CN108776071A - 水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属海洋天然气水合物开采领域，具体涉及一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法，包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统。该装置能够实现对水合物沉积物不排水抗剪强度的连续测量，大大提高了测量效率，并且避免了多次制样过程中的人为因素对模拟结果的影响，为研究海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析，提供更为丰富的力学数据。

Description

水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法

技术领域

本发明属海洋天然气水合物开采领域，具体涉及一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种分布广、能源密度高的非常规油气资源，广泛分布于全球永久冻土带和大陆边缘深海浅层沉积物中，其中海洋沉积物中的天然气水合物资源量占全部天然气水合物资源量的90％以上。与陆地永久冻土带的天然气水合物开采技术相比，海洋天然气水合物开采过程中面临更加复杂的工程地质难题，而这些工程地质难题的解决依赖于含水合物沉积物基本地质力学参数，尤其是强度参数的准确预测。因此，含水合物沉积物不排水抗剪强度的准确预测是揭示海洋天然气水合物开采过程中可能面临的工程地质风险的前提。

目前含水合物沉积物不排水抗剪强度参数的确定方法主要有以下几种：不排水三轴剪切实验、原位孔压静力触探及不排水直剪实验等。其中原位孔压静力触探是现场工程地质调查的重要手段，深海现场施工成本高、钻探孔数有限，而且测量数据往往具有很强的“区域依赖性”，不能反映其他地区或相邻区储层的不排水抗剪强度特征。目前室内常用的不排水三轴剪切实验和不排水直剪实验，在进行含水合物沉积物不排水抗剪强度预测方面取得了非常好的效果，但仍然存在效率严重偏低的问题，主要表现在：目前不排水三轴剪切实验或直剪实验都采用标准试样，即一般采用Φ39.1mmX120mm、Φ50mmX100mm等常规土力学标准里面规定的试样进行实验。由于力学实验具有“破坏性”，即一个试样只能进行一次实验，然后试样报废，必须换样重新合成，方可进行下轮实验。这对于制样周期较长(通常需要72h以上)的水合物沉积物合成而言，实验效率无疑大打折扣。另外，由于每次制样过程中都不可避免的会发生人为因素导致的制样结果差异(如沉积物本身的压实程度)，因此反复制样过程中造成的人为因素对实验结果的影响也增大。

为此，对于海洋天然气水合物沉积物不排水抗剪强度模拟的主要发展需求是：(1)如何能提高实验效率，即通过一次制样进行若干组不同的抗剪强度测试，通过同一个实验样品尽可能获取多的抗剪强度测试数据；(2)如何模拟完全统一制样条件下不同水合物饱和度储层的抗剪强度参数，即：如何克服由于反复制样带来的人为因素对不排水抗剪强度测试结果的影响。解决上述两个问题将对含水合物沉积物不排水抗剪强度测试研究带来颠覆性的变革，极大的提高实验测试效率，并可以据此开展针对海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析，提供更为丰富的力学数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，该装置能够实现对水合物沉积物不排水抗剪强度的连续测量，大大提高了测量效率，并且避免了多次制样过程中的人为因素对模拟结果的影响，为研究海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析，提供更为丰富的力学数据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统；

所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜，所述反应釜包括反应釜本体，所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖，所述反应釜本体内设置有内胆，所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接，并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空，所述上、下端盖上，对应内胆的位置分别设置有出气口、进气口；所述内胆中填充有饱和沉积物；所述内胆为双层尼龙夹层结构，双尼龙夹层内层内壁均匀设置至少3层电极，每层包括至少4个沿内胆圆周方向均匀分布的电极测点，所述双尼龙夹层内层外壁，对应电极测点的位置，封装有与电极测点相连的电缆，所述电缆穿入环空并穿过上端盖连接到电阻层析成像检测仪上；所述内胆的下部设置有一多孔网板；

所述供气子系统包括甲烷气瓶；

所述冷却子系统包括换热器和低温水箱，所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中，所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口，上部设置有环空的出水口，所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空，并由环空的出水口流出进入低温水箱内；

