一种天然气水合物沉积物力学特性可视化装置，属于天然气水合物基础物性测量领域。该装置主要包含一个自压式三轴仪主机、轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统、温度控制系统、数据采集系统和X射线CT成像系统。实现了低温高压水合物三轴仪和X射线CT成像系统的有机结合，能够进行天然气水合物沉积物宏观和微观力学特性的同步测试。该装置能够模拟实际储层的应力状态，获取天然气水合物沉积物的宏观、微观力学特性数据，对揭示天然气水合物储层变形机理、以及天然气水合物分解诱因的海底滑坡等地质灾害的触发机制具有重要意义，对天然气水合物的安全、高效开采具有重要的指导作用。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种天然气水合物沉积物力学特性可视化装置，属于天然气水合物基础物性测量领域。该装置主要包含一个自压式三轴仪主机、轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统、温度控制系统、数据采集系统和X射线CT成像系统。实现了低温高压水合物三轴仪和X射线CT成像系统的有机结合，能够进行天然气水合物沉积物宏观和微观力学特性的同步测试。该装置能够模拟实际储层的应力状态，获取天然气水合物沉积物的宏观、微观力学特性数据，对揭示天然气水合物储层变形机理、以及天然气水合物分解诱因的海底滑坡等地质灾害的触发机制具有重要意义，对天然气水合物的安全、高效开采具有重要的指导作用。【专利说明】一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置
本专利技术涉及一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，属天然气水合物 基础物性测量领域。
技术介绍
天然气水合物具有分布广、资源量大、埋藏浅、能量密度高、洁净等特点，是地球上 尚未开发的最大未知能源库，被认为是21世纪最理想、具有商业开发前景的新能源。天然 气水合物的安全开采受到各国科学家和政府的广泛重视，已成为石油天然气工业新的研究 热点，并有可能对环境科学和能源工业的发展产生深远的影响。在天然气水合物勘探与开 采过程中，水合物分解会影响储层的结构稳定性，并且随着开采过程中分解区域的扩展，可 能诱发地层变形、海底滑坡等地质灾害，进而造成钻探设备、海底管道等基础设施的损坏及 生命财产损失。如何以高效、安全的方式从海底天然气水合物沉积层中开采天然气，既符合 环保要求，又不会引起海底滑坡等地质灾害，需要深入研究天然气水合物沉积层的力学特 性，结合宏观和微观试验手段，明确天然气水合物分解诱因的海底滑坡等地质灾害的形成 机理。 三轴试验仪是研究土样力学特性较为理想的设备，且因其试验原理和操作方法相 对简单而得到广泛应用。日本山口大学、大连理工大学等在传统三轴试验仪的基础上，通 过增加低温控制系统和水合物原位生成与分解系统，实现了对天然气水合物沉积物宏观力 学特性的测量。然而，目前国际上尚未有能够进行天然气水合物沉积物微观力学特性研究 的试验装置，无法获得沉积物内部孔隙结构演变、颗粒迁移等微观数据，对天然气水合物分 解过程中沉积层的微观变形机理知之甚少。现有的天然气水合物三轴试验仪由于穿透性能 差、体积大、重量大等问题，不能实现与X射线CT等可视化装置的有机结合（例如inspeXio SMX-255CT载物台承重< 9kg，可容纳样品高度< 30cm，且扫描过程中样品需要旋转），亟需 开发一套天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置。
技术实现思路
