(57)【要約】      （修正有）【課題】工業用ＣＴを利用して堆積物におけるハイドレートの合成及び分解を定量的に観測する方法を提供する。【解決手段】堆積物の構造変化の可視化実験装置は、反応釜と、反応釜に接続された状態調整システム及びＣＴ走査システムとを備え、反応釜の内部に取り付けられたデータ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続され、反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブ１１とインナーチューブ１２を含み、アウターチューブとインナーチューブの間の間隔には、電動ズームレバー７５によりＣＣＤカメラブラケット７４が取り付けられ、ＣＴ走査システムは、外付けしたＣＴイメージング装置とインナーチューブに設置された複数本の磁気校正レバー７６とを含み、磁気校正レバーには、磁気識別ストリップ７７が設置されている。【選択図】図１０
2020201236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積物の構造変化の可視化実験装置であって、
反応釜、それぞれ前記反応釜に接続された状態調整システム及びＣＴ走査システムを備え、前記反応釜の内部には、データ収集システムが取り付けられ、且つ前記データ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続され、
前記反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブとインナーチューブを含み、前記インナーチューブと前記アウターチューブの間には、間隔が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベースが複数設けられ、点状支持ベース間には、制振シリコーンゴムパッドによりインナーチューブの表面の周りに複数の取付溝が設置され、各前記取付溝には、ＣＣＤカメラブラケットが設置され、前記ＣＣＤカメラブラケットには、電動ズームレバーが取り付けられ、
前記ＣＴ走査システムは、外付けしたＣＴイメージング装置とインナーチューブに設置された複数本の磁気校正レバーとを含み、複数本の前記磁気校正レバーは、インナーチューブの初期位置をゼロ点としてインナーチューブの内壁に均等に配置されており、且つ異なる位置における磁気校正レバーには、ゼロ点に対する回動角度に応じた異なる長さ及び異なる磁気強度の磁気識別ストリップが設置されていることを特徴とする堆積物の構造変化の可視化実験装置。
【請求項２】
前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記インナーチューブの両端には、それぞれ中空チャンネルを有する上部コネクタと下部コネクタが設けられ、前記上部コネクタと下部コネクタは、それぞれ前記上部取付ベースと下部取付ベースに対応して接続され、インナーチューブを前記アウターチューブの内部に固定することを特徴とする請求項１に記載の可視化実験装置。
【請求項３】
前記上部取付ベースと下部取付ベースには、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、前記アウターチューブは、両端の雌ネジを介して前記プラグに螺合され、前記プラグには、雌ネジ孔が設置され、前記上部コネクタと下部コネクタの一端は、それぞれ雄ネジを介して前記プラグの雌ネジ孔に螺合され、前記上部コネクタと下部コネクタの他端は、それぞれ前記インナーチューブの両端にシールして挿入され、前記上部コネクタと下部コネクタの間におけるインナーチューブ空間がサンプルの反応空間となることを特徴とする請求項２に記載の可視化実験装置。
【請求項４】
前記状態調整システムは、給気システム、注液システム、円周圧力供給及び冷却システム、並びに背圧システムを含み、前記給気システムが前記反応釜の基 端から前記反応釜の内部へ所定圧力のメタンガスを供給し、前記注液システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ液体を注入し、前記円周圧力供給及び冷却システムが前記反応釜に循環冷凍液を注入することで反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持するとともに、実験に必要なサンプルの円周圧力を提供し、前記背圧システムが前記反応釜の先端に接続され、実験においてシステムの圧力をいずれかの設定圧力に維持することに用いられることを特徴とする請求項１に記載の可視化実験装置。
【請求項５】
前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記円周圧力供給及び冷却システムの供給管路が前記上部取付ベースの接続チャンネルに接続され、前記アウターチューブの内壁と前記インナーチューブの間の空間に冷凍液を注入し、前記上部取付ベースは、接続チャンネルを介して前記円周圧力供給及び冷却システムの排出管路に接続されて冷凍液を排出することを特徴とする請求項４に記載の可視化実験装置。
【請求項６】
前記アウターチューブの両端の外側には、いずれも支持フレームが設置され、前記支持フレームには、いずれも回転歯車が取り付けられ、前記回転歯車は、支持フレームの内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車の側面には、環状回転校正ディスクが取り付けられ、前記アウターチューブの両端の端部には、回転歯車と噛み合う歯付き回転ディスクが固定して取り付けられ、前記回転歯車は、歯付き回転ディスクにおいて０−３６０°回動し、且つ前記回転歯車と歯付き回転ディスクの間には、揺れ止め弾性パッドが設置されることを特徴とする請求項１に記載の可視化実験装置。
【請求項７】
堆積物の構造変化の可視化実験のシミュレーション方法であって、
対応した区域からのハイドレート含有泥質シルト層の原料をサンプルとして、乾燥させた後、反応釜のインナーチューブに仕込み、組み立てられた反応釜をＣＴ走査システムの内部にセットし、次に各補助システムを接続し、データ収集システムにより実験過程を制御するステップ１００と、
