CN111238967A - 一种含水合物沉积物力学特性检测及数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，安装待测样品，施加模拟环境；调节三轴加载声发射信号检测装置，进行零点校准；在控制主机上设定放大器增益、多路信号切换模块中开关通断的逻辑顺序，配置数据采集模块的参数，打开参数采集分析仪、声发射源定位器和裂纹成像仪；获得静态检测数据进行处理，获得动态检测数据进行处理；改变样品中沉积物粒径及加入黏土的含量，重复获得静态和动态检测数据；实时测量样品孔隙压力与温度，基于消耗甲烷气的量计算样品中水合物含量，进一步计算得到含水合物饱和度。本发明能动态的反映缺陷变化趋势，不需附加能量；能准确识别样品在三轴加载过程发生断裂时间点；对缺陷位置定位准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，属于天然气水合物勘探开发技术领域。
背景技术
天然气水合物在国际被普遍认为是未来最具开发前景的清洁型战略资源，掌握天然气水合物的物理特性是扩大开采可能性、保证开采过程安全性、提高开采效率的必要保障。在实验室开展岩石物理模拟实验是获取含水合物沉积物物理特性参数的重要手段，需要在实验中模拟水合物在自然界中的赋存环境，实验方法与目的围绕孔隙度与饱和度等重要物理参数展开，准确获取这些物理特性参数与储层力学性质之间的定性及定量关系，最终完成对天然气水合物储层物理性质、尤其是地层稳定性的评价。实验室开展的针对天然气水合物的物理模拟实验主要集中于研究水合物的饱和度、孔隙度、沉积物组分等因素对含水合物沉积物的声学、电学和力学等物理特性的影响。
目前主要通过三轴压缩实验来测试含水合物沉积物的力学特性，选取一定量的应变对应的偏应力来衡量含水合物沉积物的抗剪强度，获取含水合物饱和度、孔隙度、沉积物组分等因素对含水合物沉积物抗剪强度的影响。当前技术的缺陷主要在于：
(1)选取的偏应力与实际沉积物的破坏应力之间存在偏差；
(2)采用应变片等方式测量获取的应变大小与实际应变之间存在偏差；
(3)根据应力应变关系曲线图无法准确地获取含水合物沉积物在三轴加载过程中结构发生破坏的时间点；
(4)需要仪器提供附加能量用于检测；
(5)无法动态地获取裂纹的位置和扩展路径信息。
发明内容
为了解决当前技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，具体步骤如下：
一、安装待测样品，施加模拟环境；
二、调节三轴加载声发射信号检测装置，进行零点校准；
三、在控制主机上设定放大器增益、多路信号切换模块中开关通断的逻辑顺序，配置数据采集模块的参数，参数包括采样模式、采样频率、采样幅值范围、采样通道；打开参数采集分析仪、声发射源定位器和裂纹成像仪；
四、针对静态检测过程，当待测样品处于稳定状态时启动电机，施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率；待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的静态检测数据进行处理；
五、针对动态检测过程，水合物生成与分解过程都设置最终的温度值，在含水合物饱和度连续变化过程的起点启动电机，开始施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率，待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的动态检测数据进行处理；
六、改变样品中沉积物粒径及加入黏土的含量，重复上述步骤，获得静态和动态检测数据；
七、除上述步骤中声发射信号的测量外，对水合物在生成分解过程中，处于稳定状态时，实时测量样品孔隙压力与温度，基于消耗甲烷气的量计算样品中水合物含量，进一步计算得到含水合物饱和度。
进一步的，所述稳定状态包含两个阶段：一、当水合物完全生成时，即样品内部孔隙压力以及温度趋于稳定，不再发生变化；二、在水合物生成分解过程中，设置温度变化梯度，每次设置不同温度，待温度及孔隙压力均稳定时，样品中饱和度达到稳定值，即样品处于该温度条件下的稳定状态。
进一步的，所述对获得的静态检测数据进行处理是指：
一、测得不断施加轴向应力后样品产生的声发射信号，对原始信号去噪；
二、对水合物完全生成时以及达到各温度梯度稳定状态时，测得的孔隙压力和温度数据进行滤波处理，将滤波处理后得到的压力和温度数值使用公式1计算得到含水合物饱和度，
公式1：
式中，Sh为被测样品的含水合物饱和度；Mh为水合物摩尔质量，单位：g/mol，ρh为水合物的密度，单位：g/m3，T1为水合物未生成或已完全分解完时样品的温度，单位：K，T2为水合物生成或分解过程中样品的温度，单位：K，P1为水合物未生成或已完全分解完时样品的孔隙压力，单位：MPa，P2为水合物分解过程中样品空隙压力，单位：MPa，Zg1和Zg2分别为初始状态和生成分解过程中各状态气体压缩因子，R为摩尔气体常数，单位：J/(mol·K)；
