專利名稱：天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
含水合物沉積層的力學(xué)參數(shù)是天然氣水合物鉆探和開采過程中非常重要的基礎(chǔ) 參數(shù)。由于實(shí)際含天然氣水合物的沉積物樣品十分稀少，且需要高昂的費(fèi)用，目前有關(guān)含水 合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常缺乏。使用實(shí)際海洋沉積物樣品，在高壓容器中模擬 海底的低溫高壓環(huán)境，進(jìn)行天然氣水合物的合成實(shí)驗(yàn)，并使用有效的檢測(cè)手段測(cè)試含水合 物沉積物的力學(xué)參數(shù)以及沉積物中水合物的飽和度，得出的結(jié)果將對(duì)實(shí)際的鉆探和開發(fā)具 有重要的指導(dǎo)意義。國外已報(bào)道的沉積物中水合物合成與分解及力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化裝置有美國地 質(zhì)調(diào)查局的天然氣水合物和沉積物模擬實(shí)驗(yàn)裝置GHASTLI (Gas HydrateAnd Sediment Test Laboratory Instrument)；日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)和技術(shù)國際研究所的水合物沉積物合成與分 解及三軸實(shí)驗(yàn)一體化裝置；英國的水合物沉積物合成和扭剪共振柱實(shí)驗(yàn)一體化裝置；國內(nèi) 中國科學(xué)院力學(xué)研究所使用低溫高壓三軸儀進(jìn)行過四氫呋喃水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的實(shí) 驗(yàn)研究。以上裝置均不能實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中天然氣水合物的飽和度，因此不能得出天然 氣水合物飽和度與力學(xué)性能的定量關(guān)系。同時(shí)，隨著油氣可開采量的逐漸減少和消耗量的逐漸增加，天然氣化合物開采的 迫切性日益顯著，為了研究深海海域不同沉積層中天然氣水合物的合成條件和力學(xué)特性， 為我國海洋天然氣水合物的開采和相關(guān)災(zāi)害提供準(zhǔn)確參數(shù)，必須弄清楚天然氣水合物的合 成與分解條件，得到熱力學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)，天然氣水合物保持穩(wěn)定需要特定的高壓低溫條 件，不適宜在常溫常壓環(huán)境下移動(dòng)，因此建立一套天然氣水合物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)裝置是十分 必要的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn) 裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)驗(yàn)效果好。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案其包括三軸儀，三軸儀設(shè)置在恒 溫裝置內(nèi)，三軸儀內(nèi)設(shè)有反應(yīng)室，反應(yīng)室的頂端、底端分別連接注液系統(tǒng)；反應(yīng)室的底端與 圍壓系統(tǒng)連接。本項(xiàng)實(shí)用新型用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究沉積物中天然氣水合物飽和度與力學(xué)性能的關(guān) 系，裝置將常規(guī)三軸儀的壓力盒進(jìn)行有效改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)沉積物中天然氣水合物的生成與分解 實(shí)驗(yàn)，并可在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。裝置更主要的特點(diǎn)是引入時(shí)域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 天然氣水合物飽和度的實(shí)時(shí)測(cè)量，在同一系統(tǒng)中采集含天然氣水合物沉積物的力學(xué)參數(shù)及 飽和度，研究兩者之間的關(guān)系，為我國天然氣水合物的勘探與開發(fā)提供基礎(chǔ)參數(shù)。反應(yīng)室內(nèi)設(shè)有成型模盒，成型模盒內(nèi)設(shè)置沉積物試樣，沉積物試樣的上下兩端設(shè)
