CN101846605A - 含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法，涉及一种天然气水合物土的测试技术。本装置包括压缩固结仪(10)、气水混合容器(20)、磁力搅拌装置(30)、恒流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供气装置(70)、恒温装置(80)、数据采集器(90)、管线(100)、加载装置(110)、气体压力传感器(P)、第一、二温度传感器(T1、T2)和第1～7阀门(V1～V7)。本发明能真实模拟海底含天然气水合物土的形成并制样；能简便准确地测得不同条件下含天然气水合物土的压缩系数；适用于模拟不同工况与条件下含天然气水合物土压缩性状变化规律。

Description

含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物土的测试技术，尤其涉及一种含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法。

具体地说，涉及含天然气水合物土中不同水合物含量条件下的压缩系数的测试，根据在不同温度与压力下溶气水在试样中循环饱和降温后形成孔隙中均匀分布水合物的不同含量的含天然气水合物土试样后，模拟环境变化与不同开采条件，变化试样温度与压力，测试不同条件下含天然气水合物土的压缩系数，研究含天然气水合物土变形特性变化规律。

背景技术

天然气水合物是甲烷(CH₄)等天然气体分子在一定压力和温度条件下，被吸入到笼形水分子团结构的空隙中，从而形成一种固体状物质。作为一种战略性替代能源，天然气水合物具有巨大的商业开发价值，预计在本世纪的能源消费结构中将占据主要地位。随着石油和天然气资源的日益短缺，开发天然气水合物这一新型替代能源就显得尤为迫切。

天然气水合物在开采过程中由于孔隙中水合物分解将释放大量游离气体和液态水，导致孔隙压力增加和土颗粒之间胶结丧失等一系列的物理力学性状改变，并有可能诱发大规模的地面沉陷、滑坡等地质灾害。土的压缩固结系数是评价地层在荷载等外加作用下沉降变形的一个重要的力学参数指标。

目前，经检索，研究与测试含天然气水合物压缩系数的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是通过将溶有气体的水在低温及施加一定垂直压力的土样中进行循环，使得在一定的气体压力与温度条件下溶于水中的气体与水结合形成天然气水合物填充于土样孔隙中，使得生成的含天然气水合物土样孔隙中只有液态水与固态的水合物存在，而没有游离气存在，实现了在实验室中快速准确地模拟海洋环境中原位含天然气水合物土的制样；然后根据不同开采条件的升温、降压或改变垂直压力，从而实现含天然气水合物试样压缩系数和孔隙水合物不同有效应力的相平衡条件的测试，其原理符合现场原位水合物形成模式和开采工况条件，结构相对简单，造价低廉，可以为大多数科研与勘察设计单位装备。

本发明提供试验的装置与方法，在实验室内对海底天然气水合物形成过程进行准确的模拟测试，为深入研究海底含天然气水合物土物理力学性质提供了技术保证与支持，将有力地推动该项研究的深入发展。

本装置利用含气饱和水在试样中循环饱和后降温快速制得不同水合物含量且分布均匀的试样；采用双压力室平衡试样内的孔隙压力后采用杠杆加压，结构简单造价低廉且压力恒定；制样形成含天然气水合物土试样后，可得出在不同有效应力条件下的含天然气水合物土的压缩系数。

本方法可利用含气饱和水在试样中循环饱和后降温制得试样，制样方法快速简单且孔隙中水合物分布均匀；对试样施加恒定载荷，模拟开采条件改变温度与压力，得出在不同有效应力条件下的含天然气水合物土的压缩系数。

具体地说，

一、含天然气水合物土压缩系数测试测试装置(简称装置)

本装置包括压缩固结仪、气水混合容器、磁力搅拌装置、恒流泵、真空泵、百分表、供气装置、恒温装置、数据采集器、管线、加载装置、气体压力传感器、第一、二温度传感器和第1～7阀门；

所述的压缩固结仪包括由不锈钢材料制成的上盖、底座、T形活塞、水浴夹套和螺栓，其内自下而上形成有土样室、下平衡压力室和上平衡压力室；

其位置和连接关系是：

土样室的下部和气水混合容器下部分别通过第6、7阀门和恒流泵相连，固结压缩仪上部和气水混合容器上部通过T形活塞管道、第4、5阀门相连，上平衡压力室通过管线与气水混合容器相连；

