主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置的制作方法

1.本发明涉及海底水合物的含量测定，特别是一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置。


背景技术：

2.水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，又被称作"可燃冰"。现阶段世界各国对水合物的开发与钻探都处于水深火热之中，水合物也越来越成为人类可利用的能源重点。
3.洞悉天然气水合物的位置与分布特征至关重要，也是后续一切工作的首要前提。当前世界上所流行的探测技术主要包含声学探测技术、时域反射技术、阻抗探测技术、tdr和其他测试联合探测技术。现阶段最主要的一种有效的探测手段是利用对冷泉羽状流在海水中分布的探测，进一步完成对水合物分布区域的判定与水合物的开发。
4.理论和实践证明，水深大于300米的海域沉积层存在满足水合物形成的温压条件，即水合物“稳定域”，是寻找天然气水合物矿藏的有利地区，但由于地下热液活动，大地构造运动、全球气候变暖等因素的影响，会导致天然气水合物“稳定域”的温度或压力发生变化，保持水合物稳定的条件将不满足，从而使水合物分解成游离气和水；如果存在合适的运移通道，游离气就会运移泄漏到海水中形成羽状流。而含游离气的海水(冷泉)与周边海水在物理特性上也会存在差异。冷泉、羽状流、水合物三者密切相关，海底羽状流通常发育于活动冷泉上覆水体中，羽状流是海底气体渗漏的直接表现形式，而冷泉区域下伏海底地层常富含天然气水合物。水合物可以与羽状流甲烷气泡共存于海水中，或是独立的水合物薄片，或是包裹在甲烷气泡外面；羽状流的气体来源可能是地层中水合物分解的甲烷气体以及未形成水合物的游离气。
5.现阶段探测海底天然气水合物储层分布及含量主流的方式主要是依靠地球物理对冷泉羽状流的监测，首先敲定水合物分布范围，随后采用海洋物探手段进行大尺度评估，在完成评估之后，由于地球物理探测的方式存在不准确、依赖人工经验、无法对水合物储层进行详细的勘测等缺点，需要依据专家的判断针对某一点位进行测井钻探取样从而实现对该区域水合物储层分布的界定。
6.然而在测井钻探取样工作完成后，由于钻探过程中对土体的扰动不可避免、钻孔遗留后造成的海水与土体的交互、上覆土层压载保护作用的消减，将直接导致超孔隙水压力、温度、盐度、ph等发生较大的变化，而其中储层的温度场、压力场对天然气水合物的赋存形态与分布状况影响较大，将直接导致天然气水合物的二次分布，进而影响海底水合物垂向含量分布的精准评估。综上所述，现有技术无法对钻井造成的天然气水合物二次分布的状况进行精准评估。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种主动激发式海底水
合物储层垂向含量分布精准评估装置，其实现了对海底水合物垂向含量分布的精准评估。
8.本发明的技术方案是：一种主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置，其中，包括气体收集机构和旋入式长套管，气体收集机构固定于旋入式长套管的上方，旋入式长套管呈管状设计，旋入式长套管的外壁沿其轴向间隔固定有数组热激发机构，每组热激发机构包括位于同一水平方向且沿长套管的环向均匀间隔设置的数个热激发器；
9.所述旋入式长套管的侧壁上还设有温度传感器和沿长套管的轴向间隔设置的数组定向导向通道，在每组热激发机构的上方均设有温度传感器和一组定向导向通道，每组定向导向通道包括沿位于同一水平方向且沿长套管的圆周方向均匀间隔设置的数个定向导向通道；
