模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了模拟天然气水合物分解释放诱发海底边坡失稳的试验装置，涉及一种岩土工程离心模型试验装置。模型箱包括玻璃密封箱、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、拍摄系统和数据采集组件，其中玻璃密封箱有能够开启并且可动的密封上盖，上盖通过液压系统给水加压，用于模拟不同水压，模型箱内填充海底边坡模型；温度控制组件包括加热器、温度计以及温度控制电路；通气系统包括气箱和气导管；数据采集组件包括刻度尺、孔隙水压力计和薄膜压力传感器；体积损失模拟系统包括土坡下的升降台和升降速度控制系统。本发明专利技术能通过控制水压和温度模拟天然气水合物分解释放诱发海底边坡失稳，具有操作方便、构造简单、控制精确等特点。

Experimental device for simulating the instability of submarine slope induced by decomposition of natural gas hydrates

The invention discloses a test device for simulating the instability of seabed slope induced by decomposition and release of natural gas hydrate, and relates to a centrifugal model test device for geotechnical engineering. The model box consists of a glass seal box, a temperature control system, a pressure control system, a volume loss simulation system, a photographic system and a data acquisition module. The glass seal box has an open and movable top cover, which is pressurized by a hydraulic system to simulate different water pressures. The model box is filled with seabed edges. Slope model; Temperature control module includes heater, thermometer and temperature control circuit; Ventilation system includes gas tank and gas conduit; Data acquisition module includes scale, pore water pressure meter and membrane pressure sensor; Volume loss simulation system includes elevating platform under soil slope and elevating speed control system. The invention can simulate the decomposition and release of natural gas hydrate by controlling water pressure and temperature to induce the instability of seabed slope, and has the characteristics of convenient operation, simple structure and accurate control.

【技术实现步骤摘要】
模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置
本专利技术涉及一种岩土工程离心模型试验装置，尤其是涉及天然气水合物分解导致孔压和土压力变化的海底边坡失稳的模型箱。
技术介绍
