本发明涉及一种地层稳定性模拟装置，特别是 涉及天然气水合物开采地层稳 定性三维模拟装置。 背景技术

天然气水合物（Natural Gas Hydrates, NGH)是天然气和水在特定的热力学 条件下形成的冰状化合物， 它是自然界中天然气存在的一种特殊形式。根 据考察 发现， NGH大量分布在陆地永久冻土带以及深海海底沉 积物中， 其中的甲烷总 资源量高达 2.1xl016m ³ 。 天然气是一种洁净能源， 有利于环境保护和可持续发 展， 研究如何有效开采天然气水合物具有重要的现 实意义。

天然气水合物可以以多种方式存在于自然界中 ，天然气水合物在洋底埋藏时 呈固体， 在开采过程中分子构造发生变化， 从固体变为气体， 也就是说， 水合物 在开采过程中发生相变。基于天然气水合物的 特点， 它与常规传统型能源的开发 方式不同。目前大多数有关天然气水合物的开 发思路基本上都是首先考虑如何将 蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然 后再将分解得到的天然气开采至地 面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定 存在的温度压力条件，造成其分解， 是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要 方法。主要有降压法、注热法与注 化学药剂法等， 这些方法引起的天然气水合物分解会引起孔压 增加而液化， 同时 水合物排出后孔隙无填充物， 出现均匀或局部化压实或剪切局部化引起渐进 破 坏，从而引起海底的失稳，这些失稳可导致海 底滑坡或海床面的大的沉陷。近来， C0 ₂ 置换分解天然气水合物法受到关注， 研究表明， 在一定的条件下， C0 ₂ 能与 天然气水合物反应， 产生甲烷并同时形成 co ₂ 水合物。 以 co ₂ 置换天然气水合 物的方法不仅可以开采得到天然气， 还能达到封存 C0 ₂ 的目的， 同时原位生成 的 C0 ₂ 水合物也能起到稳固地层的作用。

由于各地的地质条件和天然气水合物的成分不 同， 形成机制各异， 所以一般 通过模拟实验进行研究， 直接指导勘查开发。 但现有的实验设备相对比较简单， 难以满足目前天然气水合物开采过程地层稳定 性的研究需要，同时完全为海洋天 然气水合物开采过程地层稳定性服务的专业模 拟实验室还比较少。尤其是三维的 天然气水合物开采过程地层稳定性模拟研究装 置还未见诸报道。 发明内容

基于此，有必要针对现有技术未有三维的天然 气水合物开采过程地层稳定性 模拟研究装置的技术问题， 提供一种天然气水合物开采地层稳定性三维模 拟装 置。

一种天然气水合物开采地层稳定性三维模拟装 置，包括三维模型、轴压控制 单元、环境控制单元和后处理单元； 所述三维模型的内腔被设置在内腔的轴压密 封活塞分隔为密封的模拟腔与轴压密封腔，所 述三维模型上设有伸入模拟腔的垂 直井与水平井，所述三维模型下设有与所述轴 压密封腔连通的轴压注液口， 所述 轴压控制单元与所述轴压注液口连接；

所述三维模型处于环境控制单元当中；

所述三维模型、轴压控制单元和环境控制单元 上设有若干传感器， 所述传感 器与后处理单元电连接。

进一步的， 所述三维模型为圆柱形， 其由上法兰、 筒体和下法兰通过若干螺 栓固定密封形成筒体， 筒体内部为所述三维模型的内腔， 所述轴压密封活塞设置 在所述筒体的下部， 上法兰、 筒体和轴压密封活塞形成密闭的模拟腔， 筒体、 下 法兰与轴压活塞之间形成密封的轴压密封腔； 轴压密封活塞最大上升高度为三维 模型高度的四分之一； 所述轴压注液口设置在下法兰中心位置。

更进一步的，所述轴压密封腔通过轴压注液口 注入的液体， 液体推动轴压密 封活塞给模拟腔施加轴向压力，用于模拟施加 轴向压力下模拟腔内部水合物层结 构与位移变化； 所述轴压密封活塞最大上升高度为三维模型高 度的四分之一； 所 述轴压注液口设置在下法兰中心位置。

更进一步的： 所述垂直井与至少一个气液进口连接， 天然气和工作液通过气 液进口被注入模拟腔后，在模拟腔内形成水合 物层， 所述水合物层沿深度方向分 为 3个不同深度的检测层；伸入模拟腔内部的垂� �井有 1组，设在模拟腔的中央; 垂直井由 3根垂直井管组成， 各根垂直井管分别伸入至模拟腔内的 3个检测层； 水平井的数量为 1组， 设在中间的检测层平面上， 水平井由 1根水平井管组成。 再进一步的， 所述垂直井与水平井通过可拆卸的螺纹联结与 三维模型连接。 更进一步的： 所述三维模型上的传感器包括温度测量接口和 位移测量接口， 所述 3个检测层将模拟腔分为 4等分； 每个检测层平面上分别设置 25个温度测 量接口和 25个位移测量接口； 每个检测层平面上的温度测量接口和位移测量 接 口呈正方形分布，正方形四个角上的温度测量 接口和位移测量接口与模拟腔的内 壁紧贴； 所述温度测量接口和位移测量接口设置在模拟 腔的内部， 并通过引线引 出模拟腔外与所述后处理单元电连接。

