CN109827829A - 一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，属于岩土工程领域。该装置包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、压力控制系统、温度控制系统和计算机数据采集系统。压力控制系统提供天然气水合物沉积物试样试验所需孔隙压力、试样传输过程中试样上方压力、维持天然气水合物沉积物围压；温度控制系统内液压油的温度和试样保温保压转盘内试样的温度；试样制备和转移系统用于原位生成水合物沉积物试样、保存试样和向三轴仪主机内输送试样；计算机数据采集系统采集、处理数据。本发明实现了水合物沉积物低温高压三轴试验的简便化和快速化，能同时原位生成并保存多个试样，短时间内获得多个力学特性实验数据，利于实验结果的对比和分析。

Description

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置

技术领域

本发明涉及一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，属岩土工程领域。

背景技术

天然气水合物具有分布广、资源量大、埋藏浅、能量密度高、洁净等优点，被认为是地球上尚未开发的最大未知能源库、是21世纪最理想、具有商业开发前景的新能源，它的开发利用将是世界各国未来的努力方向。然而，天然气水合物的开发涉及潜在的安全问题。天然气水合物勘探与开采过程中，水合物分解会造成沉积层胶结结构破坏，从而影响地层的稳定性，容易造成地层沉降、变形、海底滑坡等地质灾害。评估天然气水合物开采过程储层稳定性，需要对水合物沉积层的力学特性进行大量的分析，充分了解水合物沉积物的强度与变形特性。

各国学者及研究机构大多采用三轴试验仪研究天然气水合物沉积物的力学特性。大连理工大学等在传统三轴试验仪的基础上，通过增加低温控制系统和注气、注水系统，实现了对天然气水合物沉积物宏观力学特性的测量ZL201110002804.1，ZL 201510264138.7。然而，天然气水合物沉积物试样制备需要较长的时间＞24h，若采用在三轴仪内原位生成试样的方法，对装置的温度、压力控制精度和密封性提出了较高的要求，实验过程和操作比较繁琐，实验效率较低；同时，由于每个试样都是单独制备，在人工和环境因素的影响下，可能导致每个试样的差异性较大，影响实验结果的对比和分析。

发明内容

为了克服上述现有的天然气水合物三轴试验仪的不足，本发明提供一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置。该装置不仅能满足天然气水合物沉积物试样的力学特性试验要求，还能同时原位合成、保存多个天然气水合物沉积物样品，可以在较短的时间内获得多个试样的力学特性实验数据，实现天然气水合物沉积物力学特性的连续测量，减少实验数据的离散型，利于实验结果的对比和分析。

本发明解决上述不足所采用的技术方案是：

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、温度控制系统、压力控制系统和计算机数据采集系统；

所述三轴仪主机包括三轴仪框架、底盘4、压力室8、提升丝杠6、负荷传感器7、橡皮膜9、试样下压头10和轴向加载系统；所述底盘4位于三轴仪主机的底部，底盘4的中心设有通孔，用于试样输送；所述压力室8是底面无遮挡、顶面设有开口的空体结构，其通过密封圈密封固定在底盘4上；压力室8与底盘4之间通过两侧固定在三轴仪框架上的提升丝杠6实现压紧固定；压力室8内部自上而下依次设置负荷传感器7、橡皮膜9和试样下压头10，负荷传感器7、橡皮膜9和试样下压头10相互之间紧密接触；所述轴向加载系统包括伺服电机A1a和加载丝杠5；所述伺服电机A1a位于三轴仪主机顶部、三轴仪框架外部；加载丝杠5上端固定在伺服电机A1a的输出端，并依次穿过三轴仪框架和压力室8顶面的开口、与压力室8内部的负荷传感器7相接触，加载丝杠5与压力室8顶面的开口之间通过密封圈密封；伺服电机A1a带动加载丝杠5上下运动，为试样提供轴向压力；所述底盘4内部设置通道H和通道I，通道H的出口端高于通道I的出口端，通道H的出口对应于橡皮膜9外部的空腔，通道I的出口对应于试样下压头10；所述通道H和通道I用于连接压力控制系统，分别向压力室8送油加压和向试样施加孔压；所述压力室8的顶部设置排气口J，用于向压力室8送液压油时排出压力室8内的空气；