三、提取声发射事件个数，做出声发射事件个数与轴向应力的关系曲线，比较分析测得的处于稳定状态的不同含水合物饱和度沉积物样品的声发射事件个数—轴向应力曲线，分析不同饱和度样品在相同轴向应力下声发射事件个数的变化规律；另外，选取一个声发射事件个数阈值，对声发射事件个数—轴向应力曲线进行非活跃和活跃阶段划分，分析随着样品饱和度的变化，活跃阶段起始时刻和结束时刻的变化规律；提取声发射信号的幅值，由幅值的变化规律辨识出稳定状态下三轴加载实验中沉积物样品发生断裂的时间点，进一步得到该时间点对应所加载的应力的大小，绘制含水合物沉积物在三轴加载过程发生断裂的轴向应力和含水合物饱和度之间的关系曲线，得到沉积物抗剪切能力随着含水合物饱和度变化而变化的规律；对轴向应力—含水合物饱和度曲线进行回归分析得到饱和度和轴向应力之间的关系式τ＝f(Sh)，在已知含水合物饱和度条件下能够据此计算出沉积物样品发生断裂时的轴向应力大小；同时能够形成一种基于轴向应力计算含水合物饱和度的方法Sh＝f-1(τ)，其中τ表示轴向应力，Sh表示含水合物饱和度；
四、除分析单参数与含水合物饱和度或者轴向应力大小之间变化规律外，选取多个声发射参数，联合分析它们与含水合物饱和度及轴向应力之间的变化规律，用BP神经网络智能机器学习方法，将计算得到的含水合物饱和度作为网络输出，将声发射事件个数、能量和有效值电压作为网络的输入对网络进行训练，获得以多个声发射参数为输入的含水合物饱和度计算模型，通过改变输入参数、输出参数，实现对含水合物沉积物力学稳定性参数的预测和评估；
五、分析比较样品中沉积物粒径以及黏土含量不同时，上述声发射事件个数和幅值随着含水合物饱和度变化而变化的规律，利用神经网络计算得到沉积物粒径、黏土含量对样品在三轴加载过程中声发射事件个数和幅值特征参数的影响；分析比较粒径不同、黏土含量不同时样品在三轴加载过程中发生断裂时轴向应力大小的变化，从而在上述τ＝f(Sh)关系式基础上引入沉积物粒径和黏土含量两个变量，得到含水合物沉积物的抗剪切能力随着含水合物饱和度、样品粒径及黏土含量因素变化而改变的规律，基于大量实验数据分析确定它们之间的定量关系τ＝f(Sh,d,δ)，在已知含水合物饱和度、沉积物粒径和黏土含量条件下能够计算得到沉积物断裂时轴向应力的大小，d表示沉积物粒径，δ表示黏土含量。
更进一步的，所述去噪指小波模极大值去噪、限幅值滤波去噪、平滑滤波去噪，根据测量所得声发射原始信号特点选择去噪方法，以及确定去噪过程中所用到的参数；所述滤波指平滑滤波、限幅值滤波。
进一步的，所述对获得的动态检测数据进行处理是指：
一、沉积物中水合物在生成分解过程中孔隙压力、温度参数持续变化，首先对获得的压力和温度数据进行滤波处理，然后运用公式1含水合物饱和度计算方法计算得到水合物生成分解过程中的饱和度数值并记录；
二、利用参数采集分析器的分析结果，绘制出声发射事件个数、声发射信号幅值、有效值电压随着含水合物饱和度变化的曲线，获得这些声发射参数与含水合物饱和度之间的定性规律并进一步计算得到它们之间的定量关系Sh＝f(N)，Sh＝f(V)，Sh＝f(U)，N表示声发射事件个数，V表示声发射信号幅值，U表示有效值电压，形成基于声发射事件个数、幅值与有效值电压的含水合物饱和度计算方法，另外选取上述两个或三个特征参数通过作出多参数与饱和度之间的关系曲线联合分析与含水合物饱和度之间的定性关系，通过大量的实验数据，基于神经网络智能机器学习模型进一步获得它们之间的定量关系，Sh＝f(N,V)，Sh＝f(N,U)，Sh＝f(V,U)，Sh＝f(N,V,U)，建立多个声发射特征参数预测含水合物饱和度的模型；
三、以所采集的声发射信号为基础，采用互相关法处理两路声发射信号能够得到两个传感器采集的同一声发射信号的时间差：假设源信号为s(t)，噪声信号为ni(t)(其中，i＝1,2)，接收到的两个传感器信号分别为：
x1(t)＝s(t)+n1(t)
x2(t)＝s(t-τ1,2)+n2(t)
两信号的互相关函数表示为：
R1,2(τ)＝E[x1(t)x2(t-τ)]
由于s(t)、n1(t)、n2(t)两两互不相关，将x1(t)与x2(t)代入上式并化简可得：
R1,2(t)＝E[s(t)s(t-τ1,2-τ)]＝RS(τ-τ1,2)
得到源信号的自相关函数，当τ＝τ1,2时R1,2(τ)最大，求出两信号互相关函数最大值所对应的τ值，得到两信号之间的时间差值τ1,2；
四、基于时间差的声发射源位置定位方法：在三轴加载实验前对样品进行多次声速测量实验，获得声波在样品中的传播速度值，当三轴加载声发射信号检测装置采用4个或以上传感器，以空间不共面方式安装时，空间中声发射源的坐标分为x，y，z三个维度，建立空间坐标系后，针对4个不共面的传感器两两求取检测到的声发射信号中信号幅值第一次越过门槛值的时间差值，基于时间差实现对声发射源的定位；运用传感器在空间坐标系中的坐标和所求出的时间差值列出与声发射源坐标相关的计算式，结合样品的声速，求出声发射源在空间中的坐标，实现对声发射源的定位；
五、在沉积物中水合物生成分解过程中，随着加载的进行，样品中某一位置产生声发射信号并逐渐扩展到下一位置，直至样品断裂，运用基于时间差的声发射源定位方法计算出声发射源在样品中的空间位置，通过在三维图中标记声发射源位置的方法，将标记的所有声发射源平滑连接，可有效地反映出裂纹的扩展纹理，实现在三轴加载过程中裂纹扩展纹理的实时成像；