10.所述气体收集机构包括上部固定外壳、转轴、以及固定在转轴上的数个循环转动箱体，上部固定外壳与旋入式长套管的顶部固定连接，转轴与上部固定外壳转动连接，循环转动箱体内设有收集腔，循环转动箱体的一侧设有开口，循环转动箱沿转轴的环形外表面均匀间隔设置，各循环转动箱底部对应的一侧侧边固定连接，转轴位于各循环转动箱的固定连接处，当循环转动箱体转动至最底部时，循环转动箱体的开口位于旋入式长套管的顶部开口的正上方，此时转动箱体呈倒扣状；
11.所述循环转动箱体内设有光学测距单元和电阻率单元。
12.本发明中，所述转轴的外侧固定有两个循环转动箱体，两循环转动箱体通过底部对应的一侧侧边固定连接，两循环转动箱体的底部表面之间呈180
°
，两循环转动箱体的开口分别朝向不同的方向，当一循环转动箱体的开口向下时，另一循环转动箱体的开口向上。
13.本发明中，所述转轴的外侧还可以固定有四个循环转动箱体，四个循环转动箱体通过底部对应的一侧侧边连接，相邻两循环转动箱体的底部表面之间呈90
°
。转轴的外侧还可以这是更多数量的循环转动箱体，并不限于上述的两个或者四个，只要是偶数个即可。
14.所述定向导向通道沿旋入式长套管的径向和轴向间隔设置。
15.所述光学测距单元包括激光发射模块和距离侧出模块，激光发射模块包括激光发射器，激光发射器位于循环转动箱体的底部表面。
16.所述电阻率单元位于循环转动箱体内，电阻率单元包括两根与循环转动箱体的底部固定连接的电阻率探杆，电阻率探杆包括数个螺旋电极模块，螺旋电极模块包括圆柱形模块主体和环绕在模块本体环形外侧的可移动螺旋电极，模块主体内设有安装槽和连接孔，安装槽内设有连接螺旋电极的导线，连接孔内设有固定杆，螺旋主体与固定杆固定连接，螺旋电极模块沿探杆的轴向排列；
17.所述螺旋电极的螺距与模块主体等高，螺旋电极的顶端与模块主体固定连接，模块主体的环形侧壁上设有沿轴向设置的滑动槽，电极传动固定件滑动设置在滑动槽内，各滑动槽内的电极传动固定件均与传动缆固定连接，在传动缆的带动下，电极传动固定件在滑动槽内上下滑动，在螺旋电极的二分之一螺距处以及螺旋电极的底部端点处均设有电极传动固定件，电极传动固定件与螺旋电极固定连接，通过螺旋电极中部和底部的两个电极传动固定件的滑动，控制螺旋电极变形，形成一个闭合的环形电极。
18.还包括控制单元，控制单元分别与转轴、光学测距单元、电阻率单元、温度传感器、定向导向通道电连接。
19.所述热激发器呈柱状，激发器的圆周外表面设有外螺纹，通过外螺纹可以实现热
激发器的旋入或旋出。
20.本发明的有益效果是：
21.通过转轴和与转轴固定连接的数个循环转动箱体，在收集过程中，循环转动箱体自动翻转，实现了在一个收集周期内对天然气水合物羽状流的连续收集，大大提高了收集结果的准确性，并通过电阻率单元和光学测距单元，协同确定气态、液态、固态晶体颗粒物的比率，对数据进行反演，进而推算处不同激发区域的天然气水合物含量分布及赋存状态，从而实现了对海底水合物垂向含量分布的精准评估。
附图说明
22.图1是本发明的整体结构示意图；
23.图2是本发明的剖面结构示意图；
24.图3是气体收集装置的第一结构示意图；
25.图4是气体收集装置的第二结构示意图；
26.图5是电阻率探杆的结构示意图；
27.图6是螺旋电极模块未工作时的结构示意图；
28.图7是螺旋电极模块处于工作状态时的结构示意图。
29.图中：1气体收集机构；2定向导向通道；3旋入式长套管；4温度传感器；5热激发机构；6上部固定外壳；7循环转动箱体；8转轴；10光学测距单元；11电阻率单元；12电阻率探杆；13螺旋电极模块；1301模块主体；1302螺旋电极；1303滑动槽；1304电极传动固定件；1305传动缆；1306环形电极。
具体实施方式
30.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
31.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
