天然气水合物保压子取样装置压力特性研究

陈家旺，张永雷，孙瑜霞，刘方兰，肖 波，耿雪樵

(1.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021; 2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075)

天然气水合物保压子取样装置压力特性研究

陈家旺1，张永雷1，孙瑜霞1，刘方兰2，肖 波2，耿雪樵2

(1.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021; 2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075)

从海底采集的长柱状保压天然气水合物一般不能被直接分析，需要被切割成小段再转移。保压子取样装置是在天然气水合物保压转移系统的基础上研发的，该装置能够获取任意小尺寸的带压岩心，并将其转移到测试装置中进行原位检测。介绍保压子取样的总体结构和工作原理，并分析系统压力变化的趋势，然后利用AMESim软件对压力维持部分进行仿真，最后通过水合物转移实验，验证保压子取样技术的可行性。重点讨论了蓄能器对于系统压力维持能力的影响，得出预充压力越大蓄能器保压效果越好的结论。

天然气水合物；岩心特征工具；二次取样；AMESim仿真；压力维持；蓄能器

天然气水合物的保压取样及转移技术是深海采样及沉积物后处理分析技术的桥梁，它的快速发展是海洋技术走向成熟的重要标志。目前国外已经研究出多种压力岩心特征工具(PCCTs)，它们均能实现转移、二次取样或后处理分析的功能。英国Geotek公司开发了多种工具，其中包括运用广泛的新测试用的水合物保压取样装置(HYACINTH)系统、保压岩心分析与转移系统(PCATS)、保压岩心分析与转移用三轴分析系统(PCATS Triaxial)等。HYACINTH系统可将带压岩心转移到岩心单元室Phone (CSC)，但需手动操作，因而会造成移动定位不够精确[1]。PCATS装置能将高压长柱状沉积物切割成短到5 cm的子样品再转移，但与之兼容的测试装置所占空间较大[2-3]；PCATS Triaxial三轴检测装置能将从PCATS转移出的子样品再转移到测试单元中，但其自动化程度较低[2,4]。另外，美国佐治亚理工学院研制的已被广泛使用的仪表压力测试室(IPTC)可灵活地利用多种传感器获取岩心数据，但需在塑料衬管上钻孔，会引入污染物[5-8]。随着保压转移技术的发展，岩心特征工具逐渐被运用到深海生物研究，其中微生物取样器(BIO)能从整个岩心中获取多个集中性的样本，但每次只能获取较小尺寸的样本。另外，一些专门的岩心特征工具，如控制性压降室(CDC)、有效应力室(ESC)、直剪试验室(DSC)等可准确测量岩心的某一力学特性，但功能集成度低[3,8]。

虽然国内早已开展海洋技术方面的研究，但在沉积物的保压转移技术领域，手段仍比较落后。文献[9]研制了一套天然气水合物保压转移系统，如图1所示。当它与重力活塞保真取样器对接后，抓手将切割后的小段沉积物样品转移到压力筒中，且在转移子样品的过程中，压力维持系统始终将岩心压力的变化控制在工作压力20 MPa的20%以内。保压转移系统虽然能够实现柱状岩心的带压转移，但由于转移出的岩心样品体积尺寸较大，不能直接移植到检测装置中进行原位检测与分析。

图1 保压转移系统Fig.1 Pressure core transfer system

在天然气水合物保压转移系统的基础上，研制了一套保压子取样装置。该装置能够从第一次转移出的样品中取得任意尺寸、直径的样品，并将其带压转移到测试装置中。保压转移技术紧密联系着深海取样技术及岩心的后处理分析，对它的研究有利于人类加快对天然气水合物等海洋资源的开发和利用,对我国海洋技术的发展具有重要意义。