所述试样制备和转移系统位于三轴仪主机下方，试样制备和转移系统包括框架、伺服电机B1b、伺服电机C1c、试样保温保压转盘2、球阀3、高精度丝杆11和试样保存釜12；所述高精度丝杠11下端固定在伺服电机B1b的输出端，并依次穿过试样保温保压转盘2、试样保存釜12、球阀3、框架和底盘4的中心通孔，与试样下压头10下表面接触；所述试样保温保压转盘2内部安装多个试样保存釜12，其用于保存试样；所述球阀3与试样保存釜12相连，用于控制试样保存釜12和三轴仪主机的连通；所述伺服电机C1c通过固定在框架上的丝杆带动试样保温保压转盘2转动，使试样的位置对准三轴仪主机底盘4的中心通孔处，伺服电机B1b再通过高精度丝杠11将试样推送至三轴仪主机内；

所述温度控制系统包括水浴A13a、水浴B13b和连通管道；所述水浴A13a与压力室8通过管道E和管道F相连通，水浴A13a通过向压力室8循环输送冷却液来控制压力室8内液压油的温度；所述水浴B13b与试样保温保压转盘2通过管道C和管道D相连通，水浴B13b通过向试样保温保压转盘2循环输送冷却液来控制试样温度；

所述压力控制系统包括围压控制系统和孔压控制系统；其中，围压控制系统包括油箱18、油泵15、针阀b14b和柱塞泵A17a，所述柱塞泵A17a经通道H与三轴仪主机连通，油泵15将油箱18内的液压油通过针阀b14b控制经柱塞泵A17a注入到压力室8中，为试验提供液压油并保持围压；所述孔压控制系统包括柱塞泵B17b、柱塞泵C17c、甲烷气瓶20、水箱23和若干阀门；所述甲烷气瓶20经减压阀19后分别与柱塞泵B17b、柱塞泵C17c相连，并分别通过针阀控制；所述柱塞泵B17b、柱塞泵C17c分别通过针阀控制与水箱23相连；当试样原位生成水合物时，甲烷气瓶20中的甲烷气体经减压阀19和柱塞泵C17c沿管道B输入试样保存釜12中，为试样原位生成水合物提供气体原料；当向三轴仪主机输送试样时，甲烷气瓶20中的甲烷气体经减压阀19和柱塞泵B17b沿管道I输入压力室8中，并与液压油通过橡皮膜9隔开，同时控制柱塞泵A17a使液压油压力与甲烷气体压力达到平衡，当压力达到试样保存釜12内试样所处压力时，关闭减压阀19和甲烷气瓶20；当试样输送完成后，通过柱塞泵B17b来控制试样孔压；

所述计算机数据采集系统包括压力传感器、数据采集模块21和工控计算机22；所述压力传感器包括压力传感器A16a、压力传感器B16b和压力传感器C16c；其中，压力传感器A16a测试压力室8中液压油的压力，压力传感器B16b测量压力室8中甲烷气体的压力，压力传感器C16c测试试样压力；所述数据采集模块21与三轴仪主机、温度控制系统、压力控制系统连接，并将采集到的各类数据经处理后传输到工控计算机22，工控计算机22进行处理、显示并储存天然气水合物沉积物试样的力学特性。

