陳家旺,張永雷,孫瑜霞,劉方蘭,肖 波,耿雪樵
(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510075)
天然氣水合物保壓子取樣裝置壓力特性研究
陳家旺1,張永雷1,孫瑜霞1,劉方蘭2,肖 波2,耿雪樵2
(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510075)
從海底采集的長(zhǎng)柱狀保壓天然氣水合物一般不能被直接分析,需要被切割成小段再轉(zhuǎn)移。保壓子取樣裝置是在天然氣水合物保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的,該裝置能夠獲取任意小尺寸的帶壓巖心,并將其轉(zhuǎn)移到測(cè)試裝置中進(jìn)行原位檢測(cè)。介紹保壓子取樣的總體結(jié)構(gòu)和工作原理,并分析系統(tǒng)壓力變化的趨勢(shì),然后利用AMESim軟件對(duì)壓力維持部分進(jìn)行仿真,最后通過(guò)水合物轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證保壓子取樣技術(shù)的可行性。重點(diǎn)討論了蓄能器對(duì)于系統(tǒng)壓力維持能力的影響,得出預(yù)充壓力越大蓄能器保壓效果越好的結(jié)論。
天然氣水合物;巖心特征工具;二次取樣;AMESim仿真;壓力維持;蓄能器
天然氣水合物的保壓取樣及轉(zhuǎn)移技術(shù)是深海采樣及沉積物后處理分析技術(shù)的橋梁,它的快速發(fā)展是海洋技術(shù)走向成熟的重要標(biāo)志。目前國(guó)外已經(jīng)研究出多種壓力巖心特征工具(PCCTs),它們均能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移、二次取樣或后處理分析的功能。英國(guó)Geotek公司開(kāi)發(fā)了多種工具,其中包括運(yùn)用廣泛的新測(cè)試用的水合物保壓取樣裝置(HYACINTH)系統(tǒng)、保壓巖心分析與轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(PCATS)、保壓巖心分析與轉(zhuǎn)移用三軸分析系統(tǒng)(PCATS Triaxial)等。HYACINTH系統(tǒng)可將帶壓巖心轉(zhuǎn)移到巖心單元室Phone (CSC),但需手動(dòng)操作,因而會(huì)造成移動(dòng)定位不夠精確[1]。PCATS裝置能將高壓長(zhǎng)柱狀沉積物切割成短到5 cm的子樣品再轉(zhuǎn)移,但與之兼容的測(cè)試裝置所占空間較大[2-3];PCATS Triaxial三軸檢測(cè)裝置能將從PCATS轉(zhuǎn)移出的子樣品再轉(zhuǎn)移到測(cè)試單元中,但其自動(dòng)化程度較低[2,4]。另外,美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研制的已被廣泛使用的儀表壓力測(cè)試室(IPTC)可靈活地利用多種傳感器獲取巖心數(shù)據(jù),但需在塑料襯管上鉆孔,會(huì)引入污染物[5-8]。隨著保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的發(fā)展,巖心特征工具逐漸被運(yùn)用到深海生物研究,其中微生物取樣器(BIO)能從整個(gè)巖心中獲取多個(gè)集中性的樣本,但每次只能獲取較小尺寸的樣本。另外,一些專門的巖心特征工具,如控制性壓降室(CDC)、有效應(yīng)力室(ESC)、直剪試驗(yàn)室(DSC)等可準(zhǔn)確測(cè)量巖心的某一力學(xué)特性,但功能集成度低[3,8]。
雖然國(guó)內(nèi)早已開(kāi)展海洋技術(shù)方面的研究,但在沉積物的保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)領(lǐng)域,手段仍比較落后。文獻(xiàn)[9]研制了一套天然氣水合物保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng),如圖1所示。當(dāng)它與重力活塞保真取樣器對(duì)接后,抓手將切割后的小段沉積物樣品轉(zhuǎn)移到壓力筒中,且在轉(zhuǎn)移子樣品的過(guò)程中,壓力維持系統(tǒng)始終將巖心壓力的變化控制在工作壓力20 MPa的20%以內(nèi)。保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)柱狀巖心的帶壓轉(zhuǎn)移,但由于轉(zhuǎn)移出的巖心樣品體積尺寸較大,不能直接移植到檢測(cè)裝置中進(jìn)行原位檢測(cè)與分析。
圖1 保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)Fig.1 Pressure core transfer system