进一步的： 所述轴压控制单元包括依次连通的轴压泵、伺 服溢流阀， 所述伺 服溢流阀通过管线与所述轴压注液口连接，轴 压注液口上接有测量轴压密封腔压 力的压力传感器， 所述压力传感器与所述后处理单元连接。

本发明的天然气水合物开采地层稳定性三维模 拟装置可以进行不同沉积物、 水合物饱和度、覆盖条件下， 天然气水合物成藏与开采过程中含水合物沉积 物的 力学参数变化研究，包括水合物分解相变引起 的储层结构变化、分解气体和水的 释放对储层力学参数的影响， 对开采过程风险控制进行综合评估。

本发明的天然气水合物开采地层稳定性三维模 拟装置，通过后处理单元对三 维模型、轴压控制单元和环境控制单元上的传 感器电连接， 采集各传感器所对应 的压力、温度、 位移等参数。 数据处理模块可为数据处理软件， 数据处理模块将 各传感器的信号进行处理， 以取得诸如： 时间 -温度曲线、 时间 -压力曲线、 时间 -位移曲线、 时间 -流量曲线、 压力 -位移曲线， 用于对地层稳定性的情况进行分 析。 所述后处理单元能对温度、 压力、 位移及液体重量等参数进行在线测量， 均 能在线连续监测。

综上， 本发明的优点是：

1 ) 通过本模拟装置可模拟多种不同的开采方式下 水合物地层变化特征；

2 ) 在模拟实验时， 通过多测点三维监测、 模拟研究与开采井不同空间距离 上的地层特性变化；

3 ) 三维模型可同时模拟垂直井和水平井开采过程 下水合物层的稳定性；

4) 本发明所述模拟装置可以真实的模拟外部环境 ， 将水合物原位合成分解 与地层稳定性相结合， 具有更高的可靠性与准确性， 对开采过程的地层力学特性 变化、 地层稳定性进行综合评估， 可以天然气水合物开采提供指导。 附图说明

图 1是本发明实施例的结构示意图；

图 2是本发明实施例中三维模型的剖面结构示意� �；

图 3是本发明实施例中三维模型的俯视结构示意� �；

图 4是图 2中的 B-B向剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-三维模型， 2-温度控制室， 3-模拟腔， 4-恒温水浴， 5-气液进口， 6-气液 出口， 7-压力传感器， 8-温度传感器， 9-位移传感器， 10-数据采集箱， 11-计算 机， 12-轴压泵， 13-筒体， 14-上法兰， 15-下法兰， 16-螺栓， 17-水夹套， 18- 水夹套入口， 19-水夹套出口， 20-垂直井， 21-水平井， 22-水合物层， 23-轴压活 塞， 24-轴压注液口， 25-轴压密封腔， 26-伺服溢流阀。 具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步 详细的说明。

本发明的天然气水合物开采地层稳定性三维模 拟装置可以进行不同沉积物、 水合物饱和度、覆盖条件下， 天然气水合物成藏与开采过程中含水合物沉积 物的 力学参数变化研究，包括水合物分解相变引起 的储层结构变化、分解气体和水的 释放对储层力学参数的影响， 对开采过程风险控制进行综合评估。

请参见图 1-图 4， 一种天然气水合物开采地层稳定性三维模拟装 置， 包括三 维模型 1、 轴压控制单元、 环境控制单元和后处理单元； 三维模型 1内为密封的 模拟腔 3与轴压密封腔 25， 在该三维模型 1上设有 1组垂直井 20与一组水平井 21。模拟腔 3通过垂直井与气液进口 5与气液出口 6相连接。气液进口 5设有压 力传感器 7用于测量模拟腔 3内的压力。三维模型 1处于环境控制单元当中； 所 述三维模型 1、 轴压控制单元和环境控制单元上设有若干传感 器， 所述传感器与 后处理单元电连接。

其中， 三维模型 1为圆柱形不锈钢反应釜， 包括筒体 13、 上法兰 14、 下法 兰 15。 筒体 13、 上法兰 14、 下法兰 15之间通过螺栓 16连接。 筒体 13底部设 有轴压活塞 23。 筒体 13、 上法兰 14与轴压活塞 23之间形成密封的模拟腔 3。 筒体 13、 下法兰 15与轴压活塞 23之间形成密封的轴压密封腔 25。 轴压密封活 塞 23最大上升高度为三维模型高度的四分之一， 避免轴压密封活塞接触模拟腔 内的传感器而造成损坏。 下法兰 15中心位置留有轴压注液口 24与轴压泵 12相 连接。 为准确的控制三维模型 1的温度， 在所述筒体 13的外侧设有水夹套 17， 水夹套通过水夹套入口 18、 水夹套出口 19与恒温水浴 4连接。

