一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，属天然气水合物沉积物力学特性测试领域。该装置包含三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统和计算机数据采集与控制系统。三轴试验装置主机采用双压力室结构，能准确测量天然气水合物分解过程中沉积物体变；负荷传感器安装在压力室内部，提高强度数据的精度；在底座内部设置预冷的空腔，对进入试样的孔隙气和孔隙水进行预降温，减少饱和水过程天然气水合物的分解，也提高了控温的精度；试样安装过程均采用快速接头连接，方便快捷。该装置能模拟开采条件下天然气水合物分解过程，实现高精度控温、强度和体变精确测量，认识天然气水合物沉积物力学特性和评估储层稳定性具有重要意义。
【技术实现步骤摘要】
一种天然气水合物沉积物三轴试验装置
本专利技术涉及一种天然气水合物沉积物测试技术，具体涉及一种能够模拟开采条件下天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及强度和体变精确测量的三轴试验装置。
技术介绍
随着油气资源的巨大消耗，人类在21世纪后期将面临油气资源的枯竭，全球经济发展将面临严峻的挑战。天然气水合物作为一种潜在的清洁能源，因其在世界范围内分布广、储量大，引起世界各国包括我国政府在内的高度关注。天然气水合物不同于常规的石油、天然气等资源，它以胶结或者骨架支撑的形式存在于沉积层中，温度升高或者压力降低都有可能造成水合物分解。现阶段提出的天然气水合物开采方法主要有注热法、降压法等，其基本思路都是通过破坏天然气水合物稳定存在的温度、压力条件，促使其在地层中分解为天然气和水，然后将天然气采集至地面并加以利用。然而，天然气水合物分解会造成沉积层胶结结构的破坏，沉积层会由于承载力下降而发生沉降或变形，并且随着开采过程中水合物分解区域的扩展，可能导致沉积层发生剪切破坏，进而诱发海底滑坡、生产平台下陷倒塌等灾害。因此，在天然气水合物资源商业化开采之前，必须对天然气水合物沉积层的力学特性进行全面的分析研究，充分评估天然气水合物开采过程中沉积层的稳定性，以确保开采过程的安全。目前，国内外先进实验室针对天然气水合物沉积物力学特性的研究已取得一定的进展，如日本产业技术综合研究所的K.Miyazaki等通过天然气水合物三轴仪获得了天然气水合物沉积物的轴向应变和横向应变等参数；大连理工大学的李洋辉等研究了天然气水合物粘土沉积物的强度特性。可以发现，这些研究均未获得天然气水合物沉积物的精确体变数据，尤其是天然气水合物分解过程中沉积物的体变数据。同时，这些研究获得的沉积物强度值包含了活塞与缸体之间的摩擦力，不能准确反映沉积物的力学特性。体变和强度是建立土体本构模型的重要参数，对评估沉积层的沉降和变形具有重要意义，因此有必要对开采过程中天然气水合物沉积物的体变和强度特性进行深入的研究。然而由于天然气水合物受其生成条件(低温、高压)及稳定性的影响，目前尚无一套成熟的能够模拟天然气水合物分解过程，同时实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变的三轴试验装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，其能够模拟天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变等数据。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，它主要包含一个三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统。所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成。所述上梁为长方体结构，中心设有通孔，直径与所述活塞对应；所述立柱分别与所述上梁、所述下梁采用螺栓固定连接；所述下梁的中心设有圆柱形的凸起，与所述底座对应；所述活塞中心设有管道，所述活塞上端与管道接口A对应；所述承压柱通过螺栓固定在所述上梁，所述承压柱中心设有通孔，直径与所述活塞直径、所述上梁通孔直径对应；所述承压柱侧面设有两个管道，分别对应管道接口B和管道接口N；所述管道接口B与管道接口C连通；所述管道接口N与所述密闭压力室连通；所述承压柱通孔下端与所述活塞之间采用密封圈密封；所述压力室筒位置与所述承压柱对应，与所述承压柱之间采用密封圈连接；所述压力室筒外围设有环形的凹槽，与所述保温罩筒形成环腔。