CN111289385A - 一种基于x-ct探测含水合物沉积物力学参数的装置及方法 - Google Patents

一种基于x-ct探测含水合物沉积物力学参数的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于X‑CT探测含水合物沉积物力学参数的装置与方法，所述装置包括反应釜，反应釜本体为铍或碳纤维耐压管，两端端盖密封，下端盖外侧与轴压加载反力机构连接，反应釜内部自上而下为：上部样品调节垫块、沉积物样品、下部样品调节垫块及轴压加载活塞，还包括剪切加载单元、背压控制单元、卸载压力加载单元以及应变量测单元。本发明满足了合成甲烷水合物所需要的高压条件，能够精确控制试样轴向温度，使其均匀分布；还可以快速控温以提高制样效率，且能够调节试样的尺寸，达到控制不同的试样高径比的目的，本发明可实现含天然气水合物沉积物应力‑应变曲线和沉积物内部破坏微观结构同步探测，能够实现恒应变剪切和恒应力蠕变测试。

Description

一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物储层基础物性评价领域，具体涉及一种基于微纳米CT扫描与三轴实验相结合分析含水合物沉积物微观破坏损伤带和宏观应力应变曲线的的装置及方法。
背景技术
研究水合物开采过程中的储层力学参数动态响应特征是揭示水合物开采相关工程地质风险发生临界条件、演变规律及其对水合物开采影响程度的基础。常规力学参数测试主要以“短期”载荷作用下沉积物发生破坏作为评价含水合物沉积物体系力学性能的依据，但缺乏对长期开采条件下储层缓慢变形(即蠕变)的时效性行为的研究手段。
目前，通过室内人工合成含水合物试样并进行岩心尺度的力学测试分析是获取含水合物储层力学性质的主要手段。X-CT技术的发展及其对沉积物的孔隙变化过程分析技术的提出对于深入理解天然气水合物沉积物的性质起了很大的推动作用。但目前X-CT在天然气水合物中的应用主要以表征水合物赋存行为为主，对天然气水合物储层微观破坏形态的相关表述较少。
近年来，也有部分学者提出将X-CT扫描技术与三轴剪切实验装置结合进行水合物沉积物破坏过程的实时监测，如公开号CN110274833A的发明公布了一种CT实时扫描的水合物沉积物柔性加载真三轴试验装置，但其三向加载结构决定了该系统无法在CT载物台上旋转，因此只能做二维成像，无法得到沉积物内部结构损伤变化过程的3D观测；公开号为CN104155188A的发明解决了三轴加载装置旋转的问题，同时为了改进旋转系统的稳定性，该团队在后续又提出了该系统的改进版，如公开号为CN109668916A的发明，其主要稳定性提升措施为：将加载活塞、法兰盘、液压油缸等重量较大的部件整体设计安装到水合物三轴仪装置下方，以降低装置重心。然而，该系统采用工程塑料作为反应釜主体，无法实现天然气水合物高压模拟实验，因此作者也指出目前是用氙气进行实验；另外，反应釜端部采用铝合金控温，会导致沉积物轴向温度差异，合成沉积物均匀性问题仍有待进一步提升；再者，该系统采用水浴循环降温，一方面，增大了整个系统的重量与复杂性，另一方面，反应釜外增加一层水层和一层外包层，两层都会引起X射线的损耗，导致最终观测精度降低。
综上，提出一种满足合成甲烷水合物所需要的高压需求，且控温方式均匀、控温效率高、样品尺寸可调的适用于天然气水合物沉积物的孔隙尺度微观观测-三轴剪切综合试验装置与方法，则成为本发明所面临的重要课题。
发明内容
针对现有技术存在的无法满足合成甲烷水合物所需要的高压、控温方式不均、控温效率不够高进而导致影响测量精度的缺陷，本发明提出一种在高压环境下实现含水合物沉积物X-CT扫描和沉积物样品变形过程的宏微观同步精确测量的装置，采用如下技术方案予以实现：
一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，包括：反应釜、剪切加载单元、背压控制单元、卸载压力加载单元、应变量测单元，以及X-CT扫描装置，所述反应釜包括反应釜本体及与之配合的上、下端盖，其特征在于：
