CN102135478A

CN102135478A - 一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置

Info

Publication number: CN102135478A
Application number: CN 201110002805
Authority: CN
Inventors: 宋永臣; 刘卫国; 李洋辉; 于锋; 李清平; 姚海元; 王世圣
Original assignee: Dalian University of Technology; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Current assignee: Dalian University of Technology; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2011-07-27

Abstract

本发明提供了一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置。该装置包括由外罩筒和底座组成的密闭压力室；所述密闭压力室内设有内罩筒，所述内罩筒固定在所述底座上；所述底座上设有至少两个进出油孔，一个所述进出油孔开口于所述外罩筒与内罩筒之间的环腔，另一个所述进出油孔开口于所述内罩筒的内腔；所述外罩筒与内罩筒的顶部设有活塞；所述活塞上设有排气孔；所述内罩筒的内腔中设有相对应的下压垫和上压垫；所述上压垫与所述活塞的位置相应，所述下压垫固定在所述底座上。

Description

一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置

技术领域

本发明涉及一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置，属天然气水合物机械特性及基础物性测量领域。

背景技术

天然气水合物作为一种极具潜质的清洁能源，具有储量大、能量密度高、分布广、埋藏浅等特点，其安全开采已成为石油天然气工业新的研究热点。从天然气水合物沉积层中采收天然气会使海底沉积层强度降低，增加海床的不稳定性，可能引起地质塌陷，海底滑坡等灾害。溢出的甲烷气体具有很强的温室效应，是全球气候变暖的潜在影响因素。此外，在水合物的勘探与开采过程中，钻井作业扰动了含水合物沉积层的地质结构，这可能导致水合物的分解并削弱沉积层的地质力学强度，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。如何以经济、安全的方式从海底含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与沉积层坍塌等地质灾害，需要深入研究含水合物沉积物的机械特性。

三轴仪是研究土样机械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。体变是建立土体本构模型的重要参数。在常规三轴仪试验中，先用水将试样饱和，然后通过压缩过程中的排水量就可得到试样的体变。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，在试验过程中，不能通水将试样进行饱和，只能通过其他方法计算试样的体变。因此需要对三轴仪做一些必要的改进，以适合本实验需求。

近年来，有些研究机构利用土力学常规三轴仪进行天然气水合物沉积物体变测量的研究，使用的一般是是单压力室的三轴仪，这种天然气水合物沉积物体变测量装置的缺点是：1)只适用于低围压条件下的体变测量，不能模拟海底水合物沉积层的真实应力状态及受压时的体变情况。；2)单压力室内外存在压力差，一方面会造成压力室内液压油的泄露，另一方面会造成压力室的变形，影响体变测量的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置。

本发明提供的测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置包括由外罩筒和底座组成的密闭压力室；所述密闭压力室内设有内罩筒，所述内罩筒固定在所述底座上；所述底座上设有至少两个进出油孔，一个所述进出油孔开口于所述外罩筒与内罩筒之间的环腔，另一个所述进出油孔开口于所述内罩筒的内腔；所述外罩筒与内罩筒的顶部设有活塞；所述活塞上设有排气孔；所述内罩筒的内腔中设有相对应的下压垫和上压垫；所述上压垫与所述活塞的位置相应，所述下压垫固定在所述底座上。

上述三轴试验装置中，所述内罩筒通过卡环与所述底座密封连接；所述外罩筒通过紧卡环和卡环固定套与所述底座密封连接。

上述三轴试验装置中，所述活塞与所述外罩筒和内罩筒均可通过密封圈密封连接。

上述三轴试验装置中，所述底座上设有两个进出油孔。

上述三轴试验装置中，所述上压垫的下表面上设有上渗流板，所述下压垫的上表面上设有下渗流板。

上述三轴试验装置中，所述下压垫通过定位销固定在所述底座上。

上述三轴试验装置中，所述活塞与所述上压垫相连接。

上述三轴试验装置中，所述内罩筒的内腔中设有热交换器，所述热交换器与所述底座上的制冷剂循环液进出孔相连，所述冷剂循环液进出孔开口于所述密闭压力室外。

上述三轴试验装置中，所述热交换器的位置与待测天然气水合物沉积物的位置相应，用于控制待测天然气水合物沉积物试样的温度。

本发明提供的测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置具有以下优点：

1)最大轴向试验力为600kN，轴向试验力的精度为±0.5％；最大围压为30MPa，围压的精度为±0.5％；温度控制范围为243K-298K，温度控制精度为±0.1℃，可以模拟海底及冻土地域的压力和温度；