进一步地，伺服电机A1a通过齿轮或传动皮带带动加载丝杠5。

进一步地，伺服电机B1b通过齿轮或传动皮带带动高精度丝杠11。

进一步地，伺服电机C1c通过齿轮或传动皮带带动固定在框架上的丝杆转动。

进一步地，三轴仪框架、压力室8、试样制备和转移系统的框架采用高强度铝合金材料制作。

本发明的有益效果：1)实现多个水合物沉积物试样同时原位生成和快速填装，可以连续开展水合物沉积物力学特性试验，减少人工操作步骤，提高试验效率；2)天然气水合物沉积物试样在相同温度、压力条件下生成，保证试样具有相同的初始饱和度和应力状态；同时，试样在同一三轴仪主机内开展力学特性实验，减少了实验数据的离散型；3)该装置可以用于保存天然气水合物岩心样品，并将其转移至三轴仪主机内开展力学特性研究，实现了天然气水合物天然岩心样品分析。

附图说明

图1是一种轮转式天然气水合物沉积物力学特性试验装置的工作原理图。

图2是一种轮转式天然气水合物沉积物力学特性试验装置的系统图。

图3是三轴仪主机与试样制备和转移系统的结构图。

图4是试样保温保压转盘俯视图。

图中：1a.伺服电机A；1b.伺服电机B；1c.伺服电机C；2.试样保温保压转盘；3.球阀；4.底盘；5.加载丝杠；6.提升丝杠；7.负荷传感器；8.压力室；9.橡皮膜；10.试样下压头；11.高精度丝杠；12.试样保存釜；13a.水浴A；13b.水浴B；14a.针阀a；14b.针阀b；14c.针阀c；14d.针阀d；14e.针阀e；14f.针阀f；14g.针阀g；14h.针阀h；15.油泵；16a.压力传感器A；16b.压力传感器B；16c.压力传感器C；17a.柱塞泵A；17b.柱塞泵B；17c.柱塞泵C；18.油箱；19.减压阀；20.甲烷气瓶；21.数据采集模块；22.工控计算机；23.水箱。

具体实施方式

图1所示为轮转式天然气水合物沉积物力学特性试验装置的工作原理图，其工作过程为：压力控制系统提供天然气水合物沉积物试样试验所需孔隙压力、试样传输过程中试样上方的压力、维持天然气水合物沉积物三轴压缩过程中的围压；温度控制系统通过输送循环冷却液降低围压控制系统内液压油的温度，进而控制天然气水合物三轴压缩过程中的温度，同时温度控制系统通过输送循环冷却液控制试样保温保压转盘内试样的温度，达到试样保温的目的；试样制备和转移系统主要用于原位生成水合物沉积物试样、保存试样和向三轴仪主机内输送试样；数据采集系统与三轴仪主机、温度控制系统、压力控制系统、试样制备和转移系统连接，采集、处理数据后并显示。

图2所示为一种轮转式天然气水合物沉积物力学特性试验装置的系统图，按各个系统功能对试验装置工作过程加以说明：

1)压力控制系统中围压控制工作过程：打开针阀b14b，通过油泵15将油箱18内的液压油经柱塞泵A17a注入到压力室8中，直到液压油从压力室8顶部的开口J溢出，表明液压油已经充满压力室8；再关闭针阀h14h、针阀b14b和油泵15；同时，压力传感器A16a将压力信息通过数据采集模块21传输给工控计算机22。

2)压力控制系统中孔压控制工作过程：在试样原位生成水合物过程中，甲烷气瓶20中的甲烷气体经减压阀19和柱塞泵C17c沿管道B输入试样保存釜12中，为试样原位生成水合物提供气体原料；当向三轴仪主机输送试样时，甲烷气瓶20中的甲烷气体经减压阀19和柱塞泵B17b沿管道I输入压力室8中，并与液压油通过橡皮膜9隔开，同时控制柱塞泵A17a使液压油压力与甲烷气体压力达到平衡，当压力达到试样保存釜12内试样所处压力时，关闭减压阀19和甲烷气瓶20；在完成试样输送之后，通过控制柱塞泵B17b控制试样孔压。

3)三轴仪主机工作过程：通过控制伺服电机A1a带动加载丝杠5上下运动从而向试样施加轴压。

4)温度控制系统工作过程：水浴A13a与压力室8通过管道E和管道F相连通，水浴A13a通过向压力室8循环输送冷却液来控制压力室8内液压油的温度；水浴B13b与试样保温保压转盘2通过管道C和管道D相连通，水浴B13b通过向试样保温保压转盘2循环输送冷却液来控制试样温度。

