陳家旺，張永雷，孫瑜霞，劉方蘭，肖 波，耿雪樵

(1.浙江大學 海洋學院，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 海洋學院，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)移到測試裝置中進行原位檢測。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，然后利用AMESim軟件對壓力維持部分進行仿真，最后通過水合物轉(zhuǎn)移實驗，驗證保壓子取樣技術的可行性。重點討論了蓄能器對于系統(tǒng)壓力維持能力的影響，得出預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)移技術是深海采樣及沉積物后處理分析技術的橋梁，它的快速發(fā)展是海洋技術走向成熟的重要標志。目前國外已經(jīng)研究出多種壓力巖心特征工具(PCCTs)，它們均能實現(xiàn)轉(zhuǎn)移、二次取樣或后處理分析的功能。英國Geotek公司開發(fā)了多種工具，其中包括運用廣泛的新測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)，但需手動操作，因而會造成移動定位不夠精確[1]。PCATS裝置能將高壓長柱狀沉積物切割成短到5 cm的子樣品再轉(zhuǎn)移，但與之兼容的測試裝置所占空間較大[2-3]；PCATS Triaxial三軸檢測裝置能將從PCATS轉(zhuǎn)移出的子樣品再轉(zhuǎn)移到測試單元中，但其自動化程度較低[2,4]。另外，美國佐治亞理工學院研制的已被廣泛使用的儀表壓力測試室(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，會引入污染物[5-8]。隨著保壓轉(zhuǎn)移技術的發(fā)展，巖心特征工具逐漸被運用到深海生物研究，其中微生物取樣器(BIO)能從整個巖心中獲取多個集中性的樣本，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)、有效應力室(ESC)、直剪試驗室(DSC)等可準確測量巖心的某一力學特性，但功能集成度低[3,8]。

雖然國內(nèi)早已開展海洋技術方面的研究，但在沉積物的保壓轉(zhuǎn)移技術領域，手段仍比較落后。文獻[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。當它與重力活塞保真取樣器對接后，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裝置中進行原位檢測與分析。

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)移到測試裝置中。保壓轉(zhuǎn)移技術緊密聯(lián)系著深海取樣技術及巖心的后處理分析，對它的研究有利于人類加快對天然氣水合物等海洋資源的開發(fā)和利用,對我國海洋技術的發(fā)展具有重要意義。

1 保壓子取樣系統(tǒng)

1.1工作原理

如圖2～圖4所示，當子樣品壓力筒中已裝有帶壓的樣品，子樣品壓力筒與檢測單元的檢測筒對接后，通過轉(zhuǎn)移單元的手動打壓泵驅(qū)動固定在活塞桿上的樣品管進入子樣品壓力筒進行取樣。取完樣品后，通過釋放液壓缸右端的壓力，樣品管轉(zhuǎn)移到檢測壓力筒內(nèi)。且在取樣和轉(zhuǎn)移的過程中，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、檢測單元、轉(zhuǎn)移單元、壓力維持單元組成，前三個單元之間依次通過球閥、法蘭連接，壓力維持單元則通過毛細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進行密封以及與球閥Ⅱ進行對接。

轉(zhuǎn)移單元主要包括單活塞桿液壓缸、小流量的手動打壓泵。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，檢測筒內(nèi)的壓力推動活塞使活塞桿回到初始位置，樣品便轉(zhuǎn)移到檢測筒內(nèi)。

檢測單元主要包括檢測壓力筒、球閥Ⅱ、錐形連接套。檢測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掃描等巖心檢測設備中進行檢查。

壓力維持單元主要包括蓄能器、高壓泵、溢流閥。取樣時，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，活塞桿退出樣品壓力筒，介質(zhì)受負壓，系統(tǒng)壓力會減小。因此，取樣和轉(zhuǎn)移都會引起系統(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)較大波動時，高壓泵和溢流閥能夠及時給系統(tǒng)補給壓力和泄壓，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。但是由于蓄能器的穩(wěn)壓能力與其自身參數(shù)密切相關，所以須對不同預充壓力的蓄能器對系統(tǒng)保壓能力的影響展開重點研究。

2 壓力變化分析

2.1無壓力維持系統(tǒng)

如圖2，在無壓力維持系統(tǒng)情況下，液壓缸活塞桿帶動PC管取樣時，相當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，相當于桿從密閉容器內(nèi)拔出，容器壓力減小。

假設在體積V0的密閉容器內(nèi)，系統(tǒng)的初始壓力為P0；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