加载装置的荷载施加于T形活塞上，百分表置于T形活塞和上盖之上测量土样的位移；磁力搅拌装置置于气水混合容器下面，通过动力传动机构带动叶轮搅拌使气水充分混合；

气源依次通过高压调节阀、第4阀门和高压气体压力表后与气水混合容器相连，安全阀与气水混合容器相连，保持供气系统的安全性；

真空泵依次通过第3、4阀门与气水混合容器相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；整个装置通过第2阀门与大气相通；

恒温装置通过软管与压缩固结仪的水浴夹套相连，控制土样室的土样温度；

第1温度传感器与气水混合容器相连，测量气水混合容器中的温度，第2温度传感器与压缩固结仪的水浴夹套相连，测量控制土样室中的试样温度；气体压力传感器P与汽水混合容器相连，测量整个装置的压力；数据采集器通过数据线分别与百分表、各个温度和压力传感器相连，实时监测系统的位移、温度和压力动态等。

工作原理：

本装置利用气水在气水混合容器混合，经过循环把含气水运移到土样室的土样中，在合适的温度和压力下形成天然气水合物，这样就制成了含天然气水合物土样。上平衡压力室底部面积与T形活塞的底部面积相等，同时，上平衡压力室和土样室压力保持相等，这样就可以消除气体或是水的压力对固结压力造成影响。加载装置通过T形活塞对土样施加压力。百分表通过T形活塞的位移测得土样的变形。这样，就能比较顺利的测量出含天然气水合物土样的压缩系数。

二、含天然气水合物土的压缩系数测试方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①试样的安装；

②检查气密性；

③抽真空；

④注水饱和；

⑤施加气体；

⑥启动恒流泵，降温制样；

⑦判断水合物合成完成；

⑧加载；

⑨数据采集和处理；

⑩数据采集后经过分析可以得到含天然气水合物土样的压缩系数、压缩模量、体积压缩模量、压缩指数、回弹指数、垂直固结系数和水平固结系数。

本发明具有以下优点和积极效果：

①能真实模拟海底含天然气水合物土的形成并制样；

②能简便准确地测得不同条件下含天然气水合物土的压缩系数；

③适用于模拟不同工况与条件下含天然气水合物土压缩性状变化规律。

附图说明

图1为本装置结构示意图；

图2为压缩固结仪结构示意图。

其中：

10-压缩固结仪，

   11-上盖，        12-底座，        13-T形活塞，

   14-水浴夹套，    15-螺栓；

   K1-土样室，      K2-上平衡压力室，K3-下平衡压力室；

20-气水混合容器；

30-磁力搅拌装置，

   31-动力传动机构，32-叶轮；

40-恒流泵；

50-真空泵；

60-百分表；

70-供气装置；

   71-储气瓶，      72-压力调节阀，  73-气体压力显示表，

   74-安全阀；

80-恒温装置；

90-数据采集器；

100-管线；

110-加载装置；

P-气体压力传感器；

T1、T2-第1、2温度传感器；

V1～V7-第1～7阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2，本装置包括压缩固结仪10、气水混合容器20、磁力搅拌装置30、恒流泵40、真空泵50、百分表60、供气装置70、恒温装置80、数据采集器90、管线100、加载装置110、气体压力传感器P、第一、二温度传感器T1、T2和第1～7阀门V1～V7；

所述的压缩固结仪10包括由不锈钢材料制成的上盖11、底座12、T形活塞13、水浴夹套14和螺栓15，其内自下而上形成有土样室K1、下平衡压力室K3和上平衡压力室K2；

其位置和连接关系是：

土样室K1的下部和气水混合容器20下部分别通过第6、7阀门V6、V7和恒流泵40相连，固结压缩仪10上部和气水混合容器20上部通过T形活塞13管道、第4、5阀门V4、V5相连，上平衡压力室K2通过管线100与气水混合容器20相连；

加载装置110的荷载施加于T形活塞13上，百分表60置于T形活塞13和上盖11之上测量土样的位移；磁力搅拌装置30置于气水混合容器20下面，通过动力传动机构31带动叶轮32搅拌使气水充分混合；