5)试样制备和转移系统工作过程：伺服电机C1c带动试样保温保压转盘2转动，使所需试验试样处于三轴仪主机的底盘4的通孔处；利用柱塞泵A17a控制三轴仪压力室8内液压油的压力，使其压力达到试样保存釜12内试样所处压力，同时利用柱塞泵B17b控制橡皮膜9下方甲烷气体的压力与压力室8内液压油的压力保持平衡，此时压力室8的橡皮膜9的气体压力与试样保存釜12内压力相等，打开球阀3使试样保存釜12中的试样与压力室8中的橡皮膜9的中心空间连通，利用伺服电机B1b带动高精度丝杠11推动试样进入橡皮膜9内，并使试样底部达到预定位置后连通管道I和管道K，管路I同时连接压力孔压控制系统；通过控制柱塞泵A17a和柱塞泵B17b，使试样在输送过程中压力室内压力时刻保持在试样所处的压力下。

6)计算机数据采集系统工作过程：压力传感器A16a测试压力室8中液压油的压力，压力传感器B16b测量压力室8中甲烷气体的压力，压力传感器C16c测试试样压力；数据采集模块21与三轴仪主机、温度控制系统、压力控制系统连接，并将采集到的各类数据经处理后传输到工控计算机22，工控计算机22进行处理、显示并储存天然气水合物沉积物试样的力学特性。

Claims (8)

1.一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，该试验装置包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、温度控制系统、压力控制系统和计算机数据采集系统；

所述三轴仪主机包括三轴仪框架、底盘(4)、压力室(8)、提升丝杠(6)、负荷传感器(7)、橡皮膜(9)、试样下压头(10)和轴向加载系统；所述底盘(4)位于三轴仪主机的底部，底盘(4)的中心设有通孔，用于试样输送；所述压力室(8)是底面无遮挡、顶面设有开口的空体结构，其通过密封圈密封固定在底盘(4)上；压力室(8)与底盘(4)之间通过两侧固定在三轴仪框架上的提升丝杠(6)实现压紧固定；压力室(8)内部自上而下依次设置负荷传感器(7)、橡皮膜(9)和试样下压头(10)，负荷传感器(7)、橡皮膜(9)和试样下压头(10)相互之间紧密接触；所述轴向加载系统包括伺服电机A(1a)和加载丝杠(5)；所述伺服电机A(1a)位于三轴仪主机顶部、三轴仪框架外部；加载丝杠(5)上端固定在伺服电机A(1a)的输出端，并依次穿过三轴仪框架和压力室(8)顶面的开口、与压力室(8)内部的负荷传感器(7)相接触，加载丝杠(5)与压力室(8)顶面的开口之间通过密封圈密封；伺服电机A(1a)带动加载丝杠(5)上下运动，为试样提供轴向压力；所述底盘(4)内部设置通道H和通道I，通道H的出口端高于通道I的出口端，通道H的出口对应于橡皮膜(9)外部的空腔，通道I的出口对应于试样下压头(10)；所述通道H和通道I用于连接压力控制系统，分别向压力室(8)送油加压和向试样施加孔压；所述压力室(8)的顶部设置排气口J，用于向压力室(8)送液压油时排出压力室(8)内的空气；

所述试样制备和转移系统位于三轴仪主机下方，试样制备和转移系统包括框架、伺服电机B(1b)、伺服电机C(1c)、试样保温保压转盘(2)、球阀(3)、高精度丝杆(11)和试样保存釜(12)；所述高精度丝杠(11)下端固定在伺服电机B(1b)的输出端，并依次穿过试样保温保压转盘(2)、试样保存釜(12)、球阀(3)、框架和底盘(4)的中心通孔，与试样下压头(10)下表面接触；所述试样保温保压转盘(2)内部安装多个试样保存釜(12)，其用于保存试样；所述球阀(3)与试样保存釜(12)相连，用于控制试样保存釜(12)和三轴仪主机的连通；所述伺服电机C(1c)通过固定在框架上的丝杆带动试样保温保压转盘(2)转动，使试样的位置对准三轴仪主机底盘(4)的中心通孔处，伺服电机B(1b)再通过高精度丝杠(11)将试样推送至三轴仪主机内；

