CN110441153A - 一种水合物三轴实验设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水合物三轴实验设备，包括机架、压力室、上压组件、下压组件、围压组件、天然气含量检测机构和水合物饱和度测量机构；压力室安装在机架上，压力室内设有工作腔室，压力室设有围压进出口、进气口和排气口；上压组件和下压组件安装在工作腔室内，上压组件和/或下压组件连接有轴向引伸计；围压组件与围压进出口连通，待测物件上设有径向引伸计；天然气含量检测机构分别与进气口和排气口连通；水合物饱和度测量机构与工作腔室连通。本发明通过轴向引伸计和径向引伸计对待测物件的位移和变形量进行检测，通过天然气含量检测机构和水合物饱和度测量机构分别对待测物件的天然气含量变化和饱和度进行检测，检测全面且更为精确。

Description

一种水合物三轴实验设备
技术领域
本发明涉及含天然气水合物沉积物测试技术领域，具体涉及一种水合物三轴实验设备。
背景技术
水合物沉积物是一个具有复杂力学行为特征的亚稳态结构体，其开采过程常常会涉及水合物相变、颗粒迁移和胶结结构破坏等微观结构变化，需要从微观层次入手进行颗粒尺度的物理机理分析以明确天然气水合物分解诱因的地层沉降、海底滑坡等地质灾害的形成机理。
沉积物以及岩石的单轴、三轴压缩，以及渗气渗水和高低温耦合试验，是对沉积物和岩石进行测试的重要试验方式，能够准确测量天然气水合物的各项指标对非常规能源的开采来说非常重要。现有的天然气水合物试验设备有很多种，但是都存在着设计缺陷，导致最终测量结果不够准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水合物三轴实验设备，以解决现有的水合物实验设备测量结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种水合物三轴实验设备，包括：
机架；
安装在所述机架上的压力室，所述压力室内设有工作腔室，所述压力室设有与所述工作腔室相连通的围压进出口、进气口和排气口；
安装在所述工作腔室内的上压组件和下压组件，待测物件安装在所述上压组件和所述下压组件之间，所述上压组件和/或所述下压组件连接有轴向引伸计；
与所述围压进出口连通的围压组件，所述围压组件用于对所述待测物件施加径向压力，所述待测物件上设有径向引伸计；
分别与所述进气口和所述排气口连通的天然气含量检测机构；
与所述工作腔室连通的水合物饱和度测量机构。
根据本发明提供的水合物三轴实验设备，通过轴向引伸计和径向引伸计对待测物件的位移和变形量进行检测，通过天然气含量检测机构和水合物饱和度测量机构分别对待测物件的天然气含量变化和饱和度进行检测，检测全面且更为精确。
另外，根据本发明上述实施例的水合物三轴实验设备，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个示例，所述机架上部安装有升降机构；所述升降机构与所述压力室可拆卸连接，以带动所述压力室上下动作。
根据本发明的一个示例，所述升降机构包括连接架和第一直线往复运动装置；所述连接架与所述机架连接；所述第一直线往复运动装置安装在所述连接架上，所述第一直线往复运动装置与所述压力室连接，并带动所述压力室上下动作。
根据本发明的一个示例，所述机架上设有固定轨道和升降轨道；所述压力室安装在所述升降轨道上，所述升降轨道上升或下降至预设位置时，所述固定轨道与所述升降轨道相接，以使所述压力室可以在所述固定轨道和所述升降轨道的预设方向上移动。
根据本发明的一个示例，所述升降轨道包括轨道板和第二直线往复运动装置；所述第二直线往复运动装置安装在所述机架上；所述轨道板安装在所述第二直线往复运动装置上，并在所述第二直线往复运动装置的带动下升降动作。
根据本发明的一个示例，所述压力室包括筒体和底座，所述筒体底部开口并安装在所述底座上，以形成所述工作腔室，所述筒体和所述底座可拆卸连接。
根据本发明的一个示例，所述筒体的底部设有向外伸出的第一连接凸缘；所述底座上部设有向外伸出的第二连接凸缘，所述第二连接凸缘与所述第一连接凸缘平行且相抵；所述第一连接凸缘和所述第二连接凸缘通过卡箍相连接。
根据本发明的一个示例，所述围压组件包括第一双缸泵、第二双缸泵、回程阀、进程阀和围压控制阀；
所述第一双缸泵分别与所述回程阀和所述进程阀管路连接，所述回程阀和所述进程阀分别与所述工作腔室管路连接；
所述第二双缸泵与所述围压控制阀管路连接，所述围压控制阀与所述围压进出口管路连接，且在所述围压控制阀与所述围压进出口之间的管路上设有温度检测计。