六、对粒径、黏土含量不同的样品分别进行数据处理，以关系图的方式比较分析不同粒径、不同黏土含量样品在三轴加载声发射实验中断裂时轴向应力大小，据此获得粒径大小、黏土含量对处于水合物生成分解过程中的松散沉积物在三轴加载下抗剪切能力的影响，利用最小二乘法、基于神经网络的智能机器学习方法获得沉积物粒径、黏土含量与沉积物抗剪切能力之间的定量关系τ＝f(d,δ)，在上述计算得到单参数、多参数与含水合物饱和度之间定量关系的基础上引入沉积物粒径和黏土含量两个变量，基于大量实验数据计算得到含水合物饱和与声发射参数、粒径和黏土含量之间的定量关系，如Sh＝f(N,d,δ)，Sh＝f(N,V,U,d,δ)，比较沉积物粒径和黏土含量不同的样品在相同加载过程中裂纹扩展纹理，分析总结出粒径和黏土含量对裂纹扩展路径的影响。
进一步的，所述声发射信号的特征参数包括声发射事件个数、振幅、振铃计数、能量、有效值电压、平均信号电平和频谱分布。
进一步的，所述三轴加载声发射信号检测装置，包括装置架，安装在装置架上的信号检测单元、三轴压力室，连接三轴压力室最外室提供室内稳定压力的压力组件；连接三轴压力室中间室提供实验所需围压的围压组件，围绕压力室中间室设置的恒温组件；连接三轴压力室最内室对样品抽真空的真空组件，连接三轴压力室最内室向样品注入气体与液体的注气液组件；三轴压力室安装在固定平台上，固定平台连接传动组件；所述信号检测单元包括若干安装在三轴压力室内的声发射传感器，声发射传感器信号经依次连接的放大器模块、多路信号切换模块、数据采集模块输出至控制器模块，控制器模块连接参数采集分析器和声发射源定位器，声发射源定位器连接裂纹成像仪。
更进一步的，所述三轴压力室最内室为由橡胶套围成的空心圆柱形，在中间空心中包裹待测样品，橡胶套与三轴压力室中间室的内金属壁之间留有内空隙层，内空隙层中填充液体，围压组件包括围压泵，围压管一端连接围压泵，另一端连接内空隙层，围压阀安装在围压管上；三轴压力室中间室内金属壁与三轴压力室中间室外金属壁之间设置中空隙层，恒温组件包括恒温槽，连接恒温槽和中孔隙层的恒温管，安装在恒温管上的循环泵；注气液组件包括连接橡胶套的气液管，连接气液管的增压泵，连接增压泵的气瓶或液体瓶。
更进一步的，所述三轴压力室中间室的内金属壁表面安装2个声发射传感器，传感器端面与内壁齐平，采用磁吸附式夹具固定，分成正对或非正对安装，轴向位置可改变；
或三轴压力室中间室的内金属壁表面安装4个声发射传感器，传感器端面与内壁齐平，分成两对分别正对或非正对安装，轴向上上层传感器与圆柱形样品的上端面之间、下层传感器与圆柱形样品下端面之间、两层传感器之间都相隔一段距离，使4个传感器不共面；
或三轴压力室中间室的内金属壁表面安装8个声发射传感器，分成4对，对圆柱形样品在轴向上分为5层，每一层两个传感器的连线与相邻层两个传感器的连线不平行，轴向上最上层传感器与样品上端面之间、最下层传感器与样品下端面之间，以及相邻两层传感器之间都相隔一段距离；
或若干个声发射传感器呈螺旋状安装于内金属壁表面，传感器端面与内金属壁内壁齐平。
进一步的，所述三轴压力室最外室由上金属盖、有机玻璃和底座围成，压力室管一端连接三轴压力室最外室，另一端连接压力室泵，在压力室管上安装压力室阀和压力显示仪表；所述传动组件包括电机，与电机连接的齿轮箱，齿轮箱输出轴连接固定平台，在齿轮箱上设置调节手轮，垂直位移指示表安装于测力环中间。
进一步的，所述声发射传感器与放大器模块连接，放大器模块用于放大声发射信号提高信噪比，放大器模块与多路信号切换模块通过引线连接，控制器模块控制多路信号切换模块中开关选择所需传感器与数据采集模块连通，完成对放大后信号的采集；数据采集模块单独供电，内部时钟作基准，同步采集若干多声发射传感器测得的温度、压力信号和经放大器放大后的声发射信号；控制器模块连接数据采集模块，实现对数据采集模块的参数配置和原始声发射信号及滤波处理后信号的保存，并通过参数采集分析器和裂纹成像仪输出。
本发明的有益效果在于：(1)对被测对象中的缺陷敏感，能够动态的反映缺陷的变化趋势；(2)检测所需的能量来自于缺陷本身，不需要仪器提供附加能量；(3)声发射信号中含有大量的声发射参数能够反映待测对象的动态结构变化信息；(4)使用多个声发射传感器并按照一定的位置排列安装能够对缺陷位置进行准确定位。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的阐述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明2个声发射传感器安装示意图；
图4为本发明4个声发射传感器安装示意图；
图5为本发明4个声发射传感器安装示意图；
图6为本发明8个声发射传感器安装示意图；
图7为本发明声发射传感器螺旋状安装示意图。
图中：1、测力环，2、装置架，3、最外室，4、最内室，5、待测样品，6、中间室，7、真空组件，8、围压阀，9、围压泵，10、压力室泵，11、压力室阀，12、气瓶或液体瓶，13、增压泵，14、循环泵，15、恒温槽，16、传动组件，17、调节手轮，18、固定平台。
具体实施方式
实施例1
一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，具体步骤如下：
一、安装待测样品，施加模拟环境；
二、调节三轴加载声发射信号检测装置，进行零点校准；
三、在控制主机上设定放大器增益、多路信号切换模块中开关通断的逻辑顺序，配置数据采集模块的参数，参数包括采样模式、采样频率、采样幅值范围、采样通道；打开参数采集分析仪、声发射源定位器和裂纹成像仪；
