CN109752257B - 带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置及方法，装置包括动三轴压力室，动三轴压力室包括：上端盖、筒体和下端盖；在筒体内设有用于装试样的试样台，在试样台上下方分别设有上压头和下压头，上压头连接液压泵站，利用上压头对试样进行动态加载；上压头和下压头上还分别设有对试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，下压头还设有对试样进行电阻率测试的电极；下端盖上设有超声波扫描装置和环形轨道，超声波扫描装置沿环形轨道绕试样台移动，对试样进行超声波扫描。本发明结构简单、操作简便、可靠性好，具有超声扫描功能，在力学试验时，对试样产生的裂隙以及试样的破坏形态进行快速记录和定位。
Description
技术领域
本发明涉及动三轴实验装置技术领域，尤其涉及一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其主要功能是在进行天然气水合物动态三轴压缩实验过程中对天然气水合物沉积物产生的微小裂隙以及破坏形态进行实时记录和扫描。
背景技术
大约27％陆地(主要在冻土层)及90％海域中都含有天然气水合物，天然气水合物沉积物在复杂的工程中经历复杂的应力环境，当荷载达到一定的程度时，试样内部会出现一些微小的裂隙。往往这些微小的裂隙对天然气水合物沉积物的力学性质有较大的影响。
为了解天然气水合物力学性质可以从常规三轴压缩实验入手，然而常规的三轴压缩实验只能模拟试样在静荷载作用下的受力情况，由于实际自然界中的水合物储层都处在一个动态作用的环境中，比如地震、海平面升降或者人为扰动(钻井和开采)等。因而含水合物地层力学性质，尤其是动态载荷作用下的水合物地层力学性质，对突破天然气水合物钻井技术和安全开采技术非常重要。通过天然气水合物沉积物动三轴压缩实验可以做到以上要求，但因为试样通常为圆柱状，天然气水合物沉积物动三轴实验时，产生的裂隙往往不规则的分布在圆柱立面圆。当拆样时，可能会得到比较松散的天然气水合物沉积物样品，但是对试验过程中产生的裂隙以及破坏形态成为实验环节中的盲区。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置及方法，结构简单、操作简便、可靠性好，具有超声扫描功能，在力学试验时，能对试样产生的裂隙以及试样的破坏形态进行快速记录和定位。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，包括：动三轴压力室，所述动三轴压力室包括：上端盖、筒体和下端盖；
在所述筒体内设有用于装试样的试样台，在所述试样台和上端盖之间设有上压头，在所述试样台和下端盖之间设有下压头，利用连接有液压泵站的所述上压头对试样进行动态加载；
所述上压头和下压头上还分别设有对试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，所述下压头还设有对试样进行电阻率测试的电极；
所述下端盖上设有超声波扫描装置和环形轨道，所述超声波扫描装置沿环形轨道绕试样台移动，对试样进行超声波扫描。
进一步地，所述上压头下部设有第一温度传感器、第一压力传感器，所述下压头下部设有第二温度传感器、第二压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器分别用于测量试样的上、下两端的孔隙压力，所述第一温度传感器、第二温度传感器分别用于测量试样上、下两端的温度。
进一步地，所述下端盖的一端设有第三压力传感器，所述下端盖的另一端分别设有第三温度传感器和第四温度传感器，所述第三压力传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别用于测量试样之外的孔隙压力和温度。
进一步地，所述上压头上部设有位移传感器和第四压力传感器，通过所述位移传感器和第四压力传感器分别测量其轴向位移和压力。
进一步地，所述超声扫描装置包括超声底座，在所述超声底座的顶面设有若干个超声探头，在所述底座的底面设有轨道轮，并由驱动装置驱动。
进一步地，所述超声探头包括：发射探头和接收探头，通过所述发射探头向被测试样发射超声波检测信号，由被测试样反射的超声波信号被接收探头接收。
进一步地，所述超声探头外接信号处理设备，利用信号处理设备对采集的信号数据进行处理并储存，获取被测试样的裂隙定位。
进一步地，所述上压头和下压头分别通过液压管路与液压泵站连接，其中与上压头连接的液压管路上还设有控制阀，以控制液压油的流量和方向。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：利用上述所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置进行实验的方法，包括如下步骤：
