CN108240957B - 一种动态力学特性的测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种动态力学特性的测量方法及装置，所述方法包括：四个阶段，阶段一，非饱和含水合物沉积物样品制备，并进行核磁共振测量；阶段二，非饱和含水合物沉积物样品制备，再进行静态三轴加载，并核磁共振测试；阶段三，非饱和含水合物沉积物样品制备，再进行动态三轴加载，并核磁共振测试；阶段四，非饱和含水合物沉积物样品制备，先进行动态三轴加载，再进行静态三轴加载，并核磁共振测试四个阶段，获取含天然气水合物沉积物在动载荷作用下的宏观动态响应、残余强度，并借助测量微观孔隙结构变化，解释宏观响应。

Description

一种动态力学特性的测量方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及天然气水合物勘探领域，尤其涉及一种动态力学特性的测量方法及装置。
背景技术
天然气水合物勘探过程、开采以及地震等过程中，均会出现不同频率和不同幅值的动态载荷或位移，会引起天然气水合物沉积物的动力学响应，改变原来土体孔隙分布、沉积物的力学特性等，尤其引起土体孔隙中孔隙压力的急剧增加，从而使得土体的有效应力降低，承载力下降，影响勘探、开采以及海底土层的安全。而含水合物沉积物是一种含相变、非饱和的岩土材料，涉及新的岩土力学学科问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种动态力学特性的测量方法及装置，可以获取含天然气水合物沉积物在动载荷作用下的宏观动态响应、残余强度，并借助测量微观孔隙结构变化，解释宏观响应进而完成对系统的非饱和含天然气水合物沉积物动态力学特性的测量。
第一方面，本发明实施例提供一种动态力学特性的测量方法，应用于非饱和含天然气水合物沉积物的测量，包括：
制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；
根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
在一个可能的实施方式中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，包括：
将天然气水合物区的粉土为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品。
在一个可能的实施方式中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，包括：
将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成得到第二样品。
在一个可能的实施方式中，所述静态三轴加载的测量包括：在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线；
所述动态三轴加载的测量包括：控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
在一个可能的实施方式中，所述非饱和含水合物沉积物为四氢呋喃水合物粉土。
第二方面，本发明实施例提供一种动态力学特性的测量装置，应用于非饱和含天然气水合物沉积物的测量，包括：
制备模块，用于制备非饱和含水合物沉积物的第一样品；
第一测量模块，用于对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；
所述制备模块，还用于制备非饱和含水合物沉积物的第二样品；
第二测量模块，用于对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；
第三测量模块，用于对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；
第四测量模块，用于对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；
确定模块，用于根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
在一个可能的实施方式中，所述制备模块，用于将天然气水合物区的粉土为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品。
在一个可能的实施方式中，所述制备模块，还用将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成得到第二样品。
在一个可能的实施方式中，所述静态三轴加载的测量包括：在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线；
所述动态三轴加载的测量包括：控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
在一个可能的实施方式中，所述非饱和含水合物沉积物为四氢呋喃水合物粉土。
本发明实施例提供的动态力学特性的测量方法，通过制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性，获取含天然气水合物沉积物在动载荷作用下的宏观动态响应、残余强度，并借助测量微观孔隙结构变化，解释宏观响应。
附图说明
图1为本发明提供的一种动态力学特性的测量方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种动态力学特性的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明提供的一种动态力学特性的测量方法的流程示意图，应用于非饱和含天然气水合物沉积物的测量，包括四个阶段，阶段一，非饱和含水合物沉积物样品制备，并进行核磁共振测量；阶段二，非饱和含水合物沉积物样品制备，再进行静态三轴加载，并核磁共振测试；阶段三，非饱和含水合物沉积物样品制备，再进行动态三轴加载，并核磁共振测试；阶段四，非饱和含水合物沉积物样品制备，先进行动态三轴加载，再进行静态三轴加载，并核磁共振测试；如图1所示，该方法具体包括：
S101、制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征。
所述制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，包括：
将天然气水合物区的粉土为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品。
具体地，(1)非饱和粉土沉积物样品制备。选取我国天然气水合物区的粉土为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3并分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理；根据四氢呋喃水合物饱和度设计值，确定四氢呋喃水溶液的体积比，按照水过量的方法配制溶液。然后将烘干土样用模具固定形状，置于密闭容器中，密闭容器与抽真空装置、四氢呋喃水溶液储存装置相连通；先开启抽真空装置半个小时，再打开溶液储层装置，溶液自动充入密闭容器，交替进行直至溶液液面超过土样2cm，2天后取出非饱和粉土沉积物样品并测量含溶液饱和度。
(2)含四氢呋喃水合物粉土样品制备与低温核磁共振微观测量。控制低温核磁共振专用压力室内的温度为0～2℃，获得溶液的核磁共振信号即T2谱曲线，并作为基准值；将(2)中浸泡2天的土样取出，置于低温核磁共振的压力室内，控制温度0～2℃(一个大气压下，四氢呋喃水合物的相平衡温度为4.4℃，经过2天后，核磁信号不再变化，含四氢呋喃水合物样品制备完毕，并获得含四氢呋喃水合物粉土在水合物合成前、后的T2谱曲线，分析非饱和含四氢呋喃水合物粉土的微观孔隙结构变化特征。
S102、制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征。
(1)同阶段一中非饱和粉土沉积物样品的制备过程。
(2)非饱和含水合物沉积物样品制备。将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成四氢呋喃水合物沉积物的制备。
(3)静态三轴加载。样品制备完成后，在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线，包括强度和弹性模量数据。
(4)将实验后的样品快速取出，并同阶段一中核磁共振测量流程，获得含四氢呋喃黏土沉积物在静载后的T2谱曲线，并与阶段一的T2谱曲线进行对比，分析静载后的微观孔隙结构的变化。