天然气水合物是天然气在高压低温条件下与水形成的内含笼形孔隙的冰状晶体，是一种亚稳态物质。天然气水合物主要的赋存条件是深水区的海底沉积物和陆地永久冻土地带，近年来在海洋和冻土带发现巨大天然气水合物资源储量。天然气水合物具有洁净、能量密度高、资源量巨大、埋藏浅、分布广泛等特点，是最有希望成为具有商业开发前景的新能源。天然气水合物在给人类带来福利的同时，其开采的高风险性也对人类生存环境提出了严峻挑战。天然气水合物主要赋存于深水区的海底沉积物和陆地永久冻土带中，赋存条件极其脆弱敏感。天然气水合物开采过程中的最大难点是储层稳定性问题。天然气水合物的稳定区域取决于温度和压力条件，受环境变化和人工工程活动引起的温度或压力的轻微变化都有可能使水合物分解，天然气水合物分解会产生大量的水和气体，导致孔隙压力迅速上升，过高的孔隙压力会极大限度地降低沉积物强度和承载能力，使得天然气水合物储层软化甚至液化，从而影响海底沉积物的稳定性。因此，认识天然气水合物分解对海底滑坡的影响，了解天然气水合物的力学特性，对水合物沉积层存在的风险以及对海底结构物的影响进行正确评价以及有效控制，对海底天然气水合物开采以及水合物储层附近石油勘探、开发和运输以及海底工程设施建设都具有重要意义。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中的不足，本专利技术的目的是提供一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的离心模型装置。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，包括模型箱(1)、玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件；所述模型箱(1)前侧为开口玻璃窗，用于观测模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件均设于模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)为顶部开口的桶状，玻璃密封箱(13)内设有可开启的上盖(25)，所述上盖(25)与玻璃密封箱(13)形成密闭腔室用于形成封闭的试验空间；所述密闭腔室内有模拟土坡(16)和水，所述模拟土坡(16)设置在密闭腔室底部用于模拟海底边坡；所述温度控制系统用于控制密闭腔室内的温度，所述液压控制系统用于在密闭腔室内形成的不同压力，所述体积损失模拟系统用于模拟开采中在底层留下的空隙，所述通气系统用于模拟天然气水合物分解产生的气体，所述数据采集系统用于采集试验数据。所述压力控制系统包括压力单元组、上盖(25)、水压计(9)以及压力控制电路；压力单元组与上盖(25)、玻璃密封箱配合形成活塞缸结构，其中，上盖(25)滑动连接在玻璃密封箱(13)内用于调节密闭腔室内的压力大小；压力单元组与上盖(25)固定用于带动上盖(25)上下滑动；所述的压力单元组由多个压力单元(6)组成，所述压力单元(6)均匀布置在上盖(25)上侧用于使上盖(25)受力均匀；所述水压计(9)置于水中用于检测水压，所述压力控制电路与水压计(9)连接用于接收处理水压计(9)的数据，并通过压力单元组的可控开关控制压力单元组的工作状态以改变水压。所述温度控制系统包括加热器(7)、温度计(8)以及温度控制电路(18)；所述加热器(7)设在密封腔室内用于为水和模拟土坡(16)加热，所述温度计(8)设在密封腔室内用于测量水和模拟土坡(16)的温度；所述温度控制电路(18)与温度可控开关连接用于控制加热器(7)的工作和停止以调节水和模拟土坡(16)的温度。所述通气系统包括气箱(4)和气导管(20)，所述气箱(4)置于模型箱(1)内用于提供不同释放量和速度的气体，气导管(20)的输入端与气箱(4)连通，气导管(20)的输出端布置在模拟土坡(16)的底部用于将气箱(4)的气体从模拟土坡(16)底部输出。所述体积损失模拟系统包括支架(21)、支撑板(26)、升降台(22)和升降控制系统；所述的支撑板包括活动板(261)和固定板(262)，均斜设在模拟土坡(16)底部用于支撑模拟土坡(16)；所述支架(21)固定在固定板(262)下方用于支撑固定板(262)；在活动板下方有活动空腔(27)，所述升降台(22)设置在活动板下方的活动空腔(27)，升降台(22)的顶部与活动板(261)固定用于带动活动板(261)在活动空腔(27)内升降，通过升降控制系统控制升降台(22)升降从而模拟出开采后或开采过程中在地层中留下的空隙。所述数据采集组件包括刻度尺(11)、孔隙水压力计(14)和土压力计(12)，刻度尺(11)固定于玻璃窗上用于直接读取刻度尺(11)测量的边坡位移，孔隙水压力计(14)和土压力计(12)置于土坡内部用于量测孔隙水压力和土压力。还包括拍摄组件，包括LED照明灯(23)和摄像机(24)，所述LED照明灯(23)用于照射模拟土坡(16)，所述摄像机(24)用于拍摄模拟土坡(16)的变化情况。本专利技术具有以下优点：1、液压控制系统给密封箱上盖加压来控制水压，密封箱内部的水压计量测水压并及时反馈给控制电路，控制电路再对液压站进行调整，达到量化控制密封舱内水压。这样可根据实际情况选取水压值设置试验方案，以便更好地模拟海底边坡在不同分解进程和不同水压下的失稳状态，使试验环境更贴近真实场景。2、温度控制系统能够精准控制试验时水和边坡土体温度，从而模拟不同温度对于天然气水合物分解进度的影响，进而可在密封箱内模拟天然气水合物分解诱发的海底边坡失稳情况，使试验环境更贴近真实场景。