气源71依次通过高压调节阀72、第4阀门V4和高压气体压力表73后与气水混合容器20相连，安全阀74与气水混合容器20相连，保持供气系统的安全性；

真空泵50依次通过第3、4阀门V3、V4与气水混合容器20相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；整个装置通过第2阀门V2与大气相通；

恒温装置80通过软管与压缩固结仪10的水浴夹套14相连，控制土样室K1的土样温度；

第1温度传感器T1与气水混合容器20相连，测量气水混合容器20中的温度，第2温度传感器T2与压缩固结仪10的水浴夹套14相连，测量控制土样室K1中的试样温度；气体压力传感器P与汽水混合容器20相连，测量整个装置的压力；

数据采集器90通过数据线分别与百分表60、各个温度和压力传感器相连，实时监测装置的位移、温度和压力动态等。

2、各部件

1)压缩固结仪10

如图2，压缩固结仪(海科仪制作，HBS-A3)10包括不锈钢材料制成的上盖11、底座12、T形活塞13和水浴夹套14；

上盖11和底座12利用螺栓15连接成一个容器，容器内设置有T形活塞13，自下而上形成土样室K1、下平衡压力室K3和上平衡压力室K2；容器外包裹有水浴夹套14；各个部件之间都采用O型密封圈封严并且达到密封的要求。

土样室K1内装试验土样，上平衡压力室K2底部面积与T形活塞13底部面积相同，保证了内部压力不会对固结压力产生影响；

水浴夹套14保证了压缩固结仪10的温度控制；

同时内置的第二温度传感器T2对压缩固结仪10的温度进行监控。

温度传感器T2(选用北京，Pt100/φ3)。

2)气水混合容器20

气水混合容器20选用海科仪HBS-B3，采用不锈钢材料制成。

内部装适量蒸馏水，上部空间为实验气体，上部利用O型密封圈封严和粗牙螺栓紧扣密封，从而达到密封要求和方便安装拆卸的目的。内置第二温度传感器T2(选用北京Pt100/φ3)测量容器内水的温度，还内置第二气体压力传感器P2(选用西安ND-1)测量容器内气体的压力变化。

3)磁力搅拌器30

采用常规的磁力搅拌器，选用郑州CL-4A。

4)恒流泵40

采用普通恒流泵，选用江苏产品，最大恒流速度：40ml/min。

5)真空泵50

采用常规普通单级旋片式真空泵，极限真空度2～6×10^-2Pa。

6)百分表60

选用上海伟特仪器公司产品，型号：161353400，精度：0.01mm。

7)供气装置70

供气装置70包括前后依次连通的储气瓶71、调节阀72、体压力显示表73和安全阀74。

由储气瓶71提供气体，由压力调节阀72调节压力，由气体压力显示表73显示气体压力值(精度0.5％F·S)，由安全阀74超压保护。

8)恒温装置80

恒温装置80为常用设备，选用浙江宁波THX2020。

温度范围-20～20℃，温度控制精度±0.2℃，内置循环泵。

9)数据采集器90

数据采集器90选用Campbell公司的数据采集器，型号：CR1000。

10)高压不锈钢管线100

普通型，管径Φ6mm，耐压50MPa，采用不锈钢制成。

11)压缩固结仪加载装置110

压缩固结仪加载装置110选用海科仪HBS-JZ3。

采用不锈钢制成，利用杠杆原理制成，采用砝码加载，能提供稳定的固结压力。

12)V1～V8一第1～8阀门

第1～8阀门V1～V8是普通高压阀门，两端管径Φ6mm，采用不锈钢制成，耐压50MPa。

二、方法

本方法包括下列步骤：

①试样的安装

将土样按设定密度(模拟海底水合物稳定层土干密度1.5g/cm³～2.5g/cm³)、含水率(2％～40％)均匀装入压缩固结仪土样室中，向气水混合容器中加入适量的蒸馏除离子水(大约为气水混合容器体积的3/4)，连接装置。

②检查气密性

往装置中冲入氮气至6～8Mpa，若装置能维持压力3～4小时不变，则说明

装置气密性完好。

③抽真空

抽真空15min～30min，排出装置中的杂异气。

④注水饱和

抽气完成后，打开阀门使气水混合容器中的水进入到土样室中使土样饱和。

⑤施加气体

打开阀门，调节压力阀将压力调至设定压力值(设定值必须保证试验土样中形成水合物并且维持水合物的稳定压力，如二氧化碳为2～4MPa，甲烷为6～10MPa)后关闭阀门。