步骤S1：合成天然气水合物沉积物的试样；
步骤S2：对天然气水合物沉积物的试样进行动态加载，并同时进行波速和电阻率测试以及超声波扫描。
进一步地，步骤S2具体还包括：
S21：装试样：把合成好的天然气水合物沉积物试样放入所述试样台内，并保证试样平稳；
S22：波速和电阻率测试及超声波扫描：利用所述上压头对试样进行动态加载，通过所述下压头的电极进行电阻率测试，通过所述上压头的声波接收装置和下压头的声波发射装置对试样进行纵横波测试实验，同步地，控制所述超声扫描装置沿环形轨道绕试样台移动，通过所述超声扫描装置对试样圆周立面进行扫描。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本试验装置不同于常规天然气水合物沉积物三轴压缩装置，可以进行动态加载，真实有效的模拟海底动态受力环境等；(2)本发明结构简单、操作简单，仅需对现有天然气水合物沉积物动三轴实验装置进行简单改造，加入超声扫描功能，快速有效的对试样裂隙定位。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的A-A剖视图；
图3为本发明的超声扫描装置的结构示意图；
图4为本发明的超声探头在超声底座的布置示意图；
图5为本发明的实验方法流程图。
其中，1-顶盖、2-活塞、3-上端盖、4-上压头、5-试样台、6-下压头、7-第四温度传感器、8-下端盖、9-第三温度传感器、10-第一温度传感器、11-第一压力传感器、12-声波接收装置、13-第三压力传感器、14超声波扫描装置、14.1-超声底座、14.2-发射探头、14.3-接收探头、14.4-轨道轮、14.5-驱动装置、15-环形轨道、16-下立轴、17-底座、18-声波发射装置、19-第二压力传感器、20-第二温度传感器、21-筒体、22-液压管路、23-控制阀、24-电极、25-第四压力传感器、26-动三轴压力室、27-液压泵站、28-位移传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，包括：动三轴压力室26，分别位于所述动三轴压力室26上、下方的顶盖1和底座17。
所述动三轴压力室26包括上端盖3、下端盖8和筒体21，所述下端盖8通过下立轴16固定于底座17上。在所述筒体21内设有试样台5，所述试样台5的上、下分别设有上压头4和下压头6，在所述试样台5中添加试样，例如，所述试样台5包括上、下两个托台，试样置于两个托台之间。所述上压头4和下压头6均通过液压管路22与液压泵站27连接，通过振动的上压头4来模拟地震、海平面升降或者钻井和开采等人为扰动。与所述上压头4连接的液压管路22上设有控制阀23，控制液压管路22中的液压油的流量和方向，对所述试样台5中的试样进行动态加载控制。
所述上压头4上部设有位移传感器28和第四压力传感器25，通过所述位移传感器28和第四压力传感器25分别测量其轴向位移和压力。所述下压头6可以通过液压管路22与液压泵站27连接，可以通过液压泵站27控制下立轴16来调节筒体21的升降。
所述上压头4通过活塞2密封，所述活塞2与上端盖3相连，并穿过上端盖7与顶盖1连接，所述上压头4下部设有第一温度传感器10、第一压力传感器11和声波接收装置12，所述下压头6上部设有第二温度传感器20、第二压力传感器19、声波发射装置18和电极24，所述第一压力传感器11、第二压力传感器19分别用于测量试样的上、下两端的孔隙压力，所述第一温度传感器10、第二温度传感器20分别用于测量试样上、下两端的温度。所述声波接收装置12和声波发射装置18用于对试样进行纵横波测试，所述电极24用于对试样进行电阻率测试。
所述下端盖8的一端设有第三压力传感器13，所述下端盖8的另一端分别设有第三温度传感器9和第四温度传感器7。所述第三压力传感器13、第三温度传感器9和第四温度传感器7分别用于测量试样之外的孔隙压力和温度。
所述下端盖8上还设有超声波扫描装置14和环形轨道15，如图2-4所示，所述超声扫描装置14包括超声底座14.1，在所述超声底座14.1的顶面设有若干个超声探头，所述超声探头包括：发射探头14.2和接收探头14.3，所述发射探头14.2和接收探头14.3呈矩阵排列，例如，采用有4*8二维阵列，上两行、后两行分别为接收探头14.3和发射探头14.2。所述底座14.1的底面设有轨道轮14.4，并由驱动装置14.5驱动(驱动装置14.5在图中未示出)，例如，所述驱动装置14.5可以采用步进电机，经其传动机构带动所述轨道轮14.4，可以采用有线或无线的方式对所述驱动装置14.5进行控制。通过所述发射探头14.2向被测试样发射超声波检测信号，由被测试样反射的超声波信号被接收探头14.3接收，从而可以根据反射的超声波信号来判断被测试样的内部是否有缺陷，通过与之配套的设备和软件可实现时实成像、三维显示等功能。例如，所述超声探头可外接(例如，通过有线或无线的方式)信号处理设备(如PLC)，利用信号处理设备(例如，其中的处理软件)对采集的信号数据进行处理(例如，合成孔径处理)并储存，然后进行下一个位置的扫描成像。