所述十字板剪切探杆子系统包括十字板剪切探杆、十字板探头、扭转步进电机、贯入电机和拉线编码器；所述上端盖上，对应内胆的位置设置有通孔，所述十字板剪切探杆设置在通孔内，能够沿通孔上下滑动，并与通孔之间密封配合，所述十字板探头安装在十字板剪切探杆的下端；所述反应釜上固定连接有反力支撑架，所述扭转步进电机和贯入电机设置在反力支撑架上，所述扭转步进电机能够带动十字板剪切探杆转动，所述贯入电机能够带动十字板剪切探杆上下运动，所述拉线编码器的本体设置在贯入电机上，所述拉线编码器的金属丝线连接在十字板探头上；

所述数据采集监控量测子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪，所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆中的温度和压力信息，所述十字板剪切数据采集仪和十字板探头电连接，所述电阻层析成像检测仪和各电极测点电连接，所述拉线编码器、扭转步进电机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。

进一步地，所述内胆的高度设置为十字板探头高度的20倍，所述内胆内径与十字板探头尺寸的关系为：D>10d，其中，D为反应釜内筒内径，d为十字板探头外切圆直径。

进一步地，所述十字板剪切探杆与十字板探头尾部等直径，十字板探头尾部加工锥头公螺纹反丝丝扣，所述十字板剪切探杆下端加工与十字板探头尾部螺纹反丝对应的母头螺纹反丝丝扣，反丝丝扣拧紧配合。

进一步地，所述十字板剪切探杆为高强度空心杆，十字板剪切探杆内部同时穿过拉线编码器金属丝线和电缆，拉线编码器丝线和电缆分别与十字板探头连接。

进一步地，所述支撑架上，沿十字板剪切探杆的贯入方向设置有导杆，所述导杆上连接有滑块，所述十字板剪切探杆的上端与滑块连接；所述贯入电机设置在反力支撑架上，贯入电机的转轴通过行星滚珠丝杠与滑块连接，贯入电机的转轴转动能够带动滑块沿导杆上下滑动，所述扭转步进电机设置在滑块上，扭转步进电机通过扭力传送杆带动十字板剪切探杆转动。

进一步地，所述上端盖的通孔内，与十字板剪切探杆配合处设置有三层密封环。

进一步地，所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转支架。

本发明的另一个目的在于提供一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量方法，包括：

S1.装样：将十字板探头从反应釜上端盖的内部穿出，安装反应釜的其他结构，向内胆中填装含有一定水饱和度的沉积物，分层压实，至距上端盖25.4mm的高度，然后将十字板探头和反应釜上端盖安装；

S2.合成含水合物沉积物：连接换热器、低温水箱和甲烷气瓶，甲烷气体首先经过换热器控温，然后通过下端盖上的进气口注入内胆气室，并控制气室内压力一定，使其自然向上渗漏；同时开启低温水箱内的水经过换热器控温，进入环空内，循环对内胆中的沉积物进行冷却；

S3.监测水合物生成情况：每隔1～1.5h，通过电阻层析成像检测仪，反复测量直到内胆中的水合物合成完毕；

S4.十字板剪切实验：安装十字板剪切探杆子系统，对内胆中的含水合物沉积物不排水抗剪强度测试，得到不排水抗剪强度-深度的对应关系；

S5.含水合物饱和度-不排水抗剪强度对应关系的建立：利用步骤S3获得的含水合物饱和度-深度关系和步骤S4获得的不排水抗剪强度-深度的对应关系，统一中间参数——深度，建立含水合物饱和度-不排水抗剪强度的关系。

进一步地，所述步骤S4具体包括，

S41.连接十字板剪切探杆、扭转步进电机、贯入电机、拉线编码器等硬件；

S42.设定贯入电机转速，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆，同时记录拉线编码器的深度；当十字板探头压入到沉积物中设定深度后，停止贯入；

S43.设定扭转电机转速，启动扭剪参数采集仪，开始剪切实验，实时记录十字板探头的扭矩与扭转角参数，形成扭转力-扭转角关系曲线，直到沉积物发生破坏；

S44.再次启动贯入电机，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆，同时记录拉线编码器的深度；当十字板探头的压入深度超过十字板探头剪切板头高度的1.5倍行程后，停止贯入；

S45.重复步骤S41～S44，直到十字板探头压入深度距离反应釜内部下端气室的距离小于1.5倍的十字板探头剪切板头距离，认为完成了全部剪切过程；

S46.反转贯入电机，从沉积物中起出十字板探头，结束实验。

本发明的含水合物沉积物工程静探参数模拟装置，该装置能够实现对水合物沉积物不排水抗剪强度的连续测量，大大提高了测量效率，并且避免了多次制样过程中的人为因素对模拟结果的影响，为研究海洋天然气水合物沉积物储层力学非均质性等空间分布数据的分析，提供更为丰富的力学数据。