所述反应釜本体为铍或碳纤维耐压管，其内部自上而下为：上部样品调节垫块、沉积物样品、下部样品调节垫块及轴压加载活塞，轴压加载活塞底和下部样品调节垫块中央贯通设计孔压入口；
所述上部样品调节垫块下端和下部样品调节垫块上端均安装等直径的透水石，透水石边缘各安装有示踪棒；
所述下端盖底部连接轴压加载反力机构，轴压加载反力机构侧壁设有用以连接所述剪切加载单元的加载流体入口及用以连接所述卸载压力加载单元的通气孔，所述上端盖中心位置设置孔压出口，偏心位置分别设置围压出口；反应釜下端盖偏心位置设置围压入口；
所述轴压加载活塞与反应釜下端盖、轴压加载反力机构内腔体、轴压加载反力机构出口之间采用滑动密封圈动密封；其中轴压加载活塞与轴压加载反力机构内腔体之间的滑动密封圈将轴压加载反力机构内腔体分割成上下两个不连通的腔体。
进一步地，所述反应釜外侧上、下位置分别安装珀耳帖降温护套。
进一步地，所述上、下部样品调节垫块与反应釜本体内壁之间安装压载扶正环，所述的压载扶正环为带孔的塑料环形圈，环形圈的内径与样品调节垫块相等，外径与反应釜本体内径相同。
进一步地，所述应变量测单元包括：拉线编码器及拉线编码器挂钩，所述拉线编码器挂钩固定在所述轴压加载活塞底部。
本发明另外还提出一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，包括：
步骤(1)、安装试样
将水合物沉积物样品放入橡胶套中并充分压实；然后将样品调节垫块套入橡胶套，安装反应釜上端盖和下端盖，安装轴压加载活塞及轴压加载反力机构，将岩心夹持器置于CT扫描仪载物台上并固定；
步骤(2)调整围压与孔压，使得样品固结24h以上；
步骤(3)制备水合物样品
对样品降温，当样品温度达到预设温度后，维持该温度72h以上，72h后样品制备完成；
步骤(4)获得水合物物饱和度和饱和度分布特征
采用X-CT三维低分辨扫描和高分辨扫描模式，对样品进行三维扫描；基于CT扫描结果的阈值分割，识别含水合物样品中的砂、甲烷水合物、甲烷气体、水，获得沉积物中的水合物饱和度和饱和度分布特征；
步骤(5)三轴加载
通过与加载流体入口相连的剪切加载单元和孔压背压单元的联合操作实现静态力学参数的测试和蠕变参数的测试；
步骤(6)水合物沉积物变形分析
通过X-CT二维扫描实施监测沉积物变形过程中的横向、轴向变形特征及其内部可能的破坏带变化情况，分析沉积物变形过程。
进一步地，所述步骤(5)中，蠕变参数测试时，包括：
打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒压模式，设定泵出口压力，输送泵将自动将出口压力调整为设置值，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下向上推进，推进过程中调整背压控制单元，保证孔隙压力维持恒定，当沉积物所承受的轴向力达到预设条件后，维持该压力条件长期稳定，通过步骤(6)观察沉积物损伤演化特征。
进一步地，所述步骤(5)中，静态力学参数测试时，包括：
打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒流模式，设定输送泵流量，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下匀速向上推进，推进过程中调整背压控制单元，保证孔隙压力维持恒定，当沉积物所承受的轴向应变量达到预设条件后停止加载，通过步骤(6)观察沉积物损伤演化特征。
进一步地，所述步骤(6)之后还包括轴压卸载，从位于轴压加载反力机构侧壁的通气孔泵入流体至轴压加载活塞与轴压加载反力机构形成的上部腔体，推动活塞下移，实现卸载。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提出一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的专用装置及方法，该装置满足了合成甲烷水合物所需要的高压条件，能够精确控制试样轴向温度，使其均匀分布；还可以快速控温以提高制样效率，且能够调节试样的尺寸，达到控制不同的试样高径比的目的，本发明可实现轴向定剪切速率、定压力两种加载模式。