为了克服上述现有的天然气水合物三轴试验仪存在的不足，本专利技术基于inspeXio SMX-255CT系统，提供一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置。该装置不仅能满 足天然气水合物沉积物试样的宏观力学特性试验要求，还能实时观测试样内部孔隙结构的 演变和颗粒迁移等情况，获取微观力学特性试验数据，分析沉积层变形机理，对我国海域及 冻土区域天然气水合物的勘探和安全开采有重要的指导作用。 本专利技术解决上述不足所采用的技术方案是： -种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，包含低温高压水合物三轴仪 试验系统、X射线CT成像系统和计算机数据采集系统； 所述的低温高压水合物三轴仪试验系统包含自压式三轴仪主机、轴向加载系统、 围压控制系统、背压控制系统和温度控制系统；所述轴向加载系统、围压控制系统、背压控 制系统均与所述自压式三轴仪主机相连，分别控制试样承受的荷载、围压和孔隙压力；所述 温度控制系统与所述围压控制系统相连，用于控制柱塞泵D内液压油的温度，进而控制试 样的温度。 所述自压式三轴仪主机置于X射线CT成像系统的载物台上，包括顶置一体化轴向 加载装置和高压三轴压力室；所述顶置一体化轴向加载装置采用航空高强度铝合金等密度 较低、强度较大的材料，以保证装置的强度和降低主机的整体重量，包括小型液压油缸和活 塞；通过所述小型液压油缸中的液压油驱动活塞向下运动产生轴向加载力；小型液压油缸 与所述高压三轴压力室之间采用螺丝连接，上方设置有加压口和排气口 A，方便加载过程中 油缸进行排气；所述小型液压油缸下方设置两个排气口 B，用于将加载过程中所述活塞下 方的气体排出；所述高压三轴压力室采用高纯铝等低密度、高X射线穿透性能的材料，以降 低主机整体重量和保证主机的X射线穿透性能，包括压力室腔体和底盘，活塞与压力室腔 体之间通过密封圈密封，并与试样端盖相对应，用于传递轴向加载力；所述压力室腔体的壁 厚根据实验对压力和成像分辨率的要求，通过计算并经实验测试确定，外壁通过玻璃纤维 等抗拉强度大的材料加固；压力室腔体的上方设置有排气口 C，用于加载围压时排出压力 室腔体内的残余空气；压力室腔体与底盘之间采用螺丝连接，并使用密封圈进行密封；所 述底盘的中心设置凸起圆柱，用作放置试样的底座；底盘的四周对称分布有四个通道：通 道A、通道B、通道C和通道D，其中通道A、通道B和通道C与所述高压三轴压力室连通，通 道D通过所述底盘中心，并经由所述试样底座、渗流垫与所述试样的下端连通；所述试样端 盖中心设置有通道，通道的一端通过柔性管道与所述底盘的通道A相连，另一端与所述渗 流垫和试样的上端连通；所述试样采用橡皮膜密封包裹； 所述轴向加载系统包含油槽、循环泵A和柱塞泵A ;所述油槽经循环泵A提供柱塞 泵A所需的液压油；柱塞泵A通过柔性管道与小型液压油缸的加压口相连，提供轴向加载所 需要的液压；试样承受的轴向荷载通过液压油压力和活塞的横截面积相乘获得，轴向位移 通过所述活塞的位移获得； 所述围压控制系统包含柱塞泵D，通过柔性管道与底盘的通道C相连，提供试验过 程中所需的液压油，并维持压力； 所述背压控制系统包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷气瓶、水槽和循环泵B ;所述甲烷 气瓶经减压阀与所述柱塞泵B和柱塞泵C相连；所述水槽经循环泵B与所述柱塞泵B和柱 塞泵C相连；所述柱塞泵B经针阀C与所述底盘的通道A通过柔性管道连接，所述柱塞泵C 经针阀Η与所述底盘的通道D通过柔性管道连接； 所述背压控制系统主要用于控制试验过程中试样的孔隙压力，并提供天然气水合 物沉积物反应所需要的天然气和水； 所述温度控制系统包含恒温槽和循环泵C，循环泵C通过针阀J与所述围压控制系 统相连，将事先冷却至试验温度的液压油经由所述柱塞泵D注入至所述压力室腔体，并维 持试验所需压力； 所述X射线CT成像系统用于试验过程中试样的在线CT成像扫描，获取天然气水 合物沉积物试样内部结构图像，分析其演变规律。 所述计算机数据采集系统包含温度传感器、四个压力变送器、与CT扫描系统和水 合物三轴仪系统采用电气连接的数据采集模块，并把采集的温度、压力、轴向应力、轴向应 变以及试样扫描图像等数据传给工控机处理，进而分析天然气水合物沉积物的宏观和微观 力学特性。 所述的自压式三轴仪主机与所述轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统之 间采用柔性管道相连。 