一種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天然氣水合物沉積物測(cè)試技術(shù)，具體涉及一種能夠模擬開采條件下天然氣水合物分解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高精度控溫、以及強(qiáng)度和體變精確測(cè)量的三軸試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著油氣資源的巨大消耗，人類在21世紀(jì)后期將面臨油氣資源的枯竭，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。天然氣水合物作為一種潛在的清潔能源，因其在世界范圍內(nèi)分布廣、儲(chǔ)量大，引起世界各國(guó)包括我國(guó)政府在內(nèi)的高度關(guān)注。
[0003]天然氣水合物不同于常規(guī)的石油、天然氣等資源，它以膠結(jié)或者骨架支撐的形式存在于沉積層中，溫度升高或者壓力降低都有可能造成水合物分解?，F(xiàn)階段提出的天然氣水合物開采方法主要有注熱法、降壓法等，其基本思路都是通過(guò)破壞天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度、壓力條件，促使其在地層中分解為天然氣和水，然后將天然氣采集至地面并加以利用。然而，天然氣水合物分解會(huì)造成沉積層膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞，沉積層會(huì)由于承載力下降而發(fā)生沉降或變形，并且隨著開采過(guò)程中水合物分解區(qū)域的擴(kuò)展，可能導(dǎo)致沉積層發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而誘發(fā)海底滑坡、生產(chǎn)平臺(tái)下陷倒塌等災(zāi)害。因此，在天然氣水合物資源商業(yè)化開采之前，必須對(duì)天然氣水合物沉積層的力學(xué)特性進(jìn)行全面的分析研宄，充分評(píng)估天然氣水合物開采過(guò)程中沉積層的穩(wěn)定性，以確保開采過(guò)程的安全。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)天然氣水合物沉積物力學(xué)特性的研宄已取得一定的進(jìn)展，如日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研宄所的K.Miyazaki等通過(guò)天然氣水合物三軸儀獲得了天然氣水合物沉積物的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變等參數(shù)；大連理工大學(xué)的李洋輝等研宄了天然氣水合物粘土沉積物的強(qiáng)度特性?？梢园l(fā)現(xiàn)，這些研宄均未獲得天然氣水合物沉積物的精確體變數(shù)據(jù)，尤其是天然氣水合物分解過(guò)程中沉積物的體變數(shù)據(jù)。同時(shí)，這些研宄獲得的沉積物強(qiáng)度值包含了活塞與缸體之間的摩擦力，不能準(zhǔn)確反映沉積物的力學(xué)特性。體變和強(qiáng)度是建立土體本構(gòu)模型的重要參數(shù)，對(duì)評(píng)估沉積層的沉降和變形具有重要意義，因此有必要對(duì)開采過(guò)程中天然氣水合物沉積物的體變和強(qiáng)度特性進(jìn)行深入的研宄。然而由于天然氣水合物受其生成條件(低溫、高壓)及穩(wěn)定性的影響，目前尚無(wú)一套成熟的能夠模擬天然氣水合物分解過(guò)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度控溫、以及精確測(cè)量沉積物強(qiáng)度和體變的三軸試驗(yàn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置，其能夠模擬天然氣水合物分解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高精度控溫、以及精確測(cè)量沉積物強(qiáng)度和體變等數(shù)據(jù)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置，它主要包含一個(gè)三軸試驗(yàn)裝置主機(jī)、溫度控制系統(tǒng)、孔隙壓力控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
[0008]所述三軸試驗(yàn)裝置主機(jī)，包含主機(jī)框架、密閉壓力室、內(nèi)壓力室和壓力室筒提升裝置；主機(jī)框架由上梁、立柱和下梁組成，密閉壓力室由活塞、承壓柱、壓力室筒和底座組成，內(nèi)壓力室由快速接頭A、上壓塊、內(nèi)壓力室筒、下壓塊和快速接頭B組成，壓力室筒提升裝置由減速機(jī)、螺桿和筒蓋組成。