状態調整システムで反応釜の内部に液体を注入し、インナーチューブとアウターチューブの温度、円周圧力及び置換圧力勾配を調整するステップ２００と、
ゼロ点の位置でＣＴ走査システムを起動させ、サンプルに対して走査を開始させ、現在状態でのサンプル画像を得て、それと同時にＣＣＤカメラを起動させてズーム作用によりサンプルの表面の変化している動画像を撮像し、この過程に対して走査して撮像し、サンプルの反応過程の画像を取得するステップ３００と、
反応釜を回動させ、インナーチューブの各位置調整にして、上記ステップを設定回数まで繰り返し、実験が終了した後、ＣＣＤ動画像と組み合わせて取得したＣＴ画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行うステップ４００とを含むことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項８】
置換ステップは、具体的には、
注液システムを制御して下部取付ベースからインナーチューブへ液体を注入し、円周圧力供給及び冷却システムを制御してアウターチューブに冷凍液を循環的に注入、インナーチューブに対して降温を行うとともに円周圧力を提供し、その中、インナーチューブにおける液体の置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍとし、アウターチューブにおける円周圧力を置換圧力よりも０．２ＭＰａ大きく保持し、反応釜の出口圧力を大気圧とするステップ２０１と、
インナーチューブにおけるサンプルが水飽和になった後、注液システムを閉じ、ガス注入システムを起動させて下部取付ベースからインナーチューブにガスを注入し、ガスの置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍ未満にし、ガスの流量が安定になると、１．５−２ｐｖでガスを持続的に注入するステップ２０２と、
置換が終了した後、反応釜の出口端と背圧システムを接続し、背圧の圧力を給気圧力と同じに設定するとともに、拘束圧を同期して増大させ、サンプルの孔隙圧力を所定ガス圧力にするステップ２０３と、
背圧の圧力を入口圧力よりも０．０１ＭＰａ低く設定するとともに、拘束圧を設定圧力までに下げ、水和合成過程を持続的に行い、ハイドレートの合成が終了すると、円周圧力の圧力を増大して地層圧力でのハイドレートの貯留層状態をシミュレーションするステップ２０４とを含み、
サンプルに対して地層圧力をシミュレーションした状態で、背圧の圧力をサンプルの両端の圧力が採掘状態での圧力差となるように設定し、この過程においてサンプルにおけるハイドレートが次第に分解する採掘シミュレーションステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の可視化実験のシミュレーション方法。
【請求項９】
前記注液システムが注入した単相液体は、蒸留水であり、前記サンプルが水飽和になった後に注入したガスは、メタンであり、前記冷凍液は、温度２℃の不凍液であることを特徴とする請求項８に記載の可視化実験のシミュレーション方法。
【請求項１０】
実験前に、前記ガス注入システムによりヘリウムガスを利用して気密性試験を行う必要があることを特徴とする請求項８に記載の可視化実験のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地質分野に関し、特に工業用ＣＴを利用して堆積物におけるハイドレートの合成及び分解を定量的に観察して、ハイドレートの減圧／昇温採掘過程における貯留層のマイクロ構造の変化及びマクロ物性への影響を探究するための可視化実験装置及びシミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中国の広大な管轄海域には、ハイドレート資源の埋蔵量が巨大である。天然ガスハイドレートは、エネルギー密度が高く、分布範囲が広く、大規模であり、埋蔵深度が浅く、貯留層の物理化学的条件に優れて、且つ産出された天然ガスがエネルギー、経済、環境、効率のニーズを満たすことができるなどの特徴を有するために、国際的に公認された商業開発の最も有望な新しいクリーンエネルギーであると同時に、石油や天然ガスの代替エネルギーとしての最も理想的なものである。天然ガスハイドレートの試験採掘の実施は、国家のエネルギー安全保障のために戦略的に非常に重要である。
【０００３】
中国の南海では、ハイドレートが未固結泥質シルト岩の貯留層に埋蔵されており、この未固結泥質シルトの貯留層の特性により、圧力低下過程においてハイドレートの分解により堆積層の沈降や変形、さらに剪断破壊を招き、坑井底部の出砂などの一連の工事のトラブルを引き起こしやすい。また、貯留層の構造が変化すると、さらに貯留層の孔隙率及び浸透率の性質に影響を与え、ハイドレートの分解によるガス、水の産出量に直接影響を及ぼす。したがって、ハイドレートの分解過程における堆積物の構造変化を研究することは、ハイドレートの減圧採掘過程における重要な課題となっている。今のところ、ハイドレートの泥質シルト貯留層の構造変化についての研究が少なく、ハイドレートの貯留層の浸透率の研究には、貯留層の有効応力による堆積物の構造変化が無視される場合が多い。貯留層の構造変化を可視化して研究するための実験装置及び実験方法はほとんどなかった。このため、泥質シルト貯留層のハイドレートの分解過程における構造変化を観察できる計測装置の開発は、海域のハイドレート貯留層の構造変化による貯留層の浸透率及び孔隙率の変化に対する計測実験を試み、様々な応力条件でのハイドレートの分解過程における貯留層のマイクロ構造変化の過程及び浸透の変化特徴などの多面的な情報を把握することを可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、工業用ＣＴを利用して堆積物におけるハイドレートの合成及び分解を定量的に観測し、ハイドレートの減圧／昇温採掘過程における貯留層のマイクロ構造の変化及びマクロ物性への影響を探究するための可視化実験装置及びシミュレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
