[发明专利]离心机能量收集腔室、离心机能量收集腔室系统、以及模拟气体制取采集的方法

说明书

本发明提供一种离心机能量收集腔室，提供了与用于气体采集模拟的离心机能量收集腔室(CEHC)相关的系统和方法。某些CEHC可以包括高压腔室、高压注射泵、冷却系统、致动器和超载装置、井眼内的背压控制器、井眼上的加热元件、水气分离系统和流量测量系统。CEHC还可以提供可操作地连接到传感器和仪器的软件，软件包括连续地、实时地、周期性地或异步地测量和监测仿真变量的模块以及可以就测量所得调整仪器设定。

技术领域

本发明总体涉及从含水合物沉积物采集气体的领域，并且具体地涉及用于模拟含水合物沉积物-结构相互作用或问题的实验装置和方法。

背景技术

现存用于模拟从含水合物沉积物采集气体有几种专有装置。这些装置中的许多装置由以下部分组成：用于维持气体水合物形成的有利压力和温度的高压腔室和冷却单元、用于降低井眼压力的背压调节器装备、气水分离器和流量测量装置。在许多现有装置中，控制土壤行为的有效应力要么被忽略，要么通过各向同性或一维的超载载荷(surchargeloading)施加到沉积物。因此，在减压测试期间，应力梯度不会施加在土壤上。此外，专有装置不能通过连续通量高压流体施加正确的压力边界。因此，在采集气体期间，整个腔室立刻减压并且在井眼附近的局部离解以及压力场演变没有被捕获。因此，在井眼套管上引起的应力没有被正确地模拟。

授予Schofield的美国专利No.5,634,876公开了离心机和相关的设备和方法。土工离心测试是一种常见的先进物理建模方法，用于研究土壤-结构相互作用问题以及全局土壤行为。使用土工离心机是一种模拟实际的场应力梯度的方法，土工离心机是一种强大且经济的物理建模工具，用于模拟和评估应力依赖性问题的变形和破坏机制，诸如在深水中的斜坡稳定性和气体开采等。此外，土工离心机可通过与离心机建模相关联的缩放定律(scaling laws)加速时间依赖性问题的解决。众所周知，水合物解离是受热传导和对流影响的时间依赖性过程。由于现有装置未被设计成在有效超重力场(例如，由土工离心机产生的重力场)下操作，在该有效超重力场中，通过传导和对流的热传递的时间被缩放，所以这些现有装置未能捕获含气体水合物的沉积物在长期开采下行为。因此，需要开发和设计可用于土工离心机环境的模拟气体水合物解离的装备。

发明内容

作为未来的潜在能源，甲烷水合物是最常出现的气体水合物，并且通常在永冻土和海洋土壤沉积物中发现。本发明提供了用于通过实验室中的物理模型研究这些沉积物的行为的系统和方法，以开发从这些沉积物中提取气体的更可靠方法，并确保海上基础设施的安全。

根据本公开的一个方面，提供一种离心机能量收集腔室，即CEHC，包括：高压腔室，其构造为维持足够的压力和温度以用于在操作的离心机中的沉积物床内形成水合物；一个或多个高压泵，其构造为维持足够的孔隙压力和边界压力以用于所述沉积物床周围的水合物形成；冷却系统，其包括构造为对所述高压腔室内的所述沉积物床进行冷却的内置冷却盘管；内置致动器，其构造为提供在所述高压腔室内作用的致动力，以及，超载板，其构造为模拟当所述沉积物床受到所述致动力作用时所述沉积物床上的超载载荷。

可选地，所述一个或多个高压泵包括一对注射泵。

可选地，所述一对注射器泵构造为用于重复轮流操作，以在所述离心机的超重力下提供连续的高压流体流。

可选地，所述CEHC还包括背压控制系统，所述背压控制系统包括构造为控制井眼内部的压力的惰性气体源。

可选地，所述CEHC还包括水气分离系统、构造为测量气体流量的气体流量测量系统、以及构造为测量水流量的水流量测量系统。

可选地，所述冷却系统还包括循环热交换器，所述循环热交换器在所述高压腔室外部并且构造为分别选择性地维持水合物形成或水合物稳定性所需的温度。

可选地，所述CEHC还包括构造为测量所述沉积物床内的沉降的高压线性可变位移传感器，即LVDT。