质参数的最主要手段。但实际上，现场工程静力触探具有很强的“区域依赖性”。即A区域获得的工程静力触探参数，由于受土质、孔渗、土组份等因素的影响，是无法直接挪用用于模拟计算B区域的储层工程地质参数的。因此，即使我国在首次海域天然气水合物试采中开展了针对试采区的工程地质调查，但这些参数完全无法应用于下一次试采区。
[0005] 为此，目前在含水合物沉积物工程静探参数评价方面存在如下
瓶颈，亟待解决：(1)现场工程地质调查费时费力，需要探索新的能够降低天然气水合物开采成本的工程静探参数评价方法；(2)现场工程地质调查没有针对天然气水合物储层做工作，储层工程参数的计算依赖于经验公式，可靠性有待进一步检验；(3)不同地区工程静探参数区域依赖性强，不通用，急需建立专
门用于含水合物沉积物工程静探参数评价的基本方法。
实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，该模拟装置是一种能够在室内通过模拟实验开展储层工程静探参数评价的装置，能够为不同储层条件下水合物沉积物工程参数计算模型的建立提供基础数据
支撑，为建立专门用于含水合物沉积物工程静探参数评价的基本方法提供依据。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、静力触探子系统、监控子系统和
数据采集子系统；
[0008] 所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜，所述反应釜包括反应釜本体，所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖，所述反应釜本体内设置有内胆，所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接，并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空，所述上、下端盖上，对应内胆的
位置分别设置有出气口、进气口，所述内胆中填充有饱和沉积物，所述环空内充满氮气；所述反应釜本体的外壁上缠绕有冷却管；
[0009] 所述供气子系统包括甲烷气瓶；
[0010] 所述冷却子系统包括制冷机和换热器，所述制冷机用于循环冷却换热器中的冷媒，所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中，所述冷却管内的
冷却液循环与换热器进行热交换；
[0011] 所述静力触探子系统包括贯入模
块和量测模块，所述贯入模块包括贯入
电机，所述上端盖上设置有反力支撑架，所述贯入电机设置在反力支撑架上；所述量测模块包括静力触探
探头、拉线
编码器和数据采集仪，所述上端盖上，对应内胆的位置设置有通孔，所述通孔内设置有探杆，所述探杆能够沿通孔上下滑动，并与通孔之间密封配合，所述静力触探探头安装在探杆的下端，所述探杆的上端与贯入电机相连，贯入电机能够带动探杆上下运动；所述拉线编码器的本体安装在贯入电机上，所述拉线编码器的金属丝线连接在探杆上；所述静力触探探头均与数据采集仪电连接；
[0012] 所述监控子系统包括监控模块、
温度传
传感器、气压传感器和流量传感器，所述温度传传感器分别设置在换热器冷媒的出口处，甲烷气体换热器的出口处，反应釜本体的上、下端盖处以及反应釜本体内部；所述气压传感器设置在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空内和甲烷气体换热器的出口处；所述流量传感器设置在甲烷气瓶的出口处；所述温度传感器、气压传感器和流量传感器分别与监控模块电连接；
[0013] 所述数据采集子系统包括数据采集计算机，所述数据采集计算机分别与数据采集仪、监控模块和拉线编码器电连接。
[0014] 进一步地，所述冷却管为紫
铜管，紫铜管与反应釜本体的外壁局部
焊接，所述紫铜管外覆盖有保温层，所述保温层外覆盖有外保护层。
[0015] 进一步地，所述上端盖上连接有上端盖开启机构，所述上端盖开启机构为电动
棘轮盘，所述电动棘轮盘设置在反力支撑架上。
[0016] 进一步地，所述上端盖上，对应环空的位置布设有安全
阀。
[0017] 进一步地，所述监控子系统还包括
电路监测模块，所述电路监测模块用于监测各传感器、数据采集子系统和量测模块的供电状态。
[0018] 进一步地，所述上端盖的通孔内，与探杆配合处设置有三层密封环。
[0019] 进一步地，所述贯入电机包括力矩电机与行星滚柱
丝杠，所述
行星滚柱丝杠的一端与力矩电机的
转轴连接，另一端与运动压块连接，探杆的上端与运动压块连接。
[0020] 进一步地，所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转