32.如图1至图2所示，本发明所述的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置包括气体收集机构1和旋入式长套管3，气体收集机构1固定于旋入式长套管3的上方。旋入式长套管3呈管状设计，旋入式长套管3的外壁沿其轴向间隔固定有数组热激发机构。每组热激发机构包括位于同一水平方向且沿长套管的环向均匀间隔设置的数个热激发器。本实施例中，每组热激发机构包括两个沿旋入长套管的轴向对称设置的热激发器，热激发器呈柱状，其圆周外表面设有外螺纹，通过外螺纹可以实现热激发器的旋入或旋出。初始状态下的热激发系统位于旋入式长套管3内，热激发系统的外侧与旋入式长套管的外壁平齐；工作过程中，热激发器从旋入式长套管3内旋出并插入外部的土壤中。热激发器加热过程中，通过控制自身温度变化，使周围土体达到一定的温度，随后加热水合物，使其由固态转化为气液态。
33.旋入式长套管3的侧壁上还设有多组定向导向通道2，数组定向导向通道2沿旋入式长套管3的轴向间隔设置，且在每组热激发机构5的上方均设有一组定向导向通道2，每组
定向导向通道2包括沿位于同一水平方向且沿长套管的圆周方向均匀间隔设置的数个定向导向通道。定向导向通道2的开闭状态可控，当某一组热激发机构5工作时，与该组热激发机构对应的定向导向通道2打开，其他组的定向导向通道处于关闭状态。被热激发机构作用产生的气态水合物，在较大的压力作用下，通过定向导向通道2挤压进入旋入式长套管3内，而旋入式长套管3内的气体无法通过该通道溢出。由于气体密度小且温度高，气态产物在旋入式长套管3内不断上升，最终上升至气体收集机构1。旋入式长套管3的侧壁上还设有温度传感器4，通过温度传感器4实时感知周围土体的温度，从而控制热加热机构5对周围土体的加热温度。
34.气体收集机构包括上部固定外壳6、转轴8、以及固定在转轴8上的数个循环转动箱体7，上部固定外壳6与旋入式长套管3的顶部固定连接，转轴8与上部固定外壳6转动连接。循环转动箱体7内设有收集腔，循环转动箱体7的一侧设有开口，天然气水合物的羽状流通过开口进入循环转动箱体内。本实施例中，转轴8上固定有两个循环转动箱体7，两循环转动箱体7通过底部对应的一侧侧边固定连接。两循环转动箱体7的底部表面之间呈180
°
，两循环转动箱体的开口分别朝向不同的方向，即当一循环转动箱体的开口向下时，另一循环转动箱体的开口向上。当循环转动箱体7转动至最底部时，循环转动箱体7的开口位于旋入式长套管3的顶部开口的正上方。此时转动箱体7呈倒扣状，能够有效地使气体天然气水合物在进入箱体收集的过程中凝结为固态或液态。
35.转轴8位于两循环转动箱体的连接处，转轴8转动过程中可以带动循环转动箱体7转动。转轴8转动过程中，可以保证其中的一个循环转动箱体7翻转到一定位置释放收集的物质后，另一个循环转动箱体作为补充进行下一个阶段的收集任务，以此达到不间歇收集的目的。
36.在某一特殊情况即某一层位激发出的气态天然气水合物的体积大于循环转动箱体7内的气体容纳体积，此时上升进入箱体内的气体对循环转动箱体产生向上的浮力，当箱体内的气体不断增加时浮力也相应的增大。可以通过计算箱体内气体充满时产生的浮力大小，从而对应设定循环转动箱体的重量，以保证循环转动箱体内充满气体后，由于浮力大于重力而进行自动翻转。
37.本发明中，转轴的外侧还可以固定有四个循环转动箱体，四个循环转动箱体沿转轴的环形外面均匀间隔设置，四个循环转动箱体通过底部对应的一侧侧边连接，转轴设置在四个循环转动箱体的相交处，相邻两循环转动箱体的底部表面之间呈90
°
。转轴的外侧还可以这是更多数量的循环转动箱体，并不限于上述的两个或者四个，只要是偶数个即可。
38.每个循环转动箱体内均设有光学测距单元10和电阻率单元11。光学测距单元10包括激光发射模块和距离侧出模块，激光发射模块包括激光发射器，激光发射器位于循环转动箱体的底部表面。激光发射器发出一道发射光，当发射光遇到海水界面后会进行反射，而遇到气体晶体时则无明显反射机理，然后根据距离侧出模块即可得到在某一时刻海水在箱体内的上升高度，通过上升高度即可得出海水的占比。
