CN102162779A - 一种用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置。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，所述内罩筒通过卡环固定在所述底座上；所述内罩筒底座上设有至少一个进出油孔、至少一个进气孔和至少一个进水孔，所述进出油孔、进气孔和进水孔均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
技术领域
本发明涉及一种用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置，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。但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，因此要求必须对三轴仪做一些必要的改进，以适合本实验的需要。
原状水合物沉积物岩芯获取难度较大、成本高，而实验室人工合成水合物沉积物试样具有参数可控性高、成本低等特点，因此目前有关水合物沉积物力学特性的实验主要是通过在室内人工合成天然气水合物沉积物试样来模拟海底水合物沉积层从而进行实验的。现有的沉积物试样制备方法是通过在高压反应釜内混合冰粉和纯甲烷气生成天然气水合物，然后在冷库内将粉碎后的天然气水合物与海洋土颗粒按比例均匀混合，并在压力成型装置中压缩成型，最后把压制成型的水合物沉积物试样放入三轴仪中进行力学试验。这种在三轴仪压力室外制备水合物沉积物试样的方法的缺点是：1)制样过程会造成部分水合物的分解，导致试样水合物的饱和度较低；2)混合制样法不能很好的模拟海底水合物沉积物的胶结状态，不能还原海底水合物的生成过程；3)此类三轴仪在试验过程中不能控制水合物的分解过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置。
本发明提供的用于天然气水合物原位生成与分解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；所述内罩筒底座上设有至少一个进出油孔、至少一个进气孔和至少一个进水孔；所述外罩筒与内罩筒的顶部设有活塞口；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，所述下压垫通过定位销固定在所述底座上。
上述三轴试验装置中，所述外罩筒可通过卡环和卡环固定套与所述底座密封连接；所述内罩筒可通过卡环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，所述底座上设有一个进出油孔、一个进气孔和一个进水孔。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孔和制冷剂循环液出孔相连，所述制冷剂循环液进孔和制冷剂循环液出孔均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试样的位置相应，用于控制待测天然气水合物沉积物试样的温度。
本发明提供的用于天然气水合物原位生成与分解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)能在土力学三轴仪内实现天然气水合物的原位生成与分解，模拟海底及冻土地域沉积物中天然气水合物的生成与分解，并能够得到三种不同尺寸的试样，满足不同的加载要求；
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)合成的天然气水合物沉积物试样能在轴向伺服加载系统内直接进行剪切蠕变等实验、进行数据分析或下一步研究；
5)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；
6)系统造价相对较低；
7)对海底及冻土地域沉积物中天然气水合物的生成和分解均能进行模拟合成与分解，对海底及冻土地域天然气水合物沉积物的基础物性、力学特性、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为本发明用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置的结构示意图。
图2为本发明用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置的压力室底座的
俯视图。
图3为利用本发明实施例1中的用于天然气水合物原位生成与分解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。
本发明提供的用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置的结构示意图如图1、图2所示，利用该装置进行试验的流程图如图3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活塞、7排气孔、8上压垫、9下压垫、10上渗流板、11下渗流板、12天然气水合物沉积物试样、13热交换器、14密封圈、15液压油进出孔、16进水孔、17进气孔、18制冷剂循环液进孔、19制冷剂循环液出口、20甲烷气瓶、21a，21b，21c缓冲阀、22a，22b流量计、23a，23b，23c、，23d，23e，23f，23g，23h，23i针阀、24a，24b循环泵、25蒸馏水罐、26恒温槽、27压力表A、28压力表B、29a，29b加压泵、30放水阀、31废水槽、32氮气瓶、33液压油槽、34压力表C、35接水容器、36真空泵、37数据采集模块、38工控机。
本发明提供的用于天然气水合物原位生成与分解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；内罩筒2内底座3上设有一个液压油进出孔15、两个气水通孔16/17，液压油进出孔15用于向内罩筒2的内腔中注入液压油以对天然气水合物沉积物试样施加围压，进水孔16和进气孔17分别与下压垫9和上压垫8相连，向天然气水合物沉积物试样12内注入甲烷气体和水以提供反应需要的原料并控制其生成与分解；外罩筒1和内罩筒2的顶部设有活塞6，用于对天然气水合物沉积物试样12施加轴向压力；活塞6与外罩筒1和内罩筒2通过密封圈14密封连接；活塞6上设有排气孔7，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9和上压垫8，下压垫9的上表面上设有下渗流板11，上压垫8的下表面上设有上渗流板10；下压垫9通过定位销(图中未示出)固定在底座3上；上压垫8与活塞6相接触并与活塞6的位置相应；下渗流板11和上渗流板10之间放置天然气水合物试样；内罩筒2的内腔中设有热交换器13，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12的温度，热交换器13与底座3上的制冷剂循环液进孔18和制冷剂循环液出孔19相连。该装置与数据采集模块37相连，用于采集和记录轴向载荷、围压、孔隙气压、孔隙水压的大小，由此计算待测天然气水合物沉积物试样12的饱和度、力学性能等，并可分析水合物的生成与分解。
