深水天然氣水合物沉積物動(dòng)力特性分析用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種天然氣水合物沉積物機(jī)械特性測(cè)量領(lǐng)域中的試驗(yàn)儀，特別是關(guān)于一種深水天然氣水合物沉積物動(dòng)力特性分析用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物資源量豐富、能量密度高，是一種極具開(kāi)發(fā)前景的新型潔凈能源，其安全開(kāi)采已成為21世紀(jì)石油天然氣工業(yè)新的研宄熱點(diǎn)。然而，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儲(chǔ)層中。同時(shí)它也是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，溫度升高或者壓力降低都有可能造成水合物分解。水合物沉積物在分解后，固態(tài)水合物轉(zhuǎn)變成液態(tài)水和甲烷氣，土顆粒之間膠結(jié)作用消失，孔隙壓力增大，導(dǎo)致有效應(yīng)力降低，當(dāng)受到地震、波浪等動(dòng)荷載的影響時(shí)，可能產(chǎn)生軟化、氣化甚至振動(dòng)液化現(xiàn)象，導(dǎo)致水合物沉積層的失穩(wěn)，引起海底生產(chǎn)設(shè)施及結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的破壞。因此，研宄天然氣水合物沉積物在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性對(duì)天然氣水合物的安全開(kāi)采具有重要意義。
[0003]近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研宄機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列天然氣水合物沉積物的力學(xué)特性研宄工作，并設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了多套水合物沉積物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)裝置。然而，當(dāng)前使用的實(shí)驗(yàn)裝置都只能用于靜荷載作用下水合物沉積物的力學(xué)特性分析，不能獲得水合物沉積物在波浪、地震等動(dòng)荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)特性。常規(guī)的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)裝置不能提供天然氣水合物賦存穩(wěn)定存在的溫度和壓力條件，經(jīng)改造后能初步滿足天然氣水合物動(dòng)力特性分析要求，但仍不能實(shí)現(xiàn)深水天然氣水合物沉積物的動(dòng)力特性分析，且因操作不方便(試樣安裝、壓力室安裝、水合物生成等)未能得到廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種深水天然氣水合物沉積物動(dòng)力特性分析用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，該動(dòng)三軸試驗(yàn)儀操作簡(jiǎn)捷，能有效模擬水合物沉積物的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)我國(guó)海域天然氣水合物礦藏的勘探與開(kāi)采起重要的指導(dǎo)作用。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案:一種深水天然氣水合物沉積物動(dòng)力特性分析用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，其特征在于:它包括加載框架、提升油缸、負(fù)荷傳感器、加載油缸、伺服閥、動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)、底座、壓力室進(jìn)出油孔、冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔、密封環(huán)、卡環(huán)、卡環(huán)固定套、壓力室筒罩、壓力室、下壓墊、下滲流墊、試樣、上滲流墊、上壓墊、活塞和換熱器；所述加載框架采用門(mén)式結(jié)構(gòu)，所述加載框架上端外側(cè)設(shè)置有用于提升所述壓力室筒罩的所述提升油缸，內(nèi)側(cè)設(shè)置有所述負(fù)荷傳感器；所述加載框架下端設(shè)置有所述加載油缸，所述加載油缸通過(guò)所述伺服閥連接所述動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)；位于所述加載油缸上部設(shè)置有所述底座，所述底座內(nèi)一側(cè)設(shè)置有所述壓力室進(jìn)出油孔、另一側(cè)設(shè)置有所述冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔；所述底座上通過(guò)所述密封環(huán)、卡環(huán)和卡環(huán)固定套密封連接所述壓力室筒罩，所述壓力室筒罩內(nèi)形成所述壓力室；位于所述壓力室內(nèi)，在所述底座中間位置處設(shè)置有所述下壓墊，所述下壓墊頂部通過(guò)所述下滲流墊與所述試樣一端連接；所述試樣另一端通過(guò)所述上滲流墊與所述上壓墊一端連接，所述上壓墊另一端與所述活塞端面連接，所述活塞頂部與所述負(fù)荷傳感器對(duì)應(yīng)設(shè)置；所述試樣中部設(shè)置有所述換熱器，所述換熱器通過(guò)所述底座內(nèi)的所述冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔與設(shè)置在動(dòng)三軸試驗(yàn)儀外部的恒溫槽連接。
[0006]上述技術(shù)方案中，所述動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)包括所述加載油缸、所述伺服閥、油箱、冷卻器、過(guò)濾器、溢流閥、液壓泵、壓力表、電機(jī)、A/D模塊和上位機(jī)；所述油箱一側(cè)設(shè)置有所述冷卻器，另一側(cè)依次通過(guò)所述過(guò)濾器、溢流閥連接所述液壓泵入口，所述液壓泵出口連接所述伺服閥；位于所述液壓泵出口處還設(shè)置有所述壓力表，且所述液壓泵由所述電機(jī)帶動(dòng)工作，所述電機(jī)和伺服閥經(jīng)所述A/D模塊連接所述上位機(jī)。
[0007]所述下壓墊和上壓墊上還分別設(shè)置有下氣水通孔和上氣水通孔；所述活塞上設(shè)置活塞排氣孔。