S103、制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征。
(1)同阶段二中非饱和含水合物沉积物样品制备过程；
(2)动态加载测量。控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
(3)取样动载荷作用后的样品，同阶段一中核磁共振测量流程，获得含四氢呋喃水合物黏土沉积物在动载后的T2谱曲线，并与阶段一、二的T2谱曲线进行对比，分析动载后沉积物的孔隙结构变化，重点分析孔隙的分布范围的变化和微裂隙产生。
S104、制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征。
(1)同阶段二中非饱和含水合物粉土沉积物的样品制备过程；
(2)动态三轴加载测量。与阶段三相同，进行动态加载测量实验，获得动态应力应变和孔隙压力曲线，再进行静态加载压缩实验，获得动态加载后的应力应变曲线，进而可以得到含水合物粉土沉积物在动载作用后的弹性模量和残余强度参数。
(3)从高压低温三轴仪的压力室内快速取出样品，同阶段一中核磁共振测量流程，获得样品的T2谱曲线，并与阶段一、二、三的T2谱曲线进行对比，分析不同载荷作用条件下含四氢呋喃水合物粉土沉积物的孔隙结构变化特征和微观数据。
S105、根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
四个阶段后，以阶段二获得的非饱和含四氢呋喃水合物粉土沉积物的静强度作为标准量，将阶段四得到的残余强度与静强度相比(相对强度)，得到动载荷作用后的强度变化规律，尤其分析动载荷作用后相对强度小于1的临界条件。
本发明实施例提供的动态力学特性的测量方法，通过制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性，获取含天然气水合物沉积物在动载荷作用下的宏观动态响应、残余强度，并借助测量微观孔隙结构变化，解释宏观响应。
图2为本发明提供的一种动态力学特性的测量装置的结构示意图，如图2所示，该装置具体包括：
制备模块201，用于制备非饱和含水合物沉积物的第一样品；
第一测量模块202，用于对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；
所述制备模块201，还用于制备非饱和含水合物沉积物的第二样品；
第二测量模块203，用于对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；
第三测量模块204，用于对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；
第四测量模块205，用于对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；
确定模块206，用于根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
可选地，所述制备模块201，用于将天然气水合物区的粉土为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品。
可选地，所述制备模块201，还用将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成得到第二样品。
可选地，所述静态三轴加载的测量包括：在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线；
所述动态三轴加载的测量包括：控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
可选地，所述非饱和含水合物沉积物为四氢呋喃水合物粉土。
本发明实施例提供的动态力学特性的测量方法，通过制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性，获取含天然气水合物沉积物在动载荷作用下的宏观动态响应、残余强度，并借助测量微观孔隙结构变化，解释宏观响应。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动态力学特性的测量方法，应用于非饱和含天然气水合物沉积物的测量，其特征在于，包括：
制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，以及对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征，其中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，包括：将天然气水合物区的粉土作为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征，其中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，包括：将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成得到第二样品；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；
制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，以及对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；
根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静态三轴加载的测量包括：在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线；
所述动态三轴加载的测量包括：控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
3.根据权利要求1-2任一项 所述的方法，其特征在于，所述非饱和含水合物沉积物为四氢呋喃水合物粉土。
4.一种动态力学特性的测量装置，应用于非饱和含天然气水合物沉积物的测量，其特征在于，包括：
制备模块，用于制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，其中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第一样品，包括：将天然气水合物区的粉土作为实验介质，采用三轴试样制备的模具，控制干密度1.1g/cm3～1.4g/cm3以及分五层砸实含水量30％以下的粉土制得高度8.0cm和直径3.91cm的土样，对土样进行烘干处理，得到第一样品；
第一测量模块，用于对所述第一样品进行核磁共振测量，得到所述第一样品对应的微观孔隙结构变化的第一特征；
所述制备模块，还用于制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，其中，所述制备非饱和含水合物沉积物的第二样品，包括：将浸泡2天的土样取出，放入高压低温三轴仪的压力室内，加围压至1MPa～5MPa，并启动低温控制装置使得压力室内围压液体的温度降至设定温度值，经过2天完成得到第二样品；
第二测量模块，用于对所述第二样品进行静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第二特征；
第三测量模块，用于对所述第二样品进行动态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第三特征；
第四测量模块，用于对所述第二样品依次进行动态三轴加载、静态三轴加载和核磁共振测量，得到所述第二样品对应的微观孔隙结构变化的第四特征；
确定模块，用于根据所述第一特征、所述第二特征、所述第三特征和所述第四特征确定所述非饱和含天然气水合物沉积物的动态力学特性。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述静态三轴加载的测量包括：在高压低温三轴仪上进行静态加载压缩实验，获得应力应变曲线；
所述动态三轴加载的测量包括：控制动应力或动应变，进行正弦周期动态加载，获得动态应力应变曲线和孔隙压力随时间变化曲线，得到动模量、动强度和样品破坏特征。
6.根据权利要求4-5任一项 所述的装置，其特征在于，所述非饱和含水合物沉积物为四氢呋喃水合物粉土。
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