CN112748011B - 一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋能源开采土工力学测试领域，具体地，涉及一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法。测试装置包括：密封压力室、气压罐、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器和数据传输采集处理器。侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐分别与密封压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；侧向加载剪切器和轴向加载器内部设置有应力位移传感器，实现对轴向和侧向的应力位移数值采集；温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器分别与密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器、气压罐相连，定时采集试验数据并予以存储处理。本装置能够实现天然气水合物的生成，提高水合物与结构接触面实验的精准性，为研究水合物与结构的接触问题提供良好的试验技术支持。

Description

一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的 测试装置和测试方法

技术领域

本发明属于海洋能源开采土工力学测试领域，具体地，涉及一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法。

背景技术

天然气水合物作为一种新型清洁能源，开采逐渐受到了越来越多的重视。天然气水合物能源土通常形成于深水浅覆盖层的松散沉积物中，其成岩性差、抗剪强度低，水合物在沉积层的孔隙中起到了有效的胶结作用；在开采过程中，水合物分解导致地层强度和承载能力大幅度降低，引发生产井周围地层变形，进而影响到土和井壁结构面的相互作用，甚至引发井壁失稳、海底滑坡、海地面沉降等地质灾害；然而以往有关水合物开采的研究主要集中于产能评价，忽略了水合物地层与井壁稳定性的评估；因此开展含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的研究对水合物开采具有重要的意义。

土体与结构之间的接触面力学性质研究是土力学研究的重要课题之一，檀俊坤和郭佳奇等在专利《一种用于测土与结构接触面力学性质的剪切仪》(申请号201720353735.1)和专利《一种用于土与结构接触面剪切试验的可视化分层剪切盒》(申请号201720220316.0)中提供了一种用于测土与结构接触面力学性质的剪切仪和一种用于土与结构接触面剪切试验的可视化分层剪切盒；但这两种装置不能生成含天然气水合物的土试样，轴向应力未直接施加到接触面上，并且结构物与土容器之间未设置减少摩擦的装置，土容器与结构物之间摩擦较大，结构面与剪切器开口保持平齐，未考虑剪切过程中试验土样体积变化带来的影响，不能保证试验土样与结构面始终保持接触，降低了实验准确性；故上述装置并不适用于研究含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性。

由此认为，现存测试含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的装置较少并存在一定缺陷；本发明可模拟生成含天然气水合物的试验土样，并保证试验土样与结构物始终保持接触，有效减小了土容器与结构物之间的摩擦，提高了实验准确性，为研究水合物与结构接触面问题提供良好的试验技术支持。

发明内容

本发明旨在解决现有仪器中的不足，提出了一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法，该装置可模拟生成含天然气水合物的试验土样，减少了土容器与结构面板之间的摩擦对实验带来影响，试验土样与结构物始终保持接触，法向应力施加到接触面上，提高实验准确性，且操作简单，结果可靠。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下：

含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，包括：密封压力室、气压罐、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器和数据传输采集处理器；其中：侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐分别与密封压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；侧向加载剪切器和轴向加载器内部设置有应力位移传感器，实现对轴向和侧向的应力位移数值采集；温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器分别与密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器、气压罐相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、土试样容器设置有弹簧装置，可以保证水合物试样始终与结构面板保持接触，忽略水合物试样体积变化对实验带来的影响；

2、弹簧装置顶部设有滑轮，以减少结构物与弹簧装置之间摩擦对实验产生的影响；

3、能稳定生成含天然气水合物的试验土样，从而进行研究含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的试验；

4、采用数据自动采集、计算，自动化程度较高，避免人工主观处理数据带来的试验误差；

附图说明

图1：含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置示意图；

图2：含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置密封压力室示意图；

图3：土试样容器弹簧装置与结构物接触示意图；

图4；土试样容器与弹簧装置连接示意图。

图中：1、轴向加载器；2、气压罐；3、侧向加载剪切器；4、数据传输采集处理器；5、密封压力室；6、温度制冷器；31、圆形滑动底座；32、传力杆；33压力泵；51、土试样容器弹簧装置；52土试样容器；53、结构物；511、滑轮；521、轴向滑轨。

具体实施方式

如图1所示，含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，包括：轴向加载器1、气压罐2、侧向加载剪切器3、数据传输采集处理器4、密封压力室5、温度制冷器6。其中：侧向加载剪切器3、轴向加载器1、气压罐2分别与密封压力室5连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度制冷器6将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器4分别与密封压力室5、侧向加载剪切器3、轴向加载器1、温度制冷器6、气压罐2相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