特に、本発明は、天然ガスハイドレートの分解過程における堆積物の構造変化の可視化実験装置を提供し、前記可視化実験装置は、反応釜、それぞれ前記反応釜に接続された状態調整システム及びＣＴ走査システムを備え、前記反応釜の内部には、データ収集システムが取り付けられ、且つ前記データ収集システムがプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続され、
前記反応釜は、いずれも非磁性の透明中空のアウターチューブとインナーチューブを含み、前記インナーチューブと前記アウターチューブの間には、間隔が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベースが複数設けられ、点状支持ベース間には、制振シリコーンゴムパッドによりインナーチューブの表面の周りに複数の取付溝が設置され、各前記取付溝には、ＣＣＤカメラブラケットが設置され、前記ＣＣＤカメラブラケットには、電動ズームレバーが取り付けられ、
前記ＣＴ走査システムは、外付けしたＣＴイメージング装置とインナーチューブに設置された複数本の磁気校正レバーとを含み、複数本の前記磁気校正レバーは、インナーチューブの初期位置をゼロ点としてインナーチューブの内壁に均等に配置されており、且つ異なる位置における磁気校正レバーには、ゼロ点に対する回動角度に応じた異なる長さ及び異なる磁気強度の磁気識別ストリップが設置されている。
【０００６】
本発明の一実施形態では、前記アウターチューブの両端には、それぞれ接続チャンネルが内部に設置された上部取付ベースと下部取付ベースが設置され、前記インナーチューブの両端には、それぞれ中空チャンネルを有する上部コネクタと下部コネクタが設けられ、前記上部コネクタと下部コネクタは、それぞれ前記上部取付ベースと下部取付ベースに対応して接続され、インナーチューブを前記アウターチューブの内部に固定する。
【０００７】
本発明の一実施形態では、前記上部取付ベースと下部取付ベースには、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、前記アウターチューブは、両端の雌ネジを介して前記プラグに螺合され、前記プラグには、雌ネジ孔が設置され、前記上部コネクタと下部コネクタの一端は、それぞれ雄ネジを介して前記プラグの雌ネジ孔に螺合され、前記上部コネクタと下部コネクタの他端は、それぞれ前記インナーチューブの両端にシールして挿入され、前記上部コネクタと下部コネクタの間におけるインナーチューブ空間がサンプルの反応空間となる。
【０００８】
本発明の一実施形態では、前記状態調整システムは、給気システム、注液システム、円周圧力供給及び冷却システム、並びに背圧システムを含み、前記給気システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ所定圧力のメタンガスを供給し、前記注液システムが前記反応釜の基端から前記反応釜の内部へ液体を注入し、前記円周圧力供給及び冷却システムが前記反応釜に循環冷凍液を注入することで反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持することに用いられるとともに、実験に必要なサンプルの円周圧力を提供し、前記背圧システムが前記反応釜の先端に接続され、実験においてシステムの圧力をいずれかの設定圧力に維持することに用いられる。
【０００９】
本発明の一実施形態では、前記円周圧力供給及び冷却システムの供給管路が前記上部取付ベースの接続チャンネルに接続され、前記アウターチューブの内壁と前記インナーチューブの間の空間に冷凍液を注入し、前記上部取付ベースは、接続チャンネルを介して前記円周圧力供給及び冷却システムの排出管路に接続されて冷凍液を排出する。
【００１０】
本発明の一実施形態では、前記アウターチューブの両端の外側には、いずれも支持フレームが設置され、前記支持フレームには、いずれも回転歯車が取り付けられ、前記回転歯車は、支持フレームの内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車の側面には、環状回転校正ディスクが取り付けられ、前記アウターチューブの両端の端部には、回転歯車と噛み合う歯付き回転ディスクが固定して取り付けられ、前記回転歯車は、歯付き回転ディスクにおいて０−３６０°回動し、且つ前記回転歯車と歯付き回転ディスクの間には、揺れ止め弾性パッドが設置される。
【００１１】
また、本発明はさらに、天然ガスハイドレートの分解過程における堆積物の構造変化の可視化実験のシミュレーション方法を提供し、前記シミュレーション方法は、
対応した区域からのハイドレート含有泥質シルト層の原料をサンプルとして、乾燥させた後、反応釜のインナーチューブに仕込み、組み立てられた反応釜をＣＴ走査システムの内部にセットし、次に各補助システムを接続し、データ収集システムにより実験過程を制御するステップ１００と、
状態調整システムで反応釜の内部に液体を注入し、インナーチューブとアウターチューブの温度、円周圧力及び置換圧力勾配を調整するステップ２００と、
ゼロ点の位置でＣＴ走査システムを起動させてサンプルに対して走査を開始させ、現在状態でのサンプル画像を得て、それと同時にＣＣＤカメラを起動させてズーム作用によりサンプルの表面の変化している動画像を撮像し、この過程について走査して撮像し、サンプルの反応過程の画像を取得するステップ３００と、
反応釜を回動させ、インナーチューブの各位置調整にして、上記ステップを設定回数まで繰り返し、実験が終了した後、ＣＣＤ動画像と組み合わせて取得したＣＴ画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行うステップ４００とを含む。
【００１２】
本発明の一実施形態では、置換ステップは、具体的には、
注液システムを制御して下部取付ベースからインナーチューブへ液体を注入し、円周圧力供給及び冷却システムを制御してアウターチューブに冷凍液を循環的に注入し、インナーチューブに対して降温を行うとともに円周圧力を提供し、その中、インナーチューブにおける液体の置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍとし、アウターチューブにおける円周圧力を置換圧力よりも０．２ＭＰａ大きく保持し、反応釜の出口圧力を大気圧とするステップ２０１と、