如图5所示，本发明的实施例提供了一种带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验方法，利用本发明的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，包括如下步骤：
步骤S1：合成天然气水合物沉积物的试样；
步骤S2：对天然气水合物沉积物的试样进行动态加载，并同时进行波速和电阻率测试以及超声波扫描；
步骤S3：对动态加载获取的力学参数(包括通过各压力传感器获取的压力、位移传感器获取的位移等参数)和波速(包括通过声波接收装置和声波发射装置分别获取的纵波波速和横波波速)建立映射关系，对测试的电阻率值计算获得试样的饱和度值，并与波速关联，得到波速与饱和度之间的映射关系，基于力学参数与波速的映射关系、波速与饱和度的映射关系，建立力学参数与饱和度的函数关系，并通过超声波扫描的结果对试样的裂隙定位。
在步骤S1中合成天然气水合物沉积物的试样，具体操作如下：
S11：装试样：将沉积物骨架试样(例如，直径50mm，高度100mm)放入所述试样台5中，并密封所述动三轴压力室26；
S12：抽真空：对沉积物骨架试样进行抽真空处理(例如，通过真空泵)；
S13：围压加载：对沉积物骨架试样进行围压(例如，设置压力10-15MPa)预加载；
S14：低温冷却循环：对所述动三轴压力室26进行恒温冷却，达到水合物合成所需的温度；
S15：注入水和气：待各温度传感器(包括第一温度传感器10、第二温度传感器20、第三温度传感器9、第四温度传感器7)的读数达到设定温度且不再变化后，将纯净水注入(例如，通过平流泵和活塞容器)到沉积物骨架试样的孔隙中；注水结束后，再将高纯度甲烷气体(例如，储存于天然气瓶中的)注入(例如，通过气体增压泵和流量计)到沉积物骨架试样的孔隙中，并控制注入的气体流量和压力(例如，通过流量计和增压泵上的压力表分别控制其流量和压力)；
S16：合成水合物沉积物：在设定温度条件下，静置试样一段时间(例如，10h-18h)，当各压力传感器(包括第一压力传感器11、第二压力传感器19、第三压力传感器13)的读数不再变化时，表示沉积物骨架试样中的水合物已经合成。
在步骤S2中对合成的天然气水合物沉积物试样进行动态加载，并同时进行波速和电阻率测试以及超声波扫描，具体操作如下：
S21：装试样：把合成好的天然气水合物沉积物试样放入所述试样台5内，并保证试样平稳；
S22：波速和电阻率测试以及超声波扫描：对试样进行动态加载，动态加载通过所述上压头4的振动来实现，所述下压头6的电极24进行电阻率测试，通过所述上压头4的声波接收装置12和下压头6的声波发射装置18可以对试样进行纵横波测试实验；同步地，利用所述超声波扫描装置对试样进行实时超声波扫描。
在步骤S22中对试样进行实时超声波扫描，具体操作如下：
S221：涂耦合剂：在超声探头上涂上适量的耦合剂；因从所述发射探头14.2里发射出的超声波在空气中衰减的较为厉害，利用耦合剂来减轻超声波的衰减，以得到更好的图像；
S222：进行超声波扫描：从所述上压头4施加压力开始直至试样破坏后的这一阶段，同步对试样进行超声波扫描；加载实验经历的阶段包括：压密阶段，弹性阶段，峰前阶段和峰后阶段。
在步骤S222中进行超声扫描时：控制启动所述超声扫描装置14，使其一边沿所述环形轨道15绕试样台5移动，一边通过所述超声探头对试样台5中的试样圆周立面进行扫描，扫描信号可以有线或无线的形式发送外接的信号处理设备(如PLC)，扫描完成后由信号处理设备对数据进行合成孔径处理并储存，然后进行下一个位置的扫描成像。具体地，还可根据需要对数据进一步处理得到各种图像，还可将数据三维融合，进行三维显示，包括裂纹的走向、含水含气孔洞的形状、各种介质的交界面可以在与信号处理设备连接的显示器中以图像形式显示或者通过连接的打印机打印出来。