附图说明
图1为本发明实施例反应釜剖面结构示意图；
图2-1为本发明实施例上部样品调节垫块与反应釜上端盖配合结构示意图；
图2-2为本发明实施例下部样品调节垫块与轴压加载活塞配合结构示意图；
图3为本发明实施例基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置各部件连接流程图；
如上各图中：1—沉积物样品；2—橡胶套筒；3-1、3-2—透水石；4-1、4-2—样品调节垫块；5-1、5-2—压载扶正环；6—轴压加载活塞；7—围压腔体；8—铍反应釜本体；9—反应釜下端盖；10—反应釜上端盖；11—轴压加载反力机构；12—反应釜支架13—绝热垫层；14-1、14-2—示踪棒；15—珀耳帖降温护套；16—热电偶；17—甲烷气瓶；18—高精度气体压力体积控制器；19—孔压和轴压加载活塞卸荷共用流体槽；20—流体泵；21—氮气瓶；22—背压阀；23—拉线编码器；24—拉线编码器挂钩；25—X射线发射器；36—X射线接收器；27—围压供给水槽；28—轴向加载流体槽；29—轴向加载输送泵；30—高精度流体变送器；31—数据采集器；32—X射线发射接收中继站；G1—孔压入口；G2—孔压出口；G3—围压入口；G4—围压出口；G5—加载流体入口；G6—通气孔；L1～L6—紧固螺丝；P1—孔压压力；P2—围压压力；P3—背压阀22的输出压力。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例一，本实施例提出一套适用于天然气水合物沉积物的孔隙尺度微观观测-三轴剪切综合试验系统，能够实现温度、入口压力、出口压力、围压及轴压的精确控制。实验系统反应釜主体为铍材质，X射线可穿透，满足X-CT 3D扫描成像测试，该系统能够同时实现针对天然气水合物沉积物的微纳尺度扫描与宏观应力-应变曲线的测试。
具体地，参考图1、图2，一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，包括微型反应釜，反应釜本体为铍或碳纤维耐压管材。其中铍耐压管为铍粉在高温条件下锻造成型的铍质耐压管。反应釜本体两端加工“工”形凸起，用于与反应釜端盖配合；反应釜端盖为钛合金材质，分上、下端盖；反应釜上端盖10与反应釜本体采用螺纹连接，上端盖10中央位置设置孔压出口G2和围压出口G4；反应釜下端盖9上部与反应釜本体采用螺纹连接，下部与轴压加载反力机构11通过螺纹连接，轴压加载反力机构11端部和侧壁包裹泡沫或丙烯酸覆膜作为绝热垫层。
铍和碳纤维的强度大，耐压能力强，因此能够大大提升X-CT三轴实验的压力条件；在X射线的能量小于100kev条件下，铍和碳纤维能够很好的允许X射线穿透，达到对其内部样品测试的目的；特别是，铍具有很高的热导率，在端部降温条件下有助于促进样品轴向的温度均匀分布。
在反应釜内部，从上到下依次为：上部样品调节垫块4-1、沉积物样品1、下部样品调节垫块4-2、轴压加载活塞6，上部样品调节垫块下端和下部样品调节垫块上端均安装等直径的透水石3-1、3-2，透水石边缘各安装一个示踪棒14-1、14-2；沉积物样品用橡胶套筒2包裹，橡胶套筒2与样品调节垫块之间用橡皮筋缠绕；在样品调节垫块与反应釜本体内壁之间安装压载扶正环5-1、5-2。压载扶正环为带孔的塑料环形圈，环形圈的内径与样品调节垫块相等，外径与反应釜本体内径相同。压载扶正环上设有孔眼，保证围压液能够在压载扶正环的上下两侧自由流动，压载扶正环的主要作用是防止在轴向加载过程中导致样品的整体横向倾斜，确保实验成功率。沉积物样品直径、调节垫块直径和轴压加载活塞直径相等，按照上述顺序安装后橡胶套与反应釜本体内壁之间的环空作为围压液空间。