インナーチューブにおけるサンプルが水飽和になった後、注液システムを閉じ、ガス注入システムを起動させて下部取付ベースからインナーチューブにガスを注入し、ガスの置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍ未満にし、ガスの流量が安定になると、１．５−２ｐｖでガスを持続的に注入するステップ２０２と、
置換が終了した後、反応釜の出口端と背圧システムを接続し、背圧の圧力を給気圧力と同じに設定するとともに、拘束圧を同期して増大させ、サンプルの孔隙圧力を所定ガス圧力にするステップ２０３と、
背圧の圧力を入口圧力よりも０．０１ＭＰａ低く設定するとともに、拘束圧を設定圧力までに下げ、水和合成過程を持続的に行い、ハイドレートの合成が終了すると、円周圧力の圧力を増大させて地層圧力下でのハイドレートの貯留層状態をシミュレーションするステップ２０４とを含み、
サンプルについて地層圧力をシミュレーションした状態で、背圧の圧力をサンプルの両端の圧力が採掘状態での圧力差となるように設定し、この過程においてサンプルにおけるハイドレートが次第に分解する採掘シミュレーションステップをさらに含む。
【００１３】
本発明の一実施形態では、前記注液システムが注入した単相液体は、蒸留水であり、前記サンプルが水飽和になった後に注入されたガスは、メタンであり、前記冷凍液は、温度２℃の不凍液である。
【００１４】
本発明の一実施形態では、実験前に、前記ガス注入システムによりヘリウムガスを利用して気密性試験を行う必要がある。
【発明の効果】
【００１５】
従来技術に比べて、本発明の有益な効果は、以下のとおりである。
（１）本発明に係る可視化実験装置は、非磁性透明のアウターチューブとインナーチューブを利用してＣＴ走査を行うとともに実験過程を観察することを可能にし、このように、ハイドレートの反応過程をリアルタイムで監視して調整し、貯留層の有効応力の作用でのハイドレートの分解過程における貯留層の孔隙率低下、浸透率低下の変化過程を正確に取得することができ、地層のハイドレートを実際に採掘するために確実で信頼できるデータを提供する。
（２）本発明では、ＣＴ走査によってシミュレーション過程におけるサンプルの内部変化を観察でき、それによって貯留層の応力作用での変化過程を正確に取得することができる一方、ＣＣＤカメラによる動的な撮像・録画と組み合わせることでサンプルの表面の視覚的な変化過程を同時に取得することができ、両方の画像データの組み合わせによりサンプルの変化過程をより正確に把握できる。
（３）本発明では、ＣＴ走査により処理したシミュレーション画像を利用する一方、直接撮像・録画した動的画像を利用でき、このように２種の異なるタイプの画像の組み合わせからより正確な変化過程を観察できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態の実験装置の接続模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の反応釜の構造模式図である。
【図３】本発明の一実施形態の注液システムの構造模式図である。
【図４】本発明の一実施形態の背圧システムの構造模式図である。
【図５】本発明の一実施形態の給気システムの構造模式図である。
【図６】本発明の一実施形態においてハイドレートを合成した後のＣＴ走査図である。
【図７】図６においてハイドレートを合成した後の孔隙の構造図である。
【図８】本発明の別の実施形態におけるハイドレートの分解後のＣＴ走査図である。
【図９】図８におけるハイドレートの分解後の孔隙の構造図である。
【図１０】本発明の一実施形態の間隔の構造模式図である。
【図１１】本発明の一実施形態の支持フレームの構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示されるように、本発明の一実施形態は、ハイドレートの所定条件での分解状態をシミュレーションして、実際に地層からハイドレートを採掘するために参照を提供する天然ガスハイドレートの分解過程の可視化実験装置を提供する。該実験装置は、反応釜１、それぞれ前記反応釜１に接続された状態調整システム及びＣＴ走査システム３を備え、前記反応釜１の内部には、データ収集システム２が取り付けられ、且つ前記データ収集システム２がプロセッサを介して状態調整システムにフィードバック可能に接続される。前記状態調整システムは、給気システム５、注液システム６、円周圧力供給及び冷却システム４並びに背圧システム９を含み、上記各システムの作動過程はデータ収集システム２によって制御される。
図２に示されるように、該反応釜１は、サンプルを収納するとともに反応場所として機能し、主に中空アウターチューブ１１とインナーチューブ１２を含み、両方には、套設構造が利用されており、アウターチューブ１１とインナーチューブ１２はそれぞれ、サンプルの反応過程の観察及びＣＴ走査の便宜のため、非磁性透明材料で製造されるものとされ、具体的には、透明材料としてポリイミドが使用され得る。その中でも、アウターチューブ１１の両端には、それぞれ下接続チャンネル１３１と上接続チャンネル１４１を備える上部取付ベース１４と下部取付ベース１３が取り付けられ、下接続チャンネル１３１と上接続チャンネル１４１は、各システムから供給されたガス及び液体の供給又は排出に用いられ、インナーチューブ１２の両端は、それぞれ中空チャンネル付きの上部コネクタ１５と下部コネクタ１６によって上部取付ベース１４と下部取付ベース１３に接続された後に、アウターチューブ１１の内部に固定され、固定されたインナーチューブ１２とアウターチューブ１１の内壁との間には、間隔がある。
【００１８】
上部取付ベース１４と下部取付ベース１３には、それぞれ雄ネジ付きプラグが設置され、アウターチューブ１１は、両端における雌ネジを介してそれぞれ上部取付ベース１４と下部取付ベース１３のプラグに螺合され、プラグの中心には、雌ネジ付き凹孔が設置され、上部コネクタ１５と下部コネクタ１６の一端は、それぞれ雄ネジを介してプラグの凹孔に螺合され、上部コネクタ１５と下部コネクタ１６の他端は、それぞれインナーチューブ１２の両端にシールして挿入され、且つ挿入された上部コネクタ１５と下部コネクタ１６の両方の間の間隔は、サンプルの載置空間及び反応場所となり、該反応場所は、ＣＴ走査システムの走査範囲にあるべきである。