[0009]所述上梁為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，中心設(shè)有通孔，直徑與所述活塞對(duì)應(yīng)；所述立柱分別與所述上梁、所述下梁采用螺栓固定連接；所述下梁的中心設(shè)有圓柱形的凸起，與所述底座對(duì)應(yīng)；所述活塞中心設(shè)有管道，所述活塞上端與管道接口 A對(duì)應(yīng)；所述承壓柱通過(guò)螺栓固定在所述上梁，所述承壓柱中心設(shè)有通孔，直徑與所述活塞直徑、所述上梁通孔直徑對(duì)應(yīng)；所述承壓柱側(cè)面設(shè)有兩個(gè)管道，分別對(duì)應(yīng)管道接口 B和管道接口 N ;所述管道接口 B與管道接口C連通；所述管道接口 N與所述密閉壓力室連通；所述承壓柱通孔下端與所述活塞之間采用密封圈密封；所述壓力室筒位置與所述承壓柱對(duì)應(yīng)，與所述承壓柱之間采用密封圈連接；所述壓力室筒外圍設(shè)有環(huán)形的凹槽，與所述保溫罩筒形成環(huán)腔。所述環(huán)腔設(shè)有管道接口 E和管道接口 M ;所述壓力室筒下端與所述底座采用密封圈密封；所述底座安裝在所述下梁，并與所述下梁之間采用密封圈密封連接，位置與所述下梁的圓柱形凸起對(duì)應(yīng)；所述底座設(shè)有圓柱形的空腔、管道接口 F、管道接口 G、管道接口 H、管道接口 1、管道接口 J、以及管道接口 K ;所述管道接口 F與所述密閉壓力室連通；所述管道接口 G與所述管道接口 I對(duì)應(yīng)，分別為冷卻液的出口和進(jìn)口 ；管道接口 H與所述底座中心的管道對(duì)應(yīng)，之間通過(guò)螺旋形的管道連接；所述管道接口 J與所述管道接口 K對(duì)應(yīng)；所述活塞下端安裝有負(fù)荷傳感器；所述負(fù)荷傳感器中心設(shè)有管道，位置與所述活塞的管道對(duì)應(yīng)；所述負(fù)荷傳感器的管道與所述活塞的管道之間采用密封圈密封連接；所述負(fù)荷傳感器下端安裝有快速接頭B ;所述快速接頭B中心設(shè)有管道，與所述負(fù)荷傳感器的管道之間采用密封圈連接；所述快速接頭B、所述負(fù)荷傳感器與所述活塞之間通過(guò)螺栓固定；所述上壓塊為圓柱體，上部設(shè)有環(huán)形凹槽，與所述快速接頭B對(duì)應(yīng)，安裝時(shí)可以卡住進(jìn)行固定連接；所述上壓塊下部設(shè)有圓柱形的凸起，直徑與天然氣水合物沉積物試樣直徑相當(dāng)；所述上壓塊中心設(shè)有管道，與所述快速接頭B中心的管道采用密封圈密封連接；所述上壓塊的側(cè)面與所述內(nèi)壓力室之間設(shè)有管道，與管道接口D對(duì)應(yīng)；所述內(nèi)壓力室筒通過(guò)螺栓固定在上壓塊的側(cè)面，同時(shí)采用密封圈密封；所述內(nèi)壓力室筒的中部設(shè)有管道接口 L ;所述下壓塊為圓柱體，上部設(shè)有圓柱形的凸起，直徑與天然氣水合物沉積物試樣直徑相當(dāng)；所述下壓塊與所述內(nèi)壓力室筒之間采用密封圈密封連接，試驗(yàn)過(guò)程中所述內(nèi)壓力室筒隨著所述上壓塊一起運(yùn)動(dòng)；所述下壓塊下部設(shè)有環(huán)形的凹槽，與所述快速接頭A對(duì)應(yīng)，安裝時(shí)可以卡住進(jìn)行固定連接；所述下壓塊中心設(shè)有管道，與所述快速接頭A中心的管道之間采用密封圈密封連接；所述快速接頭A通過(guò)螺栓固定在所述底座上；所述快速接頭A中心的管道與所述底座中心的管道采用密封圈密封連接；所述天然氣水合物沉積物試樣上下兩端分別設(shè)有滲流墊B和滲流墊A，表面套上橡皮膜之后放置在所述上壓塊和所述下壓塊之間；所述壓力室筒上端安裝有所述筒蓋，二者之間采用螺栓固定連接；所述減速機(jī)安裝在所述上梁的下表面，并通過(guò)所述螺桿與所述筒蓋連接，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用于提升和下降壓力室筒；所述承壓柱的下端面安裝有熱電偶。
[0010]所述溫度控制系統(tǒng)主要包含一個(gè)恒溫槽、一個(gè)循環(huán)泵，冷卻液經(jīng)所述循環(huán)泵、管道接口 1、所述底座的空腔、管道接口 F、管道接口 E、所述壓力室筒的與所述保溫罩筒形成的環(huán)腔、以及管道接口 M返回到恒溫槽，實(shí)現(xiàn)控制所述密閉壓力室和所述試樣溫度的目的。
[0011]所述孔隙壓力控制系統(tǒng)主要包含一個(gè)水槽、一個(gè)轉(zhuǎn)子泵、兩個(gè)柱塞泵、以及一個(gè)甲烷氣瓶，所述水槽經(jīng)轉(zhuǎn)子泵、然后分別經(jīng)針閥B和針閥E與柱塞泵A和柱塞泵C連接；所述甲烷氣瓶經(jīng)針閥C、然后分別經(jīng)針閥B和針閥E分別與柱塞泵A和柱塞泵C連接；所述柱塞泵A經(jīng)針閥A與所述管道接口 A連接；所述柱塞泵C經(jīng)針閥H與所述管道接口 H連接。
[0012]所述圍壓控制系統(tǒng)主要包含一個(gè)水槽、一個(gè)轉(zhuǎn)子泵、以及兩個(gè)柱塞泵，所述水槽經(jīng)轉(zhuǎn)子泵、然后分別經(jīng)針閥D和針閥F與柱塞泵B和柱塞泵D連接；所述柱塞泵B經(jīng)針閥G與所述管道接口 F連接；所述柱塞泵D經(jīng)針閥I與所述管道接口 J連接。