2)采用双压力室结构设计，保持内罩筒内外压力相等，避免了单压力室结构由于内外压差造成的腔体变形，以及液压油的泄露，提高体变测量精度。

3)冷库及低温控制系统能够实现温度的快速和准确控制，满足高精度实验要求；

4)数据采集系统具备数据实时储存、实时分析及图像实时处理等功能；

5)系统造价相对较低；

6)对海底及冻土地域天然气水合物沉积物的体变过程均能进行模拟并测量，为天然气水合物沉积物的强度本构模型提供重要的基础数据，对海底及冻土地域天然气水合物的勘探开采及灾害防御起到了重要的指导作用。

附图说明

图1为本发明测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置的结构示意图。

图2为利用本发明实施例1中的测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置进行试验的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置的结构示意图如图1所示，利用该装置进行试验的流程图如图2所示，图中各标记如下：1外罩筒、2内罩筒、3底座、4卡环、5卡环固定套、6液压油进出孔A、7液压油进出孔B、8活塞、9排气孔、10上压垫、11下压垫、12上渗流板、13下渗流板、14天然气水合物沉积物试样、15制冷剂循环液进出孔、16热交换器、17液压油槽、18a，18b，18c，18d，18e，18f，18g，18h针阀、19a，19b转子泵、20精密柱塞泵A、21精密柱塞泵B、22压力表A、23压力表B、24数据采集模块、25工控机、26冷库、27恒温槽、28循环泵。

本发明提供的测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置包括由外罩筒1和底座3组成的密闭压力室，外罩筒1和底座3通过卡环4和卡环固定套5密封连接；该密闭压力室内设有内罩筒2，内罩筒2与外罩筒1形成环腔并与底座3密封固定连接；内罩筒2和底座3通过卡环4密封连接；底座3上设有一个液压油进出孔A6和液压油进出孔B7；液压油进出孔A6开口于内罩筒2与外罩筒1形成的环腔，用于平衡内罩筒2内外的压力；液压油进出孔B7开口于内罩筒2的内腔，用于对天然气水合物沉积物试样14施加围压；外罩筒1和内罩筒2的顶部设有活塞8，用于对待测天然气水合物沉积物试样14施加轴向压力；活塞8与外罩筒1和内罩筒2通过密封圈(图中未示出)密封连接；活塞8上设有排气孔9，用于排出充液压油过程中内罩筒2内的空气；内罩筒2的内腔中设有下压垫11和上压垫10，下压垫11和上压垫10的位置相应；下压垫11的上表面上设有下渗流板13，上压垫10的下表面上设有上渗流板12；下压垫11通过定位销(图中未示出)固定在底座3上；上压垫10与活塞8相连并与活塞8的位置相应；下压垫11和上压垫10之间放置待测天然气水合物沉积物试样14；内罩筒2的内腔中设有热交换器16，用于控制内罩筒2内液压油的温度进而控制天然气水合物沉积物试样14的温度，热交换器16与底座3上的制冷剂循环液进出孔15相连，制冷剂循环液进出孔15开口于该密闭压力室外；该装置与数据采集模块24相连，用于采集、记录和控制轴压、围压及孔隙压力的大小，通过精密柱塞泵A20的位移量来计算待测天然气水合物沉积物试样14的体积变化。

上述测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置中，底座3与外罩筒1和内罩筒2还可以通过其它密封方式连接，如过盈配合；外罩筒1和内罩筒2的材质和大小可以根据需要进行调节；活塞8与外罩筒1和内罩筒2还可以通过其它密封方式连接，如过盈配合。

