CN114252351A - 含水合物沉积物环剪破坏模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含水合物沉积物环剪破坏模拟装置及方法，所述模拟装置包括剪切盒模块、高压反应釜模块和旋转模块等；剪切盒模块主体为圆环柱结构，整体安装在高压反应釜模块内部并与高压反应釜模块固定连接，轴压加载模块安装在剪切盒模块上部，用以给位于剪切盒模块内部的含水合物沉积物施加纵向压力；旋转模块的旋转中轴安装在剪切盒模块的环状中心，旋转中轴通过密封轴承穿透高压反应釜模块下部端面，以驱动剪切盒模块的下剪切盒以特定的速率转动，在上剪切盒固定条件下，上剪切盒和下剪切盒发生旋转相对位移，导致沉积物样品发生剪切破坏，进而推断其在特定剪切变形条件下的力学行为，实现含天然气水合物沉积物蠕滑行为研究。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物研究领域，具体涉及一种含水合物沉积物环剪破坏模拟装置及方法。
背景技术
海域天然气水合物地层的稳定性往往受地层的应力状态和力学强度等条件控制，国内外学者通常采用直接剪切、直剪反复剪切、三轴压缩等常规的土力学试验来确定含水合物地层的力学强度特性，由此推测海洋天然气水合物开采过程中地层发生蠕滑的宏观、微观特征和力学强度演变规律。
然而，现有技术中，对于天然气水合物局部失稳到大规模蠕滑转换机理研究缺乏基本的研究手段，常规土力学试验的测试分析结果难以反映地层大变形条件下的破坏特征，特别是难以反映地层破坏后长距离剪切滑移条件下的变形规律，不足以反映实际天然气水合物开采过程中面临的地层滑塌风险模拟。
目前环剪测试技术在常规土体滑塌强度测试和滑坡稳定性分析与启滑机制研究中发挥了重要作用，环剪仪基本原理是采用上、下两个圆柱环剪切盒形成样品腔体并安装测试样品，以一定速率驱动下剪切盒旋转运动，上剪切盒固定不动，上、下剪切盒的相对转动，测量沉积物在剪切过程中的角位移与转动力矩的关系，进而分析沉积物大变形条件下的力学响应行为，但由于无法模拟低温高压的水合物合成环境，常规环剪仪无法用于水合物研究领域。
为此，亟待提出一种能够满足含天然气水合物沉积物蠕滑行为模拟的环剪实验装置及实验方法。
发明内容
本发明针对常规环剪仪无法满足天然气水合物地层大变形条件下地层破坏规律模拟的不足，提出一种能够满足含天然气水合物沉积物环剪破坏模拟的实验装置及方法。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，包括高压反应釜模块、制冷控温模块、气体供给模块和控制与采集模块，高压反应釜模块营造满足天然气水合物样品制备的高压低温环境，并满足环剪实验旋转测试的需求，制冷控温模块用以实现天然气水合物样品制备所需的低温环境，气体供给模块用以向高压反应釜模块内部注入高压甲烷气体，控制与采集模块用以实现对模拟试验过程中实验数据的采集与控制，还包括剪切盒模块、旋转模块和轴压加载模块；
所述剪切盒模块主体为圆环柱结构，整体安装在高压反应釜模块内部，用以制备含水合物沉积物样品并开展旋转剪切模拟实验，剪切盒模块与高压反应釜模块之间固定连接，防止上剪切盒在实验过程中发生转动，气体供给模块内的高压甲烷气体注入到高压反应釜模块内部以后，剪切盒模块内、外同步具有高压甲烷环境，且剪切盒模块内外高压甲烷气体相互连通；
所述轴压加载模块安装在剪切盒模块上部，用以给位于剪切盒模块内部的含水合物沉积物施加纵向压力；所述旋转模块的旋转中轴安装在剪切盒模块的环状中心，旋转中轴通过密封轴承穿透高压反应釜模块下部端面，旋转模块用以驱动剪切盒模块的下剪切盒以特定的速率转动，在上剪切盒固定条件下，上剪切盒和下剪切盒发生旋转相对位移，导致沉积物样品发生剪切破坏，进而推断其在特定剪切变形条件下的力学行为。