支架。
[0021] 本实用新型的另一个目的在于提供一种含水合物沉积物工程静探参数模拟方法，包括：
[0022] S1.静力触探探头的
真空饱和：取实际需要使用的静力触探探头，插入探头真空饱和仪抽真空，在孔压测量孔中饱和蒸馏水；
[0023] S2.原位合成饱和水沉积物：安装水合物储层模拟反应釜子系统，并向内胆中填充饱和水沉积物，使饱和水沉积物与上端盖之间留存20mm-30mm的空间，缓慢向反应釜内注入甲烷并降温，模拟气体向上渗漏过程并生成含水合物沉积物；
[0024] S3.开展含水合物沉积物的静力触探模拟：连接静力触探子系统，设置静力触探探头的贯入速率，启动贯入电机，逐步向水合物沉积物中压入静力触探探头并实时记录此过程中的探头锥端阻力、侧摩阻力、孔隙压力、
电阻率及视频影像数据，通过拉线编码器实时记录探头的贯入深度；当探头贯入深度距离反应釜下端盖2cm时，停止贯入，反转贯入电机，上提静力触探探头；
[0025] S4.根据锥端阻力、侧摩阻力及孔隙压力估算含水合物沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、
应力路径的纵向分布规律，根据电阻率计算所处层位中的含水合物
饱和度，建立锥端阻力、侧摩阻力、孔隙水压力随水合物饱和度的变化规律，进而建立沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、应力路径随水合物饱和度的变化曲线；利用静力触探过程中的视频影像数据识别静力触探过程中含水合物沉积物的破坏形态。
[0026] 本实用新型的含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，该模拟装置是一种能够在室内通过模拟实验开展储层工程静探参数评价的装置，能够为不同储层条件下水合物沉积物工程参数计算模型的建立提供基础数据支撑，为建立专门用于含水合物沉积物工程静探参数评价的基本方法提供依据。除此以外，本实用新型的装置还具有以下就效果：
[0027] (1)从室内模拟实验与现场深海现场施工一致的
角度出发，本方案采用静力触探探头可一次获得5个试验参数：锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、电阻率和孔隙摄像。不仅提高了实验效率，而且对于同时获取含水合物沉积物纵向力学参数非均质性、饱和度非均质性有非常重要的意义。其中测量得到的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙压力能够实现与现场施工1:1的工程强度参数计算，测量得到的电阻率参数能够获取实际含水合物沉积物的饱和度纵向非均质特性，因此能够实现含水合物沉积物工程强度参数与储层饱和度非均质性的对应研究；
[0028] (2)装置采用行星柱丝杠的主要优势是：所述行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似，区别在于行星滚柱丝杠
载荷传递元件为
螺纹滚柱，是典型的线
接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。因此本装置采用的行星柱丝杠有众多的接触点来支撑负载。由于试验中合成天然气水合物存在分布的不确定性，所以导致土层分层的不确定性，局部强度可能相差较大，所以需选择抗冲击性能较好的线接触机构。当静探探头锥进到超过安全上限的土层中、或因操作延迟等原因，导致探头锥尖顶到反应釜下端盖时，电机会发生保护性停转，停止推进，防止损坏探头；
[0029] (3)本实用新型所述的含水合物沉积物工程静探参数模拟装置能够完全模拟实际海底含水合物沉积物所处的温度与压强环境，并借助甲烷气源压强，在沉积物内生成含天然气水合物沉积物。这一功能与静力触探装置的配合使用是目前的所有装置中均未涉及的。
[0030] (4)为了防止外部温度对反应釜整体的温度影响，采用与气体控温同步的气体
热交换器给乙二醇降温，并利用缠绕在反应釜外围的紫铜管给反应釜整体控温。双重控温之下保证实际储层温度条件的模拟。
附图说明
[0031] 图1为本实用新型的装置的部分结构示意图；
[0032] 图2为本实用新型的测量部分的模块连接示意图；
[0033] 图3为本实用新型的制冷部分的连接作示意图；
[0034] 上述图中：1-反应釜本体；2-内胆；3-上端盖；4-下端盖；5-冷却管；6-贯入电机；7-反力支撑架；8-静力触探探头；9-探杆；10-拉线编码器；11-电动棘轮盘；12-翻转支架；13-运动压块。
具体实施方式
[0035] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和