[0013]所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要包含一個(gè)工控機(jī)，一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)負(fù)荷傳感器、以及四個(gè)壓力傳感器，所述工控機(jī)分別與溫度傳感器、負(fù)荷傳感器、壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C、壓力傳感器D、恒溫槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C、以及柱塞泵D連接，采集到相應(yīng)的溫度、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:這種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置主要包含一個(gè)三軸試驗(yàn)裝置主機(jī)、溫度控制系統(tǒng)、孔隙壓力控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)控制天然氣水合物生成與分解過(guò)程中的溫度；孔隙壓力控制系統(tǒng)供給合成天然氣水合物需要的蒸餾水和甲烷氣體，并維持天然氣水合物生成和分解相應(yīng)的壓力；圍壓控制系統(tǒng)提供所述密閉壓力室和內(nèi)壓力室的壓力；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)用于采集溫度、壓力等檢測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)恒溫槽和柱塞泵進(jìn)行控制。其優(yōu)點(diǎn)是:
[0015]I)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算內(nèi)壓力室內(nèi)液壓水量的變化以及活塞的位移，可以獲得天然氣水合物沉積物試樣分解過(guò)程中的體變，同時(shí)適用于非飽和試樣的體變測(cè)量；
[0016]2)采用雙壓力室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持內(nèi)壓力室筒內(nèi)外壓力相等，避免了由于單壓力室結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外壓差造成的腔體變形和液壓水的泄漏，提高體變測(cè)量精度；
[0017]3)內(nèi)壓力室筒通過(guò)螺栓固定在上壓塊外側(cè)，并通過(guò)密封圈密封，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨著上壓塊一起運(yùn)動(dòng)，盡可能的縮小了內(nèi)壓力室的體積，提高了體變測(cè)量的精度；
[0018]4)底座設(shè)有冷卻用的空腔和螺旋形的管道，在孔隙水和甲烷氣體進(jìn)入試樣之前進(jìn)行預(yù)先降溫，防止試樣飽和過(guò)程造成天然氣水合物的分解；壓力室筒外設(shè)有保溫罩筒，可以有效防止熱量散失；同時(shí)，通過(guò)底座與壓力室筒的聯(lián)合控溫，提高了溫度控制精度，避免了之前的設(shè)備需要放在冷庫(kù)中以提高控溫精度的不足，改善了實(shí)驗(yàn)條件；
[0019]5)試樣安裝過(guò)程中均采用快速接頭連接，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以有效減少試樣安裝過(guò)程中天然氣水合物分解以及對(duì)試樣造成的擾動(dòng)；
[0020]6)負(fù)荷傳感器安裝在快速接頭與活塞之間，獲得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)不包含活塞與缸體之間的摩擦力，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和可信度；
[0021]7)壓力室筒套在承壓柱外側(cè)，并通過(guò)密封圈密封，施加圍壓時(shí)壓力全部作用在承壓柱的下表面，對(duì)壓力室筒沒(méi)有向上的作用力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力室筒提升裝置可以很方便的控制壓力室筒的位置，并且不需要太大的作用力就可以實(shí)現(xiàn)壓力室的密封；
[0022]8)可以進(jìn)行天然氣水合物沉積物力學(xué)特性的全面測(cè)量，獲得沉積物強(qiáng)度、體變等數(shù)據(jù)，為天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型建立及地層變形分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)天然氣水合物資源的勘探和安全開采提供指導(dǎo)作用。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是一種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)圖。
[0024]圖2是一種天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置主機(jī)