為簡化分析，假設取樣和轉(zhuǎn)移的速度近似勻速，則Q為常量，故壓力變化可表示為時間的一次函數(shù)：

式中：正號表示壓力增大，負號表示壓力減小。

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開始取樣，則無壓力維持系統(tǒng)取樣時，巖心壓力最終會增大到P1=54 MPa。

同理，從t0=5 s開始轉(zhuǎn)移，最終巖心壓力會減小到P2=-14 MPa。由于容器不會產(chǎn)生負壓，故轉(zhuǎn)移后的壓力最小只能降到0 MPa。所以經(jīng)分析可知，當無壓力維持系統(tǒng)時，巖心壓力的變化超出要求的范圍。

2.2無蓄能器

如圖2所示，無蓄能器時，活塞桿向左推進取樣，容器介質(zhì)被壓縮，巖心壓力會增大；當壓力增大到設定的溢流壓力時，溢流閥開始溢流，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的體積流量，則壓力維持不變?；钊麠U推進流量Q=6×10-6m3/s，溢流閥的最大溢流流量q=8.3×10-3m3/s,因為q?Q，所以無蓄能器取樣過程中，巖心壓力維持不變。

轉(zhuǎn)移時，活塞桿向右運動，介質(zhì)膨脹，巖心壓力減小。當壓力減小到溢流壓力時，溢流閥關閉，由泵向系統(tǒng)供壓。泵的流量q0=5×10-6m3/s，因為q0

將已知參數(shù)代入式(6)，得到巖心壓力變化公式：

當活塞桿運動到最右端，即t-t0=20 s，壓力P=14.34 MPa，此時使壓力減小的流量為0，且系統(tǒng)壓力小于20 MPa，溢流閥仍關閉，泵向系統(tǒng)供壓，使系統(tǒng)壓力開始增大，壓力變化公式

令P=20 MPa，則系統(tǒng)經(jīng)過4 s左右壓力又恢復到20 MPa。

圖5 液壓仿真系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic simulation model

所以在無蓄能器的情況下轉(zhuǎn)移巖心時，壓力會出現(xiàn)較大的波動，需要進一步分析和改善。

3 AMESim仿真

3.1仿真系統(tǒng)建立及參數(shù)設定

為驗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桿腔代表子樣品筒和檢測筒連通后的容腔，其中液壓缸的活塞代表圖4中液壓缸的活塞桿，當其向左運動，介質(zhì)被壓縮；向右運動，介質(zhì)膨脹；可變?nèi)莘eCh用來描述樣品筒和檢測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；信號轉(zhuǎn)換器將信號Ⅰ轉(zhuǎn)換為牛頓力；信號Ⅰ代表小流量手動打壓泵，用于給定取樣或轉(zhuǎn)移動作的激勵；信號Ⅱ用于給定截止閥的開閉狀態(tài)，0狀態(tài)表示關閉，1狀態(tài)表示打開；信號Ⅲ用于給定蓄能器的工作狀態(tài)。

聯(lián)系實際工作條件，仿真參數(shù)設定如下：流體特性為simplest,液壓缸容腔的初始壓力為20 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(通過信號Ⅰ調(diào)試控制),液壓缸行程為0.6 m,溢流閥的開啟壓力為20 MPa，蓄能器公稱容積0.63 L[11]，管路直徑8 mm，仿真時間50 s。

3.2系統(tǒng)壓力維持仿真分析

3.2.1 無壓力維持系統(tǒng)

設置可變?nèi)莘eCh的初始壓力為20 MPa，信號Ⅱ、Ⅲ在5 s后由0變?yōu)?，信號Ⅰ使質(zhì)量塊以0.02～0.03 m/s左右的速度運動。通過系統(tǒng)仿真，得到在無壓力系統(tǒng)時，直接去取樣和轉(zhuǎn)移巖心時，其壓力變化曲線如圖6和圖7。

圖6 直接取樣時壓力變化Fig.6 Pressure change during direct sampling

圖7 直接轉(zhuǎn)移時壓力變化Fig.7 Pressure change during direct transferring

仿真曲線表明，在前5 s未動作階段，系統(tǒng)壓力均保持在20 MPa不變。5 s之后，系統(tǒng)開始取樣或轉(zhuǎn)移樣品，在該階段，容腔壓力變化與時間成線性關系。如圖6所示，取樣時，容腔的壓力隨時間線性增大，到55 MPa左右后不再變化；如圖7所示，轉(zhuǎn)移樣品時，壓力隨著時間線性減小，直至0 MPa。所以仿真得到的壓力曲線與理論關系式基本一致。