除此以外，本发明的装置还具有以下就效果：

(1)本发明所述的装置，首次将含水合物沉积物十字板剪切实验与水合物原位制样结合，避免现场测试中由于样品转移导致的沉积物物性改变，减少了测试误差；

(2)本发明所述的装置和测试方法联合，实现了原位含水合物沉积物不排水抗剪强度与水合物饱和度关系的测量，其测量过程更接近与实际地层的测量过程，测量结果准确性更高；

(3)本发明通过装置的特殊设计，实现了地层气体稳定渗漏过程的实现和上浮海水压力的模拟，使沉积物所处的环境更接近与真实海底含水合物沉积物所处的环境；

(4)本发明通过装置的特殊设计，实现了一次合成含水合物沉积物进行多次剪切模拟，避免了常规含水合物沉积物力学参数测量样品利用率低的问题，能够通过一次实验获取多组抗剪强度参数。

(5)本发明既可以按照上述步骤，在反应釜中合成纵向水合物分布均匀的含水合物沉积物验证十字板剪切数据的可重复性，也可以通过控制反应釜生成纵向饱和度非均质性的含水合物沉积物获取水合物饱和度-不排水抗剪强度，也可以设置其他储层非均质参数，验证非均质参数与不排水抗剪强度的关系。

附图说明

图1为本发明的装置的部分结构示意图；

图2为图1中A部局部放大图；

图3为本发明的测量部分的模块连接示意图；

图4为本发明的制冷部分的连接作示意图；

上述图中：1-反应釜本体；2-内胆；3-上端盖；4-下端盖；5-电极测点；6-多孔网板；7-十字板剪切探杆；8-十字板探头；9-扭转步进电机；10-贯入电机；11-拉线编码器；12-反力支撑架；13-导杆；14-滑块；15-翻转支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统；

所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜，所述反应釜包括反应釜本体1，所述反应釜本体1上下两端分别设置有上端盖3和下端盖4，所述反应釜本体1内设置有内胆2，所述内胆2的两端分别与上端盖3和下端盖4密封连接，并且在反应釜本体1内壁与内胆2外壁之间形成密封环空，所述上端盖3和下端盖4上，对应内胆2的位置分别设置有出气口、进气口；

所述内胆2采用尼龙材质，采用双尼龙夹层结构。双尼龙夹层内层内壁分布4层64个电极测点5，电极测点5穿透双尼龙夹层内层，电极测点5是宽高比为1:2的长方形电阻板材，每层16个电极测点5沿内胆2的圆周方向均匀分布，4层电极测点5分别分布在内筒1/5、2/5/、3/5、4/5位置处，双尼龙夹层内层外壁对应的电极测点5的位置封装有专用深海高压低温16芯电缆，电缆封装后穿入内筒与反应釜内壁之间的环空，电缆穿过上端盖3，通过航空接头，接到反应釜外面的电阻层析成像系统上，作为实验过程中测量沉积物中水合物饱和度的主要手段。所述的反应釜内胆2采用端面自带密封换装结构，与端盖之间的连接采用两层钢圈紧扣，实现自密封；所述内胆2中填充有饱和沉积物；所述内胆2下部设置一多孔网板6，内胆2底部、侧壁与多孔网板6之间的空间为作为气室，气室内设计加热盘管。实际实验过程中，气室内充满甲烷气体且保证此处始终充满恒定压力的气体，模拟气体向上渗漏的过程，并且设置加热盘管防止此处水合物大面积生成而影响后续实验，多孔网板6保证气体向上均匀渗漏，尽可能保证沉积物中可燃冰均匀生成；内胆2高度是十字板探头8高度的20倍，一次合成水合物沉积物能进行多次剪切实验。所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转支架15，方便实验结束后，将内胆2中的沉积物倾倒出来。

