含天然氣水合物沉積物多功能三軸壓縮實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及含水合物沉積物基礎(chǔ)物性參數(shù)原位測試技術(shù)，尤其涉及一種能夠真實(shí)模擬海洋沉積物中天然氣水合物的形成，并且進(jìn)行天然氣水合物飽和度準(zhǔn)確控制的實(shí)驗(yàn)室制樣并進(jìn)行排水和不排水條件的含天然氣水合物沉積物三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物是由天然氣和水在較高壓力和較低溫度條件下形成的類冰結(jié)晶化合物，具有儲量大、分布廣和能量密度高等特點(diǎn)，如何有效控制其開采風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為近年來的研宄熱點(diǎn)。天然氣水合物的不合理開發(fā)引起含水合物沉積層強(qiáng)度顯著降低，可能誘發(fā)海床坍塌和海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；天然氣水合物資源勘查過程中的鉆井作業(yè)擾動(dòng)了天然氣水合物穩(wěn)定條件使其發(fā)生分解，又可能誘發(fā)鉆探設(shè)備和海底管道損壞等工程事故，嚴(yán)重威脅生命及財(cái)產(chǎn)安全。如何避免上述事故災(zāi)害發(fā)生是天然氣水合物開采安全性的重要保障，迫切需要開展含天然氣水合物力學(xué)特性的定量研宄。
[0003]由于原狀含天然氣水合物沉積物樣品獲取難度大、成本高，現(xiàn)有的含天然氣水合物沉積物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研宄仍以實(shí)驗(yàn)室人工合成的含天然氣水合物沉積物樣品為主。目前，含天然氣水合物沉積物樣品制備方法以原位生成法為主，包括兩種方式:一是將具有一定含水量或含冰量的土樣放入橡膠筒內(nèi)，對其抽真空后注入一定壓力的甲烷氣體，然后降低溫度制備含天然氣水合物沉積物試樣。二是直接將溶解有甲烷氣體的水循環(huán)通過低溫土樣制備含天然氣水合物沉積物試樣。上述第一種方法的制備時(shí)間相當(dāng)長且天然氣水合物分布相當(dāng)不均勻，第二種方法較好地解決了第一種方法的不足，但是該方法在樣品進(jìn)出口管道和透水材料內(nèi)極易形成水合物造成堵塞，導(dǎo)致合成的天然氣水合物飽和度通常較低。
[0004]現(xiàn)有含天然氣水合物沉積物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研宄通常根據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后天然氣水合物分解產(chǎn)氣量反演計(jì)算獲得天然氣水合物飽和度，但是樣品進(jìn)出口管道與透水材料中天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣以及樣品孔隙內(nèi)的自由態(tài)甲烷氣均會(huì)對反演計(jì)算結(jié)果精度造成影響，無法實(shí)現(xiàn)天然氣水合物飽和度的精細(xì)控制。
[0005]傳統(tǒng)的三軸壓縮儀具有原理簡單和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)土體力學(xué)特性研宄較為常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。體積變形(體變)是含天然氣水合物沉積物力學(xué)特性定量研宄的重要參數(shù)。在傳統(tǒng)的三軸壓縮儀中，先用水將土樣飽和，然后通過壓縮過程中的排水量確定土樣的體變。由于天然氣水合物穩(wěn)定存在于較高壓力和較低溫度條件下，不能通過水將含天然氣水合物沉積物樣品飽和，需要對傳統(tǒng)的三軸壓縮儀進(jìn)行必要改造以確保排水和不排水實(shí)驗(yàn)過程中天然氣水合物保持穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)含天然氣水合物沉積物體變的測量，為含天然氣水合物沉積物的本構(gòu)模型提出提供重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。申請?zhí)枮?01110183207.3，名稱為“含天然氣水合物沉積物三軸試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法”的專利對三軸壓縮機(jī)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，但仍存在某些問題；申請?zhí)枮?01010222083.0的專利也僅僅給出了將時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用于含天然氣水合物沉積物力學(xué)測試的方法，但仍存在一些問題。上述兩個(gè)專利存在的問題包括:
[0006]1.在含天然氣水合物沉積物樣品制備過程中，水合物容易在樣品進(jìn)出口管道和透水材料孔隙中生成，導(dǎo)致液體循環(huán)管道堵塞，直接影響了含天然氣水合物沉積物樣品制備的效果；
[0007]2.含天然氣水合物沉積物中水合物飽和度的原位實(shí)時(shí)精確控制存在缺陷；
[0008]3.不能夠?qū)崿F(xiàn)含天然氣水合物沉積物樣品的體變測量。
[0009]因此急需一種技術(shù)方案來解決困擾含天然氣水合物沉積物三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中存在的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以解決含天然氣水合物沉積物樣品制備過程中管道堵塞問題的，能夠原位實(shí)時(shí)精確控制樣品中水合物飽和度并可實(shí)現(xiàn)樣品體變測量的含天然氣水合物沉積物多功能三軸壓縮實(shí)驗(yàn)裝置。
[0011]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型包括壓力室、三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)、恒溫氣浴箱、循環(huán)注液系統(tǒng)、液體循環(huán)控溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)置在恒溫氣浴箱的內(nèi)部，壓力室設(shè)置在三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)的內(nèi)部，循環(huán)注液系統(tǒng)與壓力室連通，液體循環(huán)控溫系統(tǒng)設(shè)置在導(dǎo)力桿和壓力室底座的內(nèi)部，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與壓力室、恒溫氣浴箱、循環(huán)注液系統(tǒng)和液體循環(huán)控溫系統(tǒng)連接。
[0012]具體的說，本實(shí)用新型的循環(huán)注液系統(tǒng)與壓力室內(nèi)的樣品孔隙連通。
[0013]本實(shí)用新型的核心實(shí)用新型點(diǎn)在于在原有三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上添加了循環(huán)注液系統(tǒng)和液體循環(huán)控溫系統(tǒng)，保證了在樣品制備過程中天然氣水合物生成不會(huì)堵塞液體循環(huán)管道，有力的保障了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
[0014]壓力室包括壓力室上蓋、壓力室下蓋、壓力室側(cè)筒、成型模盒、螺旋支撐架，壓力室側(cè)筒的上下兩端分別與壓力室上蓋和壓力室下蓋連接，成型模盒設(shè)置在壓力室側(cè)筒的中心軸線上，螺旋支撐架穿過壓力室側(cè)筒的兩側(cè)中間位置與成型模盒連接，控制成型模盒的開閉。
[0015]壓力室上蓋中心位置設(shè)有導(dǎo)力桿通孔，導(dǎo)力桿穿過導(dǎo)力桿通孔伸出壓力室上蓋。導(dǎo)力桿為空心結(jié)構(gòu)，其上端連接有導(dǎo)力帽。導(dǎo)力帽的側(cè)周設(shè)有通孔，導(dǎo)力帽通孔包括氧化鋁密封端口、樣品上端循環(huán)控溫腔入口、樣品上端循環(huán)控溫腔出口。導(dǎo)力桿下端通過螺栓與樣品端蓋連接，樣品端蓋、導(dǎo)力桿和導(dǎo)力帽密封連接構(gòu)成樣品上端循環(huán)控溫腔，樣品端蓋內(nèi)設(shè)有兩個(gè)絕緣環(huán)，絕緣環(huán)中心設(shè)有時(shí)域反射探針。上法蘭夾持橡膠筒密封圈通過螺栓與樣品端蓋下端連接。