四、针对静态检测过程，当待测样品处于稳定状态时启动电机，施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率；待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的静态检测数据进行处理；
五、针对动态检测过程，水合物生成与分解过程都设置为最终的温度值，在含水合物饱和度连续变化过程的起点启动电机，开始施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率，待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的动态检测数据进行处理；
六、改变样品中沉积物粒径及加入黏土的含量，重复上述步骤，获得静态和动态检测数据；
七、除上述声发射信号的测量外，对水合物在生成分解过程中、处于稳定状态时，样品孔隙压力与温度的数值实时测量，基于消耗甲烷气的量进行样品中水合物量的计算，进一步计算得到含水合物饱和度。
制备样品的步骤如下：
1)打开样品夹持器，在样品夹持器的橡胶套中加入样品原材料，主要包括不同粒径的模拟沉积物，可以是天然海沙或石英砂或两者混合，也可加入高岭土等以模拟沉积物中的黏土成分，样品原材料可以是20～40目天然海砂，加入20％的高岭土；
2)将样品夹持器各部分装配完毕，首先利用抽真空泵对模拟沉积物抽真空，然后打开气瓶、启动气体增压泵向模拟沉积物中充入气体，如甲烷气，和具有一定盐度的水溶液，如3.5％质量分数的NaCl水溶液，开启围压泵对样品施加围压，开启冷却循环泵和恒温水槽。作为典型的工作条件，围压10MPa、模拟沉积物中的孔隙压力8MPa、冷却水1℃。
实施例2
三轴加载声发射信号检测装置，三轴压力室是三轴加载装置的重要组成部分，它由上金属盖、有机玻璃和底座构成，是一个圆柱形的空间。周围压力系统用于控制压力室中的压力，围压系统包括压力泵、压力显示仪表和调节阀，通过调节压力室中压力与外界压力的关系，使得压力室中压力能够自动补偿而趋于稳定。采用电动机带动齿轮箱的方式，并通过传动系统使压力室能够自下而上地移动来承受轴向压力，此时压力室内样品在三个方向的主应力无法维持平衡，样品会在剪切力的作用下被破坏，通过调速可以分别控制轴向应力的大小进而能够控制剪切速率，并可以通过垂直位移指示表和量力环表实时指示样品轴向变形和剪切变形数值。量力环与手轮配合使用可以确定活塞与待测样品的临界接触点(三轴加载零点)。参照附图本发明所设计的样品夹持单元。夹持器为圆柱形，中间用来盛装实验所需的含水合物松散沉积物样品，并用橡胶套包裹住样品。橡胶套与内金属壁之间留有一定空隙，空隙中用液体填充来提供实验过程所需要的围压条件。内金属壁与外金属壁之间的空隙充满冷却液，能够起到温度控制作用。夹持器中安装的导管主要用于液相、气相的流动与交换，主要包括冷却液的循环、往样品中注气注水、导出样品中的气体与溶液等等。
信号检测单元主要包括声发射传感器阵列、放大器模块、多路信号切换模块、数据采集模块、控制器模块、参数采集分析器、声发射源定位器和裂纹成像仪。
实施例3
参照附图3-7所设计的传感器安装方式，声发射传感器的安装方式包含两个方面：传感器数量和安装位置。
1)采用2个声发射传感器时，将传感器安装于样品夹持器的内金属壁表面(传感器端面与内壁齐平)，采用磁吸附式夹具固定，分成正对与非正对两种方式，轴向位置可改变；
2)采用4个声发射传感器时，分成两对分别正对固定安装于样品夹持器的内金属壁表面(传感器端面与内壁齐平)，轴向上上层传感器与圆柱形样品的上端面之间、下层传感器与圆柱形样品下端面之间、两层传感器之间都需要相隔一定距离(如该距离应大于声发射传感器端面直径的3倍)，保证4个传感器不共面。上下两对传感器也可以非正对安装，保证4个传感器不共面；
3)采用8个声发射传感器时，将传感器分成4对，对圆柱形样品在轴向上分为5层，采用分区域分方向测量的方法，采用两个传感器正对安装的方式，保证每一层两个传感器的连线与相邻层两个传感器的连线不平行，轴向上最上层传感器与样品上端面之间、最下层传感器与样品下端面之间以及相邻两层传感器之间都需相隔一段距离(如该距离应大于声发射传感器端面直径的3倍)；
根据样品体积的大小变化改变声发射传感器的数量和轴向分布的层数，如10个传感器轴向分5层安装、16个传感器轴向分8层安装，每层传感器均可采取正对与非正对方式。
4)采用多个声发射传感器呈螺旋状安装于样品夹持器内金属壁表面(传感器端面与内壁齐平)，传感器的数量、螺旋结构的螺距等参数根据样品的体积大小确定(如样品高度为30cm，直径为10cm，传感器数量为8个，螺距大于声发射传感器端面直径的3倍)。
声发射传感器与放大器模块相连接，原始声发射信号中含有大量的环境噪声，放大器模块主要用于放大声发射信号以提高信噪比，模块中放大器的增益能够根据原始声发射信号的变化实时调整。放大器与多路信号切换模块通过引线相连接，通过对多路信号切换模块中开关的控制可选择所需传感器与数据采集模块连通，完成对放大后信号的采集；数据采集模块单独供电，内部时钟作参考，保证数据采集模块同步采集多传感器所测得温度、压力信号和经放大器放大后的声发射信号；控制器为配有相应测控软件的计算机，多路信号切换模块、数据采集模块都与控制器连接，在控制器上可以完成多路信号切换模块中开关状态的控制、对数据采集模块的参数配置，如采样模式、采样频率、放大器增益等，控制器的测控软件上可以对经放大后的声发射信号进行滤波去噪处理，并实现对原始声发射信号和滤波处理后信号的保存功能，然后通过数据表格及图形的方式展示出原始的和滤波后的信号。