【００１９】
シール性を高めるために、上部コネクタ１５と下部コネクタ１６のインナーチューブ１２に挿入された一端には、インナーチューブ１２の内壁とシールするシールリングが套設され、他端には、同様に上部取付ベース１４と下部取付ベース１３の雌ネジ孔とシールして接触するシールリングが套設される。同様に、上部取付ベース１４と下部取付ベース１３のプラグにも、アウターチューブ１１の内壁とシールするシールリングが設置される。
【００２０】
上部取付ベース１４と下部取付ベース１３における上接続チャンネル１４１、及び下接続チャンネル１３１は、それぞれアウターチューブ１１とインナーチューブ１２の間の空隙に連通する外接続チャンネル、及びインナーチューブの内部に連通する内接続チャンネルを含み、たとえば、円周圧力供給及び冷却システム４の供給端と排出端は、それぞれ上部取付ベース１４、下部取付ベース１３における外接続チャンネルに連通し、注液システム６及び給気システム５は、内接続チャンネルに連通し、両方は、対応した制御弁を介してそれぞれ作動する。
【００２１】
図１０に示されるように、前記インナーチューブ１１と前記アウターチューブ１２の間には、間隔７が開けられており、前記間隔には、均等に配置されている点状支持ベース７１が複数設けられ、点状支持ベース７１の間には、制振シリコーンゴムパッド７２によりインナーチューブ１１の表面の周りに複数の取付溝７３が設置される。前述したように、該間隔は、ＣＴ走査システムの走査範囲にあり、該間隔７に設置された点状支持ベース７１は、支持作用を果たし、且つ装置全体の作動に影響を及ぼさずに、ほかの構造を支持することができ、均等に配置されている複数の点状支持ベース７１によって透かし彫り状の支持構造が形成されている。このように、インナーチューブ１１のＣＴ走査へ影響を及ぼさない一方、ズームのための空間を与える。また、設置された制振シリコーンゴムパッド７２は、走査過程における外力作用による振動が撮像装置に悪影響を与えることを防止し、また、環状で設置されるため、遮光作用を有し、撮像装置のフォーカス及び撮像・録画時の解像度に寄与する。
【００２２】
それぞれの前記取付溝７３には、ＣＣＤカメラブラケット７４が設置され、前記ＣＣＤカメラブラケット７４には、電動ズームレバー７５が取り付けられ、設置されたＣＣＤカメラブラケット７４は、ＣＣＤカメラなどの撮影録画装置の取り付けを容易にするためのものであり、本実施形態では、ＣＣＤカメラが好ましいが、解像度を満足できるほかのカメラであってもよく、且つ、本実施形態では、最適な撮影録画効果を確保するために、電動ズームレバー７５がさらに設置されており、該電動ズームレバー７５は、様々な状態での撮影録画のニーズを満たすように電子制御伸縮方式でそれに取り付けられたカメラの焦点距離を制御するという役割を果たす。
【００２３】
上記内容を総合すると、本実施形態では、具体的には、ＣＴ走査により内部変化を観察する方式と、外付けした撮像装置により洗浄された外表面の変化をキャッチする方式との２種の方式によって、サンプルの応力作用での変化過程をより視覚的に取得できる。さらに、本発明では、相対位置が異なる複数組の撮像装置を設置することで、各種状態ではサンプルが各位置に位置する場合の表面変化の画像を同時にキャッチすることができ、内部のＣＴ逆画像を取得しているため、この２つの内容を組み合わせることでサンプルの三次元変化の過程を視覚的に把握できる。
【００２４】
また、本発明では、さらにＣＴ断面を考慮する必要があり、同一位置で取得したＣＴ画像は、一方向における変化過程だけをキャラクタリゼーションする断面であるので、三次元変化の場合は、一定の欠陥が存在するため、多角度からの走査結果を取得できるために、走査過程においてサンプルの実際位置を変える必要がある。
【００２５】
具体的な位置を変える前に、まず、サンプルの位置を順次校正する必要があり、対応した校正を実施するために、本実施形態では、前記ＣＴ走査システム３は、外付けしたＣＴイメージング装置とインナーチューブ１１に設置された複数本の磁気校正レバー７６との２つの部分を含み、インナーチューブ１１の初期位置をゼロ点として、複数本の前記磁気校正レバー７６は、インナーチューブ１１の内壁に均等に配置されており、且つ異なる位置における磁気校正レバー７６には、ゼロ点に対する回動角度に応じた異なる長さ及び異なる磁気強度の磁気識別ストリップ７７が設置されている。
【００２６】
なお、同一実施例では、ゼロ点に対する回動角度が同じであり、異なる実施例では、該角度は、変化可能であり、異なるサンプルによる実際のニーズに応じて対応する角度を設定してもよく、その角度の設定は、サンプルテストの試験結果により決まる。
【００２７】
従来技術に比べて、本発明では、簡単な校正レバーで区別するのではない点で異なり、それは、一般的な校正レバーが試験過程において校正作用を果たすが、生成した走査画像にはいかなる標識もないからである。したがって、本実施形態では、異なる長さ及び磁気強度の磁気識別ストリップが設置されることによって区別することで、試験過程において視覚的に区別できる一方、ＣＴ走査を磁気干渉する構造とすることにより、後続の比較及び処理のため、その標識をＣＴ走査画像に表示する。
【００２８】
図１１に示されるように、前記アウターチューブ１２の両端の外側には、いずれも支持フレーム８が設置され、前記支持フレーム８には、いずれも回転歯車８１が取り付けられ、前記回転歯車８１は、支持フレーム８の内部に設置されたサーボモータにより駆動され、前記回転歯車８１の側面には、環状回転校正ディスク８３が取り付けられ、前記アウターチューブ１２の両端の端部には、回転歯車８１と噛み合う歯付き回転ディスク８４が固定して取り付けられ、前記回転歯車８１は、歯付き回転ディスク８４において０−３６０°回動し、且つ前記回転歯車８１と歯付き回転ディスク８４の間には、揺れ止め弾性パッド８２が設置される。
【００２９】