所述环腔设有管道接口E和管道接口M；所述压力室筒下端与所述底座采用密封圈密封；所述底座安装在所述下梁，并与所述下梁之间采用密封圈密封连接，位置与所述下梁的圆柱形凸起对应；所述底座设有圆柱形的空腔、管道接口F、管道接口G、管道接口H、管道接口I、管道接口J、以及管道接口K；所述管道接口F与所述密闭压力室连通；所述管道接口G与所述管道接口I对应，分别为冷却液的出口和进口；管道接口H与所述底座中心的管道对应，之间通过螺旋形的管道连接；所述管道接口J与所述管道接口K对应；所述活塞下端安装有负荷传感器；所述负荷传感器中心设有管道，位置与所述活塞的管道对应；所述负荷传感器的管道与所述活塞的管道之间采用密封圈密封连接；所述负荷传感器下端安装有快速接头B；所述快速接头B中心设有管道，与所述负荷传感器的管道之间采用密封圈连接；所述快速接头B、所述负荷传感器与所述活塞之间通过螺栓固定；所述上压块为圆柱体，上部设有环形凹槽，与所述快速接头B对应，安装时可以卡住进行固定连接；所述上压块下部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；所述上压块中心设有管道，与所述快速接头B中心的管道采用密封圈密封连接；所述上压块的侧面与所述内压力室之间设有管道，与管道接口D对应；所述内压力室筒通过螺栓固定在上压块的侧面，同时采用密封圈密封；所述内压力室筒的中部设有管道接口L；所述下压块为圆柱体，上部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；所述下压块与所述内压力室筒之间采用密封圈密封连接，试验过程中所述内压力室筒随着所述上压块一起运动；所述下压块下部设有环形的凹槽，与所述快速接头A对应，安装时可以卡住进行固定连接；所述下压块中心设有管道，与所述快速接头A中心的管道之间采用密封圈密封连接；所述快速接头A通过螺栓固定在所述底座上；所述快速接头A中心的管道与所述底座中心的管道采用密封圈密封连接；所述天然气水合物沉积物试样上下两端分别设有渗流垫B和渗流垫A，表面套上橡皮膜之后放置在所述上压块和所述下压块之间；所述压力室筒上端安装有所述筒盖，二者之间采用螺栓固定连接；所述减速机安装在所述上梁的下表面，并通过所述螺杆与所述筒盖连接，在实验过程中用于提升和下降压力室筒；所述承压柱的下端面安装有热电偶。所述温度控制系统主要包含一个恒温槽、一个循环泵，冷却液经所述循环泵、管道接口I、所述底座的空腔、管道接口F、管道接口E、所述压力室筒的与所述保温罩筒形成的环腔、以及管道接口M返回到恒温槽，实现控制所述密闭压力室和所述试样温度的目的。所述孔隙压力控制系统主要包含一个水槽、一个转子泵、两个柱塞泵、以及一个甲烷气瓶，所述水槽经转子泵、然后分别经针阀B和针阀E与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述甲烷气瓶经针阀C、然后分别经针阀B和针阀E分别与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述柱塞泵A经针阀A与所述管道接口A连接；所述柱塞泵C经针阀H与所述管道接口H连接。所述围压控制系统主要包含一个水槽、一个转子泵、以及两个柱塞泵，所述水槽经转子泵、然后分别经针阀D和针阀F与柱塞泵B和柱塞泵D连接；所述柱塞泵B经针阀G与所述管道接口F连接；所述柱塞泵D经针阀I与所述管道接口J连接。所述计算机数据采集与控制系统主要包含一个工控机，一个温度传感器、一个负荷传感器、以及四个压力传感器，所述工控机分别与温度传感器、负荷传感器、压力传感器A、压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D、恒温槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C、以及柱塞泵D连接，采集到相应的温度、压力数据进行处理和控本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，其特征在于，该天然气水合物沉积物三轴试验装置包含三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统；所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成；上梁为长方体结构，中心设有通孔，通孔的直径与活塞对应；立柱分别与上梁、下梁采用螺栓固定连接；下梁的中心设有圆柱形的凸起，与底座对应；活塞中心设有管道，活塞上端与管道接口A对应；承压柱通过螺栓固定在所述上梁，承压柱中心设有通孔，直径与活塞直径、上梁通孔直径对应；承压柱侧面设有两个管道，分别对应管道接口B和管道接口N；管道接口B与管道接口C连通；管道接口N与密闭压力室连通；承压柱通孔下端与活塞之间采用密封圈密封；压力室筒位置与所述承压柱对应，与承压柱之间采用密封圈连接；压力室筒外围设有环形的凹槽，与保温罩筒形成环腔；环腔设有管道接口E和管道接口M；压力室筒下端与底座采用密封圈密封；底座安装在下梁上，并与下梁之间采用密封圈密封连接，位置与下梁的圆柱形凸起对应；底座设有圆柱形的空腔、管道接口F、管道接口G、管道接口H、管道接口I、管道接口J和管道接口K；管道接口F与密闭压力室连通；管道接口G与管道接口I对应，分别为冷却液的出口和进口；管道接口H与底座中心的管道对应，通过螺旋形的管道连接；管道接口J与管道接口K对应；活塞下端安装有负荷传感器；负荷传感器中心设有管道，位置与活塞的管道对应；负荷传感器的管道与活塞的管道之间采用密封圈密封连接；负荷传感器下端安装有快速接头B；快速接头B中心