CN107991164A - 一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属天然气水合物基础物性测量技术领域，提供了一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，包括主机及加载系统、内部平面约束系统、底部岩心填装转移系统、径向围压及岩心孔压控制测量系统、计算机数据采集系统和声波测量系统。该装置能够原位生成天然气水合物沉积物岩心，并且在模拟海洋原有储存状态下进行平面应变力学实验，对海底天然气沉积物岩心进行强度及体积变形测量，同时解决了现有平面应变仪所具备的加载端面约束不完整、加载板与岩心间的摩擦过大、量测精度不够，岩心橡皮膜容易被扎破等诸多问题，并引入了声波测量装置，可以在剪切时对岩心进行声波扫描，极大地增强了对岩心基础物性的研究。

Description

一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置
技术领域
本发明属天然气水合物基础物性测量技术领域，涉及一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置。
背景介绍
天然气水合物因其储量巨大以及燃烧时清洁无污染而被许多研究者认为能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源，缓解全球能源危机；我国天然气储量巨大，具有极大的开采潜力。然而，海底沉积物中的天然气水合物分解释放出的游离状甲烷气泡进入海水，会造成海水富甲烷化，破坏海洋生态环境，而穿过海水进入大气的甲烷则会加剧全球温室效应，同时自然界的或者开发过程中导致的温度或压力的微小变化都能够影响沉积物的强度，导致水合物沉积层发生变形，进而引发海底滑坡及浅层构造变动，诱发海啸、地震等地质灾害，因此全面而深入的研究水合物沉积层的力学性质，建立一套安全可行的开采技术方案显得尤为重要。
平面应变仪是一种常用的测量岩土力学的实验仪器，在工程设计研究中具有很高的重要性，可以科学地，精确地进行复杂应力加载过程，可以实现天然气水合物开采井壁及条形基础等诸多工程稳定性研究。现有的研究水合物沉积物力学性质研究装备中，实现模拟海底天然气水合物储藏温压条件下，在平面应变仪中原位生成水合物沉积物并进行应力试验，同时克服现有平面应变仪所具备的加载板与岩心间的摩擦过大、加载端面约束不完整、量测精度不够，岩心橡皮膜容易被扎破等诸多问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，包括主机及加载系统、内部平面约束系统、底部岩心填装转移系统、径向围压及岩心孔压控制测量系统及计算机数据采集系统；
所述主机及加载系统包括主机框架与加载装置；所述主机框架由上部支架和下部支架固定连接而成；所述加载装置包括小型液压油缸、稳压活塞、活塞、柱塞泵；所述小型液压油缸穿过上部支架上端中心开设的通孔，通过稳压活塞与活塞一端连接；小型液压油缸驱动稳压活塞与活塞向下运动产生轴向加载力；活塞另一端穿过下部支架上端开设的通孔与轴向盖板相连；
所述内部平面约束系统包括轴向约束系统、径向约束系统与多层橡皮膜；所述多层橡皮膜由外层橡皮膜、六角橡皮膜与内层橡皮膜构成，三层橡皮膜由内至外叠加放置，有效预防岩心扎破橡皮膜；
所述轴向约束系统设置于多层橡皮膜顶部，包括沿径向由里向外依次布置的轴向盖板上部、轴向压板、径向伸缩压板、连接装置以及轴向滚轮和轴向密封圈；其中，轴向盖板上部、轴向压板、径向伸缩压板与连接装置的下端面处于同一平面共同提供轴向约束，通过径向伸缩压板的伸缩约束岩心轴向变形；所述连接装置为一C型结构，其上部端面通过轴向滚轮与径向压板内侧面接触，下部端面设置轴向密封圈直接与径向压板内侧面接触，连接装置通过轴向滚轮沿径向压板的内侧面滑动实现轴向运动，通过径向伸缩压板的伸缩实现径向运动；
径向约束系统包括沿橡皮膜两侧对称设置的两组部件，每组部件包括径向压板、柔性水囊、上端径向密封圈、下端径向密封圈；其中，上端径向密封圈用于密封径向压板上端面与上部支架下端面；下端径向密封圈用于密封径向压板下端面与底部压板上端面；所述柔性水囊同时与径向压板的外侧面、上部支架下端面和底部压板上侧面接触，通过排水量计算岩心径向应变；
所述径向围压及岩心孔压控制测量系统包括至少四个柱塞泵及橡皮膜上、下侧布置的上侧透水石和下侧透水石；其中，柱塞泵分别与上、下侧透水石、稳压活塞和柔性水囊连接；
所述底部岩心填装转移系统位于主机框架下部，用于支撑多层橡皮膜和柔性水囊的底部，实现岩心的移动；
所述计算机数据采集系统包括计算机、信号线、温度传感器、压力传感器、位移传感器，所述计算机用于处理数据及信号，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至计算机。