1 保压子取样系统

1.1工作原理

如图2～图4所示，当子样品压力筒中已装有带压的样品，子样品压力筒与检测单元的检测筒对接后，通过转移单元的手动打压泵驱动固定在活塞杆上的样品管进入子样品压力筒进行取样。取完样品后，通过释放液压缸右端的压力，样品管转移到检测压力筒内。且在取样和转移的过程中，在压力维持单元的高压泵与蓄能器的共同保压作用下，保压取样系统内压力波动始终控制在工作压力20MPa的20%以内。

图2 保压子取样系统Fig.2 Pressure-retaining subsampling system

图3 保压子取样装置结构Fig.3 Structure of pressure-retaining subsampling device

图4 样品管连接处的放大Fig.4 Amplification of the connection of sample tube

1.2总体结构

如图2～图4所示，保压子取样系统主要由保压子取样单元、检测单元、转移单元、压力维持单元组成，前三个单元之间依次通过球阀、法兰连接，压力维持单元则通过毛细管管道与其它单元连通。

保压子取样单元是保压转移系统和保压子取样系统的过渡部分。保压转移系统将样品转移到子样品压力筒内，保压子取样系统然后从该压力筒内取出更小尺寸的样品。该单元主要包括子样品压力筒和球阀Ⅰ，其中子样品压力筒可以利用球阀Ⅰ进行密封以及与球阀Ⅱ进行对接。

转移单元主要包括单活塞杆液压缸、小流量的手动打压泵。取样用的聚碳酸酯(PC)管利用可拆卸的锥形连接套与活塞杆连接固定。给液压缸打压，活塞杆驱动PC取样管插入沉积物样品中，获取小尺寸的样品；释放液压缸的压力，使其降到某一值，检测筒内的压力推动活塞使活塞杆回到初始位置，样品便转移到检测筒内。

检测单元主要包括检测压力筒、球阀Ⅱ、锥形连接套。检测压力筒和子样品压力筒、液压缸活塞杆拆离后，其两端分别通过球阀Ⅱ、锥形连接套密封。并且由于其尺寸重量较小，可直接连同样品一起被转移CT扫描等岩心检测设备中进行检查。

压力维持单元主要包括蓄能器、高压泵、溢流阀。取样时，活塞杆伸入到子样品压力筒内，筒内的介质受正压，系统压力增大；转移样品时，活塞杆退出样品压力筒，介质受负压，系统压力会减小。因此，取样和转移都会引起系统压力的变化。压力维持单元采取高压泵与蓄能器共同保压的方法。在系统压力出现较大波动时，高压泵和溢流阀能够及时给系统补给压力和泄压，减小系统压力变化；蓄能器则除了可以减缓系统压力的变化，还可以迅速减小系统压力的脉动。但是由于蓄能器的稳压能力与其自身参数密切相关，所以须对不同预充压力的蓄能器对系统保压能力的影响展开重点研究。

2 压力变化分析

2.1无压力维持系统

如图2，在无压力维持系统情况下，液压缸活塞杆带动PC管取样时，相当于一根杆插入充满介质的密闭容器中，介质被压缩，容器压力增大；同理，转移岩心时，相当于杆从密闭容器内拔出，容器压力减小。

假设在体积V0的密闭容器内，系统的初始压力为P0；若体积变化为dv，压力变化为dp，则介质的体积弹性模量K可表示为[11]：

上式微分形式可写为：

积分形式：

又体积流量Q=dV/dt

为简化分析，假设取样和转移的速度近似匀速，则Q为常量，故压力变化可表示为时间的一次函数：

式中：正号表示压力增大，负号表示压力减小。

介质的体积弹性模量K=1 700 MPa，系统压力P0=20 MPa，容腔体积V0=6L，假定取样速度v=0.03 m/s，取样行程l=0.6 m，流量截面A=2×10-4m2，体积流量Q=vA=6×10-6m3/s,从t0=5 s开始取样，则无压力维持系统取样时，岩心压力最终会增大到P1=54 MPa。