本発明では、サーボモータと歯車同士が噛み合うことで角度が調整され、言い換えれば、回動角度は、サーボモータにより制御され、サーボモータの動力は、伝達過程における安定性を確保するために、歯車が噛み合う方式で伝達され、また、振動による撮像効果への影響を減少させるために、本発明では、さらに弾性パットを歯車が噛み合うときの隙間に充填する。
【００３０】
具体的には、注液システム６、給気システム５は、下部取付ベース１３においてインナーチューブ１１に連通する接続チャンネルに接続され、円周圧力供給及び冷却システム４は、下部取付ベース１３、上部取付ベース１４においてアウターチューブ１１とインナーチューブ１２の間の空隙に連通する接続チャンネルに接続され、円周圧力システム９は、上部取付ベース１４においてインナーチューブ１２から気液を排出するための接続チャンネルに接続される。
【００３１】
本実施形態において、給気システム５、注液システム６、背圧システム９、円周圧力供給及び冷却システム４及びＣＴ走査システム３としては、従来技術における既存の設備を使用することができ、以下、それぞれ説明する。
【００３２】
注液システム６の接続構造は、図３に示されるように、注液システム６の定速定圧ポンプ６０１として、置換媒体を定量的に注入して試験のために動力源を提供するためのＨＡＳ−２００ＨＳＢ型２シリンダ定速定圧ポンプが使用される。この定速定圧ポンプは、作動圧力が５０ＭＰａ、流速が０．０１〜２０ｍＬ／ｍｉｎであり、圧力の保護と位置の上限下限の保護を有し、ポンプヘッド材料として３１６Ｌが使用される。該ポンプには、データ収集システム２に接続できる通信ポートがあり、この２つのシリンダは、単一シリンダが独立して作動してもよく、２つのシリンダがそれぞれ独立して作動してもよく又は協働して作動してもよい。具体的には、蒸留水又は灯油を駆動媒体として排出し、排出過程において駆動媒体に対する定電圧、定電流及び追跡ＰＬＣ制御を行う。２シリンダ定速定圧ポンプ６０１と下部取付ベーの間には、２台の圧力調整ピストン６０２が並列して取り付けられ、各圧力調整ピストン６０２の両端には、それぞれ四方弁６０３が取り付けられ、四方弁６０３は、気液を排出できるとともに、洗浄パイプラインなどのほかのパイプラインの接続を容易にする。圧力調整ピストン６０２は、容積が２０００ｍＬで、作動圧力が５０ＭＰａで、材質が３１６Ｌである。圧力調整ピストン６０２は、注入液及び置換液の離間、エネルギー貯蔵や緩衝及び輸送に用いられる。内壁の摩擦力を減少させるために、筒体の内表面に対して平坦化処理を施す。
【００３３】
図４に示されるように、背圧システム９は、上部取付ベース１４のハイドレート排出管路に接続された背圧弁９０１と、背圧弁９０１での圧力を表示する背圧計Ａ９０２と、反応釜の排出圧力が基準を超えると自動的に放圧するように背圧弁９０１での圧力を調整する背圧ポンプＢ９０３及び背圧容器９０４と、受けたハイドレートを気液分離する気液分離器９０５と、分離したガスを受けて測定するガスタンク９０６と、分離した液体を測る重量計測器９０７とを備える。
【００３４】
図５に示されるように、給気システム５は、ガス圧縮機によってインナーチューブ１２にガスを注入し、ハイドレートを合成したり、ハイドレート貯留層の様々な採掘状態でのガス浸透率を測定したりする。たとえば、等温単相メタンガスを注入して出口でのガス流量を正確に測定し、且つダーシーの法則に従ってガス浸透率を測定することができる。
【００３５】
給気システム５は、圧力ガスを発生させる空気圧縮機５０１と、空気圧縮機５０１が発生したガスを増圧するガスブースターポンプ５０２と、増圧した低圧ガスを貯蔵する低圧貯蔵タンク５０３と、増圧した高圧ガスを貯蔵する高圧貯蔵タンク５０４と、実験要求に応じてインナーチューブに所定圧力を供給するために低圧貯蔵タンク５０３又は高圧貯蔵タンク５０４を選択する調圧弁５０５と、排出ガスの流量の大きさを制御する流量コントローラ５０６と、ガス及び液体を冷却させる冷却器５０８とを備える。調圧弁５０５の前のガス路には、ガス加湿装置５０７が取り付けられる。該ガス加湿装置５０７は、液体を収容した耐圧容器であり、流れるガスを自然に加湿する。
【００３６】
冷却器５０８は、反応釜に注入されたガス及び液体を冷却させ、冷却処理後のガス及び液体は、反応釜におけるハイドレートの平衡状態を破壊することがない。空気圧縮機５０１として、型番ＧＣＳ５０の製品を使用することができ、設計圧力が１．０ＭＰａで、流量が０．４６５ｍ３／ｍｉｎであり、空気圧縮機５０１はさらに、管路システム全体のガスパージのために使用できる。該ガスブースターポンプ５０２として、型番ＧＢＤ６０、増圧比６０：１、最大出口圧力４９８Ｂａｒ、最大流量４０Ｌ／ｍｉｎのＳＩＴＥＣ型ガスブースターポンプを用い得る。低圧貯蔵タンク５０３は主に、空気圧縮機５０１で増圧した空気を貯蔵し、容積０．１ｍ３、作動圧力０．８ＭＰａ、設計圧力１ＭＰａといった条件を満たす必要がある。高圧貯蔵タンク５０２は、容積２０００ｍＬ、最大作動圧力５０ＭＰａといった条件を満たす必要がある。調圧弁５０５は、手動調圧弁以外、対応した圧力計を備え、主に増圧した高圧ガスを所望の作動圧力に調整するように機能する。手動調圧弁は、最大入口圧力が５０ＭＰａであり、出口圧力が０〜４０ＭＰａで調整可能である。流量コントローラ５０６としては、最大作動圧力が４０ＭＰａであり、データ収集システム２と通信可能に接続できる通信インターフェースを有するＢＯＮＣＯ製高圧流量計が使用される。
【００３７】
データ収集システム２は、データ処理ソフトウェアを有する制御システムを含み、制御システムは、パソコン、産業用コンピュータなどのデータ処理及び分析機能を有する設備であってもよい。制御システムは、データ処理ソフトウェアによって実験過程を制御するとともに、ＣＴ走査システム３及び実験過程に対して、画像及びデータの収集、分析及び結果の出力などを行う。
【００３８】
ＣＴ走査システムは、前記反応釜を収納し、反応釜におけるサンプルの反応過程での変化を走査し、具体的には、ＣＴ装置は三英公司製のマルチスケール岩石三次元走査イメージングシステム（オープン式マイクロフォーカスＸ線走査）である。
【００３９】
