天然气水合物三轴压缩试验研究进展.pdf

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第33卷第2期
天然气勘探与开发
天然气水合物三轴压缩试验研究进展
李洋辉宋永臣刘卫国
(“海洋能源利用与节能”教育部重点实验室?大连理工大学
摘要天然气水合物强度试验对我国天然气水合物的安全开采具有重要的意义。针对天然气水合物三轴
强度试验研究,对国内外进展和现状进行了综述,介绍了相关试验装置,总结了目前主要的几种实验方法,分析了
其优点与不足,并介绍了大连理工大学的一些相关研究工作。图5参21
关键词天然气水合物三轴试验机械强度研究进展
0引言
1天然气水合物三轴试验装置
天然气水合物作为一种未来极具潜质的清洁能
天然气水合物既有土的重要特性,又有别于土
源,其开采技术已经成为石油天然气工业新的研究正确认识这种差异,可借用土力学的手段对天然气
热点。现阶段提出的天然气水合物开采方法主要有水合物机械特性的进行研究。如有效应力原理、固
热激发法降压法、化学试剂法等,其基本思路都是结理论以及相应的一些实验方法。三轴仪是研究土
首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的水合物分解,然样机械特性较为理想的设备,虽其实测值比平面应
后采集至地面。一般来说,人为地打破天然气水变仪和真三轴仪偏低,对于工程应用是偏于安全
合物稳定存在的温度压力条件,即相平衡条件,造成的们,且因其试验原理和操作方法相对简单而得到
其分解,是目前开采天然气水合物中天然气资源的广泛应用。但由于天然气水合物易受其生成条件
主要方法。天然气水合物经常以固态胶结物形式赋(低温、高压)及稳定性的影响,必须对三轴仪做
存于沉积物孔隙中,天然气水合物的分解会使海底些必要的改进,以适合实验的需要(以下简称低温
沉积物强度降低面2;同时因天然气水合物分解所三轴仪)。由于天然气水合物对温度的强烈敏感
释放沉积物的孔隙空间,会使沉积物中孔隙流体性,低温三轴仪不仅要满足水合物的力学试验要求,
(主要是孔隙水)增加和沉积物的内摩擦力降低。同时还要具备高精度的温度恒定维持系统。一般来
在开采过程中,由于在地震波、风暴波或人为扰动下说低温三轴仪由加载系统、围压系统与恒温系统三
孔隙流体压力急剧增加,岩石强度降低,一旦发生井部分组成。目前,加载系统和围压系统的设计方法
喷,或者在海底天然气水合物稳定带内的岩层中形已相当成熟,关键技术是在恒温系统的设计方面,主
成统一的破裂面,就会造成灾难性的地质塌陷,发生要表现在如何实现加载系统与恒温系统的有机结
海啸、海底滑坡和海水毒化等灾害以及生命财产损合、如何提高恒温系统的控温精确性、如何降低设计
失面…?。所以研究地层水合物分解时强度的变化成本、如何提高试验精度等几个方面。依据目前常
及分解率、骨骼构造与机械强度的关系,确立地层水规土工三轴试验设备的应用现状,许多学者认为仅
合物分解时各种参数对海底地层变形的影响以及地对土工常规三轴试验机进行适当改造使其与恒温系
层水合物层的机械特性就显得尤为重要。
统有机结合即可?。
国家科技重大专项(2008ZX5026-004)、国家“863”计划重大项目(2006A09209)及国家“973”计划项目(2009CB219507)联合资助
作者简介李洋辉,男,1985年出生,浙江台州人,大连理エ大学在读项士;现主要从事能源技术、天隰气水合物、资源环境技术、CO2减排
及其资源化等研究。地址:(116024)辽宁者大達市大速理エ大学能源与动カ学院。电话:(0411)84708464。E- mail s hercules1914@126,com
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天然气勘探与开发
2010年4月出版
目前低温三轴试验机的保持试样恒温方式主要内降温过程缓慢,且在试验安装过程中,封闭空间内
有两种。
不能保持低温,不适合用于水合物试验。
(1)冷浴循环制冷
冷浴循环制冷是指通过恒温液体在压力室局部
不断进行循环从而保持压力室温度场恒定的方法。
在压力室内部、试样周围安装制冷筒或热交换管,并
与低温槽连接,使管内液体与压力室内液体充分热
交换,通过控制低温槽液体的温度来实现压力室内
液体的控温。目前,大连理工大学、日本产业技术综
合研究所、日本长崎大学(图1)、中国科学院兰州寒
区?区环境与工程研究所冻土国家重点实验室的低
温三轴材料试验机都采用这种方式。
图2低温高压三轴仪(山口大学)
由上述分析可以知道,如果能减小冷浴循环过
程中热损失带来的实验误差,冷浴循环方式较空气
制冷方式更适合用于天然气水合物三轴试验。
2试样制备
图1低温高压三轴仪(长崎大学
天然气水合物是强度介于岩石和土壤之间的物
质,用于岩土三轴试验的制样方法对于天然气水合
这种方法循环液体热容相对较大,有利于快速物并不完全适用,需考虑到天然气水合物稳定存在
降温过程与循环液体温度的恒定,能精确控温,噪音条件的限制。目前国内外尚未有统一的试样制备方
小。但由于恒温液体要流经管路、循环泵体、阀门等法及标准,获取天然气水合物沉积层样品困难,我国
散热点,易加大实验设计温度与实际实验温度之间也只是2007年5月在南海第一次开采到了水合物
的误差,引起实验温度振幅增大。循环液体充满压沉积物样本。目前国内外天然气水合物三轴试验研
力室需要一定时间,成本高。
究的重点均集中在实验室合成水合物沉积物上。由
(2)局部封闭空气制冷
于冰和水合物物理性质相似面?,且冰在制样过程
局部封闭空气制冷是将压力室局部密封,在压中没有严格的条件限制,利于实验的进行,有的实验
力室外部例建一个相对于外界独立的绝热环境(放室就以冰粉代替天然气水合物进行相关试验。
在冷冻室内),通过某种方式保持这个独立空间内
2003年,日本清水建设技术研究所的 Tohru
空气温度恒定,间接维持压力室内试样恒温的方法。Abe等人。在研究深海底盘变形特性的过程中,用
压力室内液体的温度通过压力室壁的热传导来实冰试样代替水合物沉积层测定其剪断特性,提出了
现,要求压力室壁有较好的导热系数。日本山ロ大两种制备试样的方案(图3):①在-20℃的冷库内,
学用于天然气水合物强度试验的三轴试验机就采用利用超声波加湿器喷雾速冻制备微冰粉末,然后与
这种降温方式(图2)
定量的丰浦砂混合压实成型,最后在-20℃的冷
这种方式以空气作为制冷过程的导热介质,空库内保存;②将干燥的丰浦砂放入制样模具中,然后
气在封闭空间内相对静止,其导热系数小,对低温压在模具底部按含水率要求通入一定量的水,模具上
力室起到一定的隔热作用,环境降温速度快,便于试部接10KPa低压,然后冻结制成试样。
验操作。但由于空气的比热容较小,绝热空间内部
对比两种试样制备方案,方案①制备的试样,不
温度场不均匀,难于做到精确的恒温控制。压力室冻水主要包裹在颗粒砂表面,冰在各个间隙之间;方