进一步的，所述剪切盒模块包括下剪切盒和上剪切盒；所述下剪切盒包括下剪切盒外壳，下剪切盒内壳，下剪切盒端盖，以及设置在下剪切盒端盖外部的键槽；上剪切盒包括上剪切盒外壳，上剪切盒内壳，上剪切盒端盖，以及设置在上剪切盒侧面的定位销；
所述上剪切盒内壳与下剪切盒内壳之间安装推力轴承，推力轴承的內缘与上剪切盒内壳固定，推力轴承的外缘与下剪切盒内壳固定，上剪切盒外壳与下剪切盒内壳之间安装推力轴承，推力轴承的內缘与下剪切盒内壳固定，推力轴承的外缘与上剪切盒内壳固定；所述上剪切盒端盖与上剪切盒外壳和上剪切盒内壳之间固定连接；
为防止剪切盒内外产生压差损坏剪切盒，并保证始终有充足的高压甲烷气进入到剪切盒内部形成水合物，所述上剪切盒端盖上设置有若干与剪切盒外部连通的气道，为了尽可能使注入的新鲜甲烷气直接与沉积物和水接触形成水合物，注入气体的高压管线入口设计在上剪切盒外壳内侧压载顶板的上部，然后气体穿过压载顶板的孔眼，均匀进入沉积物内部。
进一步的，所述剪切盒内部还设置有下防滑垫圈和上防滑垫圈，下防滑垫圈与下剪切盒端盖之间固定，上防滑垫圈与轴压加载模块的压载顶板之间固定连接。
进一步的，为防止下剪切盒旋转过程中沉积物上、下端面与剪切盒发生相对滑动，所述上防滑垫圈下侧、下防滑垫圈上侧分别均匀设置有凸齿，上防滑垫圈上设置有气体自由流通的气孔，上防滑垫圈外径小于上剪切盒外壳的内径，上防滑垫圈内径大于上剪切盒内壳的外径。
进一步的，所述轴压加载模块包括压载顶板，油压泵，液压油罐，压载连杆，压载/卸荷隔板，压载/卸荷腔体，以及连接管线和阀门；
所述压载顶板为环形带孔圆盘，安装在剪切盒模块内部，并与上防滑垫圈固定；压载连杆为圆柱状，压载连杆下端与压载顶板连接，其上端穿过上剪切盒端盖并伸入压载/卸荷腔体，压载/卸荷腔体为圆柱状结构，压载/卸荷腔体的内腔尺寸与压载/卸荷隔板一致；
所述压载/卸荷隔板将压载/卸荷腔体一分为二形成上部加载腔体和下部卸载腔体；压载/卸荷隔板与压载连杆之间固定；压载/卸荷腔体的上端面和下端面分别设置液压油入口，并于设置在高压反应釜外围的油压泵、液压油罐依次相连通；
压载连杆与上剪切盒端盖之间采用滑动密封，压载/卸荷隔板与压载/卸荷腔体之间采用滑动密封。
为保证压载连杆施加到圆环形轴压加载顶板上的应力是均匀的，所述压载连杆延剪切盒模块圆环柱截面圆周方向均匀分布，压载/卸荷腔体同步均匀分布在上剪切盒端盖顶部，且其数量至少为3组。
进一步的，所述旋转模块包括旋转电机，旋转减速机，旋转主动齿轮，旋转从动齿轮，旋转轴承，平面旋转轴承，旋转定位键，旋转定位销及端面轴承；
所述旋转从动齿轮固定在旋转中轴的下端面，与旋转中轴之间在任何情况下不发生相对转动；旋转主动齿轮与旋转从动齿轮配合，带动旋转中轴发生旋转；旋转轴承的外缘与反应釜本体底部过盈配合固定，旋转轴承的內缘与旋转中轴配合并固定；平面旋转轴承的下端面与反应釜本体底部内壁的旋转导向槽配合，平面旋转轴承与旋转中轴之间采用旋转定位销固定，平面旋转轴承的上端面外侧连接旋转定位销；旋转定位销在仪器安装过程中嵌入位于下剪切盒端盖外部的键槽并固定；旋转中轴的上端面与设置在高压反应釜模块端盖内侧的端面轴承配合。
进一步的，所述高压反应釜模块包括反应釜本体，反应釜端盖，反应釜本体与反应釜端盖之间固定连接，侧面密封；高压反应釜模块还包括设置在反应釜本体内侧壁的定位卡槽，设置在反应釜端盖中心内侧壁的旋转轴卡槽，安装在反应釜本体底部外侧的轴承卡槽，设置在反应釜本体底部内侧的旋转导向槽，以及给反应釜内部加入甲烷气、释放甲烷气的通道；