根据本发明的一个示例，所述天然气含量检测机构包括甲烷气瓶、恒压恒速泵、回压阀、流量计、分离器和天平；
所述甲烷气瓶和所述恒压恒速泵管路连接，所述恒压恒速泵与所述进气口管路连接，且在所述恒压恒速泵与所述进气口之间的管路上设有报警器；
所述分离器安装在所述天平上，所述流量计与回压阀分别与所述分离器管路连接，所述回压阀与所述排气口管路连接。
根据本发明的一个示例，所述水合物饱和度测量机构包括声学测试装置。
以上附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的水合物三轴实验设备的结构示意图；
图2为本发明实施例的机架和压力室的主视图；
图3为本发明实施例的机架和压力室的侧视图；
图4为本发明实施例的压力室的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、机架；11、电机；12、升降机构；121、连接架；122、第一直线往复运动装置；13、升降轨道；131、轨道板；132、第二直线往复运动装置；
2、压力室；21、筒体；211、第一连接凸缘；212、挂耳；22、底座；221、第二连接凸缘；23、卡箍；24、围压进出口；25、进气口；26、排气口；
3、上压组件；31、轴向引伸计；
4、下压组件；41、径向引伸计；
5、围压组件；51、第一双缸泵；52、第二双缸泵；53、回程阀；54、进程阀；55、围压控制阀；56、温度检测计；
6、天然气含量检测机构；61、甲烷气瓶；62、恒压恒速泵；63、回压阀；64、流量计；65、分离器；66、天平；
7、水合物饱和度测量机构；
8、待测物件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
结合附图1所示，本实施例提供了一种水合物三轴实验设备，包括机架1、压力室2、上压组件3、下压组件4、围压组件5、天然气含量检测机构6和水合物饱和度测量机构7等具体结构。
本实施例的机架1整体可以看作为具有一定预设高度的口字型框架结构，其内部具有用于容置上述压力室2的空间，机架1的上部安装有驱动上压组件3向下运动的电机11。
本实施例的压力室2安装在机架1上空间内，压力室2内设有工作腔室，压力室2开设有与工作腔室相连通的围压进出口24、进气口25和排气口26；结合附图2-4所示，本实施例的压力室2包括筒体21和底座22，筒体21为底部开口结构，筒体21安装在底座22上，并与底座22共同围成工作腔室，优选的，为了便于将上压组件3和下压组件4等结构安装在工作腔室内，本实施例将筒体21和底座22设计为可拆卸连接。
具体的，筒体21和底座22的可拆卸连接可以通过以下结构实现：在筒体21的底部设有向外伸出的第一连接凸缘211，在底座22上部设有向外伸出的第二连接凸缘221，第二连接凸缘221与第一连接凸缘211平行且相抵；第一连接凸缘211和第二连接凸缘221通过卡箍23相连接。
本实施例的上压组件3和下压组件4安装在工作腔室内，待测物件8安装在上压组件3和下压组件4之间，上压组件3和下压组件4用于对待测物件8施加轴向的压力，此轴向可以理解为上述电机11的轴向，或者理解为图中的上下方向，上压组件3连接有轴向引伸计31，轴向引伸计31用于检测待测物件8在上压组件3和下压组件4作用下的轴向变形位移数据。本实施例的上压组件3和下压组件4均可以选取现有技术中任意一种，因此本实施例不对其结构进行赘述。
本实施例的轴向引伸计31优选包括磁致式位移传感器、放大器和记录器，磁致式位移传感器具有高精度、高稳定性、高可靠性，抗干扰能力极强，功耗低等优点，是目前位移最佳测试传感器。
本实施例的围压组件5与上述围压进出口24连通，围压组件5用于对待测物件8施加径向压力，待测物件8上设有径向引伸计41，本实施例的径向引伸计41具体包括液压传感器、放大器和记录器。
本实施例的天然气含量检测机构6分别与进气口25和排气口26连通，用于检测待测物件8的天然气含量变化；水合物饱和度测量机构7与工作腔室连通，用于检测待测物件8的水合物饱和度；天然气含量检测机构6和水合物饱和度测量机构7的具体结构在下述描述中给出。
结合上述结构说明可知，本实施例提供的水合物三轴实验设备，通过轴向引伸计31和径向引伸计41对待测物件8的位移和变形量进行检测，通过天然气含量检测机构6和水合物饱和度测量机构7分别对待测物件8的天然气含量变化和饱和度进行检测，检测全面且更为精确。