控制器的数据输出有两个流向：一是参数采集分析器，从采集到的声发射信号中提取幅值、声发射事件个数、振铃计数等声发射参数，能够实时显示各参数的值并给出与被测样品相关的分析结果；二是声发射源定位器，上述声发射传感器安装方式中，采用4个或更多传感器不共面安装时能够对圆柱形样品中裂纹的产生位置实时定位，并将结果输出给裂纹成像仪，用三维图像的方式展示出用定位结果，进而得到的裂纹扩展纹理。
实施例4
参见图1，声发射检测系统包括声发射传感器、放大器、信号切换模块、数据采集模块、控制器单元、参数采集分析器、声发射源定位器和裂纹成像仪。信号放大器要求低噪声、增益可选择，如20dB、40dB、60dB可选；控制信号切换单元的逻辑来控制声发射传感器与数据采集模块之间的通断；数据采集卡支持多通道同步数据采集、具有较高的采样率以满足工作要求(如沉积物在三轴加载下发出的声发射信号的频率为5MHz时，采集卡的采样频率不能低于25MHz)，通过控制采集卡的采样参数、触发采样模式以及输入限制，如设置采样频率100MHz，采样长度为100kS，内部触发采样，输入范围限制在-10V到+10V之间；控制器采用性能稳定的工业控制用计算机，能够实现对信号切换模块逻辑、数据采集单元采样的启停、工作模式、采集频率等参数进行自由配置；参数采集分析器基于MSP430系列单片机，能够以数值和图像的方式实时显示声发射信号中的各特征参数的变化；声发射源定位器与裂纹成像仪实现对含水合物沉积物在三轴加载下裂纹产生和演化趋势的实时、立体展示。
如图2所示的三轴加载声发射信号检测装置，包括装置架2，安装在装置架上的固定平台18，三轴压力室安装在固定平台18上，固定平台18连接传动组件16；连接三轴压力室最外室3，提供室内稳定压力的压力组件；连接三轴压力室中间室6，提供实验所需围压的围压组件，围绕压力室中间室6设置的恒温组件；连接三轴压力室最内室4，对样品抽真空的真空组件7，连接三轴压力室最内室4，向样品注入气体与液体的注气液组件；安装在装置架2和三轴压力室之间的测力环1；所述信号检测单元包括若干安装在三轴压力室内的声发射传感器，声发射传感器信号经依次连接的放大器模块、多路信号切换模块、数据采集模块输出至控制器模块，控制器模块连接参数采集分析器和声发射源定位器，声发射源定位器连接裂纹成像仪。
所述三轴压力室最内室4为橡胶套围成的空心圆柱形，在中间空心中包裹待测样品5，橡胶套与三轴压力室中间室6的内金属壁之间留有内空隙层，内空隙层中填充液体，围压组件包括围压泵9，围压管一端连接围压泵9，另一端连接内空隙层，围压阀8安装在围压管上；三轴压力室中间室内金属壁与三轴压力室中间室6外金属壁之间设置中空隙层，恒温组件包括恒温槽15，连接恒温槽15和中孔隙层的恒温管，安装在恒温管上的循环泵14；注气液组件包括连接橡胶套的气液管，连接气液管的增压泵13，连接增压泵13的气瓶或液体瓶12。
所述三轴压力室最外室3由上金属盖、有机玻璃和底座围成，压力室管一端连接三轴压力室最外室，另一端连接压力室泵10，在压力室管上安装压力室阀11和压力显示仪表。
所述传动组件16包括电机，与电机连接的齿轮箱，齿轮箱输出轴连接固定平台18，在齿轮箱上设置调节手轮17，垂直位移指示表安装于测力环1中间。
三轴压力室是三轴加载的重要部分，由上金属盖、有机玻璃和底座构成，是一个圆柱形的空间，压力组件用于控制压力室中的压力，围压组件包括压力泵、压力显示仪表和调节阀，通过调节压力室中压力与外界压力的关系，使得压力室中压力能够自动补偿而趋于稳定。采用电动机带动齿轮箱的方式，并通过传动使压力室能够自下而上地移动来承受轴向压力，此时压力室内样品在三个方向的主应力无法维持平衡，样品会在剪切力的作用下被破坏，通过调速可以分别控制轴向应力的大小进而能够控制剪切速率，并可以通过垂直位移指示表和测力环表实时指示样品轴向变形和剪切变形数值，测力环与手轮配合使用可以确定活塞与待测样品的临界接触点(三轴加载零点)。
三轴压力室为圆柱形，中间用来盛装实验所需的含水合物松散沉积物样品，并用橡胶套包裹住样品。橡胶套与内金属壁之间留有一定空隙，空隙中用液体填充来提供实验过程所需要的围压条件。内金属壁与外金属壁之间的空隙充满冷却液，能够起到温度控制作用。安装的导管主要用于液相、气相的流动与交换，冷却液的循环，往样品中注气注水，导出样品中的气体与溶液等等。三轴加载装置采用电动启停，轴向应力的加载变化速率人为可调并能实时显示样品轴向变形与剪切变形量，压力室中注满液体确保环境压力稳定；样品选用天然海砂作为松散沉积物，沉积物空隙中充满溶解有甲烷气体、质量分数为3.5％的NaCl溶液；圆柱形样品结构高210mm，直径100mm，用橡胶套将样品包裹，采用惰性硅油产生围压对橡胶套内样品密封，壁面的金属材料为不锈钢，内外壁距离2cm形成夹套结构，中间注入水和乙醇充当循环冷却液，用热电偶或热电阻(准确度±1℃)作温度传感器。
实施例5
参照图4所示，4个传感器分别为#1、#2、#3、#4，L1＝L3＝50mm，L2＝110mm，建立空间直角坐标系，确定4个传感器的位置坐标。配置好样品后开始进行三轴加载实验，取水合物生成分解动态过程进行研究，设置采集卡参数：启动触发采样、采样频率为10MHz、采样长度80kS。