上、下部样品调节垫块上设有凹槽，用于样品安装橡皮筋，密封橡胶套与调节垫块；样品调节垫块的高度根据实际样品需求调整，本实施例设计的样品直径25mm，样品高度可调范围为25mm-90mm，标准试验条件下采用高径比2:1的岩心进行实验，即试样高度为50mm。上部样品调节垫块与反应釜上端盖之间采用公母扣方式对接，下部样品调节垫块与轴压加载活塞之间采用公母扣方式连接，为保证上下样品调节垫块通用，垫块均为公扣，反应釜上端盖下端面和轴压加载活塞上端面为母扣。
示踪棒为一高密度金属材质，比如采用钛合金，镶嵌在透水石边缘。采用高密度金属材质作为示踪棒的主要原理是：高密度材质相对于低密度的沉积物或水合物在X-CT扫描图像上会有明显的灰度差异。因此，在实际实验过程中，可以示踪棒位置的变化量化监测沉积物-样品调节垫块界面的轴向位置变化过程；同时，由于示踪棒在径向方向的位置是固定的，因此可以以示踪棒为基准点，判断三轴加载过程中沉积物侧向应变量沿沉积物纵向的分布规律。
反应釜上端盖10中央、上部样品调节垫块4-1中央、下部样品调节垫块4-2中央及轴压加载活塞中央设计孔压流体通道，实际实验过程中孔压流体从轴压加载活塞的下部注入，从反应釜上端盖中央的孔压出口排出；反应釜上端盖10、反应釜下端盖9偏心位置分别设置围压出口G3，轴压加载活塞底部设置孔压入口G1，实际实验过程中围压液从位于反应釜下端盖的围压入口G3进入，释压过程中从位于反应釜上端盖的围压出口G4流出。
轴压加载活塞6与反应釜下端盖9、轴压加载反力机构11内腔体、轴压加载反力机构出口之间采用密封圈滑动密封；其中轴压加载活塞6与轴压加载反力机构11内腔体之间的滑动密封圈将轴压加载反力机构内腔体分割成上下两个不想联通的腔体；实际实验过程中，轴压加载流体从位于轴压加载反力机构侧壁的加载流体入口泵入下部腔体，推动轴压加载活塞上行，实现对内部沉积物的轴向压载；反之，卸载过程中，从位于轴压加载反力机构侧壁的通气孔泵入流体至轴压加载活塞与轴压加载反力机构形成的上部腔体，推动活塞下移，实现卸载。
本实施例孔压加载方式避免了机械加载柱塞必须设在反应釜的上端盖的缺陷，现有技术将加载柱塞反应釜的上端盖，同时将孔压的出口和入口也设在反应釜的上端盖，其弊端为：里面的甲烷气没法流动起来，这样水合物可能只在沉积物的上半部分生成，下半部分没有生成。
轴压加载活塞6在轴压加载反力机构11腔体内部的上下活动范围决定了三轴剪切过程中允许的最大剪切变形量，本专利设计的轴压加载活塞最大活动范围为25mm，即：在样品高度为50mm条件下，三轴加载允许的最大应变量为50％；在本系统允许的最大样品高度(90mm)条件下，三轴加载允许的最大应变量为22％，满足三轴加载所需的应变量条件。轴压加载反力机构与反应釜下端盖之间在端面采用螺纹连接，侧面使用密封圈密封；反应釜下端盖连接反应釜支架，安装在X-CT载物台上；轴压加载反力架端部和侧面包裹绝热垫层(泡沫保温层或丙烯酸覆膜)，防止X-CT载物台与反应釜系统发生直接的热交换，一方面保证CT扫描系统不受温度扰动的影响，另一方面减少反应釜内部热耗散，维持水合物生成所需的低温条件。
整个反应釜系统的温度控制模式以珀耳帖降温护套15降温为主，珀耳帖降温护套与反应釜外径、反应釜端盖外径分贝相同的珀耳帖板，珀耳帖分别于外接电源连接实现对反应釜的降温控制；为防止珀耳帖降温护套对内部扫描结果的影响，在反应釜本体中央位置(即沉积物样品所处位置)处不安装珀耳帖降温护套。珀耳帖降温护套温度控制平稳，反应釜内部的温度分布平均，并且珀耳帖降温护套只需要与外接电源线连接，而无需水浴循环管路，减轻了系统的整体重量，使系统整体轻便。
本实施例的整体设计耐压(围压)条件为30MPa；孔压最大设计值为29.8MPa，控制精度0.1FS，该装置可模拟天然气水合物的赋存条件，在三轴剪切系统内原位合成不同水合物饱和度的沉积物样品并开展力学剪切实验，同时结合微米X-CT观测技术原位监测剪切实验的微观过程，从而实现水合物储层力学特性的CT三轴的宏微观力学联合测量。
参考图3，本实施例与反应釜相连的其他装置包括：与孔压入口相连的恒速/恒压流体加载泵及其附件、与围压入口相连的恒速/恒压加载泵及其附件、与孔压出口相连的背压控制单元、与通气孔相连的卸载压力加载单元、与加载流体入口相连的剪切加载单元、应变量测单元、以及用于沉积物二维、三维扫描的X-CT实验系统。