进一步地，所述底部岩心填装转移系统包括底部压板、底部滚轮、支撑杆、提升压板、滚珠丝杠、步进电机；所述底部压板与轴向盖板下部的上端面处于同一平面，用于支撑岩心；所述底部滑轮及支撑杆下端连接，用于移动底部压板实现填装岩心时的径向移动；所述提升压板下端与滚珠丝杠相连，其上端与底部滚轮相连；所述滚珠丝杠与固定在下部支架下端的步进电机相连，步进电机通过滚珠丝杠提供岩心轴向移动时的动力。
进一步地，该装置还包括声波测量系统，该声波测量系统包括声波发生器和声波接收器；活塞另一端穿过下部支架上端开设的通孔，与声波发生器上端相连，下端与轴向盖板相连，提供声波测量所需声波；所述轴向盖板由钢化有机玻璃组成，可以有效减少声波损失；所述声波接收器与底部压板相连，用于接受并反馈声波信号。
进一步地，所述压力传感器与径向压板处于同一平面，用于测量产生的径向压力。
进一步地，所述位移传感器设置于滚珠丝杠底端，用于测量轴向位移。
进一步地，所述径向围压及岩心孔压控制测量系统中，稳压活塞通过柔性管路与第四柱塞泵相连，用来调节轴向加载应力，提高轴向加载精度；第一柱塞泵通过柔性管路与下侧透水石连接，提供岩心下部孔隙压力；第二柱塞泵通过柔性管路与上侧透水石提供岩心上部孔隙压力；第三柱塞泵通过柔性管路同时与两侧的柔性水囊连接，通过排水量计算方法来精确测量岩心径向应变。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置。该装置能够原位生成天然气水合物沉积物岩心，并且在模拟海洋原有储存状态下进行平面应变力学实验，对海底天然气沉积物岩心进行强度及体积变形测量，同时解决了现有平面应变仪所具备的加载端面约束不完整、加载板与岩心间的摩擦过大、量测精度不够，岩心橡皮膜容易被扎破等诸多问题，并引入了声波测量装置，可以在剪切时对岩心实时进行声波扫描，极大地增强了对岩心基础物性的研究。
附图说明
图1是一种海底天然气水合物声波式平面应变仪装置系统图。
图2是端面约束局部系统图。
图中：1小型液压油缸；2稳压活塞；3活塞；4上部支架；5下部支架；6声波发生器；7轴向盖板；8声波接收器；9轴向位移传感器；10轴向压板；11上端径向密封圈；12轴向密封圈；13径向伸缩压板；14连接装置；15轴向滚轮；16外层橡皮膜；17六角橡皮膜；18内层橡皮膜；19径向压板；20径向应力传感器；21柔性水囊；22下端径向密封圈；23底部压板；24底部滚轮；25支撑杆；26提升压板；27滚珠丝杠；28步进电机；29柔性管路A；30下侧透水石；31上侧透水石；32柔性管路B；33柔性管路C；34第一柱塞泵；35第二柱塞泵；36第三柱塞泵；37第四柱塞泵；38柔性管路D；39管路接口A；40管路接口B；41管路接口C；42管路接口D；43管路接口E；44管路接口F。
具体实施方式
使用上述的海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，采用的步骤如下：
第一步，岩心通过底部岩心填装转移系统填入压力室；
将岩心按照橡皮膜包裹顺序分别包裹外层橡皮膜16、六角橡皮膜17与内层橡皮膜18，然后岩心被放在底部压板23之上；通过移动底部滚轮24及支撑杆25将岩心移动到底部压板23中间位置；通过步进电机28带动滚珠丝杠27提供向上动力，提升压板26带动岩心、底部压板23、底部滚轮24及支撑杆25共同向上运动至指定位置。
第二步，岩心内水合物原位生成及压力维持；
通过第一柱塞泵34、柔性管道A29、管路接口C、D、下侧透水石30提供岩心下部孔隙压力；通过第二柱塞泵35、柔性管道B32、管路接口A、B、上侧透水石31提供岩心上部孔隙压力；
第三步，实现轴向加载及应力应变测量；
小型液压油缸1带动稳压装置2向下运动，通过稳压装置2调节轴向加载应力后，稳压活塞2带动活塞3向下运动；岩心轴向剪切过程中岩心径向产生膨胀并产生形变：
轴向应力应变测量及约束：通过活塞3内置的应力传感器测量轴向应力；通过轴向位移传感器9测量岩心轴向应变；通过轴向压板10、轴向盖板7、径向伸缩压板13与连接装置14实现轴向约束；连接装置14拉伸径向伸缩压板13保证压力室轴向密封。
径向应力应变测量及约束：通过径向应力传感器20测量径向应力由；通过柔性水囊21、管路接口F、柔性管路C33及第四柱塞泵37测量径向应变；轴向滚轮15沿径向压板19端面向下运动，通过轴向滚轮15与连接装置14带动径向伸缩压板13来实现径向约束；
第四步，岩心剪切声波实时加载：
岩心剪切过程中，通过声波发生器6发射声波，声波透过轴向盖板7进入并穿越岩心，在底部被声波接收器8接受；通过电脑处理声波数据。
第五步，测量完毕，关闭仪器。

Claims (7)

1.一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，包括主机及加载系统、内部平面约束系统、底部岩心填装转移系统、径向围压及岩心孔压控制测量系统及计算机数据采集系统；