3有壓緊過濾裝置。本裝置的核心部件為反應(yīng)室，常規(guī)三軸儀的反應(yīng)室最高只能承受2MPa的 壓力，不能滿足天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)要求。重新設(shè)計(jì)的反應(yīng)室可以在原三軸儀上繼續(xù)使用， 并可承受IOMPa的壓力。在反應(yīng)室內(nèi)放置可變形、可變壓高壓薄膜，實(shí)驗(yàn)樣品置于薄膜內(nèi)， 在薄膜外有兩片開式成型模盒，用于保證沉積物樣品的形狀。沉積物試樣內(nèi)設(shè)置時(shí)域反射探針，柔性的時(shí)域反射探針通常采用兩根，以監(jiān)測(cè)水 合物生成過程并測(cè)定水合物飽和度。成型模盒置于三軸儀的加載底座上，上部特殊設(shè)計(jì)的 加載桿既可與力傳感器相連，還可以將時(shí)域反射測(cè)量電纜以及高壓飽和水管引出。反應(yīng)室 內(nèi)部裝有熱電阻，用于探測(cè)沉積物中的溫度。其中三軸儀為土工實(shí)驗(yàn)用的常規(guī)儀器，此裝置中將其移植入低溫環(huán)境下使用。注液系統(tǒng)包括飽和水容器，飽和水容器頂端通過管道與反應(yīng)室的頂端連接，飽和 水容器的底端通過循環(huán)泵與反應(yīng)室的底端連接，通過循環(huán)泵將含飽和甲烷氣的溶液注入壓 力盒中的沉積物樣品，可加速水合物的生成，縮短實(shí)驗(yàn)周期。飽和水容器的頂端連接壓力變 送器與高壓氣源。飽和水容器內(nèi)設(shè)有磁力攪拌器，飽和水容器配備的磁力攪拌器，可使甲烷氣預(yù)先 在高壓下溶解并達(dá)到飽和。圍壓系統(tǒng)包括壓力變送器，壓力變送器通過背壓閥與反應(yīng)室底端的一側(cè)連通，壓 力變送器通過圍壓泵與反應(yīng)室底端的另一側(cè)連通。通過本裝置系統(tǒng)對(duì)天然氣水合物合成的實(shí)驗(yàn)和測(cè)定，可以得到含天然氣水合物沉 積物的力學(xué)參數(shù)，為天然氣水合物的鉆探和開采提供非常重要的基礎(chǔ)參數(shù)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本裝置做詳細(xì)描述

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本裝置包括三軸儀1，三軸儀1設(shè)置在恒溫裝置2內(nèi)，三軸儀1內(nèi)設(shè)有反應(yīng)室3，反 應(yīng)室3的頂端、底端分別與注液系統(tǒng)連接；反應(yīng)室3的底端與圍壓系統(tǒng)連接。反應(yīng)室3內(nèi)設(shè)有成型模盒4，成型模盒4內(nèi)設(shè)置沉積物試樣5，沉積物試樣5的上 下兩端設(shè)有壓緊過濾裝置6。沉積物試樣5內(nèi)設(shè)置時(shí)域反射探針7。反應(yīng)室3內(nèi)設(shè)有熱電 阻8。注液系統(tǒng)包括飽和水容器9，飽和水容器9頂端通過管道與反應(yīng)室3的頂端連接，飽 和水容器9的底端通過循環(huán)泵10與反應(yīng)室3的底端連接。飽和水容器9的頂端連接壓力 變送器11與高壓氣源16。飽和水容器9內(nèi)設(shè)有磁力攪拌器12。圍壓系統(tǒng)包括壓力變送器 13，壓力變送器13通過背壓閥14與反應(yīng)室3底端的一側(cè)連通，壓力變送器13通過圍壓泵 15與反應(yīng)室3底端的另一側(cè)連通。三軸儀1使用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ-2型全自動(dòng)三軸儀，改進(jìn)其 圍壓控制系統(tǒng)，使其能與內(nèi)壓交替升高至實(shí)驗(yàn)所需壓力。實(shí)驗(yàn)前先安裝可變形、可變壓高壓 薄膜，調(diào)整開式成型模盒4使薄膜居于反應(yīng)室3中央，適度張緊柔性時(shí)域反射探針7，使時(shí)域 反射探針7平行并逐層壓實(shí)沉積物試樣5。時(shí)域反射探針7通過兩個(gè)高壓密封及絕緣的接 頭連接至反應(yīng)室3外部，并通過電纜與采集儀器連接。采用時(shí)域反射探針7確定沉積物中天然氣水合物的飽和度。整個(gè)三軸儀置于恒溫裝置2中，其工作溫度范圍為0-30°C，反應(yīng)室 3內(nèi)裝有熱電阻8，測(cè)量內(nèi)部的溫度。飽和水容器9下面有一個(gè)磁力攪拌器12，其轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，在磁力作用下攪拌水 溶液，增大氣_液的接觸面積，加速制備飽和氣水溶液。制備好的飽和溶液通過循環(huán)泵抽 出，然后注入沉積物試樣5內(nèi)，再經(jīng)另一端排出并流入飽和水容器9內(nèi)，完成溶液的循環(huán)。 沉積物試樣5的兩端設(shè)計(jì)有壓緊過濾裝置6，確保在循環(huán)過程中不會(huì)將沉積物顆粒帶出來。 當(dāng)沉積物試樣5中生成一定量的水合物后，啟動(dòng)三軸儀1，進(jìn)行樣品的力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)， 沉積物中柔性時(shí)域反射探針7在測(cè)量天然氣水合物飽和度的同時(shí)不會(huì)對(duì)樣品的力學(xué)性能 產(chǎn)生影響，從而保證所測(cè)力學(xué)參數(shù)的正確性。