同理，从t0=5 s开始转移，最终岩心压力会减小到P2=-14 MPa。由于容器不会产生负压，故转移后的压力最小只能降到0 MPa。所以经分析可知，当无压力维持系统时，岩心压力的变化超出要求的范围。

2.2无蓄能器

如图2所示，无蓄能器时，活塞杆向左推进取样，容器介质被压缩，岩心压力会增大；当压力增大到设定的溢流压力时，溢流阀开始溢流，岩心压力减小。若溢流阀的最大溢流的流量大于使活塞杆推进的体积流量，则压力维持不变。活塞杆推进流量Q=6×10-6m3/s，溢流阀的最大溢流流量q=8.3×10-3m3/s,因为q≫Q，所以无蓄能器取样过程中，岩心压力维持不变。

转移时，活塞杆向右运动，介质膨胀，岩心压力减小。当压力减小到溢流压力时，溢流阀关闭，由泵向系统供压。泵的流量q0=5×10-6m3/s，因为q0

将已知参数代入式(6)，得到岩心压力变化公式：

当活塞杆运动到最右端，即t-t0=20 s，压力P=14.34 MPa，此时使压力减小的流量为0，且系统压力小于20 MPa，溢流阀仍关闭，泵向系统供压，使系统压力开始增大，压力变化公式

令P=20 MPa，则系统经过4 s左右压力又恢复到20 MPa。

图5 液压仿真系统Fig.5 Hydraulic simulation model

所以在无蓄能器的情况下转移岩心时，压力会出现较大的波动，需要进一步分析和改善。

3 AMESim仿真

3.1仿真系统建立及参数设定

为验证压力变化分析的正确性，根据保压子取样系统图2，运用AMESim软件搭建了液压仿真系统，如图5所示，单活塞杆液压缸的左边无杆腔代表子样品筒和检测筒连通后的容腔，其中液压缸的活塞代表图4中液压缸的活塞杆，当其向左运动，介质被压缩；向右运动，介质膨胀；可变容积Ch用来描述样品筒和检测筒连通后的容腔的压力和体积的变化；质量块M用于描述取样和转移的速度；信号转换器将信号Ⅰ转换为牛顿力；信号Ⅰ代表小流量手动打压泵，用于给定取样或转移动作的激励；信号Ⅱ用于给定截止阀的开闭状态，0状态表示关闭，1状态表示打开；信号Ⅲ用于给定蓄能器的工作状态。

联系实际工作条件，仿真参数设定如下：流体特性为simplest,液压缸容腔的初始压力为20 MPa,Ch的体积为6 L，高压泵的流量为5×10-6m3/s，取样和转移岩心的平均速度控制在0.03 m/s左右(通过信号Ⅰ调试控制),液压缸行程为0.6 m,溢流阀的开启压力为20 MPa，蓄能器公称容积0.63 L[11]，管路直径8 mm，仿真时间50 s。

3.2系统压力维持仿真分析

3.2.1 无压力维持系统

设置可变容积Ch的初始压力为20 MPa，信号Ⅱ、Ⅲ在5 s后由0变为1，信号Ⅰ使质量块以0.02～0.03 m/s左右的速度运动。通过系统仿真，得到在无压力系统时，直接去取样和转移岩心时，其压力变化曲线如图6和图7。

图6 直接取样时压力变化Fig.6 Pressure change during direct sampling

图7 直接转移时压力变化Fig.7 Pressure change during direct transferring

仿真曲线表明，在前5 s未动作阶段，系统压力均保持在20 MPa不变。5 s之后，系统开始取样或转移样品，在该阶段，容腔压力变化与时间成线性关系。如图6所示，取样时，容腔的压力随时间线性增大，到55 MPa左右后不再变化；如图7所示，转移样品时，压力随着时间线性减小，直至0 MPa。所以仿真得到的压力曲线与理论关系式基本一致。