如图2所示，密封压力室5内设有土试样容器52、结构物53、温度制冷器6，侧向加载剪切器3包括圆形滑动底座31、传力杆32；伺服压力机33；圆形滑动底座31设于密封压力室5底部，结构物53与轴向加载器1相连，土试样容器52放置于圆形滑动底座上位于结构面板与圆形滑动底座之间；土试样容器52设置有土试样容器弹簧装置51，以确保含天然气水合物的试验土样始终与结构物53保持接触；轴向加载器1调整结构物53位置使其与水合物试样并稳定提供竖向荷载；侧向加载剪切器3带动水合物试样做横向运动，使水合物试样相对于结构物53运动。

如图3所示，弹簧装置51上设置有滑轮511，滑轮511顶部略高于弹簧装置51顶部，弹簧装置51与结构物53之间为滚动摩擦，有效减少了两者之间摩擦对实验带来的影响；

如图4所示，土试样容器52设有轴向滑轨521，用以连接并限定弹簧装置51沿轴向滑轨521滑动。

天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试方法，采用前述的实验装置包括如下步骤：

(1)、将试验土样安装至土试样容器内，并调整侧向加载剪切器至初始值，盖上密封压力室盖板，检查密封压力室气密性；

(2)、对密封压力室通过气压罐注入甲烷，将密封压力室内空气用甲烷冲洗干净，再将密封压力室内气压稳定施加至预定压力；

(3)、通过温度制冷器降低密封压力室内温度至反应所需温度，随着温度降低以及水合物形成，压力室内压力逐渐降低，当压力室内压力保持不变时，天然气水合物已成功生成；

(4)、通过轴向加载器调整结构物位置使其与水合物试样接触，并调节轴向压力至预定值；缓慢施加水平荷载，水合物土样与结构面产生剪切变形，由此测试得到含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性；

(5)、数据传输采集处理器定时采集实验数据，并传输至计算机后处理器予以存储、计算处理。

Claims (6)

1.一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，其特征在于，包括：密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐、温度制冷器和数据传输采集处理器，其中：侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐分别与密封压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；侧向加载剪切器和轴向加载器内部设置有应力位移传感器，实现对轴向和侧向的应力位移数值采集；温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器分别与密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器、气压罐相连，定时采集试验数据并予以存储处理；侧向加载剪切器包括：圆形滑动底座、传力杆和伺服压力机；密封压力室内设有土试样容器和结构物；圆形滑动底座设于密封压力室底部，结构物与轴向加载器相连，土试样容器放置于圆形滑动底座上；土试样容器壁上设置有弹簧装置，可以忽略试验土样体积变化带来的影响，使结构物始终与试验土样保持接触状态；弹簧装置顶部设有滑轮，以减少结构物与土试样容器之间的滑动摩擦。

2.根据权利要求1所述的含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，其特征在于，密封压力室的内壁设置有温度制冷器，温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围；温度施加范围值为-15℃～30℃，控温精度为±0.1℃。

3.根据权利要求1所述的含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，其特征在于，气压罐通过位于密封压力室盖板上的注气孔稳定施加气压；气压施加范围值为0～20MPa。

4.根据权利要求1所述的含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，其特征在于，轴向加载器提供轴向压力使结构物与水合物试样接触，侧向加载剪切器带动土试样容器相对于结构物运动，用于实现不同应力方向的加载。

5.根据权利要求1所述的含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，其特征在于，数据传输采集处理器由电子数据传感器、数据交换口和计算处理器组成；数据传输采集处理器分别与密封压力室、土试样容器、结构物、侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐、温度制冷器相连，定时采集实验数据，并传输至计算机后处理器予以存储、计算处理。

6.一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试方法，采用权利要求1-5之一所述的测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将试验土样安装至土试样容器内，并调整侧向加载剪切器至初始值，盖上密封压力室盖板，检查密封压力室气密性；

(2)、对密封压力室通过气压罐注入甲烷，将密封压力室内空气用甲烷冲洗干净，再将密封压力室内气压稳定施加至预定压力；

(3)、通过温度制冷器降低密封压力室内温度至反应所需温度，随着温度降低以及水合物形成，压力室内压力逐渐降低，当压力室内压力保持不变时，天然气水合物已成功生成；

(4)、通过轴向加载器调整结构物位置使其与水合物试样接触，并调节轴向压力至预定值；缓慢施加水平荷载，水合物土样与结构面产生剪切变形，由此测试得到含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性；

(5)、数据传输采集处理器定时采集实验数据，并传输至计算机后处理器予以存储、计算处理。

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