基于上述结构，为了便于将压力室2安装在机架1的指定工作位置，使的压力室2处于预设高度，便于安装待测物件8和轴向引伸计31和径向引伸计41等，结合附图2和3所示，本实施例还在机架1的上部安装有升降机构12；升降机构12与压力室2的筒体21可拆卸连接，以带动压力室2上下动作。
具体的，本实施例的升降机构12包括连接架121和第一直线往复运动装置122；连接架121与机架1连接；第一直线往复运动装置122安装在连接架121上，第一直线往复运动装置122与压力室2连接，并带动压力室2上下动作，第一直线往复运动装置122可以是气缸或者电动缸或者油压缸，第一直线往复运动装置122的缸体安装在上述连接架121上，第一直线往复运动装置122的活塞杆与压力室2的筒体21可拆卸连接，具体可以是在筒体21上设有挂耳212，活塞杆底部设有挂钩等结构，以实现两者的连接。
更进一步的，为了便于压力室2水平移动和在竖直方向上调整，以对接上述的第一直线往复运动装置122，本实施例还在机架1上设有固定轨道(图中未示出)和升降轨道13；压力室2安装在升降轨道13上，升降轨道13上升或下降至预设位置时，固定轨道与升降轨道13相接，以使压力室2可以在固定轨道和升降轨道13的预设方向上移动。
具体的，本实施例的升降轨道13包括轨道板131和第二直线往复运动装置132；第二直线往复运动装置132安装在机架1上；轨道板131安装在第二直线往复运动装置132上，并在第二直线往复运动装置132的带动下升降动作。
本实施例的第二直线往复运动装置132也可以是气缸或者电动缸或者油压缸，第二直线往复运动装置132的缸体安装在机架1上，第二往复运动装置的活塞杆与上述轨道板131连接。
再结合附图1所示，本实施例的围压组件5具体包括第一双缸泵51、第二双缸泵52、回程阀53、进程阀54和围压控制阀55；其中，本实施例的第一双缸泵51分别与回程阀53和进程阀54管路连接，回程阀53和进程阀54分别与工作腔室管路连接；本实施例的第二双缸泵52与围压控制阀55管路连接，围压控制阀55与围压进出口24管路连接，且在围压控制阀55与围压进出口24之间的管路上设有温度检测计56。
本实施例的围压组件5在进油时将围压控制阀55打开，第二双缸泵52将油箱内的增压油抽进高压油腔，然后关闭围压控制阀55，伺服作动器将增压油注入到压力室2内。排油时，第一双缸泵51先卸载，将回程阀53打开，压缩空气通过压力室2进气口25进入压力室2将增压油从围压进出口24压出，增压油回流至油箱沉淀、过滤，下次实验需要时通过第二双缸泵52将油液注入到压力室2。
而本实施例的天然气含量检测机构6具体包括甲烷气瓶61、恒压恒速泵62、回压阀63、流量计64、分离器65和天平66；其中，本实施例的甲烷气瓶61和恒压恒速泵62管路连接，恒压恒速泵62与进气口25管路连接，且在恒压恒速泵62与进气口25之间的管路上设有报警器；本实施例的分离器65安装在天平66上，流量计64与回压阀63分别与分离器65管路连接，回压阀63与排气口26管路连接。
而本实施例的水合物饱和度测量采用声学测量，即水合物饱和度机构包括声学测试装置，具体的，本实施例的声学测试装置由函数发生器，信号放大器，声学元件，示波器和计算机处理模块等组成(图中未示出上述具体部件)，同背景地层相比，有较高的纵、横波波速，利用这一特性判断是否有水合物及饱和度。获取真实温、压条件下，水合物原位生成和分解过程中声学参数，建立天然气水合物的饱和度及弹性参数与声速之间的关系。
另外，本实施例的水合物三轴实验设备还包括控制系统(图中未示出)，控制系统与上述围压机构、天然气含量检测机构6和水合物饱和度机构等电性连接，用于对上述机构的动作部件发送控制指令，并接受上述机构的传感器检测到的数据，并对数据进行处理和分析，得出实验结果。
控制系统采用先进的自适应的模糊的PI D控制算法，可实现系统参数的控制量在线精密的闭环控制，实现等速加卸荷、恒力、恒位移等功能。同时，提供用户系统参数的控制接口，用户可以对系统控制参数进行设置以适应不同的控制环境，有着具有很好的灵活性。
控制系统有2个独立的电液伺服阀控制通道，在试验过程中各种控制速率及控制功能均可互相切换，每个作动器能根据试验要求同时或分别闭环控制伺服阀工作，保证了整个加载系统的同步或异步控制，大大提高试验系统的稳定性。
数据采集系统共有9路高精度24位A/D转换压力、位移、变形采集通道，可以达到示值精确度：±0.1％以内。数据的采样速度达到了10KHz，可以快速地采集当前的传感器信号，以便闭环控制模块更好的进行实时闭环控制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