3.2.2 无蓄能器

压力维持系统工作时，当系统压力大于20 MPa，溢流阀开启溢流；反之，溢流阀始终关闭，高压泵则为系统不断供压。设置信号Ⅲ状态一直为0，信号Ⅱ状态在5 s后由0变为1，质量块速度为0.02～0.03 m/s左右，岩心的压力变化曲线如图8和图9所示。

图8 无蓄能器取样时压力变化Fig.8 Pressure change when sampling without accumulator

图9 无蓄能器转移时压力变化Fig.9 Pressure change when transferring without accumulator

从上述曲线可以看出，若蓄能器不工作，由于连通高压泵，系统压力均会有1.5 MPa左右的脉冲波动，经过2 s，系统恢复到工作压力20 MPa；又经过3 s后开始取样，系统压力变化不大；转移样品时，系统压力基本成线性变化，先线性下降到14.5 MPa左右，由于高压泵的补压作用，压力又线性上升到工作压力。所以取样时，系统无需蓄能器作用就可保持压力，但在转移岩心时，系统无蓄能器则不能维持压力的稳定。另外，由于转移岩心时活塞的速度有0.01 m/s左右的波动，故在压力下降的过程中压力曲线会出现波动的情况。

3.2.3 有蓄能器

采用蓄能器进一步对系统压力维持进行改善。由于在取样时，岩心在无需蓄能器作用时压力也能维持基本不变，故无需再讨论。这里只研究在转移样品时，蓄能器对压力变化是否有明显改善作用。设定蓄能器的预充压力分别为18，16，12及6 MPa，信号Ⅱ、Ⅲ状态在5 s后由0变为1，质量块速度近似为0.02～0.03 m/s。在压力维持系统工作的条件下，转移岩心时，进行压力模拟仿真，得到压力变化曲线如图10。

图10 有蓄能器转移时压力变化Fig.10 Pressure changes when transferring with an accumulator

从上述曲线表明在有预先压力的蓄能器的作用下，系统在连通高压泵、蓄能器时，会有较小压力的脉动，5 s后系统压力线性下降到18.4 MPa左右，然后在高压泵的快速补压作用下，系统压力又快速线性增大到20 MPa，之后一直保持不变。所以在增加合适的蓄能器之后，系统压力就可以控制在允许的范围内；并且蓄能器的预充压力越大，压力响应速度越快，且改善效果越明显。

4 保压转移实验

4.1实验平台

保压子取样实验装置如图11所示，用小流量手动打压泵来控制样品管的取样和转移，使其速度控制在0.02～0.03 m/s左右。在运动过程中，使用压力传感器对岩心压力进行实时监测，并记录下压力变化的数据。

4.2蓄能器实验分析

分别使用预充压力为6、12和18 MPa的蓄能器对系统进行压力维持，在转移过程中，利用压力传感器采集的数据，绘制出岩心压力波动的曲线如图12所示。

图11 保压子取样实验Fig.11 Pressure-retaining subsampling experiment

图12 转移时压力波动曲线Fig.12 Pressure fluctuation curve of transferring

从实验结果可以看出，岩心压力变化趋势和仿真压力曲线基本保持一致。虽然实验中系统压力最低会下降到17.2 MPa左右，但仍在岩心允许压力范围内。实验表明该装置能够实现保压子取样的功能，并且蓄能器的预充压力可以选择18 MPa。

5 结 语

相比其它岩心特征工具，该保压子取样系统的原理结构简单，能满足更小尺寸样品的转移，适用性广。上述保压转移过程压力变化的理论计算、仿真分析和现场实验三者的一致性，共同验证该系统能够很好地实现岩心的带压转移。其中对蓄能器参数的仿真和实验分析，得出蓄能器预充压力对保压效果的影响规律，为后续天然气水合物岩心保压转移生产应用提供了理论与设计依据。

通过本文的研究，可以得出以下三点结论：

1) 岩心压力维持系统，在转移岩心样品时，系统压力变化远远超出允许压力的范围，说明了压力维持系统的必要性；

2) 在取子样过程中，转移系统压力变化不大，此时蓄能器作用不显著；

3) 在转移岩心样品时，有预先压力的蓄能器可以有效维持系统压力的波动。

[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.