第一步，选用sym小波进行5层分解，对4个传感器检测到的声发射信号进行连续小波去噪处理，取时间上连续的1000个有效完整的声发射信号，选定门槛值为45dB,提取信号中声发射事件参数、求取信号检波包络线下的面积进而得到能量计数参数。
第二步，选用10点滑动平均滤波方式对水合物生成分解过程中上述1000个完整有效声发射信号周期内孔隙压力和温度数据进行滤波去噪，假定水合物分子式为CH4·nH2O，其中水合指数n取值为6，采用下述公式计算含水合物饱和度：
式中，Sh为被测样品的含水合物饱和度；Mh为水合物摩尔质量，122.02g/mol；ρh为水合物的密度，0.91g/m3；T1为水合物未生成或已完全分解完时样品的温度，单位：K；T2为水合物生成或分解过程中样品的温度，单位：K；P1为水合物未生成或已完全分解完时样品的孔隙压力，单位：MPa；P2为水合物分解过程中样品空隙压力，单位：MPa；Zg1和Zg2分别为初始状态和生成分解过程中各状态气体压缩因子；R为摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)。
第三步，绘制这1000个信号的声发射事件个数—含水合物饱和度变化曲线、能量计数—含水合物饱和度变化曲线，分析含水合物饱和度与这两个参数之间的关系，获得由声发射事件个数或能量计数计算三轴加载过程中沉积物含水合物饱和度的计算式；分别以时间为横轴绘制含水合物饱和度、声发射事件个数、能量计数的变化趋势，联合这两个声发射参数并采用三层BP神经网络模型，进而建立三轴加载条件下含水合物饱和度的计算模型。
第四步，在VC++平台中基于上述时间差定位的原理编写程序求取各传感器对之间的时间差值，并进一步依据下列计算式子获取信号源即断裂位置在三维空间中的坐标。最后选用合适的平滑函数以三维图像的方式实时展示出含水合物沉积物样品中裂纹的扩展纹理。
式中，X1,Y1,Z1为#1传感器的空间坐标；X2,Y2,Z2为#2传感器的空间坐标；X3,Y3,Z3为#3传感器的空间坐标；X4,Y4,Z4为#4传感器的空间坐标；V为声波在样品中的传播速度；t1,2,t1,3,t1,4分别表示#1传感器与#2、#3、#4传感器检测到同一个声发射信号的时间差值。
上述以水合物生成分解动态实验过程具体阐述声发射信号的处理方法，静态实验过程中对数据的去噪、对声发射源的定位、对含水合物饱和度的计算同样可选用上述的原理以及方法，所涉及的参数可以根据具体实验中信号的特点进行灵活调整。
申请实施例只是用于说明本申请所公开的技术特征，本领域技术人员通过简单的替换所进行的改变，仍然属于本申请所保护的范围。
Claims (10)
1.一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，具体步骤如下：
一、安装待测样品，施加模拟环境；
二、调节三轴加载声发射信号检测装置，进行零点校准；
三、在控制主机上设定放大器增益、多路信号切换模块中开关通断的逻辑顺序，配置数据采集模块的参数，参数包括采样模式、采样频率、采样幅值范围、采样通道；打开参数采集分析仪、声发射源定位器和裂纹成像仪；
四、针对静态检测过程，当待测样品处于稳定状态时启动电机，施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率；待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的静态检测数据进行处理；
五、针对动态检测过程，对水合物生成与分解过程都设置最终的温度值，在含水合物饱和度连续变化过程的起点启动电机，开始施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率，待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的动态检测数据进行处理；
六、改变样品中沉积物粒径及加入黏土的含量，重复上述步骤，获得静态和动态检测数据；
七、除上述步骤中声发射信号的测量外，对水合物在生成分解过程中，处于稳定状态时，实时测量样品孔隙压力与温度，基于消耗甲烷气的量计算样品中水合物含量，进一步计算得到含水合物饱和度。
2.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述稳定状态包含两个阶段：一、当水合物完全生成时，即样品内部孔隙压力以及温度趋于稳定，不再发生变化；二、在水合物生成分解过程中，设置温度变化梯度，每次设置不同温度，待温度及孔隙压力均稳定时，样品中饱和度达到稳定值，即样品处于该温度条件下的稳定状态。
3.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述对获得的静态检测数据进行处理是指：
一、测得不断施加轴向应力后样品产生的声发射信号，对原始信号去噪；
二、对水合物完全生成时以及达到各温度梯度稳定状态时，对测得的孔隙压力和温度数据进行滤波处理，将滤波处理后得到的压力和温度数值使用公式1计算得到含水合物饱和度，
公式1：