实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0036] 实施例1
[0037] 本实用新型的含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，主要由6部分组成，分别是：水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、静力触探子系统、监控子系统和数据采集子系统。
[0038] 其中，所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜，所述反应釜包括反应釜本体1，其材质为
钛合金，所述反应釜本体1上下两端分别设置有上端盖3和下端盖4，所述反应釜本体1内设置有内胆2，所述内胆2的两端分别与上端盖3和下端盖4密封连接，并且在反应釜本体1内壁与内胆2外壁之间形成密封环空，所述上端盖3和下端盖4上，对应内胆2的位置分别设置有出气口、进气口，所述内胆2中填充有饱和沉积物，所述环空内充满氮气；所述反应釜本体1的外壁上缠绕有冷却管5，管内的控温
流体为乙二醇。所述冷却管5为紫铜管，紫铜管与反应釜本体1的外壁局部焊接，使得管路与反应釜紧密接触，增大导热系数。紫铜管外覆盖有保温层，用以稳定釜内温度，保温层主要由岩
棉构成，有阻燃、保温的特性，保温层
岩棉厚度一般为50mm，保温层外覆盖有外保护层，外保护层采用薄不锈
钢板，包裹在岩棉外侧，具有美观、防腐、防火等优点。另外，所述上端盖3上连接有上端盖3开启机构，所述上端盖3开启机构为电动棘轮盘11，所述电动棘轮盘11设置在反力支撑架7上。电动棘轮盘11能够自动抓紧反应釜上端盖3，通过反力支撑架7施加拉力，开启上端盖3。所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转支架12，方便试验结束时，倾倒反应釜内部的沉积物。
[0039] 所述供气子系统包括甲烷气瓶，用于盛放甲烷气体。
[0040] 所述冷却子系统包括制冷机和换热器，所述制冷机用于循环冷却换热器中的冷媒，其中，换热器为气体热交换器，制冷机为低温水冷机组。所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆2中。所述冷却管5内的冷却液循环与换热器进行热交换。
[0041] 所述监控子系统包括监控模块、温度传感器、气压传感器、流量传感器和电路监测模块。
[0042] 所述温度传传感器设置在换热器冷媒的出口处，用于测量换热器内流出的冷媒的温度；设置在甲烷气体换热器的出口处，用于测量换热后的甲烷气体的温度；温度传传感器还设置反应釜本体1的上端盖3和下端盖4处以及反应釜本体1内部，一般情况下，在反应釜本体1内部的两个不同位置设置两个温度传感器，分别检测反应釜本体1内部的不同位置，以及上端盖3和下端盖44处的温度。
[0043] 气压传感器设置在反应釜本体1内壁与内胆2外壁之间形成密封环空内，用于检测环空内的气体压强，具体设置时，可以设置在上端盖3的内侧；上端盖3上，对应环空的位置布设有
安全阀，当气压传感器检测到环空内的气压异常升高到规定值(30MPa)时，安全阀自动开启，继而全量排放，当压力降低到规定值时，安全阀自动关闭，保证反应釜的安全运行；气压传感器还设置在甲烷气体换热器的出口处，用于检测进入内胆2内部的甲烷气体的压强。
[0044] 所述流量检测传感器设置在甲烷气瓶的出口处，用于检测进入内胆2中的甲烷气体的量。
[0045] 所述电路监测模块用于监测各传感器、数据采集子系统和量测模块的供电状态。
[0046] 所述温度传检测传感器、压强检测传感器、流量检测传感器和电路监测模块分别与监控模块电连接。
[0047] 其中，所述静力触探子系统包括贯入模块和量测模块，所述贯入模块包括贯入电机6，所述上端盖3上设置有反力支撑架7，所述贯入电机6设置在反力支撑架7上；贯入电机6执行将探杆9向釜内推进和回收的动作，反力支撑架7负责将贯入电机6与反应釜相对固定。贯入电机6由力矩电机与行星滚柱丝杠配合组成，所述行星滚柱丝杠的一端与力矩电机的转轴连接，另一端连接有一运动压块13。力矩电机具有卷绕特性，可以实现恒
张力转动，恒张力转动可有效实现对静力触探探头8的保护。行星滚柱丝杠使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高的抗冲能力。贯入电机6的参数：在10MPa时贯入力5kN，贯入功率为750W电机。
[0048] 所述量测模块包括静力触探探头8、拉线编码器10和数据采集仪，所述上端盖3上，对应内胆2的位置设置有通孔，所述通孔内设置有探杆9，所述探杆9能够沿通孔上下滑动，并与通孔之间密封配合，与探杆9配合处设计三层密封环，执行贯入动作时，保证反应釜的整体