所述温度控制系统包括水浴A(13a)、水浴B(13b)和连通管道；所述水浴A(13a)与压力室(8)通过管道E和管道F相连通，水浴A(13a)通过向压力室(8)循环输送冷却液来控制压力室(8)内液压油的温度；所述水浴B(13b)与试样保温保压转盘(2)通过管道C和管道D相连通，水浴B(13b)通过向试样保温保压转盘(2)循环输送冷却液来控制试样温度；

所述压力控制系统包括围压控制系统和孔压控制系统；其中，围压控制系统包括油箱(18)、油泵(15)、针阀b(14b)和柱塞泵A(17a)，所述柱塞泵A(17a)经通道H与三轴仪主机连通，油泵(15)将油箱(18)内的液压油通过针阀b(14b)控制经柱塞泵A(17a)注入到压力室(8)中，为试验提供液压油并保持围压；所述孔压控制系统包括柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)、甲烷气瓶(20)、水箱(23)和若干阀门；所述甲烷气瓶(20)经减压阀(19)后分别与柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)相连，并分别通过针阀控制；所述柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)分别通过针阀控制与水箱(23)相连；当试样原位生成水合物时，甲烷气瓶(20)中的甲烷气体经减压阀(19)和柱塞泵C(17c)沿管道B输入试样保存釜(12)中，为试样原位生成水合物提供气体原料；当向三轴仪主机输送试样时，甲烷气瓶(20)中的甲烷气体经减压阀(19)和柱塞泵B(17b)沿管道I输入压力室(8)中，并与液压油通过橡皮膜(9)隔开，同时控制柱塞泵A(17a)使液压油压力与甲烷气体压力达到平衡，当液压油压力和甲烷气体压力达到试样保存釜(12)内试样所处压力时，关闭减压阀(19)和甲烷气瓶(20)；当试样输送完成后，通过柱塞泵B(17b)来控制试样孔压；

所述计算机数据采集系统包括压力传感器、数据采集模块(21)和工控计算机(22)；所述压力传感器包括压力传感器A(16a)、压力传感器B(16b)和压力传感器C(16c)；其中，压力传感器A(16a)测试压力室(8)中液压油的压力，压力传感器B(16b)测量压力室(8)中甲烷气体的压力，压力传感器C(16c)测试试样压力；所述数据采集模块(21)与三轴仪主机、温度控制系统、压力控制系统连接，并将采集到的各类数据经处理后传输到工控计算机(22)，工控计算机(22)进行处理、显示并储存天然气水合物沉积物试样的力学特性。

2.根据权利要求1所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述伺服电机A(1a)通过齿轮或传动皮带带动加载丝杠(5)。

3.根据权利要求1或2所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述伺服电机B(1b)通过齿轮或传动皮带带动高精度丝杠(11)。

4.根据权利要求1或2所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述伺服电机C(1c)通过齿轮或传动皮带带动固定在框架上的丝杆转动。

5.根据权利要求3所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述伺服电机C(1c)通过齿轮或传动皮带带动固定在框架上的丝杆转动。

6.根据权利要求1、2或5任一所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述三轴仪框架、压力室(8)、试样制备和转移系统的框架采用高强度铝合金材料制作。

7.根据权利要求3所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述三轴仪框架、压力室(8)、试样制备和转移系统的框架采用高强度铝合金材料制作。

8.根据权利要求4所述的轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，所述三轴仪框架、压力室(8)、试样制备和转移系统的框架采用高强度铝合金材料制作。