所述主机及加载系统包括主机框架与加载装置；所述主机框架由上部支架(4)和下部支架(5)固定连接而成；所述加载装置包括小型液压油缸(1)、稳压活塞(2)、活塞(3)、柱塞泵(37)；所述小型液压油缸(1)穿过上部支架上端中心开设的通孔，通过稳压活塞(2)与活塞(3)一端连接；活塞(3)另一端穿过下部支架上端开设的通孔与轴向盖板(7)相连；
所述内部平面约束系统包括轴向约束系统、径向约束系统与多层橡皮膜；所述多层橡皮膜由外层橡皮膜(16)、六角橡皮膜(17)与内层橡皮膜(18)构成，三层橡皮膜由内至外叠加放置；
所述轴向约束系统设置于多层橡皮膜顶部，包括沿径向由里向外依次布置的轴向盖板(7)上部、轴向压板(10)、径向伸缩压板(13)、连接装置(14)以及轴向滚轮(15)和轴向密封圈(12)；其中，轴向盖板(7)上部、轴向压板(10)、径向伸缩压板(13)与连接装置(14)的下端面处于同一平面共同提供轴向约束，通过径向伸缩压板(13)的伸缩约束岩心轴向变形；所述连接装置为一C型结构，其上部端面通过轴向滚轮(15)与径向压板(19)内侧面接触，下部端面设置轴向密封圈(12)直接与径向压板(19)内侧面接触，连接装置通过轴向滚轮沿径向压板的内侧面滑动实现轴向运动，通过径向伸缩压板的伸缩实现径向运动；
径向约束系统包括沿橡皮膜两侧对称设置的两组部件，每组部件包括径向压板(19)、柔性水囊(21)、上端径向密封圈(11)、下端径向密封圈(22)；其中，上端径向密封圈(12)用于密封径向压板上端面与上部支架(4)下端面；下端径向密封圈(22)用于密封径向压板下端面与底部压板(23)上端面；所述柔性水囊(21)同时与径向压板的外侧面、上部支架下端面和底部压板上侧面接触，通过排水量计算岩心径向应变；
所述径向围压及岩心孔压控制测量系统包括至少四个柱塞泵及橡皮膜上、下侧布置的上侧透水石(31)和下侧透水石(30)；其中，柱塞泵分别与上、下侧透水石、稳压活塞和柔性水囊连接；
所述底部岩心填装转移系统位于主机框架下部，用于支撑多层橡皮膜和柔性水囊的底部，实现岩心的移动；
所述计算机数据采集系统包括计算机、信号线、温度传感器、压力传感器、位移传感器，所述计算机用于处理数据及信号，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至计算机。
2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，所述底部岩心填装转移系统包括底部压板(23)、底部滚轮(24)、支撑杆(25)、提升压板(26)、滚珠丝杠(27)、步进电机(28)；所述底部压板(23)与轴向盖板(7)下部的上端面处于同一平面，用于支撑岩心；所述底部滑轮(24)及支撑杆(25)下端连接；所述提升压板下端与滚珠丝杠相连，其上端与底部滚轮相连；所述滚珠丝杠与固定在下部支架下端的步进电机相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，还包括声波测量系统，该声波测量系统包括声波发生器(6)和声波接收器(8)；活塞(3)另一端穿过下部支架(5)上端开设的通孔，与声波发生器(6)上端相连，下端与轴向盖板(7)相连，提供声波测量所需声波；所述轴向盖板(7)由钢化有机玻璃组成，可以有效减少声波损失；所述声波接收器(8)与底部压板(23)相连，用于接受并反馈声波信号。
4.根据权利要求1或2所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，所述压力传感器与径向压板(19)处于同一平面，用于测量产生的径向压力。
5.根据权利要求2所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，所述位移传感器设置于滚珠丝杠(27)底端，用于测量轴向位移。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，所述径向围压及岩心孔压控制测量系统中，稳压活塞通过柔性管路与第四柱塞泵(37)相连；第一柱塞泵(34)通过柔性管路与下侧透水石(30)连接，提供岩心下部孔隙压力；第二柱塞泵(35)通过柔性管路与上侧透水石(31)提供岩心上部孔隙压力；第三柱塞泵(36)通过柔性管路同时与两侧的柔性水囊连接。
7.根据权利要求3所述的一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，其特征在于，所述径向围压及岩心孔压控制测量系统中，稳压活塞通过柔性管路与第四柱塞泵(37)相连；第一柱塞泵(34)通过柔性管路与下侧透水石(30)连接，提供岩心下部孔隙压力；第二柱塞泵(35)通过柔性管路与上侧透水石(31)提供岩心上部孔隙压力；第三柱塞泵(36)通过柔性管路同时与两侧的柔性水囊连接。
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