⑥启动恒流泵，降温制样

启动恒流泵，启动恒温水浴系统，降低温度值至设定值(温度值设定必须保证在上面压力的条件下，装置温压条件在相平衡边界以内合成气体水合物，一般设定为-2～4℃)，利用低温冷液(利用酒精作为冷冻液，凝固点为-114℃)在水浴夹套中循环降低土样温度至设定值并保持恒定。

⑦判断水合物合成完成

如果气水混合容器的气体压力保持稳定不变时，则可判定在相应的温度压力条件下(温度即天然气水合物的合成温度，压力即最后的稳定压力，一般温度为-2℃～4℃，压力为0.5Mpa～4MPa)，土样室中的水合物合成完成，即样本制备完成。

⑧加载

保持装置中的温度和压力不变，按照实验相应要求对含天然气水合物土样加上相应荷载(根据不同要求，一般范围为12.5～12800kPa)。

⑨数据采集和处理

利用数据采集器对实验过程进行温度、压力和土样竖直变形自动采集、传输和记录。

⑩数据采集后经过分析可以得到含天然气水合物土样的压缩系数、压缩模量、体积压缩模量、压缩指数、回弹指数、垂直固结系数和水平固结系数等。

Claims (2)

1.一种含天然气水合物土压缩系数测试装置，其特征在于：

包括压缩固结仪(10)、气水混合容器(20)、磁力搅拌装置(30)、恒流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供气装置(70)、恒温装置(80)、数据采集器(90)、管线(100)、加载装置(110)、气体压力传感器(P)、第一、二温度传感器(T1、T2)和第1～7阀门(V1～V7)；

所述的压缩固结仪(10)包括由不锈钢材料制成的上盖(11)、底座(12)、T形活塞(13)、水浴夹套(14)和螺栓(15)，其内自下而上形成有土样室(K1)、下平衡压力室(K3)和上平衡压力室(K2)；

其位置和连接关系是：

土样室(K1)的下部和气水混合容器(20)下部分别通过第6、7阀门(V6、V7)和恒流泵(40)相连，固结压缩仪(10)上部和气水混合容器(20)上部通过T形活塞(13)管道、第4、5阀门(V4、V5)相连，上平衡压力室(K2)通过管线(100)与气水混合容器(20)相连；

加载装置(110)的荷载施加于T形活塞(13)上，百分表(60)置于T形活塞(13)和上盖(11)之上测量土样的位移；磁力搅拌装置(30)置于气水混合容器(20)下面，通过动力传动机构(31)带动叶轮(32)搅拌使气水充分混合；

气源(71)依次通过高压调节阀(72)、第4阀门(V4)和高压气体压力表(73)后与气水混合容器(20)相连，安全阀(74)与气水混合容器(20)相连，保持供气系统的安全性；

真空泵(50)依次通过第3、4阀门(V3、V4)与气水混合容器(20)相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；整个装置通过第2阀门(V2)与大气相通；

恒温装置(80)通过软管与压缩固结仪(10)的水浴夹套(14)相连，控制土样室(K1)的土样温度；

第1温度传感器(T1)与气水混合容器(20)相连，测量气水混合容器(20)中的温度，第2温度传感器(T2)与压缩固结仪(10)的水浴夹套(14)相连，测量控制土样室(K1)中的试样温度；气体压力传感器(P)与汽水混合容器(20)相连，测量整个装置的压力；

数据采集器(90)通过数据线分别与百分表(60)、各个温度和压力传感器相连，实时监测系统的位移、温度和压力动态。

2.按权利要求1所述装置的测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①试样的安装；

②检查气密性；

③抽真空；

④注水饱和；

⑤施加气体；

⑥启动恒流泵，降温制样；

⑦判断水合物合成完成；

⑧加载；

⑨数据采集和处理；

⑩数据采集后经过分析可以得到含天然气水合物土样的压缩系数、压缩模量、体积压缩模量、压缩指数、回弹指数、垂直固结系数和水平固结系数。

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