[发明专利]一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法

权利要求书

1.一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置，包括平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物模拟子系统以及用于对上述子系统进行控制和数据采集的数据处理及控制子系统；其特征在于：

所述平台运动模拟子系统包括伺服电机、导轨、滑块和张紧器，伺服电机固定在导轨的一端，滑块与导轨之间滑动连接，滑块下端连接张紧器，平台运动模拟子系统底端连接隔水管子系统；

所述隔水管子系统包括三分力仪、上部挠性接头、夹具、隔水管、下部挠性接头和防喷器，三分力仪上端连接张紧器，三分力仪下端与上部挠性接头连接，上部挠性接头连接夹具，夹具与隔水管螺栓紧固连接，隔水管底端与防喷器通过下部挠性接头连接，隔水管子系统下端连接井口组合子系统；

所述井口组合子系统包括导管和筛沙器，防喷器与井口通过螺栓连接，井口下端与导管螺纹连接，筛沙器用于过滤水合物中的泥沙，井口下端与导管螺纹连接，井口组合子系统放置在水合物模拟子系统中；

所述水合物模拟子系统包括实验土箱、土壤、水合物层、循环制冷机、加热器，实验土箱为长方体无盖容器，实验土箱底部放置土壤，实验土箱中部放置模拟水合物层，水合物层的上部均布温度传感器，水合物层的底部布设加热线圈，加热线圈与加热器连接由加热器进行控制，水合物层的上部放置土壤，导管埋在实验土箱中的上部土壤中，循环制冷机和加热器放置在实验土箱的外侧；

所述的数据采集处理及控制子系统分别与平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物模拟子系统连接，数据采集处理及控制子系统包括拉线位移传感器、动态倾角仪、光纤光栅应变传感器、温度传感器、循环制冷机和信号采集处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种监测深水天然气水合物井口稳定性的实验装置，其特征在于：平台运动模拟子系统用于水合物开采过程中钻井平台运动的模拟，其中滑块套在水平导轨上，滑块与导轨之间滑动连接，滑块由伺服电机进行控制，伺服电机固定在水平导轨上，伺服电机可精确控制滑块的速度和位置精度，滑块的下端安装张紧器，张紧器可以改变作用在隔水管上的张紧力，准确的模拟钻井平台的运动。

3.根据权利要求1所述的一种监测深水天然气水合物井口稳定性的实验装置，其特征在于：所述水合物模拟子系统用于模拟合成的水合物层，并通过加热水合物层模拟水合物受热分解过程，填入实验土箱中的土壤是根据目标水合物海底浅层土样的粒径、密度、成分等制备，保证实验土样类型与原状土接近，水合物层采用与天然气水合物具有相似的热物理性质的四氢呋喃和水来制备，水合物层的底部布设加热线圈由加热器控制，实验土箱与循环制冷机连接，通过循环制冷降低土箱的温度。

4.根据权利要求1所述的一种监测深水天然气水合物井口稳定性的实验装置，其特征在于：所述数据采集处理及控制系统用于实时控制钻井平台的运动过程、水合物层的温度变化，同时对井口稳定变化的数据进行实时监测，并将监测结果发送到数据采集及处理系统。加热器通过控制加热线圈模拟水合物分解过程；防喷器的上端安装动态倾角仪，动态倾角仪应用惯导技术精确的监测井口的动态横滚角，实现井口倾斜角度的实时监测，防喷器的周向安装两个垂直拉线位移传感器，监测水平方向井口的水平位移，防喷器的上端安装一个拉线位移传感器，监测井口的下沉量；光纤光栅应变传感器沿管长方向布置在导管和井口外壁，利用光纤光栅应变传感器固有的应变敏感特性监测导管和井口的微位移和应变，实时监测井口的稳定性数据。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置的实验方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步：根据深水天然气水合物海底浅层土样模拟制作土壤，利用四氢呋喃模拟制作天然气水合物层；

第二步：将光纤光栅应变传感器沿管长方向布设在井口和导管外壁，将拉线位移传感器和动态倾角仪分别安装在防喷器上；

第三步：将配制的海底浅层土壤填入实验土箱底层，同时将加热线圈布置在水合物层的底端，同时在填入水合物层布置温度传感器；

第四步：铺设实验土箱的上部土壤，将筛沙器安装在导管端部，并将布设光纤光栅应变传感器的井口和导管埋入上部土壤；

第五步：将滑块沿着水平导轨移动至井口的正上方，在滑块上安装张紧器，张紧器的底端连接三分力仪，三分力仪与固定夹具通过上部挠性接头连接，夹具与隔水管螺栓紧固连接；

第六步：调节水平导轨的高度并固定位置，通过下部挠性接头将隔水管下端与防喷器上端连接；

第七步：控制循环制冷机，将水合物层的温度降低至-10℃完全形成水合物沉积物；控制加热器的功率逐渐增加水合物层的温度，改变张紧器的张力和滑块的水平位移模拟钻井平台的运动；监测不同温度下井口的倾斜角、水平位移和下沉量；

第八步：将采集的数据输入到数据采集处理系统，对获取的数据进行分析和处理。