其中，与孔压入口相连的恒速/恒压流体加载泵及其附件主要包括高压甲烷气瓶17、高精度气体压力体积控制器18、孔压和轴压加载活塞卸荷共用流体槽19、高精度精密水泵20、孔压压力传感器及相应的管线和阀门。高精度水泵为恒流泵。与围压入口相连的恒速/恒压加载泵及其附件主要包括围压供给水槽27、高精度流体变送器30、围压压力传感器及相应的管线和阀门；高精度流体变送器有恒流模式和恒压模式两种流体输送模式。与孔压出口相连的背压控制单元主要包括高压氮气瓶21、背压阀22、背压阀压力传感器及相应的管路和阀门。与通气孔相连的卸载压力加载单元的主要作用是：在一次压载实验结束后，通过向轴向加载反力机构与轴向加载柱塞形成的上部空间中泵送流体，使轴向加载柱塞复位。X-CT系统为已经在天然气水合物微观结构探测方面有成熟应用的工业级纳米CT系统。
与加载流体入口相连的剪切加载单元主要包括轴向加载流体槽28、轴向加载输送泵29及相应的管线和阀门，轴向加载输送泵29有恒流模式和恒压模式两种流体输送模式，其中恒流控制条件下轴向加载柱塞的移动速率区间在0.01mm/min-4.00mm/min，控制精度0.1FS；在恒压加载模式下的压力控制精度为0.1MPa，满足蠕变模拟的需求。应变量测单元主要有拉线编码器、拉线编码器挂钩组成，拉线编码器可同时记录拉线的伸长量及时间。本专利采用拉线编码器代替常规位移传感器最大的优势是：拉线编码器的位移可测范围长，拉线损坏概率低于刚性位移传感器。
基于以上叙述，本实施例的有益效果是：(1)在X-CT三轴剪切条件下实现对天然气水合物的高压条件；(2)采用珀耳帖代替水浴循环，简化了冷却方式，降低反应釜种类；(3)能够调节试样的尺寸，达到控制不同的试样高径比的目的；(4)能够满足轴向定剪切速率、定压力两种加载模式，实现三轴力学参数测试和蠕变测试的目的；(5)精确定位剪切过程中三轴轴向位置和侧向变形量。
实施例二，本实施例提出一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，包括：
步骤(1)、安装试样
将一定量的沉积物样品用水饱和并充分混合，将混合好的砂样放入橡胶套中并充分压实；然后将样品调节垫块套入橡胶套，将压载扶正环安装在橡胶套、样品调节垫块重合部分的外部。安装反应釜上端盖和下端盖，安装轴压加载活塞及轴压加载反力机构，将岩心夹持器置于CT扫描仪载物台上并固定。
步骤(2)调整围压与孔压，使得样品固结24h以上
打开反应釜上端盖的围压液出口阀门，从反应釜下端盖围压液入口向围压腔体中注入围压液，排空围压腔内的气体后关闭围压液出口阀门，并增大围压压力至0.2MPa。
接通高压甲烷气瓶将高精度气体压力体积控制器气瓶中的压力增大至预设值(满足试样中合成水合物所需的压力)；然后缓慢调节高精度气体压力体积控制器，从孔压入口逐步将孔隙压力增大至0.1MPa，从反应釜上端盖的孔压出口排出部分孔隙水。
然后关闭反应釜所有阀门，缓慢调节围压高精度流体变送器和高精度气体压力体积控制器，逐级增大孔隙压力和围压压力。特别需要指出的是，增压过程中保证围压始终大于孔压0.1-0.2MPa，围压值与孔压值之差为有效围压；当孔隙压力达到预设压力(如5.0MPa)以后，停止围压和孔压加载，利用轴向加载输送泵增大轴向加载压力，轴压加载流体从位于轴压加载反力机构侧壁的加载流体入口泵入下部腔体，推动轴压加载活塞上行，实现对内部沉积物的轴向压载，至有效围压，使沉积物在等应力条件下固结24h以上。
步骤(3)制备水合物样品
调整珀尔帖降温环的电流大小来实现试样的降温过程，试样的温度通过热电偶实时采集；当试样温度达到预设温度(如1℃)后，维持该温度72h以上，在此过程中围压和孔压自动跟踪，保持不变，72h后样品制备完成。
步骤(4)获得水合物物饱和度和饱和度分布特征