定位卡槽与剪切盒模块的定位销配合并固定，防止上剪切盒发生旋转；旋转轴卡槽与旋转模块的端面轴承的外缘配合，用于安装旋转轴；轴承卡槽内部安装旋转轴承，且轴承卡槽内壁与旋转轴承的外缘配合并固定；旋转导向槽主要用于安装平面旋转轴承，平面旋转轴承的下端面与旋转导向槽配合并固定；轴承卡槽固定在反应釜本体的下端面并与反应釜密封，防止反应釜内部气体漏出；加入甲烷气、释放甲烷气的通道可以设置在反应釜端盖，也可以设置在反应釜本体侧壁。
进一步的，所述制冷控温模块包括恒温水浴槽，制冷腔体，保温层，制冷盘管，以及设置在制冷腔体中的导流肋片；
制冷盘管安装在高压反应釜模块内部，制冷盘管入口连接低温水浴槽的出口，制冷盘管出口端连接制冷腔体中距离恒温水浴槽的远端，制冷盘管的入口端与出口端在高压反应釜本体壁上采用螺纹密封结构，整个制冷系统为低压流动系统，与反应釜模块内部的高压环境隔绝；环柱形的制冷腔体被导流肋片封隔成相互连通、单一流向的固定通路。
进一步的，所述气体供给模块的主要作用是向反应釜模块内部注入高压甲烷气体，营造能够形成天然气水合物的高压环境，主要由高压甲烷气瓶及相应的气体注入泵、管线和阀门构成。
本发明另外还提出一种含水合物沉积物环剪破坏模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
(1)损耗校准：对轴压加载模块纵向运动磨损校准和旋转模块旋转摩阻校准，确定轴压加载模块加载的压力损耗P0，以及旋转模块旋转摩阻T0；
(2)样品准备与安装：确定沉积物的质量和需要加入沉积物中的总水量，将沉积物和水均匀混合充分搅拌，安装模拟装置各功能模块；
(3)预固结：确定需要施加到沉积物上的有效轴向应力P1，调整轴压加载模块相关管路，记录轴压加载模块的油压泵出口压力Pf，采用油压泵实时跟踪，保证施加到沉积物上的轴向应力P1维持恒定并维持一定的时间，达到预固结含水沉积物的目的；
(4)制备含水合物沉积物样品：保持步骤(3)中施加的有效轴向应力维持不变，对高压反应釜模块内部抽真空，然后注入高压天然气，达到能够形成天然气水合物的压力条件，持续运行制冷控温模块，使天然气与沉积物中的孔隙水反应形成天然气水合物，当反应釜中的压力维持长时间不变时，水合物合成结束；
(5)环剪试验：根据实际剪切所需的旋转轴转速，通过旋转模块以恒定的速率匀速剪切盒模块的下剪切盒旋转，对含水合物沉积物产生剪切作用，实时记录旋转中轴的角位移和扭矩值，当旋转角位移达到设定的值时，停止剪切试验；
(6)结束试验：缓慢释放高压反应釜模块内部的高压气体，回退轴压加载模块卸载轴向应力，打开反应釜观察剪切盒模块内部的剪切面的形状，将步骤(1)～(5)过程中获取的温度、压力、转速、扭矩参数储存并做后续处理。
进一步的，所述步骤(3)中，施加到沉积物上的有效轴向应力P1与油压泵出口压力Pf的相互关系为：
轴压加载模块包括压载顶板，压载/卸荷隔板，压载/卸荷腔体，以及连接管线和阀门；式中，S1表示单个压载/卸荷腔体的横截面积；n表示压载/卸荷腔体的个数；S2表示环形压载顶板的横截面积。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明结合水合物领域特点，设计特定结构环形剪切盒模块，并与高压反应釜配合，结合旋转模块和制冷控温模块等的配合设计，实现对沉积物在剪切过程中的角位移与转动力矩的关系的测量，满足含天然气水合物沉积物环剪破坏模拟实验，为海域天然气水合物地层的稳定性受地层的应力状态和力学强度影响的研究奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例含水合物沉积物环剪破坏模拟装置整体结构示意图；