[2] SCHULTHEISS P,HOLLAND M,ROBERTS J,et al.PCATS: pressure core analysis and transfer system[J].ICGH,2011:17-21.

[3] YAMAMOTO K,INADA N,KUBO S,et al.Pressure core sampling in the eastern nankai trough[J].Methane Hydrate Newsletter,2012,12( 2):1-24.

[4] PRIEST J A,DRUCE M,ROBERTS J,et al.PCATS triaxial: a new geotechnical apparatus for characterizing pressure cores from the Nankai Trough,Japan[J].Marine & Petroleum Geology,2014,49(49):460-470.

[5] YUN T S,NARSILIO G A,SANTAMARINA J C,et al.Instrumented pressure testing chamber for characterizing sediment cores recovered at in situ hydrostatic pressure[J].Marine Geology,2006,229(3):285-293.

[6] YUN T S,LEE C,LEE J,et al.A pressure core based characterization of hydrate-bearing sediments in the Ulleung Basin,Sea of Japan (East Sea)[J].Journal of Geophysical Research Solid Earth,2011,116(B2):1 145-1 160.

[7] YUN T S,FRATTA D,SANTAMARINA J C.Hydrate-bearing sediments from the Krishna-Godavari Basin: physical characterization,pressure core testing,and scaled production monitoring[J].Energy & Fuels,2010,24(11): 5 972-5 983.

[8] SANTAMARINA J C,DAI S,JANG J,et al.Pressure core characterization tools for hydrate-bearing sediments[J].Scientific Drilling,2012,16(4):44-48.

[9] LIU J B,CHEN J W,LIU F,et al.Development of one pressure core transfer device for one long gravity-piston pressure-retained corer[J].2014:1-6.

[10] CHEN J W,FAN W,BINGHAM B,et al.A long gravity-piston corer developed for seafloor gas hydrate coring utilizing an in situ pressure-retained method[J].Energies,2013,6(7): 3 353-3 372.

[11] 路甬祥.液压气动技术手册[M].北京: 机械工业出版社,2002:588-594.(LU Yongxiang.Hydraulic pneumatic technology manual[M].Beijing: China Machine Press,2002.(in Chinese))

Research on pressure characteristic of pressure-retaining subsampling device of natural gas hydrate

CHEN Jiawang1,ZHANG Yonglei1,SUN Yuxia1,LIU Fanglan2,XIAO Bo2,GENG Xueqiao2

(1.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China; 2.Guangzhou Marine Geological Survey,Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510075,China)

The long pressure gas hydrate core collected from the bottom of the sea cannot be analyzed directly,and needs to be cut into small pieces and then to be transferred to a laboratory.The pressure-retaining subsampling device based on the pressure core transfer system can obtain the small size and any length core with pressure,and transfer it to the test device for the detection of pressure.The device’s overall structure and working principle are mainly introduced in the paper.With the trend of pressure change analyzed and pressure maintaining unit simulated by AMESim software,the paper finally verifies the feasibility of the pressure-retaining subsampling technique by the experiment,and the influence of the accumulator on pressure maintaining unit is also discussed in detail.The conclusion is that the higher the precharge pressure is,the better the pressure-retaining results of accumulator is.

gas hydrate core; subsampling; pressure core characterization tools; AMESim simulation;pressure-retaining; accumulator

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.012

1005-9865(2017)05-0103-07

2017-02-19

国家重点研发计划资助项目(2017YFC0307503)；国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA092503)

陈家旺(1978-)，男，浙江兰溪人，副教授，博士生导师，主要从事海洋技术装备研究。E-mail:arwang@zju.edu.cn