上述用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置中，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6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3所示的流程图进行天然气化合物的原位生成与分解试验：甲烷气瓶20通过管路与进气孔17相连，该管路上连接有缓冲阀21a、流量计22a、针阀23i、针阀23b和压力表C34，该管路同时通过四通阀分别与接水容器35和真空泵36相连接，连接有接水容器35的管路上连接有针阀23a，连接有真空泵36的管路上连接有针阀23c；制冷剂循环液进孔18与恒温槽26相连通，恒温槽26内盛有恒温的制冷液体，制冷剂循环液进孔18和恒温槽26之间连接有循环泵24b，用以向内罩筒2内泵入制冷液体，制冷剂循环液进孔18、制冷剂循环液出孔19与内罩筒2内设置的热交换器13相连通；蒸馏水罐25通过管路与进水孔16相连通，该管路上连接有循环泵24a、针阀23f和压力表A27，该管路同时与连接有针阀23g、加压泵29a、放水阀30和废水槽31的管路和连接有针阀23h、缓冲阀21b和氮气瓶32的管路相连通；液压油槽33通过管路与液压油进出孔15相连通，该管路上连接有针阀23d、针阀23e、加压泵29b和压力表B28；压力表A27、压力表B28和压力表C34均与数据采集模块37相连接，该数据采集模块37与工控机38相连接，由此得到孔隙气压力、围压和孔隙水压力的大小；上述除数据采集模块37与工控机38之外的所有器件都置于冷库内。
按照图3所示流程图进行试验，具体试验方法为以下两种；
(1)方法一
首先对各管路进行检漏，确定无泄漏之后进行试验；在压力室外生成天然气水合物，然后将天然气水合物与沉积物按一定的比例均匀混合，并在压缩成型装置中压制成实验所需的尺寸。然后将成型后的试样按图1所示放置于低温三轴试验机中。关闭所有管路，打开针阀23d、23e，通过液压油槽33、加压泵29b向内罩筒内充液压油，并提供试样所需的围压，一般保持围压大于孔隙压力1MPa，保证试样内的气体不泄露至内罩筒中。打开缓冲阀21a、针阀23i和23b，将甲烷气瓶20中的甲烷气体通入沉积物试样12内，以维持实验所需的孔隙压力及反应所需的原料；开启低温控制装置，使制冷剂循环液在热交换器13中循环，用以调节内罩筒2内液压油的温度，进而控制沉积物试样12的温度。先调节沉积物试样12的温度在水合物的相平衡点之上，使天然气水合物分解，保持一段时间，是甲烷气体和水充分混合。然后调节试样温度低于水合物相平衡温度，保持足够的时间。通过压力表C34检测孔隙气压力。同时开启工控机38对实验数据进行采集、记录、显示；天然气水合物在沉积物12空隙中生成，经过一段时间后可以认为生成足够饱和度的水合物，并形成实验所需尺寸的试样，水合物原位生成实验完成。通过计算实验消耗水量来计算水合物饱和度。同时可通过分解产生的甲烷气量(通过流量计22b测量)计算水合物饱和度。
水合物的分解实验，可通过降压法或升温法实现。水合物生成后，关闭其他管路，打开针阀23b、23a和21c，控制水合物沉积物试样12的孔隙压力，使其低于水合物相平衡压力，此时水合物分解。可以控制压力的大小，达到控制分解速度的目的。
升温法是通过恒温槽26、热交换器13控制液压油的温度，进而控制天然气水合物沉积物试样12的温度，使其高于水合物相平衡温度，可以控制温度的高低及升温速度，进而控制水合物的分解速度。
(2)方法二
首先对各管路进行检漏，确定无泄漏之后进行试验；如图1所示，将不含水合物的沉积物试样放置于三轴试验机内。在放置沉积物试样过程中，待上压垫上渗流板下渗流板下压垫橡皮膜安装好后，关闭其他管路，打开针阀23b、23c及真空泵，以保持试样直立。然后打开针阀23d、23e，通过液压油槽33、加压泵29b向内罩筒内充液压油，并提供试样保持直立所需的围压，待围压到1MPa左右关闭真空泵36及针阀23b、23c。再打开针阀22f，利用循环泵24a将蒸馏水罐25中的蒸馏水注入沉积物试样12内，使其被水饱和；打开针阀23b、23a，观察出口的出水情况，待水流连续且不出现气泡时停止注水。关闭针阀23a，打开缓冲阀21a和针阀23i，将甲烷气瓶20中的甲烷气体通入沉积物试样12中直到实验设计压力并维持压力，并将试样中部分水趋替回蒸馏水罐25；开启低温控制装置使其温度降低至天然气水合物相平衡温度以下，维持反应足够长时间，保证试样内的水全部参与反应，并利用参与水计算水合物饱和度；同时开启工控机38对实验数据进行采集、记录、显示；
水合物的分解实验同方法一所述。
Claims (9)
1.一种用于天然气水合物原位生成与分解的三轴试验装置，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；所述内罩筒底座上设有至少一个进出油孔、至少一个进气孔和至少一个进水孔，所述进出油孔、进气孔和进水孔均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：所述外罩筒通过卡环和卡环固定套与所述底座密封连接；所述内罩筒通过卡环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：所述内罩筒底座上设有一个进出油孔、一个进气孔和一个进水孔。
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，所述热交换器与所述底座上的制冷剂循环液进孔和制冷剂循环液出孔相连，所述制冷剂循环液进孔和制冷剂循环液出孔均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试样的位置相应。
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