作動するときに、取り付けられた反応釜１のインナーチューブ１１及びアウターチューブ１２には、各システムを同時に接続し、同じ主管路を介してインナーチューブ１２に液体、水、ガスを注入し、次に各システムを制御弁付きの分岐管を介して主管に接続し、必要に応じて、対応した制御弁を開弁すればよい。Ｘ光走査源を上部コネクタ１４と下部コネクタ１３の間におけるサンプル収納空間に正対するように、反応釜１をＣＴ走査システム３の走査室にセットする。その中、給気システム５は、反応釜１に所定圧力のメタンガスを提供し、注液システム６は、反応釜１におけるサンプルに水を提供し、円周圧力供給及び冷却システム４は、反応釜１に循環冷凍液を注入して反応サンプルを所定圧力での低温環境に保持し、背圧システム９は、反応釜１の先端に接続され、実験が終了した後に、先端の圧力と基端の圧力を同じに保持し、ＣＴ走査システム３は、反応サンプルの実験過程における変化の画像を走査し、データ収集システム２は、実験要求に応じて各システムの作動を制御し、実験過程における各種データを収集して分析して出力する。具体的な作動過程については、以下の方法の記載において詳細に説明する。
【００４０】
本実施形態では、非磁性透明のアウターチューブとインナーチューブを利用してＣＴ走査を行うとともに、実験過程を観察することを可能にし、このように、ハイドレートの反応過程をリアルタイムで監視して調整でき、貯留層の有効応力の作用でのハイドレートの分解過程における貯留層の孔隙率低下、浸透率低下の変化過程を正確に取得し、実際に地層からハイドレートを採掘するために確実で信頼できるデータを提供する。
【００４１】
本発明の一実施形態では、前述天然ガスハイドレートの分解過程の可視化実験装置の使用方法が開示されており、該使用方法は、一般的には、ステップ１００−ステップ６００を含む。
【００４２】
ステップ１００において、対応した区域からのハイドレート含有泥質シルト層の原料をサンプルとして、乾燥させた後、反応釜のインナーチューブに仕込み、組み立てられた反応釜をＣＴ走査システムの内部にセットし、次に各補助システムを接続してデータ収集システムにより実験過程を制御する。
サンプルの乾燥は、焼き又はオーブンにより行われる。ここで、補助システムとは、前述した給気システム５、注液システム６、円周圧力供給及び冷却システム４並びに背圧システム９を指す。取り付けられた反応釜１を容易に安定的に保持するために、反応釜１の底部には、円形基台１７を設置し、反応釜１を下部取付ベース１３にて基台１７の円心に固定し、次に、基台１７を反応釜１とともにＣＴ走査システム３の載置台にセットし、ネジによって基台１７を載置台に固定して接続するようにしてもよい。
実験前、まず、給気システム５を用いて反応釜１にヘリウムガスを注入してシール性をテストすることによって、実験の正確性及び安全性を確保する。
Ｘ線と反応釜１との距離が走査要求を満たすように、データ収集システム２でＣＴ走査システム３のＸ線を調整する。
【００４３】
ステップ２００において、注液システムを制御して下部取付ベースからインナーチューブに液体を注入し、円周圧力供給及び冷却システムを制御してアウターチューブに冷凍液を循環的に注入し、インナーチューブに対して降温を行うとともに円周圧力を提供し、その中、インナーチューブにおける液体の置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍとし、アウターチューブにおける円周圧力を置換圧力よりも０．２ＭＰａ大きく保持し、反応釜の出口圧力を大気圧とする。
液体の注入量については、内部に充填されたサンプルが水飽和状態となるようにする。ここで、注入される液体は、単相液体、具体的には、蒸留水である。反応釜１の上部取付ベース１４のインナーチューブ１２に接続された接続チャンネルから水が排出されているか否かを観察することにより、注水量が要求を満たすか否かを判定することができる。水が排出されると、内部が飽和状態となっており、水を排出した後にさらに蒸留水を１．５−２ＰＶ注入した後、注液システム６の作動を停止する。円周圧力供給及び冷却システム４に使用される冷凍液は、温度２℃の不凍液である。
【００４４】
ステップ３００において、インナーチューブにおけるサンプルが水飽和になった後、注液システムを閉じ、ガス注入システムを起動させて下部取付ベースからインナーチューブにガスを注入し、ガス置換圧力勾配を３ＭＰａ／ｍ未満にし、ガス流量が安定になると、１．５−２ｐｖでガスを持続的に注入する。
ここで注入されるガスはメタンであり、このとき、インナーチューブ１２の上端出口での圧力が大気圧である。ガス流速が安定になると、１．５−２ｐｖのガスを持続的に注入してもよい。
【００４５】
ステップ４００において、置換が終了した後、反応釜の出口端と背圧システムを接続し、背圧の圧力を給気圧力と同じに設定するとともに、拘束圧を同期して増大させ、サンプルの孔隙圧力が所定ガス圧力になると、ＣＴ走査システムを起動させてサンプルに対して走査を開始させ、現在状態でのサンプル画像を得る。
持続的に給気した後に、サンプルの孔隙圧力を次第に増大できるが、拘束圧の圧力を常に孔隙圧力よりも０．２ＭＰａ大きくする必要がある。ＣＴ走査を行うときに、ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する必要がある。
【００４６】
ステップ５００において、次に、背圧の圧力を入口圧力よりも０．０１ＭＰａ低く設定するとともに、拘束圧を設定圧力までに下げ、水和合成過程を持続的に行い、ハイドレートの合成が終了すると、円周圧力の圧力を増大させて地層圧力でのハイドレートの貯留層状態をシミュレーションし、該過程を走査し、サンプルの反応過程の画像を取得する。
【００４７】
ステップ６００において、実験が終了した後、取得したＣＴ画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行い、設定条件で地層ハイドレートを採掘するときのハイドレートの分解状態及び貯留層の構造変化を取得することができる。
【００４８】