所述供气子系统包括甲烷气瓶。

所述冷却子系统包括换热器和低温水箱，其中，换热器为气体热交换器，所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆2中，实际实验过程中，甲烷气体通过气体质量流量计的控制，通过气体热交换器然后通入内胆2中。保证气体进入内胆2时的温度已经满足合成天然气水合物的预设温度，相当于提高了环空中围压液的冷却效果。所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口，上部设置有环空的出水口，所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空，并由环空的出水口流出进入低温水箱内。低温水箱内的水主要是对内胆2中沉积物的温度进行控制，低温水箱内的水经过气体热交换器后由环空的进水口进入环空，对反应釜本体1进行冷却后，经由环空的出水口进入低温水箱，循环往复不断对内胆2中的沉积物进行冷却，克服了常规恒温箱气浴冷却过程引起的冷却效率较低的难题。通过上述气体和液体的控温，达到了对反应釜中的沉积物控温的目的。

所述十字板剪切探杆7子系统包括十字板剪切探杆7、标准十字板探头8、扭转步进电机9、贯入电机10和拉线编码器11。

所述上端盖3上，对应内胆2的位置设置有通孔，所述十字板剪切探杆7设置在通孔内，能够沿通孔上下滑动，并与通孔之间密封配合，所述标准十字板探头8安装在十字板剪切探杆7的下端，具体地，所述十字板剪切探杆7与标准十字板探头8尾部等直径，标准十字板探头8尾部加工锥头公螺纹反丝丝扣，所述十字板剪切探杆7下端加工与标准十字板探头8尾部螺纹反丝对应的母头螺纹反丝丝扣，反丝丝扣拧紧配合，实际十字板探头8扭剪沉积物过程中保证十字板探头8与探杆之间不发生相对转动。采用锥头反螺纹的另外一个优势是：锥头螺纹气密性好，能够密封十字板剪切探杆7与标准十字板探头8之间的空隙，防止实际实验过程中气体通过该连接处漏出反应釜。标准十字板探头8和十字板剪切探杆7是进行含水合物沉积物剪切的关键部件。其中，十字板探头8为十字板剪切试验的核心部件，是现有技术中成熟的探头，主要由十字板测试头、扭力传感器组成。十字板测试头由高强度双相不锈钢制成，在复杂的沉积物酸碱性条件下，可以有效地做到抗酸、碱腐蚀。因为系统测试对象为含天然气水合物的沉积物，所以在常规的电测试十字板基础上，利用成熟的深海低温传感器技术，进行了消除了零点温度漂移、降低探头的常规工作温度区间等低温化，提高传感器外壳密封等级，使之可以在天然气水合物形成的温度区间，和30MPa压强下可靠工作。

海洋含水合物沉积物模拟反应釜子系统与十字板剪切子系统配合的关键是十字板剪切探杆7与反应釜上端盖3之间的密封：实际实验过程中，水合物合成之前，标准十字板探头8预先与反应釜上端盖3的密封连接，十字板探头8的尾部通过上端盖3伸出反应釜，上端盖3与十字板探头8尾部之间采用三重密封环密封，可以承受高压条件下十字板探头8的扭转密封和上下滑动密封。

所述含水合物沉积物模拟反应釜子系统中的反应釜内筒内径与十字板探头8尺寸的关系为：D>10d(D为反应釜内筒内径，d为十字板探头8外切圆直径)，保证十字板剪切过程中不受胶桶边界效应的影响。

所述反应釜上固定连接有反力支撑架12，所述扭转步进电机9和贯入电机10设置在反力支撑架12上，所述反力支撑架12为一金属钢架结构，主要作用是固定反应釜、扭转步进电机9和贯入电机10，并提供扭转电机和贯入电机10对十字板剪切探杆7作用时所需要的反力。所述扭转步进电机9能够带动十字板剪切探杆7转动，扭转步进电机9用于对十字板剪切探杆7施加扭转力并记录扭力值的大小；所述贯入电机10能够带动十字板剪切探杆7上下运动，贯入电机10用于对十字板剪切探杆7施加下压和上提力，使标准十字板探头8压入含水合物沉积物或者从沉积物中提取出。具体地，所述支撑架上，沿十字板剪切探杆7的贯入方向设置有导杆13，所述导杆13上连接有滑块14，所述十字板剪切探杆7的上端与滑块14连接，导杆13的主要作用是保证十字板剪切探杆7贯入过程中居中。所述贯入电机10设置在反力支撑架12上，贯入电机10的转轴通过行星滚珠丝杠与滑块14连接，贯入电机10的转轴转动能够带动滑块14沿导杆13上下滑动，所述扭转步进电机9设置在滑块14上，扭转步进电机9通过扭力传送杆带动十字板剪切探杆7转动。所述拉线编码器11的本体设置在贯入电机10上，所述拉线编码器11的金属丝线连接在标准十字板探头8上。所述拉线编码器11用于记录十字板剪切探杆7压入沉积物中的深度，从而建立十字板剪切结果与沉积物所对应的深度位置的关系。拉线编码器11固定在贯入电机10下部，随着十字板剪切探杆7被压入含水合物沉积物，拉线编码器11丝线长度增大，丝线长度回传到数据采集监控子系统，从而记录标准十字板探头8在沉积物中的深度位置。