所述模拟腔 3为水合物层 22。 模拟腔中的水合物层 22划分为 3个检测层， 分别为上层检测层、 中层检测层和下层检测层 （分别对应图 2的 A-A剖面位置、 B-B剖面位置、 C-C剖面位置）， 3个检测层将模拟腔分为 4等分。 所述上法兰 14上设置 25个均匀分布的温度与位移测量接口。 上法兰 14中心位置为垂直井 20， 垂直井 20由伸入模拟腔 3不同深度的 3根井管组成， 井管分别从上法兰伸 入到 3个检测层处（分别对应图 2的 A-A剖面位置、 B-B剖面位置、 C-C剖面位 置）。 所述筒体 13侧壁设置 1组水平井 21。 所述水平井 21从侧壁伸入模拟腔 3 (伸入的位置分别对应图 2的 B-B剖面位置）， 并且沿径向贯穿水合物层 22。垂 直井 20和水平井 21分别通过可拆卸的螺纹联结与三维模型 1相连。 当模拟腔 3 内加载轴压时， 垂直井 20和水平井 21 的井管可拆卸下来， 防止损坏。 垂直井 20和水平井 21均通过控制阀与外界联通。

所述模拟腔 3沿水合物层 22的深度方向分 3层设置层温度与位移测量接口， 每层均匀布置 5x5=25个温度与位移测量接口； 每个检测层平面上的温度测量接 口和位移测量接口呈正方形分布， 正方形四个角上的测量接口与模拟腔内壁紧 贴； 设置的温度传感器 8、 位移传感器 9可分别测量三维模型中的温度、 地层位 移等参数， 并将所测量的数据输入数据处理单元进行分析 处理。

所述轴压密封腔 25通过轴压注液口 24注入一定压力的液体，液体推动轴压 密封活塞 23给模拟腔 3施加轴向压力， 用于模拟施加轴向压力下模拟腔 3内部 水合物层结构与位移变化。

环境控制单元包括容纳三维模型 1的温度控制室 2和设置在三维模型 1外侧 壁体上且与恒温水浴 4连接的水夹套 17。 环境控制单元上的传感器至少包括安 装在温度控制室 2中以及恒温水浴 4的水中的温度传感器。通过环境控制单元可 对三维模型 1进行温度的精确控制。

所述轴压压控制单元包括依次连通的轴压泵 12、 伺服溢流阀 26， 通过管线 与下法兰 15上的轴压注液口 24连接。轴压注液口 24上接有测量轴压密封腔 25 压力的压力传感器， 通过此传感器测得的实时压力， 通过数据采集箱 10反馈到 计算机 11， 同过计算机 11对伺服溢流阀 26的开合进行控制， 从而达到轴压的 稳定与调节。

后处理单元包括数据采集箱 10、 计算机 11， 采集箱 10与计算机 11连接。 在计算机 11 内设有数据采集模块、 数据处理模块、 数据存储模块。 数据采集箱 10与计算机 11连接。 数据采集模块采集各感应元件所感应的压力、 温度、 位移 等参数。数据处理模块可为数据处理软件或其 它结构， 数据处理模块将各传感器 的信号进行处理， 以取得时间-压力、 时间-温度、 时间-位移等曲线， 用于对地层 稳定性情况进行分析。所述后处理单元的温度 、压力、位移测量等参数均能在线 连续监测。

本发明中，环境控制单元用于控制三维模型 1的环境温度； 轴压控制单元用 于给三维模型 1中的水合物层施加轴向压力；后处理单元用� �采集和处理各传感 器的信号， 各传感器的信号采集一般包括： 模拟腔内的温度、 压力以及位移， 以 及来轴压密封腔压力值； 各传感器的数据处理一般包括： 输出时间 -温度曲线、 时间 -压力曲线、 时间 -位移曲线、 等等， 以对各数据进行综合评价。

三维模型的耐压范围一般为 5〜40MPa， 内腔容积为 50〜500L圆柱形不锈 钢反应釜； 耐压范围优选 25±2.5MPa， 内腔容积优选 110±20L， 且内腔三维空间 长度应大于 500mm。 所述三维模型 1 的温度测量接口、 压力测量接口与位移测 量应随三维模型的容积增大而增加，其接口的 开孔位置应确保温度、压力及位移 监测点在三维模型空间内均布。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方 式， 其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限 制。应当指出的是， 对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前 提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求 为准。