分别采用X-CT三维低分辨扫描和高分辨扫描模式，对试样进行三维扫描；扫描精度取决于CT的精度，本系统中低分辨扫描为全岩芯扫描，扫描精度40μm；高分辨扫描为局部扫描，扫描精度2μm；基于CT扫描结果的阈值分割，识别含水合物样品中的砂、甲烷水合物、甲烷气体、水。获得沉积物中的水合物饱和度和饱和度分布特征。
步骤(5)三轴加载
通过与加载流体入口相连的剪切加载单元和孔压背压单元的联合操作实现静态力学参数的测试和蠕变参数的测试；根据不同的测试目标，根据测试目的的不同，三轴加载模式分为恒流加载和恒压加载两种模式，以下分别叙述。
蠕变加载：打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒压模式，设定泵出口压力，输送泵将自动将出口压力调整为设置值，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下向上推进。推进过程中调整背压阀，保证孔隙压力维持恒定。当沉积物所承受的轴向力达到预设条件后，维持该压力条件长期稳定，通过步骤(4)观察沉积物损伤演化特征；恒压加载模式下的压力控制精度为0.1MPa。
需要注意的是：本系统轴向加载活塞与反应釜下端盖、轴压加载反力机构之间一共存在三套滑动密封系统，轴压加载过程中滑动密封圈摩擦力造成的影响不可忽略，因此实际沉积物所受的轴向力等于轴向加载输送泵出口压力与密封圈摩擦力的差值。
静态力学参数测试加载：打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒流模式，设定输送泵流量，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下匀速向上推进。推进过程中调整背压阀，保证孔隙压力维持恒定。当沉积物所承受的轴向应变量达到预设条件后停止加载。在此过程中通过步骤(4)观察沉积物损伤演化特征；恒流控制条件下轴向加载柱塞的移动速率区间在0.01mm/min-4.00mm/min，控制精度0.1FS。
步骤(6)水合物沉积物变形分析。
主要包括宏观应力-应变-时间分析、实时微观破坏带分析、最终破坏状态分析等三种方法：
在上述蠕变加载和静态力学参数测试加载过程中，密封圈摩擦力认为是一个恒定值，总轴向力可以通过轴向加载输送泵的出口压力采集获得，轴向应变可以通过拉线编码器的数据采集获得。因此，在上述过程中可以获得轴向应力-轴向应变-时间的关系曲线；
由于三维X-CT扫描成像耗时长，扫描过程必须间断加载过程；而二维线扫描采集间隔短(15s/帧)，因此可以用来实时观测沉积物的变化规律。因此提出采用二维扫描结果获取沉积物的破坏形态：采用二维扫描的示踪棒高度位置及示踪棒与试样侧壁边缘的相对位置变化，实时观测沉积物轴向应变、侧向应变的变化规律；利用二维扫描结果直观判断沉积物微米尺度的破坏带分布及其变化过程。
最终破坏状态分析：步骤加载结束后，停止轴向加载，维持试样的受力状态，分别采用X-CT三维低分辨扫描和高分辨扫描模式，对试样剪切前进行三维扫描的位置重新进行三维扫描，对比加载前后试样内部结构和水合物状态的变化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，包括：微型反应釜、剪切加载单元、背压控制单元、卸载压力加载单元、应变量测单元，以及X-CT扫描装置，所述反应釜包括反应釜本体及与之配合的上、下端盖，其特征在于：
所述反应釜本体为铍或碳纤维耐压管，其内部自上而下为：上部样品调节垫块、沉积物样品、下部样品调节垫块及轴压加载活塞，轴压加载活塞底和下部样品调节垫块中央贯通设计孔压入口；
所述上部样品调节垫块下端和下部样品调节垫块上端均安装等直径的透水石，透水石边缘各安装有示踪棒；
所述下端盖底部连接轴压加载反力机构，轴压加载反力机构侧壁设有用以连接所述剪切加载单元的加载流体入口及用以连接所述卸载压力加载单元的通气孔，所述上端盖中心位置设置孔压出口，偏心位置设置围压出口；反应釜下端盖偏心位置设置围压入口；