所述十字板剪切探杆7为高强度空心杆，十字板剪切探杆7内部同时穿过拉线编码器11金属丝线和电缆，拉线编码器11丝线和电缆分别与十字板探头8连接。所述电缆为高压低温电缆，电缆穿过十字板剪切探杆7连接标准十字板探头8，外部连接数据采集监控子系统，用于传输十字板剪切过程中的扭转角度、扭剪力参数。

所述数据采集监控子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪，所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆2中的温度和压力信息，所述十字板剪切数据采集仪和标准十字板探头8电连接，所述电阻层析成像检测仪和各电极电连接，所述拉线编码器11、扭转步进电机9、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。

所述数据采集监控量测子系统主要监测数据为水合物沉积物的温度-压力数据、水合物沉积物内部的电阻层析成像数据、十字板的剪应力及扭转角数据、拉线编码器11深度数据。其中温度-压力监控的主要目的是保证水合物沉积物制样过程中的水合物合成效果，电阻层析成像数据监测的主要目的是反算沉积物内部的含水合物饱和度，十字板剪应力-扭转角数据是本实验所求解的关键数据，拉线编码器11深度数据是建立含水合物饱和度--剪切强度关系曲线的桥梁。数据采集监控子系统的软件部分主要负责记录上述硬件传回的数据并进行预处理、做可视化呈现。

实施例2

对应实施例1中的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，实施例2提供一种水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量方法，包括：

S1.装样：将十字板探头8从反应釜上端盖3的内部穿出，安装反应釜的其他结构，向内胆2中填装含有一定水饱和度的沉积物，分层压实，至距上端盖325.4mm的高度，然后将十字板探头8和反应釜上端盖3安装；

与常规含水合物沉积物室内模拟实验装样过程不同，本发明在装样过程中，保证内筒上部不完全填满，预留空间高度为标准十字板探头8的剪切板头高度。此装样法的最大优势是：(1)用预留空间中充满的气体模拟实际海底沉积物所承受的上浮海水压力，避免由于反应釜端盖硬壁面直接对沉积物加压时造成与实际地层受力情况不一致的现象；(2)避免十字板在水合物生成期间已经置于沉积物内部时造成的沉积物中水合物的生成造成十字板与沉积物之间的“胶结”；(3)预留空间作为气体缓冲空间，在后续步骤中模拟气体向上渗漏过程中防止气体直接将沉积物冲出反应釜。

S2.合成含水合物沉积物：连接换热器、低温水箱和甲烷气瓶，甲烷气体首先经过换热器控温，然后通过下端盖4上的进气口注入内胆2气室，并控制气室内压力一定，使其自然向上渗漏；同时开启低温水箱内的水经过换热器控温，进入环空内，循环对内胆2中的沉积物进行冷却；

合成含水合物沉积物：与常规含水合物沉积物物性参数室内模拟方案不同，本发明采用循环制样法生成水合物。通过冷却与缓缓注入甲烷气体，形成了甲烷气体在沉积物内部向上渗漏过程中会逐渐形成水合物。

采用循环制样法的主要好处是：克服常规静态制样(甲烷气体不循环)中水合物生成效率低下的难题，并且保证水合物生成过程与实际地层的气体渗漏过程尽可能相似，保证沉积物中的水合物生成模式与实际地层一致。

S3.监测水合物生成情况：每隔1～1.5h，通过电阻层析成像检测仪，反复测量直到内胆2中的水合物合成完毕；

具体为：每隔1～1.5h，启动电阻层析成像检测仪，测量反应釜内筒不同高度处的电阻层析成像情况，然后汇总处理，形成电阻率成像的三维空间分布图像；经过阿尔奇公式，换算出含水合物饱和度的三维空间分布，利用已知的电阻层析成像测点位置建立含水合物饱和度与深度的关系；当连续3次测量结果不变时，认为沉积物中的水合物合成完毕，转入接下来的步骤；