實(shí)驗(yàn)過程中溫度、壓力、飽和度以及力學(xué)參數(shù) 等均通過數(shù)字采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。本實(shí)用新型裝置在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了 天然氣水合物飽和度和力學(xué)性能的同時(shí)測(cè)量，使天然氣水合物飽和度與力學(xué)性能關(guān)系的實(shí) 驗(yàn)研究成為可能。本實(shí)用新型裝置在使用時(shí)，具體操作步驟如下1.在反應(yīng)室3內(nèi)裝好沉積物試樣5并壓實(shí)；2.安裝好各種探測(cè)裝置；3.調(diào)整反應(yīng)室3的壓力；4.系統(tǒng)抽真空后，在飽和水容器9中，制備指定壓力下的飽和水；5.將飽和水通過循環(huán)泵10在反應(yīng)室3內(nèi)循環(huán)；6.降低溫度，在沉積物試樣5中生成天然氣水合物；7.將成型模盒4打開到最大程度，開放三軸儀加載桿下行通道；8.進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；9.檢測(cè)、記錄各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)。反應(yīng)過程中的溫度、壓力等數(shù)據(jù)均傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。天然氣水 合物合成后，直接在反應(yīng)室3中對(duì)樣品進(jìn)行三軸壓力的加載實(shí)驗(yàn)，通過應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，獲得 應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)。
權(quán)利要求一種天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，包括三軸儀，三軸儀設(shè)置在恒溫裝置內(nèi)，三軸儀內(nèi)設(shè)有反應(yīng)室，反應(yīng)室的頂端、底端分別連接注液系統(tǒng)；反應(yīng)室的底端與圍壓系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，反應(yīng)室 內(nèi)設(shè)有成型模盒，成型模盒內(nèi)設(shè)置沉積物試樣，沉積物試樣的上下兩端設(shè)有壓緊過濾裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，沉積物 試樣內(nèi)設(shè)置時(shí)域反射探針。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，反應(yīng)室 內(nèi)設(shè)有熱電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，注液系 統(tǒng)包括飽和水容器，飽和水容器頂端通過管道與反應(yīng)室的頂端連接，飽和水容器的底端通 過循環(huán)泵與反應(yīng)室的底端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，飽和水 容器的頂端連接壓力變送器與高壓氣源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，飽和水 容器內(nèi)設(shè)有磁力攪拌器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，圍壓系 統(tǒng)包括壓力變送器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，其特征在于，壓力變 送器通過背壓閥與反應(yīng)室底端的一側(cè)連通，壓力變送器通過圍壓泵與反應(yīng)室底端的另一側(cè) 連通。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型的天然氣水合物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，包括三軸儀，三軸儀設(shè)置在恒溫裝置內(nèi)，三軸儀內(nèi)設(shè)有反應(yīng)室，反應(yīng)室的頂端、底端分別連接注液系統(tǒng)；反應(yīng)室的底端與圍壓系統(tǒng)連接。通過本裝置系統(tǒng)對(duì)天然氣水合物合成的實(shí)驗(yàn)和測(cè)定，可以得到含天然氣水合物沉積物的力學(xué)參數(shù)，為天然氣水合物的鉆探和開采提供非常重要的基礎(chǔ)參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N3/00GK201749054SQ20102025306
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者業(yè)渝光, 刁少波, 劉昌嶺, 張劍, 程軍, 胡高偉 申請(qǐng)人:青島海洋地質(zhì)研究所