本実施形態では、泥質シルト貯留層のサンプルに対しては、１ＭＰａの有効応力でハイドレートの合成及び分解の実験を行い、実験結果から、貯留層の有効応力の作用で、ハイドレートが分解するのに伴い、貯留層の孔隙率が低下し、浸透率が低下することが明らかになる。泥質シルト貯留層では、それにおけるハイドレートが分解すると、以下の２つの効果がある。１、ハイドレートが分解すると、貯留層の孔隙空間が大きくなり、孔隙率が増大する。２、貯留層の圧力が下がりハイドレートが分解し、その結果、貯留層の有効応力が大きくなり、圧縮作用で貯留層の孔隙空間が低下する。実験結果から、２種の作用で貯留層の孔隙率が最終的に低下し、浸透率が低下することが明らかになり、このことから、泥質シルト貯留層の場合は、ハイドレートの分解過程において地層の有効応力が貯留層の孔隙率及び浸透率の変化に対して支配的な作用を果たすことが分かった。
【００４９】
本発明の一実施形態では、サンプルに対して地層圧力をシミュレーションした状態で、背圧の圧力をサンプルの両端の圧力が採掘状態での圧力差となるように設定し、ＣＴ走査システムによって該過程でのサンプルにおけるハイドレートの分解画像を取得する採掘シミュレーションステップをさらに追加してもよい。
【００５０】
以下、具体的な実施例にて、本実験装置の使用過程を説明する。
１．泥質シルトサンプルを準備し、オーブンにおいて１２時間乾燥させる。サンプルを取り出して直径２ｍｍ程度の粒子に粉砕する。６ｇのサンプルを反応釜のキャビティに仕込む。
２．低温高圧システムを組み立てる。反応釜を基台でフォーカスＸ線ＣＴ装置のステージに固定し、ガス注入システムと拘束圧循環システムのパイプラインを接続する。ヘリウムガスを使用してシステムに対してシール性をテストする。
３．ガス注入システムの弁Ｖ１を閉弁し、注液システムの弁Ｖ２及び拘束圧冷却循環システムを開いて、冷循環温度を２℃に設定し、ガス背圧システムの弁Ｖ４を閉弁し、反応釜の出口端の弁Ｖ３を開弁し、出口端の圧力を大気圧にする。液体注入圧力を０．７ＭＰａに設定する。拘束圧システムの圧力を０．６ＭＰａに設定する。液体注入ポンプを起動させ、単相液体（蒸留水）を使用してサンプルを飽和させる。出口端で水が現れると、蒸留水を１．５−２ＰＶ引き続き注入する。
４．注液システムの弁Ｖ２を閉弁する。注液システムと反応釜を連通させる。０．７ＭＰａのメタンガスを用いて反応釜における水飽和のサンプルに対して置換実験を行う。給気口端でガス流量計により測量したところ、流体流速が安定になると、１．５−２ｐｖのガスを引き続き注入する。
５．置換が終了した後、弁Ｖ３を閉弁し、弁Ｖ４を開弁し、反応釜の出口端と背圧システムを接続する。背圧の圧力を給気圧力と同じに設定する。前のガス圧力を保持したままでガスを注入し続け、サンプルの孔隙圧力を次第に増大させるとともに、拘束圧を同期して増大させ、拘束圧の圧力を孔隙圧力よりも０．２ＭＰａ大きく保持する。孔隙圧力を８ＭＰａに増大し、拘束圧の圧力を８．２ＭＰａにする。ガス圧力と拘束圧を安定的に保持する。このとき、Ｘ線ＣＴ走査を行う。
６．ＣＴ走査が終了した後、背圧を７．９８ＭＰａに設定し、循環液を減圧させ、給気口を開放したままで反応釜にガスを持続的に供給し、ガスが反応釜に連続的に入るようにする。円周圧力の循環圧力を設定圧力までに下げてハイドレート合成実験を行う。
７．ハイドレート合成が終了するまで、このような状態を１２時間維持する。
８．走査が終了した後、拘束圧循環システムの圧力を９ＭＰａまでに増大させ、このときに、１ＭＰａの地層圧力でのハイドレート貯留層の状態をシミュレーションすることができる。次に、ＣＴ走査及び三次元再構成を行う。結果は図６及び７に示されている。
９．減圧採掘過程をシミュレーションする。具体的には、ガス供給弁を閉弁し、背圧の圧力を２ＭＰａに設定し、同時に拘束圧の圧力を３ＭＰａに設定し、反応釜におけるメタンを分解させる。分解が終了した後、貯留層に対してＣＴ走査を行い、得られたＣＴ画像に対してグレースケール処理及び三次元再構成を行い、ハイドレートの分解状態及び貯留層の構造変化を観察する。結果は図８及び９に示されている。
【００５１】
なお、当業者であれば、本明細書において本発明の複数の例示的な実施例を詳細に示して説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の開示内容に基づいて本発明の原理に合致する複数の変形又は修正を直接決定又は導出することができることを認識するべきである。このため、本発明の範囲は、これらの変形又は修正をすべて含むと理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５２】
１−反応釜；２−データ収集システム；３−ＣＴ走査システム；４−円周圧力供給及び冷却システム；５−給気システム；６−注液システム；７−間隔；８−支持フレーム；９−背圧システム；１１−アウターチューブ；１２−インナーチューブ；１３−下部取付ベース；１４−上部取付ベース；１５−上部コネクタ；１６−下部コネクタ；１７−基台；１３１−下接続チャンネル；１４１−上接続チャンネル；５０１−空気圧縮機；５０２−ガスブースターポンプ；５０３−低圧貯蔵タンク；５０４−高圧貯蔵タンク；５０５−調圧弁；５０６−流量コントローラ；５０７−ガス加湿装置；５０８−冷却器；６０１−定速定圧ポンプ；６０２−圧力調整ピストン；６０３−四方弁；７１−点状支持ベース；７２−制振シリコーンゴムパッド；７３−取付溝；７４−ＣＣＤカメラブラケット；７５−電動ズームレバー；７６−磁気校正レバー；７７−磁気識別ストリップ；８１−回転歯車；８２−揺れ止め弾性パッド；８３−環状回転校正ディスク；８４−歯付き回転ディスク；９０１−背圧弁；９０２−背圧計Ａ；９０３−背圧計Ｂ；９０４−背圧容器；９０５−気液分離器；９０６−ガスタンク；９０７−重量計測器。
【図１】
2020201236.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020201236.tif 000009
【図８】
2020201236.tif 000010
【図９】
2020201236.tif 000011
【図１０】
2020201236.tif 000012
【図１１】
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