式中，Sh为被测样品的含水合物饱和度；Mh为水合物摩尔质量，单位：g/mol，ρh为水合物的密度，单位：g/m3，T1为水合物未生成或已完全分解完时样品的温度，单位：K，T2为水合物生成或分解过程中样品的温度，单位：K，P1为水合物未生成或已完全分解完时样品的孔隙压力，单位：MPa，P2为水合物分解过程中样品空隙压力，单位：MPa，Zg1和Zg2分别为初始状态和生成分解过程中各状态气体压缩因子，R为摩尔气体常数，单位：J/(mol·K)；
三、提取声发射事件个数，做出声发射事件个数与轴向应力的关系曲线，比较分析测得的处于稳定状态的含水合物饱和度不同的沉积物样品的声发射事件个数—轴向应力曲线，分析不同饱和度的样品在相同轴向应力下声发射事件个数的变化规律；另外，选取一个声发射事件个数的阈值，对声发射事件个数—轴向应力曲线进行非活跃和活跃阶段划分，分析随着样品饱和度的变化，活跃阶段起始时刻和结束时刻的变化规律；提取声发射信号的幅值，由幅值的变化规律辨识出稳定状态下三轴加载实验中样品发生断裂的时间点，进一步得到该时间点对应所加载的应力的大小，绘制含水合物沉积物在三轴加载过程发生断裂的轴向应力和含水合物饱和度之间的关系曲线，得到沉积物抗剪切能力随着含水合物饱和度变化而变化的规律；对轴向应力—含水合物饱和度曲线进行回归分析得到饱和度和轴向应力之间的关系式τ＝f(Sh)，在已知含水合物饱和度条件下能够据此计算出沉积物样品发生断裂时的轴向应力大小；同时能够形成一种基于轴向应力计算含水合物饱和度的方法Sh＝f-1(τ)，其中τ表示轴向应力，Sh表示样品中含水合物饱和度；
四、除分析单参数与含水合物饱和度或者轴向应力大小之间变化规律外，选取多个声发射参数，联合分析它们与含水合物饱和度及轴向应力之间的变化规律，用BP神经网络智能机器学习方法，将利用上述公式1计算得到的含水合物饱和度作为网络输出，将声发射事件个数、能量和有效值电压作为网络的输入对网络进行训练，获得以多个声发射参数为输入的含水合物饱和度计算模型，通过改变输入参数、输出参数，实现对含水合物沉积物力学稳定性参数的预测和评估；
五、分析比较样品中沉积物粒径以及黏土含量不同时，上述声发射事件个数和幅值随着含水合物饱和度变化而变化的规律，利用神经网络计算得到沉积物粒径、黏土含量对样品在三轴加载过程中声发射事件个数和幅值特征参数的影响；分析比较粒径不同、黏土含量不同时样品在三轴加载过程中发生断裂时轴向应力大小的变化，从而在上述τ＝f(Sh)关系式基础上引入沉积物粒径和黏土含量两个变量，得到含水合物沉积物的抗剪切能力随着含水合物饱和度、样品粒径及黏土含量因素变化而改变的规律，基于大量实验数据分析确定它们之间的定量关系τ＝f(Sh,d,δ)，在已知含水合物饱和度、沉积物粒径和黏土含量条件下能够计算得到沉积物断裂时轴向应力的大小，d表示沉积物粒径，δ表示黏土含量。
4.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述去噪指小波模极大值去噪、限幅值滤波去噪、平滑滤波去噪，根据测量所得声发射原始信号特点选择去噪方法，以及确定去噪过程中所用到的参数；所述滤波指平滑滤波、限幅值滤波。
5.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述对获得的动态检测数据进行处理是指：
一、沉积物中水合物在生成分解过程中孔隙压力、温度参数持续变化，首先对获得的压力和温度数据进行滤波处理，然后运用公式1含水合物饱和度计算方法计算得到水合物生成分解过程中的饱和度数值并记录；
二、利用参数采集分析器的分析结果，绘制出声发射事件个数、声发射信号的幅值、有效值电压随着含水合物饱和度变化的曲线，获得这些声发射参数与含水合物饱和度之间的定性规律并进一步计算得到它们之间的定量关系Sh＝f(N)，Sh＝f(V)，Sh＝f(U)，形成基于声发射事件个数、幅值与有效值电压的含水合物饱和度计算方法，另外选取上述两个或三个特征参数通过作出多参数与饱和度之间的关系曲线联合分析与含水合物饱和度之间的定性关系，通过大量的实验数据，基于神经网络智能机器学习模型进一步获得它们之间的定量关系，Sh＝f(N,V)，Sh＝f(N,U)，Sh＝f(V,U)，Sh＝f(N,V,U)，建立利用多个声发射特征参数预测含水合物饱和度的模型；
三、以所采集的声发射信号为基础，采用互相关法处理两路声发射信号能够得到两个传感器采集到同一声发射信号的时间差：假设源信号为s(t)，噪声信号为ni(t)(其中，i＝1,2)，接收到的两个传感器信号分别为：
x1(t)＝s(t)+n1(t)
x2(t)＝s(t-τ1,2)+n2(t)
两信号的互相关函数表示为：
R1,2(τ)＝E[x1(t)x2(t-τ)]
由于s(t)、n1(t)、n2(t)两两互不相关，将x1(t)与x2(t)代入上式并化简可得：
R1,2(t)＝E[s(t)s(t-τ1,2-τ)]＝RS(τ-τ1,2)
得到源信号的自相关函数，当τ＝τ1,2时R1,2(τ)最大，求出两信号互相关函数最大值所对应的τ值，得到两信号之间的时间差值τ1,2；
四、基于时间差的声发射源位置定位方法：在三轴加载实验前对样品进行多次声速测量实验，获得声波在样品中的传播速度值，当三轴加载声发射信号检测装置采用4个或以上传感器，以空间不共面方式安装时，空间中声发射源的坐标分为x，y，z三个维度，建立空间坐标系后，针对4个不共面的传感器两两求取检测到的声发射信号中信号幅值第一次越过门槛值的时间差值，基于时间差实现对声发射源位置的定位；运用传感器在空间坐标系中的坐标和所求出的时间差值列出与声发射源坐标相关的定位计算式，结合样品中的声速，求出声发射源在空间中的坐标，实现对声发射源的定位；