图2为本发明实施例环剪剪切盒及轴压加载模块结构示意图；
图3为本发明实施例图2中剪切盒a-a剖面俯视图；
图4为本发明实施例图2中剪切盒b-b剖面俯视图；
图5为本发明实施例图2中剪切盒c-c剖面俯视图；
图6为本发明实施例高压反应釜、旋转与制冷模块示意图；
图7为本发明实施例制冷腔体与导流肋片配合关系侧视图与俯视图，(a)为侧视图，(b)为俯视图。
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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
实施例1，如图1所示，本实施例公开一种含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，包括剪切盒模块、高压反应釜模块、制冷控温模块、旋转模块、轴压加载模块和控制与采集模块。其中，剪切盒模块整体安装在高压反应釜模块内部，用于制备含水合物沉积物样品并开展旋转剪切模拟实验，轴压加载模块安装在剪切盒模块上部，旋转模块的旋转中轴安装在剪切盒模块的环状中心，旋转中轴通过密封轴承穿透高压反应釜模块下部端面并与旋转模块的外部驱动和数据采集部件连接；制冷控温模块设置在高压反应釜模块外围，反应釜内部缠绕降温盘管。
具体的，结合图2-5所示，所述剪切盒模块主体为圆环柱结构，剪切盒模块是本实验系统的核心，主要作用是制备含水合物沉积物样品并开展旋转剪切模拟实验，包括下剪切盒、上剪切盒及剪切盒附属部件等，下剪切盒包括下剪切盒外壳2-1，下剪切盒内壳2-4，下剪切盒端盖2-7，以及设置在下剪切盒端盖2-7外部的键槽2-8；上剪切盒包括上剪切盒外壳2-2，上剪切盒内壳2-5，上剪切盒端盖2-12，以及设置在上剪切盒侧面的定位销2-11。剪切盒附属部件包括安装在剪切盒内部、含水合物沉积物下方的下防滑垫圈2-9，安装在剪切盒内部、含水合物沉积物上方的上防滑垫圈2-10，下防滑垫圈2-9与下剪切盒端盖2-7之间固定(可为螺丝固定，也可采用定位销固定)，上防滑垫圈2-10与轴压加载模块的压载顶板3-1之间固定连接。
所述上剪切盒端盖2-12与上剪切盒外壳2-2和上剪切盒内壳2-5之间采用螺栓固定，上剪切盒内壳2-5与下剪切盒内壳2-4之间安装推力轴承2-6，推力轴承2-6的內缘与上剪切盒内壳2-5固定，推力轴承2-6的外缘与下剪切盒内壳2-4固定；上剪切盒外壳2-2与下剪切盒内壳2-1之间安装推力轴承2-3，推力轴承2-3的內缘与下剪切盒内壳2-1固定，推力轴承2-3的外缘与上剪切盒内壳2-3固定。
特别地，为防止剪切盒内外产生压差损坏剪切盒，并保证始终有充足的高压甲烷气进入到剪切盒内部形成水合物，上剪切盒端盖2-12上设置有若干与剪切盒外部连通的气道2-13；为防止下剪切盒旋转过程中沉积物上、下端面与剪切盒发生相对滑动，所述的上防滑垫圈2-10下侧、下防滑垫圈2-9上侧分别均匀设置凸齿，即一定高度的牙齿，上防滑垫圈设置有足够气体自由流通的气孔，上防滑垫圈2-10外径略小于上剪切盒外壳2-2的内径，上防滑垫圈2-10内径略大于上剪切盒内壳2-5的外径。
所述轴压加载模块的主要作用是给位于剪切盒内部的含水合物沉积物1施加纵向压力，从而达到模拟不同地层深度或不同应力条件下的水合物地层滑塌行为的目的，具体的，结合图1和图2所示：