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”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，或成一体等。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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种水合物三轴实验设备，其特征在于，包括：
机架；
安装在所述机架上的压力室，所述压力室内设有工作腔室，所述压力室设有与所述工作腔室相连通的围压进出口、进气口和排气口；
安装在所述工作腔室内的上压组件和下压组件，待测物件安装在所述上压组件和所述下压组件之间，所述上压组件和/或所述下压组件连接有轴向引伸计；
与所述围压进出口连通的围压组件，所述围压组件用于对所述待测物件施加径向压力，所述待测物件上设有径向引伸计；
分别与所述进气口和所述排气口连通的天然气含量检测机构；
与所述工作腔室连通的水合物饱和度测量机构。
2.根据权利要求1所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述机架上部安装有升降机构；所述升降机构与所述压力室可拆卸连接，以带动所述压力室上下动作。
3.根据权利要求2所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述升降机构包括连接架和第一直线往复运动装置；所述连接架与所述机架连接；所述第一直线往复运动装置安装在所述连接架上，所述第一直线往复运动装置与所述压力室连接，并带动所述压力室上下动作。
4.根据权利要求1所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述机架上设有固定轨道和升降轨道；所述压力室安装在所述升降轨道上，所述升降轨道上升或下降至预设位置时，所述固定轨道与所述升降轨道相接，以使所述压力室可以在所述固定轨道和所述升降轨道的预设方向上移动。
5.根据权利要求4所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述升降轨道包括轨道板和第二直线往复运动装置；所述第二直线往复运动装置安装在所述机架上；所述轨道板安装在所述第二直线往复运动装置上，并在所述第二直线往复运动装置的带动下升降动作。
6.根据权利要求1-5任一项所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述压力室包括筒体和底座，所述筒体底部开口并安装在所述底座上，以形成所述工作腔室，所述筒体和所述底座可拆卸连接。
7.根据权利要求6所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述筒体的底部设有向外伸出的第一连接凸缘；所述底座上部设有向外伸出的第二连接凸缘，所述第二连接凸缘与所述第一连接凸缘平行且相抵；所述第一连接凸缘和所述第二连接凸缘通过卡箍相连接。
8.根据权利要求1-5任一项所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述围压组件包括第一双缸泵、第二双缸泵、回程阀、进程阀和围压控制阀；
所述第一双缸泵分别与所述回程阀和所述进程阀管路连接，所述回程阀和所述进程阀分别与所述工作腔室管路连接；
所述第二双缸泵与所述围压控制阀管路连接，所述围压控制阀与所述围压进出口管路连接，且在所述围压控制阀与所述围压进出口之间的管路上设有温度检测计。
9.根据权利要求1-5任一项所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述天然气含量检测机构包括甲烷气瓶、恒压恒速泵、回压阀、流量计、分离器和天平；
所述甲烷气瓶和所述恒压恒速泵管路连接，所述恒压恒速泵与所述进气口管路连接，且在所述恒压恒速泵与所述进气口之间的管路上设有报警器；
所述分离器安装在所述天平上，所述流量计与回压阀分别与所述分离器管路连接，所述回压阀与所述排气口管路连接。
10.根据权利要求1-5任一项所述的水合物三轴实验设备，其特征在于，所述水合物饱和度测量机构包括声学测试装置。
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