在步骤S3中，对动态加载获取的各压力传感器获取的压力、位移传感器获取的位移等参数，计算获取动态模量、动态泊松比等力学参数，结合通过声波接收装置和声波发射装置分别获取的纵波波速和横波波速，通过数值拟合方法建立力学参数与声波波速之间的映射关系；将计算的水合物饱和度与声波测量获得的纵波波速和横波波速分别关联，得到波速与水合物饱和度之间的映射关系；再通过获得的力学参数与声波波速之间的映射关系以及波速与水合物饱和度之间的映射关系，建立力学参数与水合物饱和度之间的函数关系。通过水合物饱和度与地层力学性质之间的函数关系，通过水合物试样测试可以获得较为准确的力学性质与水合物饱和度的关系，用于实际的电阻率、声波中评价地层力学性质或者数值模拟分析评价水合物地层井壁或者地层稳定性，从而为水合物安全勘探与开发提供理论支撑和技术指导。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本试验装置不同于常规天然气水合物沉积物三轴压缩装置，可以进行动态加载，真实有效的模拟海底动态受力环境等；(2)本发明结构简单、操作简单，仅需对现有天然气水合物沉积物动三轴实验装置进行简单改造，加入超声扫描功能，快速有效的对试样裂隙定位。
值得说明的是：在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。值得说明的是：在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设有”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其特征在于：包括：动三轴压力室，所述动三轴压力室包括：上端盖、筒体和下端盖；
在所述筒体内设有用于装试样的试样台，在所述试样台和上端盖之间设有上压头，在所述试样台和下端盖之间设有下压头，利用连接有液压泵站的所述上压头对试样进行动态加载；
所述上压头和下压头上还分别设有对试样进行纵横波测试的声波接收装置和声波发射装置，所述下压头还设有对试样进行电阻率测试的电极；
所述下端盖上设有超声波扫描装置和环形轨道，所述超声波扫描装置沿环形轨道绕试样台移动，对试样进行超声波扫描；
所述上压头下部设有第一温度传感器、第一压力传感器，所述下压头上部设有第二温度传感器、第二压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器分别用于测量试样的上、下两端的孔隙压力，所述第一温度传感器、第二温度传感器分别用于测量试样上、下两端的温度；
所述下端盖的一端设有第三压力传感器，所述下端盖的另一端分别设有第三温度传感器和第四温度传感器，所述第三压力传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别用于测量试样之外的孔隙压力和温度；
所述上压头上部设有位移传感器和第四压力传感器，通过所述位移传感器和第四压力传感器分别测量其轴向位移和压力。
2.根据权利要求1所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其特征在于：所述超声扫描装置包括超声底座，在所述超声底座的顶面设有若干个超声探头，在所述底座的底面设有轨道轮，并由驱动装置驱动。
3.根据权利要求2所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其特征在于：所述超声探头包括：发射探头和接收探头，通过所述发射探头向被测试样发射超声波检测信号，由被测试样反射的超声波信号被接收探头接收。
4.根据权利要求2所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其特征在于：所述超声探头外接信号处理设备，利用信号处理设备对采集的信号数据进行处理并储存，获取被测试样的裂隙定位。
5.根据权利要求1所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置，其特征在于：所述上压头和下压头分别通过液压管路与液压泵站连接，其中与上压头连接的液压管路上还设有控制阀，以控制液压油的流量和方向。
6.利用权利要求1所述的带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置进行实验的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：合成天然气水合物沉积物的试样；
步骤S2：对天然气水合物沉积物的试样进行动态加载，并同时进行波速和电阻率测试以及超声波扫描。
7.根据权利要求6所述的利用带超声扫描的天然气水合物沉积物动三轴实验装置进行实验的方法，其特征在于：步骤S2具体还包括：
S21：装试样：把合成好的天然气水合物沉积物试样放入所述试样台内，并保证试样平稳；
S22：波速和电阻率测试及超声波扫描：利用所述上压头对试样进行动态加载，通过所述下压头的电极进行电阻率测试，通过所述上压头的声波接收装置和下压头的声波发射装置对试样进行纵横波测试实验，同步地，控制所述超声扫描装置沿环形轨道绕试样台移动，通过所述超声扫描装置对试样圆周立面进行扫描。
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