将上述的三轴试验装置按照图2所示的流程图进行体变测量试验：液压油进出孔A6通过管路与液压油槽17相连通，该管路上连接有针阀18a、18b、、转子泵19b和压力表B23；液压油进出孔A6与液压油槽18同时还通过设有针阀19g、19h、精密柱塞泵A20和压力表A22的管路相连通；液压油进出孔B7通过管路与液压油槽17相连通，该管路上连接有针阀18c、18d、转子泵19a和压力表B23；液压油进出孔B7与液压油槽17同时还通过设有针阀18e、18f、精密柱塞泵B21和压力表B23的管路相连通；该四条管路均与数据采集模块24相连接，该数据采集模块24与工控机25相连接，由此得到所施加内腔与环腔液压油压力的大小；制冷剂循环液液进出孔15通过循环泵28与恒温槽27相连通，恒温槽27内盛有恒温的制冷剂；上述除数据采集模块24与工控机25之外的所有装置均置于冷库26内。

试验时，确定管路无泄漏之后进行试验；如图2将天然气水合物沉积物试样14安装于内罩筒2内。关闭所有管路，打开针阀18a、18b、18c、18d，通过转子泵19a、19b分别向外罩筒1与内罩筒2之间的环腔和内罩筒2的内腔中注入液压油，待液压油充满腔体后，关闭相应针阀。然后打开针阀18e、18f、18g、18h，利用精密柱塞泵A20和精密柱塞泵B21控制环腔及内罩筒2内的压力，使其达到试验所需压力并维持环腔与内罩筒2内压力相等。精密柱塞泵A20和精密柱塞泵B21的压力控制为伺服控制，能通过调节注油量来调节压力室内的压力。然后对天然气水合物试样14进行剪切试验。通过位移传感器测得活塞8的位移量，而后将位移信号传输到数据采集模块24中进行数据处理得到数字信号，数字信号传入工控机25进行数据显示和储存，从而得到活塞8进入内罩筒2内的体积增量ΔV₁，规定为“+”；同时通过位移传感器测得精密柱塞泵A20中精密滚珠丝杠的位移量，而后将位移信号传输到数据采集模块24中进行数据处理得到数字信号，数字信号传入工控机25进行数据显示和储存，并规定对试样进行加载时向内罩筒2内补充液压油的体积为“+”，从内罩筒2内卸载液压油的体积为“-”，从而得到内罩筒2内液压油体积的增量ΔV₂；则天然气水合物沉积物试样14的体积变化量ΔV＝ΔV₁+ΔV₂。

上述装置中的外罩筒1和内罩筒2的制造工艺采用锻造后机加工，体变精度为0.01％；实验数据与文献数据对比显示，本系统工作状态良好。

Claims

1.一种测定天然气水合物沉积物体变的三轴试验装置，其特征在于：它包括由外罩筒和底座组成的密闭压力室；所述密闭压力室内设有内罩筒，所述内罩筒固定在所述底座上；所述底座上设有至少两个进出油孔，一个所述进出油孔开口于所述外罩筒与内罩筒之间的环腔，另一个所述进出油孔开口于所述内罩筒的内腔；所述外罩筒与内罩筒的顶部设有活塞；所述活塞上设有排气孔；所述内罩筒的内腔中设有相对应的下压垫和上压垫；所述上压垫与所述活塞的位置相应，所述下压垫固定在所述底座上。

2.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于：所述内罩筒通过卡环与所述底座密封连接；所述外罩筒通过卡环和卡环固定套与所述底座密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的三轴试验装置，其特征在于：所述活塞与所述外罩筒与内罩筒均通过密封圈密封连接。

4.根据权利要求1-3中任一所述的三轴试验装置，其特征在于：所述底座上设有两个进出油孔。

5.根据权利要求1-4中任一所述的三轴试验装置，其特征在于：所述上压垫的下表面上设有上渗流板，所述下压垫的上表面上设有下渗流板。

6.根据权利要求1-5中任一所述的三轴试验装置，其特征在于：所述下压垫通过定位销固定在所述底座上。

7.根据权利要求1-6中任一所述的三轴试验装置，其特征在于：所述活塞与所述上压垫相连接。

8.根据权利要求1-7中任一所述的三轴试验装置，其特征在于：所述内罩筒的内腔中设有热交换器，所述热交换器与设置于所述底座上的制冷剂循环液进出孔相连，所述制冷剂循环液进出孔开口于所述密闭压力室外。

9.根据权利要求8所述的三轴试验装置，其特征在于：所述热交换器的位置与待测天然气水合物沉积物的位置相应。