在天然氣水合物保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,研制了一套保壓子取樣裝置。該裝置能夠從第一次轉(zhuǎn)移出的樣品中取得任意尺寸、直徑的樣品,并將其帶壓轉(zhuǎn)移到測(cè)試裝置中。保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)緊密聯(lián)系著深海取樣技術(shù)及巖心的后處理分析,對(duì)它的研究有利于人類加快對(duì)天然氣水合物等海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用,對(duì)我國(guó)海洋技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
1.1工作原理
如圖2~圖4所示,當(dāng)子樣品壓力筒中已裝有帶壓的樣品,子樣品壓力筒與檢測(cè)單元的檢測(cè)筒對(duì)接后,通過(guò)轉(zhuǎn)移單元的手動(dòng)打壓泵驅(qū)動(dòng)固定在活塞桿上的樣品管進(jìn)入子樣品壓力筒進(jìn)行取樣。取完樣品后,通過(guò)釋放液壓缸右端的壓力,樣品管轉(zhuǎn)移到檢測(cè)壓力筒內(nèi)。且在取樣和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,在壓力維持單元的高壓泵與蓄能器的共同保壓作用下,保壓取樣系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)始終控制在工作壓力20MPa的20%以內(nèi)。
圖2 保壓子取樣系統(tǒng)Fig.2 Pressure-retaining subsampling system
圖3 保壓子取樣裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of pressure-retaining subsampling device
圖4 樣品管連接處的放大Fig.4 Amplification of the connection of sample tube
1.2總體結(jié)構(gòu)
如圖2~圖4所示,保壓子取樣系統(tǒng)主要由保壓子取樣單元、檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)移單元、壓力維持單元組成,前三個(gè)單元之間依次通過(guò)球閥、法蘭連接,壓力維持單元?jiǎng)t通過(guò)毛細(xì)管管道與其它單元連通。
保壓子取樣單元是保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和保壓子取樣系統(tǒng)的過(guò)渡部分。保壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將樣品轉(zhuǎn)移到子樣品壓力筒內(nèi),保壓子取樣系統(tǒng)然后從該壓力筒內(nèi)取出更小尺寸的樣品。該單元主要包括子樣品壓力筒和球閥Ⅰ,其中子樣品壓力筒可以利用球閥Ⅰ進(jìn)行密封以及與球閥Ⅱ進(jìn)行對(duì)接。
轉(zhuǎn)移單元主要包括單活塞桿液壓缸、小流量的手動(dòng)打壓泵。取樣用的聚碳酸酯(PC)管利用可拆卸的錐形連接套與活塞桿連接固定。給液壓缸打壓,活塞桿驅(qū)動(dòng)PC取樣管插入沉積物樣品中,獲取小尺寸的樣品;釋放液壓缸的壓力,使其降到某一值,檢測(cè)筒內(nèi)的壓力推動(dòng)活塞使活塞桿回到初始位置,樣品便轉(zhuǎn)移到檢測(cè)筒內(nèi)。
檢測(cè)單元主要包括檢測(cè)壓力筒、球閥Ⅱ、錐形連接套。檢測(cè)壓力筒和子樣品壓力筒、液壓缸活塞桿拆離后,其兩端分別通過(guò)球閥Ⅱ、錐形連接套密封。并且由于其尺寸重量較小,可直接連同樣品一起被轉(zhuǎn)移CT掃描等巖心檢測(cè)設(shè)備中進(jìn)行檢查。
壓力維持單元主要包括蓄能器、高壓泵、溢流閥。取樣時(shí),活塞桿伸入到子樣品壓力筒內(nèi),筒內(nèi)的介質(zhì)受正壓,系統(tǒng)壓力增大;轉(zhuǎn)移樣品時(shí),活塞桿退出樣品壓力筒,介質(zhì)受負(fù)壓,系統(tǒng)壓力會(huì)減小。因此,取樣和轉(zhuǎn)移都會(huì)引起系統(tǒng)壓力的變化。壓力維持單元采取高壓泵與蓄能器共同保壓的方法。在系統(tǒng)壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí),高壓泵和溢流閥能夠及時(shí)給系統(tǒng)補(bǔ)給壓力和泄壓,減小系統(tǒng)壓力變化;蓄能器則除了可以減緩系統(tǒng)壓力的變化,還可以迅速減小系統(tǒng)壓力的脈動(dòng)。但是由于蓄能器的穩(wěn)壓能力與其自身參數(shù)密切相關(guān),所以須對(duì)不同預(yù)充壓力的蓄能器對(duì)系統(tǒng)保壓能力的影響展開(kāi)重點(diǎn)研究。