39.电阻率单元11位于循环转动箱体内，本实施例中，电阻率单元包括两根与循环转动箱体的底部固定连接的电阻率探杆12，电阻率探杆12包括数个螺旋电极模块13，螺旋电极模块13包括圆柱形模块主体1301和环绕在模块本体环形外侧的可移动螺旋电极1302，模块主体1301内设有安装槽和连接孔，安装槽内设有连接螺旋电极的导线，连接孔内设有固
定杆，螺旋主体与固定杆固定连接，螺旋电极模块沿探杆的轴向排列，从而形成探杆本体。螺旋电极1302的螺距与模块主体1301等高，即每一螺旋电极绕模块主体的环形外侧一整圈，螺旋电极1302的顶端与模块主体1301固定连接。模块主体1301的环形侧壁上设有沿轴向设置的滑动槽1303，电极传动固定件1304滑动设置在滑动槽1303内，各滑动槽1303内的电极传动固定件1304均与传动缆1305固定连接，在传动缆1305的带动下，电极传动固定件1304可以在滑动槽1303内上下滑动。在螺旋电极的二分之一螺距处以及螺旋电极的底部端点处均设有电极传动固定件1303，电极传动固定件1303与螺旋电极1302固定连接。通过螺旋电极中部和底部的两个电极传动固定件1303的滑动，控制螺旋电极1302变形，形成一个闭合的环形电极1306，此时电阻率探杆进入测量模式。
40.由于固态颗粒物与气态颗粒物的电阻率差异较大，且电阻率与电导率互为负倒数，因此该电阻率探杆采用斯伦贝谢电极法测量电阻率后通过反演即可得到固态颗粒物与液态颗粒物之间的比例。通过电阻率探杆检测天然气水合物的赋存状态与收集物质的区别，再综合光学测距单元所测结果综合对比，可以得到在某一时刻气相、液相与固相三者的物质占比，进而分析被激发层的储层水合物分布赋存特征。
41.本发明还包括控制单元，数据传输单元分别与转轴8、光学测距单元10、电阻率单元11、温度传感器4、定向导向通道2电连接。
42.该装置工作前，首先借助已有的钻井部分将整个装置旋入钻井中，使旋入式长套管3与钻井贴合。该装置工作时，在保证不同激发部位相同温度的情况下，依次启动各层位的热激发机构和定向导向通道。当某一层位的热激发机构5工作时，该层位的天然气水合物受热分解为气态产物，气态产物通过该层位的定向导向通道2进入旋入式长套管3的内部通道。由于气体密度小且温度高，气态产物在旋入式长套管内不断上升，直至上升至气体收集机构1。此时，其中的一个循环转动箱体的开口朝向正下方，处于收集工位，另一个循环转动箱体的开口朝向正上方，处于替补工位。气体收集周期开始后，气态产物进入循环转动箱体7内，由于气态天然气水合物本身的性质，这些物质凝结成液态或固态颗粒附着于循环转动箱体7的内表面。随着天然气水合物量的不断累计，循环转动箱体7所受的浮力不断增大，当浮力大于箱体重力后，在浮力的作用下，循环转动箱体7将绕转轴8进行快速翻转，将充满气体的循环转动箱体7置于上方，而原本处于替补工位的循环转动箱体转动至收集工位，继续进行收集。之后重复上述动作，直至气体收集周期结束。在整个过程中，每一次翻转都会被数据传输单元记录并最终累计。
43.经由气体收集机构1收集得到海水、水合物晶体、气态天然气水合物的混合物，通过气体收集机构1内的电阻率单元11和光学测距单元10测定混合物的各成分占比，进而推算出被激发区域的天然气水合物含量分布及赋存状态。然后依次打开其他层位的热激发机构和定向导向通道，可完成对任意储层天然气水合物的赋存与含量的判断，最终进行海底水合物垂向含量分布精准评估。
44.以上对本发明所提供的主动激发式海底水合物储层垂向含量分布精准评估装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使
本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。