S4.十字板剪切实验：安装十字板剪切探杆7子系统，对内胆2中的含水合物沉积物不排水抗剪强度测试，得到不排水抗剪强度-深度的对应关系；

此步骤是进行含水合物沉积物不排水抗剪强度测试的关键步骤，此步骤主要包含以下具体分步骤；

S41.连接十字板剪切探杆7、扭转步进电机9、贯入电机10、拉线编码器11等硬件；

S42.设定贯入电机10转速，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆7，同时记录拉线编码器11的深度；当十字板探头8压入到沉积物中设定深度后，停止贯入；

S43.设定扭转电机转速，启动扭剪参数采集仪，开始剪切实验，实时记录十字板探头8的扭矩与扭转角参数，形成扭转力-扭转角关系曲线，直到沉积物发生破坏；

S44.再次启动贯入电机10，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆7，同时记录拉线编码器11的深度；当十字板探头8的压入深度超过十字板探头8剪切板头高度的1.5倍行程后，停止贯入；

S45.重复步骤S41～S44，直到十字板探头8压入深度距离反应釜内部下端气室的距离小于1.5倍的十字板探头8剪切板头距离，认为完成了全部剪切过程。

经过步骤S41～S45，可以完成同一沉积物中不同深度的十字板剪切实验，并可以获得不排水抗剪强度-深度的对应关系。

S46.反转贯入电机10，从沉积物中起出十字板探头8，结束实验。

特别的，在步骤S44中，必须保证探头被压入沉积物的距离大于十字板探头8剪切板头高度的1.5倍。这是因为在上次剪切过程中，由于十字板剪切的下边界效应，可能导致紧靠上次剪切部位的沉积物已经发生了变形或破坏，此压入深度的主要目的是避免下一次剪切结果受上一次剪切过程的扰动，保证每次测量结果不互相干扰。

S5.含水合物饱和度-不排水抗剪强度对应关系的建立：利用步骤S3获得的含水合物饱和度-深度关系和步骤S4获得的不排水抗剪强度-深度的对应关系，统一中间参数——深度，建立含水合物饱和度-不排水抗剪强度的关系。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于，包括水合物储层模拟反应釜子系统、供气子系统、冷却子系统、十字板剪切探杆子系统和数据采集监控量测子系统；

所述水合物储层模拟反应釜子系统包括反应釜，所述反应釜包括反应釜本体，所述反应釜本体上下两端分别设置有上、下端盖，所述反应釜本体内设置有内胆，所述内胆的两端分别与上、下端盖密封连接，并且在反应釜本体内壁与内胆外壁之间形成密封环空，所述上、下端盖上，对应内胆的位置分别设置有出气口、进气口；所述内胆中填充有饱和沉积物；所述内胆为双层尼龙夹层结构，双尼龙夹层内层内壁均匀设置至少3层电极，每层包括至少4个沿内胆圆周方向均匀分布的电极测点，所述双尼龙夹层内层外壁，对应电极测点的位置，封装有与电极测点相连的电缆，所述电缆穿入环空并穿过上端盖连接到电阻层析成像检测仪上；所述内胆的下部设置有一多孔网板；

所述供气子系统包括甲烷气瓶；

所述冷却子系统包括换热器和低温水箱，所述甲烷气瓶中的甲烷通过换热器冷却后由进气口通入到内胆中，所述反应釜的侧壁下部设置有环空的进水口，上部设置有环空的出水口，所述低温水箱内的水通过换热器冷却后由环空的进水口进入环空，并由环空的出水口流出进入低温水箱内；

所述十字板剪切探杆子系统包括十字板剪切探杆、十字板探头、扭转步进电机、贯入电机和拉线编码器；所述上端盖上，对应内胆的位置设置有通孔，所述十字板剪切探杆设置在通孔内，能够沿通孔上下滑动，并与通孔之间密封配合，所述十字板探头安装在十字板剪切探杆的下端；所述反应釜上固定连接有反力支撑架，所述扭转步进电机和贯入电机设置在反力支撑架上，所述扭转步进电机能够带动十字板剪切探杆转动，所述贯入电机能够带动十字板剪切探杆上下运动，所述拉线编码器的本体设置在贯入电机上，所述拉线编码器的金属丝线连接在十字板探头上；