2.1無(wú)壓力維持系統(tǒng)
如圖2,在無(wú)壓力維持系統(tǒng)情況下,液壓缸活塞桿帶動(dòng)PC管取樣時(shí),相當(dāng)于一根桿插入充滿介質(zhì)的密閉容器中,介質(zhì)被壓縮,容器壓力增大;同理,轉(zhuǎn)移巖心時(shí),相當(dāng)于桿從密閉容器內(nèi)拔出,容器壓力減小。
假設(shè)在體積V0的密閉容器內(nèi),系統(tǒng)的初始?jí)毫镻0;若體積變化為dv,壓力變化為dp,則介質(zhì)的體積彈性模量K可表示為[11]:
上式微分形式可寫為:
積分形式:
又體積流量Q=dV/dt
為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)取樣和轉(zhuǎn)移的速度近似勻速,則Q為常量,故壓力變化可表示為時(shí)間的一次函數(shù):
式中:正號(hào)表示壓力增大,負(fù)號(hào)表示壓力減小。
介質(zhì)的體積彈性模量K=1 700 MPa,系統(tǒng)壓力P0=20 MPa,容腔體積V0=6L,假定取樣速度v=0.03 m/s,取樣行程l=0.6 m,流量截面A=2×10-4m2,體積流量Q=vA=6×10-6m3/s,從t0=5 s開(kāi)始取樣,則無(wú)壓力維持系統(tǒng)取樣時(shí),巖心壓力最終會(huì)增大到P1=54 MPa。
同理,從t0=5 s開(kāi)始轉(zhuǎn)移,最終巖心壓力會(huì)減小到P2=-14 MPa。由于容器不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,故轉(zhuǎn)移后的壓力最小只能降到0 MPa。所以經(jīng)分析可知,當(dāng)無(wú)壓力維持系統(tǒng)時(shí),巖心壓力的變化超出要求的范圍。
2.2無(wú)蓄能器
如圖2所示,無(wú)蓄能器時(shí),活塞桿向左推進(jìn)取樣,容器介質(zhì)被壓縮,巖心壓力會(huì)增大;當(dāng)壓力增大到設(shè)定的溢流壓力時(shí),溢流閥開(kāi)始溢流,巖心壓力減小。若溢流閥的最大溢流的流量大于使活塞桿推進(jìn)的體積流量,則壓力維持不變?;钊麠U推進(jìn)流量Q=6×10-6m3/s,溢流閥的最大溢流流量q=8.3×10-3m3/s,因?yàn)閝?Q,所以無(wú)蓄能器取樣過(guò)程中,巖心壓力維持不變。
轉(zhuǎn)移時(shí),活塞桿向右運(yùn)動(dòng),介質(zhì)膨脹,巖心壓力減小。當(dāng)壓力減小到溢流壓力時(shí),溢流閥關(guān)閉,由泵向系統(tǒng)供壓。泵的流量q0=5×10-6m3/s,因?yàn)閝0 將已知參數(shù)代入式(6),得到巖心壓力變化公式: 當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到最右端,即t-t0=20 s,壓力P=14.34 MPa,此時(shí)使壓力減小的流量為0,且系統(tǒng)壓力小于20 MPa,溢流閥仍關(guān)閉,泵向系統(tǒng)供壓,使系統(tǒng)壓力開(kāi)始增大,壓力變化公式 令P=20 MPa,則系統(tǒng)經(jīng)過(guò)4 s左右壓力又恢復(fù)到20 MPa。 圖5 液壓仿真系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic simulation model 所以在無(wú)蓄能器的情況下轉(zhuǎn)移巖心時(shí),壓力會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng),需要進(jìn)一步分析和改善。 3.1仿真系統(tǒng)建立及參數(shù)設(shè)定 為驗(yàn)證壓力變化分析的正確性,根據(jù)保壓子取樣系統(tǒng)圖2,運(yùn)用AMESim軟件搭建了液壓仿真系統(tǒng),如圖5所示,單活塞桿液壓缸的左邊無(wú)桿腔代表子樣品筒和檢測(cè)筒連通后的容腔,其中液壓缸的活塞代表圖4中液壓缸的活塞桿,當(dāng)其向左運(yùn)動(dòng),介質(zhì)被壓縮;向右運(yùn)動(dòng),介質(zhì)膨脹;可變?nèi)莘eCh用來(lái)描述樣品筒和檢測(cè)筒連通后的容腔的壓力和體積的變化;質(zhì)量塊M用于描述取樣和轉(zhuǎn)移的速度;信號(hào)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)Ⅰ轉(zhuǎn)換為牛頓力;信號(hào)Ⅰ代表小流量手動(dòng)打壓泵,用于給定取樣或轉(zhuǎn)移動(dòng)作的激勵(lì);信號(hào)Ⅱ用于給定截止閥的開(kāi)閉狀態(tài),0狀態(tài)表示關(guān)閉,1狀態(tài)表示打開(kāi);信號(hào)Ⅲ用于給定蓄能器的工作狀態(tài)。 