[0016]壓力室下蓋底端中心位置設(shè)有空腔，與樣品底座連接。壓力室下蓋側(cè)周設(shè)有通孔，包括圍壓液入口、樣品下端循環(huán)控溫腔入口、樣品下端循環(huán)控溫腔出口、樣品進(jìn)口、樣品排空口。樣品底座內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)空腔，一個(gè)連通樣品進(jìn)口、樣品排空口和樣品孔隙，另一個(gè)連通樣品下端循環(huán)控溫腔入口，兩者通過密封圈隔離。下法蘭夾持橡膠筒密封圈通過螺栓與壓力室下蓋上端連接。橡膠筒被上、下法蘭夾持與樣品端蓋和壓力室下蓋連接并形成樣品空腔，空腔內(nèi)為含天然氣水合物沉積物樣品，樣品上下兩端通過透水石與樣品端蓋和壓力室下蓋連接，橡膠筒外設(shè)有鏤空半開式成型模盒。
[0017]壓力室的成型模盒的內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器，樣品的上下兩端均特殊設(shè)計(jì)有液體循環(huán)控溫空腔，在控溫空腔中設(shè)有溫度傳感器，在樣品制備過程中使控溫空腔中液體的溫度略高于樣品溫度，即可解決樣品進(jìn)出口管道和透水石因水合物生成而堵塞的問題。
[0018]所述的三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)包括受力框架和實(shí)驗(yàn)機(jī)底座，受力框架的下側(cè)中心位置設(shè)有壓力傳感器，在壓力傳感器的一側(cè)設(shè)有位移傳感器，壓力室設(shè)置在受力框架與實(shí)驗(yàn)機(jī)底座之間。
[0019]所述的循環(huán)注液系統(tǒng)包括氣液混合容器、高壓氣瓶、孔隙液體容器，氣液混合容器下設(shè)有磁力攪拌器，氣液混合容器輸入端分別與高壓氣瓶、孔隙液體容器管道連接，輸出端的上端通過高壓管道與樣品頂端連接，輸出端的下端通過柱塞注液泵組和高壓管道與樣品底端連接。所述的液體循環(huán)溫控系統(tǒng)設(shè)置在循環(huán)注液系統(tǒng)中，其包括樣品上端循環(huán)控溫腔和樣品下端循環(huán)控溫腔。柱塞注液泵組的作用就是將飽和甲烷氣體的水注入樣品中，并不斷循環(huán)。
[0020]所述的圍壓系統(tǒng)包括圍壓液體容器、水泵、圍壓泵、圍壓液體排出體積測量泵，圍壓液體容器首先與水泵連接，再與圍壓泵和圍壓液體排出體積測量泵連接，最后與壓力室內(nèi)部空腔連接。
[0021]所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號采集器、工控機(jī)，工控機(jī)與采集器連接，所述的信號采集器與壓力傳感器、位移傳感器、溫度探頭、時(shí)域反射探針和圍壓液體排出體積測量泵連接。
[0022]所述的氣體測量回收系統(tǒng)，包括背壓閥、減壓閥、安全閥B、氣液分離器、干燥器，氣體測量回收系統(tǒng)在氣液輸出端上端管道上，背壓閥與減壓閥連接，減壓閥與安全閥B連接，安全閥B與氣液分離器連接，氣液分離器的下端設(shè)有電子天平，氣液分離器與干燥器連接。
[0023]所述的螺旋支撐架包括螺旋桿、螺旋轉(zhuǎn)珠和推進(jìn)桿，螺旋桿和推進(jìn)桿之間設(shè)有螺旋轉(zhuǎn)珠。
[0024]一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的含天然氣水合物沉積物多功能三軸壓縮實(shí)驗(yàn)方法，其包括以下步驟:
[0025]①試樣的制備
[0026]試樣的直徑為39.1臟，高度為120臟；
[0027]焊接時(shí)域反射探針，安裝橡膠筒，旋轉(zhuǎn)閉合開式成型模盒，均分體積含水率8 %的實(shí)驗(yàn)用土為四份，分層裝入橡膠筒并依次砸實(shí)至3cm、6cm、9cm和12cm ；
[0028]②壓力室的安裝
[0029]將安裝好的壓力室安裝于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)底座上，調(diào)整受力框架位置并安裝好應(yīng)力傳感器和位移傳感器，連接壓力室的高壓管線，向氣液混合容器中加入1/2容積的去離子水，連接氣液混合容器的高壓管線；
[0030]③施加圍壓固結(jié)
[0031]向壓力室內(nèi)注入圍壓液，設(shè)置圍壓為0.5?6MPa，對試樣進(jìn)行固結(jié)，靜置12?24h ；
[0032]④排空