所述的自压式三轴仪主机采用自压式结构，将试样承受的荷载转换成主机的内部 荷载。 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，其特征在于，包含低温高压水合物三轴仪试验系统、X射线CT成像系统和计算机数据采集系统；所述的低温高压水合物三轴仪试验系统包含自压式三轴仪主机、轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统和温度控制系统；所述轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统均与所述自压式三轴仪主机相连，分别控制试样承受的荷载、围压和孔隙压力；所述温度控制系统与所述围压控制系统相连，用于控制柱塞泵D内液压油的温度，进而控制试样的温度；所述自压式三轴仪主机置于X射线CT成像系统的载物台上，包括顶置一体化轴向加载装置和高压三轴压力室；所述顶置一体化轴向加载装置包括小型液压油缸和活塞；通过小型液压油缸中的液压油驱动活塞向下运动产生轴向加载力；小型液压油缸与所述高压三轴压力室之间采用螺丝连接，上方设置有加压口和排气口A，方便加载过程中油缸进行排气；所述小型液压油缸下方设置两个排气口B，用于将加载过程中活塞下方的气体排出；所述高压三轴压力室包括压力室腔体和底盘，活塞与压力室腔体之间通过密封圈密封，并与试样端盖相对应，用于传递轴向加载力；所述压力室腔体的壁厚根据实验对压力和成像分辨率的要求，通过计算并经实验测试确定，压力室腔体的外壁通过抗拉强度大的材料加固；压力室腔体的上方设置有排气口C，用于加载围压时排出压力室腔体内的残余空气；压力室腔体与底盘之间采用螺丝连接，并使用密封圈进行密封；所述底盘的中心设置凸起圆柱，用作放置试样的底座；底盘的四周对称分布有四个通道：通道A、通道B、通道C和通道D，其中通道A、通道B和通道C与高压三轴压力室连通，通道D通过底盘的中心，并经由所述试样的底座、渗流垫与试样的下端连通；所述试样的端盖中心设置有通道，通道的一端通过柔性管道与所述底盘的通道A相连，另一端与所述渗流垫和试样的上端连通；所述试样采用橡皮膜密封包裹；所述轴向加载系统包含油槽、循环泵A和柱塞泵A；所述油槽经循环泵A提供柱塞泵A所需的液压油；柱塞泵A通过柔性管道与小型液压油缸的加压口相连，提供轴向加载所需要的液压；试样承受的轴向荷载通过液压油压力和活塞的横截面积相乘获得，轴向位移通过所述活塞的位移获得；所述围压控制系统包含柱塞泵D，通过柔性管道与底盘的通道C相连，提供试验过程中所需的液压油，并维持压力；所述背压控制系统包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷气瓶、水槽和循环泵B；所述甲烷气瓶经减压阀与所述柱塞泵B和柱塞泵C相连；所述水槽经循环泵B与所述柱塞泵B和柱塞泵C相连；所述柱塞泵B经针阀C与所述底盘的通道A通过柔性管道连接，所述柱塞泵C经针阀H与所述底盘的通道D通过柔性管道连接；所述背压控制系统用于控制试验过程中试样的孔隙压力，并提供天然气水合物沉积物反应所需要的天然气和水；所述温度控制系统包含恒温槽和循环泵C，循环泵C通过针阀J与所述围压控制系统相连，将冷却至试验温度的液压油经由柱塞泵D注入至压力室腔体，并维持试验所需压力；所述X射线CT成像系统用于试验过程中试样的在线CT成像扫描，获取天然气水合物沉积物试样内部结构图像，分析其演变规律；所述计算机数据采集系统包含温度传感器、四个压力变送器、与CT扫描系统和水合物三轴仪系统采用电气连接的数据采集模块，并把采集的温度、压力、轴向应力、轴向应变以及试样扫描图像数据传给工控机处理，进而分析天然气水合物沉积物的宏观和微观力学特性。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋永臣，李洋辉，刘卫国，徐晓虎，赵佳飞，杨明军，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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