聯(lián)系實(shí)際工作條件,仿真參數(shù)設(shè)定如下:流體特性為simplest,液壓缸容腔的初始?jí)毫?0 MPa,Ch的體積為6 L,高壓泵的流量為5×10-6m3/s,取樣和轉(zhuǎn)移巖心的平均速度控制在0.03 m/s左右(通過(guò)信號(hào)Ⅰ調(diào)試控制),液壓缸行程為0.6 m,溢流閥的開(kāi)啟壓力為20 MPa,蓄能器公稱容積0.63 L[11],管路直徑8 mm,仿真時(shí)間50 s。 3.2系統(tǒng)壓力維持仿真分析 3.2.1 無(wú)壓力維持系統(tǒng) 設(shè)置可變?nèi)莘eCh的初始?jí)毫?0 MPa,信號(hào)Ⅱ、Ⅲ在5 s后由0變?yōu)?,信號(hào)Ⅰ使質(zhì)量塊以0.02~0.03 m/s左右的速度運(yùn)動(dòng)。通過(guò)系統(tǒng)仿真,得到在無(wú)壓力系統(tǒng)時(shí),直接去取樣和轉(zhuǎn)移巖心時(shí),其壓力變化曲線如圖6和圖7。 圖6 直接取樣時(shí)壓力變化Fig.6 Pressure change during direct sampling 圖7 直接轉(zhuǎn)移時(shí)壓力變化Fig.7 Pressure change during direct transferring 仿真曲線表明,在前5 s未動(dòng)作階段,系統(tǒng)壓力均保持在20 MPa不變。5 s之后,系統(tǒng)開(kāi)始取樣或轉(zhuǎn)移樣品,在該階段,容腔壓力變化與時(shí)間成線性關(guān)系。如圖6所示,取樣時(shí),容腔的壓力隨時(shí)間線性增大,到55 MPa左右后不再變化;如圖7所示,轉(zhuǎn)移樣品時(shí),壓力隨著時(shí)間線性減小,直至0 MPa。所以仿真得到的壓力曲線與理論關(guān)系式基本一致。 3.2.2 無(wú)蓄能器 壓力維持系統(tǒng)工作時(shí),當(dāng)系統(tǒng)壓力大于20 MPa,溢流閥開(kāi)啟溢流;反之,溢流閥始終關(guān)閉,高壓泵則為系統(tǒng)不斷供壓。設(shè)置信號(hào)Ⅲ狀態(tài)一直為0,信號(hào)Ⅱ狀態(tài)在5 s后由0變?yōu)?,質(zhì)量塊速度為0.02~0.03 m/s左右,巖心的壓力變化曲線如圖8和圖9所示。 圖8 無(wú)蓄能器取樣時(shí)壓力變化Fig.8 Pressure change when sampling without accumulator 圖9 無(wú)蓄能器轉(zhuǎn)移時(shí)壓力變化Fig.9 Pressure change when transferring without accumulator 從上述曲線可以看出,若蓄能器不工作,由于連通高壓泵,系統(tǒng)壓力均會(huì)有1.5 MPa左右的脈沖波動(dòng),經(jīng)過(guò)2 s,系統(tǒng)恢復(fù)到工作壓力20 MPa;又經(jīng)過(guò)3 s后開(kāi)始取樣,系統(tǒng)壓力變化不大;轉(zhuǎn)移樣品時(shí),系統(tǒng)壓力基本成線性變化,先線性下降到14.5 MPa左右,由于高壓泵的補(bǔ)壓作用,壓力又線性上升到工作壓力。所以取樣時(shí),系統(tǒng)無(wú)需蓄能器作用就可保持壓力,但在轉(zhuǎn)移巖心時(shí),系統(tǒng)無(wú)蓄能器則不能維持壓力的穩(wěn)定。另外,由于轉(zhuǎn)移巖心時(shí)活塞的速度有0.01 m/s左右的波動(dòng),故在壓力下降的過(guò)程中壓力曲線會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的情況。 3.2.3 有蓄能器 采用蓄能器進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)壓力維持進(jìn)行改善。由于在取樣時(shí),巖心在無(wú)需蓄能器作用時(shí)壓力也能維持基本不變,故無(wú)需再討論。這里只研究在轉(zhuǎn)移樣品時(shí),蓄能器對(duì)壓力變化是否有明顯改善作用。設(shè)定蓄能器的預(yù)充壓力分別為18,16,12及6 MPa,信號(hào)Ⅱ、Ⅲ狀態(tài)在5 s后由0變?yōu)?,質(zhì)量塊速度近似為0.02~0.03 m/s。在壓力維持系統(tǒng)工作的條件下,轉(zhuǎn)移巖心時(shí),進(jìn)行壓力模擬仿真,得到壓力變化曲線如圖10。 圖10 有蓄能器轉(zhuǎn)移時(shí)壓力變化Fig.10 Pressure changes when transferring with an accumulator 從上述曲線表明在有預(yù)先壓力的蓄能器的作用下,系統(tǒng)在連通高壓泵、蓄能器時(shí),會(huì)有較小壓力的脈動(dòng),5 s后系統(tǒng)壓力線性下降到18.4 MPa左右,然后在高壓泵的快速補(bǔ)壓作用下,系統(tǒng)壓力又快速線性增大到20 MPa,之后一直保持不變。