[0008]所述底座下部設(shè)置有小車，并在所述加載框架下端上部設(shè)置有與所述小車配合的導(dǎo)軌。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述加載油缸的活塞端面安裝有測(cè)試精度為10_6應(yīng)變的軸向位移傳感器。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述壓力室進(jìn)出油孔、下氣水通孔和上氣水通孔的進(jìn)口處都設(shè)置有壓力傳感器；所述壓力室內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器。
[0011]本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本實(shí)用新型采用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀能夠模擬自然條件下天然氣水合物儲(chǔ)層的溫度、壓力和應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)，分析圍壓、固結(jié)比、溫度、飽和度、排水條件、水合物膠結(jié)形態(tài)等對(duì)水合物沉積物動(dòng)力特性的影響，進(jìn)而提出水合物沉積物動(dòng)力破壞標(biāo)準(zhǔn)、孔壓發(fā)展模式，并建立水合物沉積物的動(dòng)模量和動(dòng)阻尼比隨動(dòng)剪應(yīng)變幅值與平均有效固結(jié)壓力的變化關(guān)系。對(duì)我國(guó)海域天然氣水合物礦藏的勘探與開(kāi)采起重要的指導(dǎo)作用。2、本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物沉積物的原位生成與分解，可直接在壓力室內(nèi)生成天然氣水合物并進(jìn)行動(dòng)力特性分析，極大地方便和簡(jiǎn)化試樣安裝、壓力室安裝、以及天然氣水合物沉積物的生成等過(guò)程，操作簡(jiǎn)潔便利。3、本實(shí)用新型能提供水合物沉積物試樣的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和阻尼比以及動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)孔隙水壓力等參數(shù)；通過(guò)天然氣水合物沉積物的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，對(duì)水合物沉積物的動(dòng)力學(xué)特性及其安全開(kāi)采、災(zāi)害防御等具有指導(dǎo)意義。本實(shí)用新型可以廣泛在天然氣水合物沉積物機(jī)械特性測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是將圖1中的壓力室筒罩移開(kāi)時(shí)的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0016]如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型提供一種深水天然氣水合物沉積物動(dòng)力特性分析用的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，其包括加載框架1、提升油缸2、負(fù)荷傳感器3、加載油缸4、伺服閥5、動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)、底座6、壓力室進(jìn)出油孔7、冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔8、密封環(huán)9、卡環(huán)10、卡環(huán)固定套11、壓力室筒罩12、壓力室13、下壓墊14、下滲流墊15、試樣16、上滲流墊17、上壓墊18、活塞19和換熱器20。
[0017]加載框架I采用門(mén)式結(jié)構(gòu)，加載框架I上端外側(cè)設(shè)置有提升油缸2，內(nèi)側(cè)設(shè)置有負(fù)荷傳感器3 ;加載框架I下端設(shè)置有用于提供動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中需要試驗(yàn)荷載的加載油缸4，加載油缸4通過(guò)伺服閥5連接動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)，通過(guò)伺服閥5控制加載油缸4內(nèi)活塞的速度和穩(wěn)定性；位于加載油缸4上部設(shè)置有底座6，通過(guò)動(dòng)態(tài)伺服油源系統(tǒng)和加載油缸4對(duì)底座6實(shí)施軸向加載。底座6內(nèi)一側(cè)設(shè)置有壓力室進(jìn)出油孔7、另一側(cè)設(shè)置有冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔8。底座6上通過(guò)密封環(huán)9、卡環(huán)10和卡環(huán)固定套11密封連接壓力室筒罩12，壓力室筒罩12內(nèi)形成壓力室13，通過(guò)壓力室進(jìn)出油孔7往壓力室13中充液壓油以控制壓力室13中的圍壓；壓力室筒罩12連接提升油缸2，通過(guò)提升油缸2實(shí)現(xiàn)壓力室筒罩12的安裝與拆卸。位于壓力室13內(nèi)，在底座6中間位置處設(shè)置有下壓墊14，下壓墊14頂部通過(guò)下滲流墊I5與試樣I6 —端連接；試樣16另一端通過(guò)上滲流墊17與上壓墊18 —端連接，上壓墊18另一端與活塞19端面連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣16施加軸向壓力；活塞19頂部與負(fù)荷傳感器3對(duì)應(yīng)設(shè)置，用于實(shí)驗(yàn)時(shí)采集試樣16所受到的載荷。試樣16中部設(shè)置有換熱器20，換熱器20通過(guò)底座6內(nèi)的冷卻循環(huán)液進(jìn)出孔8與設(shè)置在動(dòng)三軸試驗(yàn)儀外部的恒溫槽連接，通過(guò)換熱器20對(duì)壓力室13內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。
[0018]上述實(shí)施例中，下壓墊14和上壓墊18上還分別設(shè)置有下氣水通孔21和上氣水通孔22，通過(guò)下氣水通孔21和上氣水通孔22往試樣16中通入氣體和水，控制孔隙壓力，以原位生成天然氣水合物。
[0019]上述各實(shí)施例中，活塞19上設(shè)置活塞排氣孔23，用于排出壓力室13內(nèi)殘余的空氣。
[0020]上述各實(shí)施例中，底座6下部設(shè)置有小車24，并在加載框架I下端上部設(shè)置有導(dǎo)軌25，小車24通過(guò)導(dǎo)軌25進(jìn)行移動(dòng)，方便試樣16的安裝。
[0021]上述各實(shí)施例中，加載油缸4的活塞