3.2.2 無蓄能器

壓力維持系統(tǒng)工作時，當系統(tǒng)壓力大于20 MPa，溢流閥開啟溢流；反之，溢流閥始終關閉，高壓泵則為系統(tǒng)不斷供壓。設置信號Ⅲ狀態(tài)一直為0，信號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 無蓄能器取樣時壓力變化Fig.8 Pressure change when sampling without accumulator

圖9 無蓄能器轉(zhuǎn)移時壓力變化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)壓力均會有1.5 MPa左右的脈沖波動，經(jīng)過2 s，系統(tǒng)恢復到工作壓力20 MPa；又經(jīng)過3 s后開始取樣，系統(tǒng)壓力變化不大；轉(zhuǎn)移樣品時，系統(tǒng)壓力基本成線性變化，先線性下降到14.5 MPa左右，由于高壓泵的補壓作用，壓力又線性上升到工作壓力。所以取樣時，系統(tǒng)無需蓄能器作用就可保持壓力，但在轉(zhuǎn)移巖心時，系統(tǒng)無蓄能器則不能維持壓力的穩(wěn)定。另外，由于轉(zhuǎn)移巖心時活塞的速度有0.01 m/s左右的波動，故在壓力下降的過程中壓力曲線會出現(xiàn)波動的情況。

3.2.3 有蓄能器

采用蓄能器進一步對系統(tǒng)壓力維持進行改善。由于在取樣時，巖心在無需蓄能器作用時壓力也能維持基本不變，故無需再討論。這里只研究在轉(zhuǎn)移樣品時，蓄能器對壓力變化是否有明顯改善作用。設定蓄能器的預充壓力分別為18，16，12及6 MPa，信號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，進行壓力模擬仿真，得到壓力變化曲線如圖10。

圖10 有蓄能器轉(zhuǎn)移時壓力變化Fig.10 Pressure changes when transferring with an accumulator

從上述曲線表明在有預先壓力的蓄能器的作用下，系統(tǒng)在連通高壓泵、蓄能器時，會有較小壓力的脈動，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)；并且蓄能器的預充壓力越大，壓力響應速度越快，且改善效果越明顯。

4 保壓轉(zhuǎn)移實驗

4.1實驗平臺

保壓子取樣實驗裝置如圖11所示，用小流量手動打壓泵來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。在運動過程中，使用壓力傳感器對巖心壓力進行實時監(jiān)測，并記錄下壓力變化的數(shù)據(jù)。

4.2蓄能器實驗分析

分別使用預充壓力為6、12和18 MPa的蓄能器對系統(tǒng)進行壓力維持，在轉(zhuǎn)移過程中，利用壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制出巖心壓力波動的曲線如圖12所示。

圖11 保壓子取樣實驗Fig.11 Pressure-retaining subsampling experiment

圖12 轉(zhuǎn)移時壓力波動曲線Fig.12 Pressure fluctuation curve of transferring

從實驗結(jié)果可以看出，巖心壓力變化趨勢和仿真壓力曲線基本保持一致。雖然實驗中系統(tǒng)壓力最低會下降到17.2 MPa左右，但仍在巖心允許壓力范圍內(nèi)。實驗表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)保壓子取樣的功能，并且蓄能器的預充壓力可以選擇18 MPa。

5 結(jié) 語

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)移過程壓力變化的理論計算、仿真分析和現(xiàn)場實驗三者的一致性，共同驗證該系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)巖心的帶壓轉(zhuǎn)移。其中對蓄能器參數(shù)的仿真和實驗分析，得出蓄能器預充壓力對保壓效果的影響規(guī)律，為后續(xù)天然氣水合物巖心保壓轉(zhuǎn)移生產(chǎn)應用提供了理論與設計依據(jù)。

通過本文的研究，可以得出以下三點結(jié)論：

1) 巖心壓力維持系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)移巖心樣品時，系統(tǒng)壓力變化遠遠超出允許壓力的范圍，說明了壓力維持系統(tǒng)的必要性；

2) 在取子樣過程中，轉(zhuǎn)移系統(tǒng)壓力變化不大，此時蓄能器作用不顯著；

3) 在轉(zhuǎn)移巖心樣品時，有預先壓力的蓄能器可以有效維持系統(tǒng)壓力的波動。

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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

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC0307503)；國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2013AA092503)

陳家旺(1978-)，男，浙江蘭溪人，副教授，博士生導師，主要從事海洋技術裝備研究。E-mail:arwang@zju.edu.cn