五、在沉积物中水合物生成分解过程中，随着加载的进行，样品中某一位置产生声发射信号并逐渐扩展到下一位置，直至样品断裂，运用基于时间差的声发射源定位方法计算出声发射源在样品中的空间位置，通过在三维图中标记声发射源位置的方法，将标记的所有声发射源位置平滑连接，可有效地反映出裂纹的扩展纹理，实现样品在三轴加载过程中裂纹扩展纹理的实时成像；
六、对粒径、黏土含量不同的样品分别进行数据处理，以关系图的方式比较分析不同粒径、不同黏土含量样品在三轴加载实验中断裂时轴向应力大小，据此获得粒径大小、黏土含量对处于水合物生成分解过程中的松散沉积物在三轴加载下抗剪切能力的影响，利用最小二乘法、基于神经网络的智能机器学习方法获得沉积物粒径、黏土含量与沉积物抗剪切能力之间的定量关系τ＝f(d,δ)，在上述计算得到单参数、多参数与含水合物饱和度之间定量关系的基础上引入沉积物粒径和黏土含量两个变量，基于大量实验数据计算得到含水合物饱和与声发射参数、粒径和黏土含量之间的定量关系，如Sh＝f(N,d,δ),Sh＝f(N,V,U,d,δ)，比较沉积物粒径和黏土含量不同的样品在相同加载过程中裂纹扩展纹理，分析总结出粒径和黏土含量对裂纹扩展路径的影响。
6.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述声发射信号的特征参数包括声发射事件个数、幅值、振铃计数、能量、有效值电压、平均信号电平和频谱分布。
7.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述三轴加载声发射信号检测装置，包括装置架，安装在装置架上的固定平台，三轴压力室安装在固定平台上，固定平台连接传动组件；连接三轴压力室最外室，提供室内稳定压力的压力组件；连接三轴压力室中间室，提供实验所需围压的围压组件，围绕压力室中间室设置的恒温组件；连接三轴压力室最内室，对样品抽真空的真空组件，连接三轴压力室最内室，向样品注入气体与液体的注气液组件；安装在装置架和三轴压力室之间的测力环；所述信号检测单元包括若干安装在三轴压力室内的声发射传感器，声发射传感器信号经依次连接的放大器模块、多路信号切换模块、数据采集模块输出至控制器模块，控制器模块连接参数采集分析器和声发射源定位器，声发射源定位器连接裂纹成像仪；所述三轴压力室最内室为橡胶套围成的空心圆柱形，在中间空心中包裹待测样品，橡胶套与三轴压力室中间室的内金属壁之间留有内空隙层，内空隙层中填充液体，围压组件包括围压泵，围压管一端连接围压泵，另一端连接内空隙层，围压阀安装在围压管上；三轴压力室中间室内金属壁与三轴压力室中间室外金属壁之间设置中空隙层，恒温组件包括恒温槽，连接恒温槽和中孔隙层的恒温管，安装在恒温管上的循环泵；注气液组件包括连接橡胶套的气液管，连接气液管的增压泵，连接增压泵的气瓶或液体瓶。
8.根据权利要求7所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述三轴压力室中间室的内金属壁表面安装2个声发射传感器，传感器端面与内壁齐平，采用磁吸附式夹具固定，分成正对或非正对安装，轴向位置可改变；
或三轴压力室中间室的内金属壁表面安装4个声发射传感器，传感器端面与内壁齐平，分成两对分别正对或非正对安装，轴向上上层传感器与圆柱形样品的上端面之间、下层传感器与圆柱形样品下端面之间、两层传感器之间都相隔一段距离，使4个传感器不共面；
或三轴压力室中间室的内金属壁表面安装8个声发射传感器，分成4对，对圆柱形样品在轴向上分为5层，每一层两个传感器的连线与相邻层两个传感器的连线不平行，轴向上最上层传感器与样品上端面之间、最下层传感器与样品下端面之间，以及相邻两层传感器之间都相隔一段距离；
或若干个声发射传感器呈螺旋状安装于内金属壁表面，传感器端面与内金属壁内壁齐平。
9.根据权利要求7所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述三轴压力室最外室由上金属盖、有机玻璃和底座围成，压力室管一端连接三轴压力室最外室，另一端连接压力室泵，在压力室管上安装压力室阀和压力显示仪表；所述传动组件包括电机，与电机连接的齿轮箱，齿轮箱输出轴连接固定平台，在齿轮箱上设置调节手轮，垂直位移指示表安装于测力环中间。
10.根据权利要求7所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述声发射传感器与放大器模块连接，放大器模块用于放大声发射信号提高信噪比，放大器模块与多路信号切换模块通过引线连接，控制器模块控制多路信号切换模块中开关选择所需传感器与数据采集模块连通，完成对放大后信号的采集；数据采集模块单独供电，内部时钟作基准，同步采集若干多声发射传感器测得的温度、压力信号和经放大器放大后的声发射信号；控制器模块连接数据采集模块，实现对数据采集模块的参数配置和原始声发射信号及滤波处理后信号的保存，并通过参数采集分析器和裂纹成像仪输出。
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