设有管道，与负荷传感器的管道之间采用密封圈连接；快速接头B、负荷传感器与活塞之间通过螺栓固定；上压块为圆柱体，上部设有环形凹槽，与快速接头B对应，安装时卡住进行固定连接；上压块下部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；上压块中心设有管道，与快速接头B中心的管道采用密封圈密封连接；上压块的侧面与内压力室之间设有管道，与管道接口D对应；内压力室筒通过螺栓固定在上压块的侧面，采用密封圈密封；内压力室筒的中部设有管道接口L；下压块为圆柱体，上部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；下压块与内压力室筒之间采用密封圈密封连接，试验过程中内压力室筒随着上压块一起运动；下压块下部设有环形的凹槽，与快速接头A对应，安装时卡住进行固定连接；下压块中心设有管道，与快速接头A中心的管道之间采用密封圈密封连接；快速接头A通过螺栓固定在底座上；快速接头A中心的管道与底座中心的管道采用密封圈密封连接；天然气水合物沉积物试样上下两端分别设有渗流垫B和渗流垫A，表面套上橡皮膜置于上压块和下压块之间；压力室筒上端安装有筒盖，二者之间采用螺栓固定连接；减速机安装在上梁的下表面，并通过螺杆与筒盖连接，用于提升和下降压力室筒；承压柱的下端面安装有热电偶；所述温度控制系统包含恒温槽和循环泵，冷却液经循环泵、管道接口I、底座的空腔、管道接口F、管道接口E、压力室筒与保温罩筒形成的环腔以及管道接口M返回到恒温槽，实现控制密闭压力室和试样温度；所述孔隙压力控制系统，包含水槽、转子泵、两个柱塞泵以及甲烷气瓶，水槽经转子泵、然后分别经针阀B和针阀E与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述甲烷气瓶经针阀C、然后分别经针阀B和针阀E分别与柱塞泵A和柱塞泵C连接；柱塞泵A经针阀A与管道接口A连接；柱塞泵C经针阀H与所述管道接口H连接；所述围压控制系统，包含水槽、转子泵以及两个柱塞泵，水槽经转子泵、然后分别经针阀D和针阀F与柱塞泵B和柱塞泵D连接；柱塞泵B经针阀G与管道接口F连接；柱塞泵D经针阀I与管道接口J连接；所述计算机数据采集与控制系统，包含工控机、温度传感器、负荷传感器以及四个压力传感器，工控机分别与温度传感器、负荷传感器、压力传感器A、压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D、恒温槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C以及柱塞泵D连接，采集到相应的温度、压力数据进行处理和控制。...
【技术特征摘要】
1.一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，包括三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统，其特征在于：所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成；上梁为长方体结构，中心设有通孔，通孔的直径与活塞对应；立柱分别与上梁、下梁采用螺栓固定连接；下梁的中心设有圆柱形的凸起，与底座对应；活塞中心设有管道，活塞上端与管道接口A对应；承压柱通过螺栓固定在所述上梁，承压柱中心设有通孔，直径与活塞直径、上梁通孔直径对应；承压柱侧面设有两个管道，分别对应管道接口B和管道接口N；管道接口B与管道接口C连通；管道接口N与密闭压力室连通；承压柱通孔下端与活塞之间采用密封圈密封；压力室筒位置与所述承压柱对应，与承压柱之间采用密封圈连接；压力室筒外围设有环形的凹槽，与保温罩筒形成环腔；环腔设有管道接口E和管道接口M；压力室筒下端与底座采用密封圈密封；底座安装在下梁上，并与下梁之间采用密封圈密封连接，位置与下梁的圆柱形凸起对应；底座设有圆柱形的空腔、管道接口F、管道接口G、管道接口H、管道接口I、管道接口J和管道接口K；管道接口F与密闭压力室连通；管道接口G与管道接口I对应，分别为冷却液的出口和进口；管道接口H与底座中心的管道对应，通过螺旋形的管道连接；管道接口J与管道接口K对应；活塞下端安装有负荷传感器；负荷传感器中心设有管道，位置与活塞的管道对应；负荷传感器的管道与活塞的管道之间采用密封圈密封连接；负荷传感器下端安装有快速接头B；快速接头B中心设有管道，与负荷传感器的管道之间采用密封圈连接；快速接头B、负荷传感器与活塞之间通过螺栓固定；上压块为圆柱体，上部设有环形凹槽，与快速接头B对应，安装时卡住进行固定连接；上压块下部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；上压...
【专利技术属性】
技术研发人员：李洋辉，宋永臣，徐晓虎，刘卫国，杨明军，赵佳飞，
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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