密封性，防止泄露导致压强下降。所述静力触探探头8安装在探杆9的下端，所述探杆9的上端与贯入电机6相连，贯入电机6能够带动探杆9上下运动，具体是行星滚柱丝杠的下端与运动压块13连接，探杆9的上端与运动压块13连接。静力触探探头8是
现有技术中非常成熟的探头，在本实用新型中，静力触探探头8耐压30MPa，在其向含水合物沉积物压入过程中可同时测量如下工程静探参数：锥尖阻力(测量范围0～10MPa，测试
精度0.5％)、侧摩阻力(0～1MPa，测试精度0.5％)、孔隙水压力(0～20MPa，测试精度0.5％)、电阻率(量程0～5000Ωm，测试精度0.5％)和贯入路径的图像(100W
像素)资料。探杆9由表面经过特殊处理的双相
不锈钢管制成，与反应釜密封性良好，可以在30MPa的压强状态下保持良好的密封效果。
[0049] 所述拉线编码器10的本体安装在贯入电机6上，所述拉线编码器10的金属丝线连接在探杆9上；当静力触探探头8在探杆9的作用下压入反应釜的时候，带动拉线编码器10的金属丝线同步移动，从而获取探头的贯入深度，并可间接获得探头的贯入速度。拉线编码深度是静力触探自动记录的基础，也是调整贯入速度的依据。所述静力触探探头8均与数据采集仪电连接。
[0050] 所述数据采集子系统包括数据采集计算机，所述数据采集计算机分别与数据采集仪和监控模块电连接。所述数据采集计算机上设置有指静力触探采集
软件，可以在主界面监控静探过程中的锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙压力、电阻率值等参数的采集并在后台自动记录。所采集的数据可导出、能够实时采集、能够在软件界面实时显示，提供人工修正
接口。
[0051] 实施例2
[0052] 对应实施例1中的含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，实施例2提供一种含水合物沉积物工程静探参数模拟方法，包括：
[0053] S1.静力触探探头8的真空饱和；具体步骤为，取实际需要使用的静力触探探头8，插入探头真空饱和仪抽真空，在孔压测量孔中饱和蒸馏水。
[0054] 该步骤主要是对孔压触探探头的孔隙水压力传导舱进行真空除气，并以导压液体填充饱和，从而降低空气对孔隙水压力检测的影响。其中探头真空饱和仪的具体参数为，最大真空度：-0.1MPa；适配探头类型：2cm2、5cm2、10cm2、15cm2孔压探头；额定功率：80W。
[0055] S2.原位合成饱和水沉积物：安装水合物储层模拟反应釜子系统，并向内胆2中填充饱和水沉积物，使饱和水沉积物与上端盖3之间留存20mm～30mm的空间，缓慢向反应釜内注入甲烷并降温，模拟气体向上渗漏过程并生成含水合物沉积物；
[0056] 在此操作步骤中，保证饱和水沉积物在反应釜内的高度小于反应釜的实际有效高度，保证饱和水沉积物上部始终存在20mm～30mm的空间，此空间的存在对于模拟真实海底含水合物沉积环境至关重要：饱和水沉积物在气体向上渗漏过程中会排出一部分水，这部分水沉积在沉积物与反应釜上端盖3内壁之间的空间，多余的水被排出反应釜。如此，即可以用这部分水膜对沉积物上端施加的应力模拟实际
海水对海底沉积物的压力，克服常规力学实验中采用硬质金属直接对沉积物端面加压时，无法准确模拟海水对沉积物应力施加情况的
缺陷。
[0057] S3.开展含水合物沉积物的静力触探模拟：连接静力触探子系统，设置静力触探探头8的贯入速率，一般设置为2mm/s，启动贯入电机6，逐步向水合物沉积物中压入静力触探探头8并实时记录此过程中的探头锥端阻力、侧摩阻力、孔隙压力、电阻率及视频影像数据，通过拉线编码器10实时记录探头的贯入深度。当探头贯入深度距离反应釜下端盖42cm时，停止贯入，反转贯入电机6，上提静力触探探头8。
[0058] S4.根据锥端阻力、侧摩阻力及孔隙压力估算含水合物沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、应力路径等参数的纵向分布规律，用测量得到的电阻率计算所处层位中的含水合物饱和度，建立锥端阻力、侧摩阻力、孔隙水压力等工程静力触探数据随水合物饱和度的变化规律，进而建立沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、应力路径等工程参数随水合物饱和度的变化曲线。利用静力触探过程中的视频影像数据识别静力触探过程中含水合物沉积物的破坏形态。
[0059] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附
权利要求的保护范围。