所以在增加合適的蓄能器之后,系統(tǒng)壓力就可以控制在允許的范圍內(nèi);并且蓄能器的預(yù)充壓力越大,壓力響應(yīng)速度越快,且改善效果越明顯。 4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 保壓子取樣實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示,用小流量手動(dòng)打壓泵來(lái)控制樣品管的取樣和轉(zhuǎn)移,使其速度控制在0.02~0.03 m/s左右。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,使用壓力傳感器對(duì)巖心壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并記錄下壓力變化的數(shù)據(jù)。 4.2蓄能器實(shí)驗(yàn)分析 分別使用預(yù)充壓力為6、12和18 MPa的蓄能器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力維持,在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,利用壓力傳感器采集的數(shù)據(jù),繪制出巖心壓力波動(dòng)的曲線如圖12所示。 圖11 保壓子取樣實(shí)驗(yàn)Fig.11 Pressure-retaining subsampling experiment 圖12 轉(zhuǎn)移時(shí)壓力波動(dòng)曲線Fig.12 Pressure fluctuation curve of transferring 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,巖心壓力變化趨勢(shì)和仿真壓力曲線基本保持一致。雖然實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)壓力最低會(huì)下降到17.2 MPa左右,但仍在巖心允許壓力范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)保壓子取樣的功能,并且蓄能器的預(yù)充壓力可以選擇18 MPa。 相比其它巖心特征工具,該保壓子取樣系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能滿足更小尺寸樣品的轉(zhuǎn)移,適用性廣。上述保壓轉(zhuǎn)移過(guò)程壓力變化的理論計(jì)算、仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)三者的一致性,共同驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)巖心的帶壓轉(zhuǎn)移。其中對(duì)蓄能器參數(shù)的仿真和實(shí)驗(yàn)分析,得出蓄能器預(yù)充壓力對(duì)保壓效果的影響規(guī)律,為后續(xù)天然氣水合物巖心保壓轉(zhuǎn)移生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論與設(shè)計(jì)依據(jù)。 通過(guò)本文的研究,可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論: 1) 巖心壓力維持系統(tǒng),在轉(zhuǎn)移巖心樣品時(shí),系統(tǒng)壓力變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許壓力的范圍,說(shuō)明了壓力維持系統(tǒng)的必要性; 2) 在取子樣過(guò)程中,轉(zhuǎn)移系統(tǒng)壓力變化不大,此時(shí)蓄能器作用不顯著; 3) 在轉(zhuǎn)移巖心樣品時(shí),有預(yù)先壓力的蓄能器可以有效維持系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。 [1] SCHULTHEISS P,FRANCIS T J G,HOLLAND M,et al.Pressure coring,logging and subsampling with the HYACINTH system[J].Geological Society London Special Publications,2006,267(1):151-163. 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4 保壓轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)
5 結(jié) 語(yǔ)