所述数据采集监控量测子系统包括数据采集监控计算机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪、电阻层析成像检测仪，所述温度传感器和压力传感器分别用于检测内胆中的温度和压力信息，所述十字板剪切数据采集仪和十字板探头电连接，所述电阻层析成像检测仪和各电极测点电连接，所述拉线编码器、扭转步进电机、温度传感器、压力传感器、十字板剪切数据采集仪和电阻层析成像检测仪分别与数据采集监控计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述内胆的高度设置为十字板探头高度的20倍，所述内胆内径与十字板探头尺寸的关系为：D>10d，其中，D为反应釜内筒内径，d为十字板探头外切圆直径。

3.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述十字板剪切探杆与十字板探头尾部等直径，十字板探头尾部加工锥头公螺纹反丝丝扣，所述十字板剪切探杆下端加工与十字板探头尾部螺纹反丝对应的母头螺纹反丝丝扣，反丝丝扣拧紧配合。

4.根据权利要求3所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于，所述十字板剪切探杆为高强度空心杆，十字板剪切探杆内部同时穿过拉线编码器金属丝线和电缆，拉线编码器丝线和电缆分别与十字板探头连接。

5.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述支撑架上，沿十字板剪切探杆的贯入方向设置有导杆，所述导杆上连接有滑块，所述十字板剪切探杆的上端与滑块连接；所述贯入电机设置在反力支撑架上，贯入电机的转轴通过行星滚珠丝杠与滑块连接，贯入电机的转轴转动能够带动滑块沿导杆上下滑动，所述扭转步进电机设置在滑块上，扭转步进电机通过扭力传送杆带动十字板剪切探杆转动。

6.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述上端盖的通孔内，与十字板剪切探杆配合处设置有三层密封环。

7.根据权利要求1所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述水合物储层模拟反应釜子系统还包括用于翻转反应釜的翻转支架。

8.水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量方法，其特征在于，包括：

S1.装样：将十字板探头从反应釜上端盖的内部穿出，安装反应釜的其他结构，向内胆中填装含有一定水饱和度的沉积物，分层压实，至距上端盖25.4mm的高度，然后将十字板探头和反应釜上端盖安装；

S2.合成含水合物沉积物：连接换热器、低温水箱和甲烷气瓶，甲烷气体首先经过换热器控温，然后通过下端盖上的进气口注入内胆气室，并控制气室内压力一定，使其自然向上渗漏；同时开启低温水箱内的水经过换热器控温，进入环空内，循环对内胆中的沉积物进行冷却；

S3.监测水合物生成情况：每隔1～1.5h，通过电阻层析成像检测仪，反复测量直到内胆中的水合物合成完毕；

S4.十字板剪切实验：安装十字板剪切探杆子系统，对内胆中的含水合物沉积物不排水抗剪强度测试，得到不排水抗剪强度-深度的对应关系；

S5.含水合物饱和度-不排水抗剪强度对应关系的建立：利用步骤S3获得的含水合物饱和度-深度关系和步骤S4获得的不排水抗剪强度-深度的对应关系，统一中间参数——深度，建立含水合物饱和度-不排水抗剪强度的关系。

9.根据权利要求8所述的水合物沉积物不排水抗剪强度连续测量装置，其特征在于：所述步骤S4具体包括，

S41.连接十字板剪切探杆、扭转步进电机、贯入电机、拉线编码器等硬件；

S42.设定贯入电机转速，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆，同时记录拉线编码器的深度；当十字板探头压入到沉积物中设定深度后，停止贯入；

S43.设定扭转电机转速，启动扭剪参数采集仪，开始剪切实验，实时记录十字板探头的扭矩与扭转角参数，形成扭转力-扭转角关系曲线，直到沉积物发生破坏；

S44.再次启动贯入电机，匀速缓慢向沉积物中压入十字板剪切探杆，同时记录拉线编码器的深度；当十字板探头的压入深度超过十字板探头剪切板头高度的1.5倍行程后，停止贯入；

S45.重复步骤S41～S44，直到十字板探头压入深度距离反应釜内部下端气室的距离小于1.5倍的十字板探头剪切板头距离，认为完成了全部剪切过程；

S46.反转贯入电机，从沉积物中起出十字板探头，结束实验。