[发明专利]海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法

说明书

本发明涉及天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法。包括气体加压模块、遇水膨胀封隔器模块、排水降压模块、旁压探头测试模块、测量与控制模块，气体加压模块与与旁压探头测试模块连接，遇水膨胀封隔器模块固定于旁压探头测试模块的上方，排水降压模块与旁压探头测试模块连接，测量与控制模块分别与旁压探头测试模块、气体加压模块连接。其测量精度和测量效率高，操作方便，能有效地排除静水压力对测试结果的影响，使测试的结果更加接近海底储层的真实力学状态，能够为天然气水合物开发中长时间尺度下的储层原位蠕变破坏提供理论指导。

技术领域

本发明涉及天然气水合物基础物性测试领域，特别是一种海底天然气水合物沉积物储层旁压蠕变试验系统及方法。

背景技术

海洋天然气水合物作为一种积聚于海底沉积物中的一种能源，因其分布面广、储量巨大，被认为是未来解决能源危机的重要突破口。海洋天然气水合物的研究经历了勘探发现水合物阶段到实验室合成研究阶段，再到开展工程试采的阶段。开采过程中，水合物的分解会引起储层应力的急剧变化，严重的会导致大面积的海底滑坡、崩塌等地质灾害，研究表明长期的稳定荷载作用也可能对储层造成蠕变破坏。摸清海洋水合物储层蠕变力学性质及其随水合物开采过程的动态变化规律，是准确认识水合物开采过程中，工程地质风险发生、发展及其潜在危害的前提。

由于海底含天然气水合物沉积物存在取样相对困难、样品不易保存、取样成本高等缺陷，目前针对天然气水合物蠕变特性的测试主要在实验室条件下完成，所用的试验仪器大部分是三轴蠕变实验仪，所用的试样主要是通过实验室合成，这些试样的砂砾比主要根据目标海域勘探调查得到的级配曲线进行适配。相较于原位的测试样，实验室合成的试样存在的缺陷主要有：(1)很难得到和原位条件下水合物饱和度相当的试样；(2)试样中的含砂量虽然通过级配曲线进行了配置，但试样中的砂砾排布情况与海底储层存在较大差异，而砂砾的排布情况将影响储层的应力状态，以试样的蠕变情况来代替海底沉积物储层的情况将导致一定的误差。因此为了获取天然气水合物储层真实的蠕变力学参数，对天然气水合物储层的原位蠕变测试就显得很有必要。旁压蠕变测试主要通过对放置于钻孔内的圆柱状旁压探头的分级加压，测试土体/沉积物的横向应力与应变的变化规律，从而达到对所测土体/沉积物基本力学参数进行评价的目的。在工程应用方面，陆地土体的原位旁压蠕变测试较为常见，其原理相对简单，操作方便，易于实现，但目前鲜有专门针对海底天然气水合物沉积物储层特殊工况设计的旁压蠕变试验仪器。

天然气水合物旁压蠕变工况和常规土体旁压蠕变工况在某些方面具有一定相似性，专利公开号CN110749504A公开了一种用于珊瑚砂地基的分区旁压蠕变试验装置及使用方法；专利公开号CN210768587U、CN108952694A分别公开了应用在地质勘探中一种旁压试验装置和一种带空心钻杆的旁压试验装置；专利公开号CN109799144A公开了一种岩土层原位旁压测试装置及方法。就目前公开的解决方案来看，上述技术方案主要针对的工况为陆地上的土层或岩层，测试土体/岩体直接接触空气，仪器的布设相对简单，在该种工况下只要保证对测试土层/岩层尽可能小的扰动，即可得到较为精确的旁压变形测试结果。然而，天然气水合物沉积物储层所处的海底环境比陆地环境复杂得多，主要表现在：(1)处于海底的天然气水合物沉积物储层处于高静水压力的状态，而陆地的测试地层大多直接与空气接触，静水压力的存在可能会对旁压力学结果产生影响；(2)天然气水合物沉积物储层对所处压力环境较为敏感，压力改变和储层扰动都可能导致水合物发生一定的分解，而陆地上即便是冻土层，其对外部环境的敏感性也相对较小；(3)旁压仪器下放到海底的过程中容易受到静水压力、盐度、温度等因素的影响，对仪器的制造材质和抗压强度都提出了较高要求；(4)常规陆地工况下的旁压蠕变仪器布设简单，而海底工况下的旁压蠕变仪器的投放容易受海流扰动影响，对仪器的投放方式和辅助引导装置提出了要求。因此，目前现有的旁压蠕变装置都未考虑海底的复杂工况，同时其装置的材质工艺也不一定能满足海底的工况，在试验装置的精确放置过程中也存在困难，不能适应海底水合物储层旁压蠕变力学测试的需要。