所述轴压加载活塞与反应釜下端盖、轴压加载反力机构内腔体、轴压加载反力机构出口之间采用滑动密封圈动密封；其中轴压加载活塞与轴压加载反力机构内腔体之间的滑动密封圈将轴压加载反力机构内腔体分割成上下两个不连通的腔体。
2.根据权利要求1所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，其特征在于，所述反应釜外侧上、下位置分别安装珀耳帖降温护套，珀尔帖安装位置避开沉积物样品所处的位置。
3.根据权利要求1所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，其特征在于，所述上、下部样品调节垫块与反应釜本体内壁之间安装压载扶正环，所述的压载扶正环为带孔的塑料环形圈，环形圈的内径与样品调节垫块相等，外径与反应釜本体内径相同。
4.根据权利要求1所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，其特征在于，所述应变量测单元包括：拉线编码器及拉线编码器挂钩，所述拉线编码器挂钩固定在所述轴压加载活塞底部。
5.一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，其特征在于包括：
步骤(1)、安装试样
将水合物沉积物样品放入橡胶套中并充分压实；然后将样品调节垫块套入橡胶套，安装反应釜上端盖和下端盖，安装轴压加载活塞及轴压加载反力机构，将岩心夹持器置于CT扫描仪载物台上并固定；
步骤(2)调整围压与孔压，使得样品固结24h以上；
步骤(3)制备水合物样品
对样品降温，当样品温度达到预设温度后，维持该温度72h以上，72h后样品制备完成；
步骤(4)获得水合物物饱和度和饱和度分布特征
采用X-CT三维低分辨扫描和高分辨扫描模式，对样品进行三维扫描；基于CT扫描结果的阈值分割，识别含水合物样品中的砂、甲烷水合物、甲烷气体、水，获得沉积物中的水合物饱和度和饱和度分布特征；
步骤(5)三轴加载
通过与加载流体入口相连的剪切加载单元和孔压背压单元的联合操作实现静态力学参数的测试和蠕变参数的测试；
轴压加载流体从位于轴压加载反力机构侧壁的加载流体入口泵入下部腔体，推动轴压加载活塞上行，实现对内部沉积物的轴向压载；
步骤(6)水合物沉积物变形分析
与步骤(5)同步地，通过X-CT二维扫描实施监测沉积物变形过程中的横向、轴向变形特征及其内部可能的破坏带变化情况，分析沉积物微观变形过程。
6.根据权利要求5所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，蠕变参数测试时，包括：
打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒压模式，设定泵出口压力，输送泵将自动将出口压力调整为设置值，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下向上推进，推进过程中调整背压控制单元，保证孔隙压力维持恒定，当沉积物所承受的轴向力达到预设条件后，维持该压力条件长期稳定，通过步骤(6)观察沉积物损伤演化特征。
7.根据权利要求5所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，静态力学参数测试时，包括：
打开通气孔阀门，调整轴向加载输送泵为恒流模式，设定输送泵流量，轴向加载活塞在轴向加载流体的作用下匀速向上推进，推进过程中调整背压控制单元，保证孔隙压力维持恒定，当沉积物所承受的轴向应变量达到预设条件后停止加载，通过步骤(6)观察沉积物损伤演化特征。
8.根据权利要求5所述的基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的方法，其特征在于，所述步骤(6)之后还包括轴压卸载，从位于轴压加载反力机构侧壁的通气孔泵入流体至轴压加载活塞与轴压加载反力机构形成的上部腔体，推动活塞下移，实现卸载。
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