3、气箱和气导管组成的通气系统可以模拟天然气水合物分解时气体的释放量和速度，从而在模型箱里模拟天然气水合物分解所产生气体的释放情况，使试验环境更贴近真实场景。3、刻度尺固定于玻璃窗上供测量边坡位移，孔隙水压力计和薄膜压力传感器置于土坡内部用于孔隙水压力和土压力，从而能够监测试验过程中土体的状态，获取更准确的实验数据。4、该装置各个部分都加以固定从而能够承受高重力场作用，液压站电动机均采用电力驱动，连接离心机电源，使用方便。5、离心机模型箱前侧为有机玻璃，密封舱也采用透明材质，通过监测系统可以很清晰地观察土体的变化，可视化程度高。通过监视系统采集图像信息可以完整地记录实验过程中土体发生的变化。6、模型设置了体积损失模拟系统，用于模拟天然气水合物开采过程及开采之后在地层中留下的空隙，使试验环境更贴近真实场景。附图说明下面结合附图及实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：图1为模型箱的俯向结构示意图；图2为模型箱的剖立面图；图3为模型箱模拟体积损失时模拟土坡的放大图。图中，1模型箱，2液压集成块，3液压站泵装置，4气箱，5液压胶管，6液压缸，7加热器，8温度计，9水压计，11刻度尺，12土压力计，13密封箱，14孔隙水压力计，15隔板，16模拟土坡，18温度控制电路，19盖板，20气导管，21支架，22升降台，23LED照明灯，24摄像机，25上盖，26支撑板，261活动板，262固定板，27滑动腔室。具体实施方式模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，参照图1进行说明，包括模型箱1、密封箱13、温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件；所述模型箱(1)前侧为开口玻璃窗，用于观测模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件均设于模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)为顶部开口的桶状，玻璃密封箱(13)内设有可开启的上盖(25)，所述上盖(25)与玻璃密封箱(13)形成密闭腔室用于形成封闭的试验空间；所述密闭腔室内有模拟土坡(16)和水，所述模拟土坡(16)设置在密闭腔室底部用于模拟海底边坡；所述温度控制系统用于控制密闭腔室内的温度，所述液压控制系统用于在密闭腔室内形成的不同压力，所述体积损失模拟系统用于模拟开采中在底层留下的空隙，所述通气系统用于模拟天然气水合物分解产生的气体，所述数据采集系统用于采集试验数据。

【技术特征摘要】
1.一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件；所述模型箱(1)前侧为开口玻璃窗，用于观测模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件均设于模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)为顶部开口的桶状，玻璃密封箱(13)内设有可开启的上盖(25)，所述上盖(25)与玻璃密封箱(13)形成密闭腔室用于形成封闭的试验空间；所述密闭腔室内有模拟土坡(16)和水，所述模拟土坡(16)设置在密闭腔室底部用于模拟海底边坡；所述温度控制系统用于控制密闭腔室内的温度，所述液压控制系统用于在密闭腔室内形成的不同压力，所述体积损失模拟系统用于模拟开采中在底层留下的空隙，所述通气系统用于模拟天然气水合物分解产生的气体，所述数据采集系统用于采集试验数据。2.根据权利要求1所述的模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，其特征在于：所述压力控制系统包括压力单元组、上盖(25)、水压计(9)以及压力控制电路；压力单元组与上盖(25)、玻璃密封箱配合形成活塞缸结构，其中，上盖(25)滑动连接在玻璃密封箱(13)内用于调节密闭腔室内的压力大小；压力单元组与上盖(25)固定用于带动上盖(25)上下滑动；所述的压力单元组由多个压力单元(6)组成，所述压力单元(6)均匀布置在上盖(25)上侧用于使上盖(25)受力均匀；所述水压计(9)置于水中用于检测水压，所述压力控制电路与水压计(9)连接用于接收处理水压计(9)的数据，并通过压力单元组的可控开关控制压力单元组的工作状态以改变水压。3.按照权利要求1所述模拟天然气水合物分解释放诱发海底边坡失稳离心模型试验装置，其特征在于：所述温度控制系统包括加热器(7)、温度计(8)以及温度控制电路(18)；所述加热器(7)设在密封腔室内用于为水和模拟土坡(16)加热，所述温度计(8)设在密封腔室内用...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕玺琳，张滨，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31