所述轴压加载模块包括压载顶板3-1，油压泵3-5，液压油罐3-6，压载连杆3-2，压载/卸荷隔板3-3，压载/卸荷腔体3-4，以及连接管线和阀门。压载顶板3-1为界面尺寸与上防滑垫圈2-10相同环形带孔圆盘，安装在剪切盒内部并与上防滑垫圈2-10固定；压载连杆3-2为圆柱状，压载连杆3-2下端与压载顶板3-1连接，上端穿过上剪切盒端盖2-12并伸入压载/卸荷腔体3-4，压载连杆3-2与上剪切盒端盖2-12之间采用滑动密封；压载/卸荷腔体3-4为圆柱状结构，压载/卸荷腔体3-4的内腔尺寸与压载/卸荷隔板3-3一致，压载/卸荷隔板3-3与压载/卸荷腔体3-4之间采用滑动密封，压载/卸荷隔板3-3将压载/卸荷腔体3-4一分为二形成上部加载腔体和下部卸载腔体；压载/卸荷隔板3-3与压载连杆3-2之间固定；压载/卸荷腔体3-4的上端面和下端面分别设置液压油入口，并于设置在高压反应釜外围的油压泵3-5、液压油罐3-6依次相连通。
在轴向压力加载过程中，通过控制器控制油压泵3-5，从液压油罐3-6中吸入液压油，通过位于压载/卸荷腔体3-4上端面的液压油入口注入到压载/卸荷隔板3-3上部的加载腔体，推动压载/卸荷隔板3-3向下运动，带动与之固定的压载连杆3-2、压载顶板3-1向下运动，向剪切盒中的含水合物沉积物施加轴向应力。
在轴向压力卸载过程中，通过控制器控制油压泵3-5，从液压油罐3-6中吸入液压油，通过位于压载/卸荷腔体3-4下端面的液压油入口注入到压载/卸荷隔板3-3下部的卸载腔体，推动压载/卸荷隔板3-3向上运动，带动与之固定的压载连杆3-2、压载顶板3-1向上运动，同时排出压载/卸荷隔板3-3上部的加载腔体中的液压油，实现卸荷。
需要注意的是，上述结构中，为保证压载连杆3-2施加到圆环形轴压加载顶板3-1上的应力是均匀的，压载连杆3-2需延圆周均匀分布。对应地，压载/卸荷腔体3-4需同步均匀分布在上剪切盒端盖2-12顶部，且其数量至少为3组。
所述旋转模块的主要功能是提供旋转驱动力，驱动剪切盒模块的下剪切盒以特定的速率转动，在上剪切盒固定条件下，上剪切盒和下剪切盒发生旋转相对位移，导致沉积物样品发生剪切破坏，进而推断其在特定剪切变形条件下的力学行为。
继续参考图1，所述旋转模块包括旋转电机4-1，旋转减速机4-2，旋转主动齿轮4-3，旋转从动齿轮4-4，旋转轴承4-6，平面旋转轴承4-7，旋转定位键4-8，旋转中轴4-9，旋转定位销4-5及端面轴承4-10。
所述旋转从动齿轮4-4固定在旋转中轴4-9的下端面，与旋转中轴4-9之间在任何情况下不发生相对转动；旋转主动齿轮4-3与旋转从动齿轮4-4配合，带动旋转中轴发生旋转；旋转轴承4-6的外缘与反应釜本体底部过盈配合固定，旋转轴承4-6的內缘与旋转中轴4-9配合并固定；平面旋转轴承4-7的下端面与反应釜本体底部内壁的旋转导向槽5-6配合，平面旋转轴承4-7与旋转中轴之间采用旋转定位销4-5固定，平面旋转轴承4-7的上端面外侧连接旋转定位销4-8；旋转定位销4-8在仪器安装过程中嵌入位于下剪切盒端盖外部的键槽2-8并固定；旋转轴4-8的上端面与设置在反应釜端盖内侧的端面轴承4-10配合。
在上述结构与连接方式中，实际的下剪切盒旋转动作实现过程如下：启动旋转电机4-1，旋转电机高速旋转经过旋转减速机4-2的减速，以特定的旋转速率将旋转功输送到旋转主动齿轮4-3，旋转主动齿轮4-3带动旋转从动齿轮4-4发生旋转，由于旋转从动齿轮4-4与旋转中轴4-9完全固定，因此旋转轴同步发生旋转；旋转中轴4-9转动过程中带动平面旋转轴承4-7旋转，设置在平面旋转轴承4-7外缘并与键槽2-8配合的旋转定位销4-5同步发生旋转。由此，下剪切盒将以与旋转中轴4-9相同的角速度发生旋转，旋转角度通过安装在旋转从动齿轮端面的角位移传感器采集，旋转过程产生的扭矩通过安装在旋转轴侧面的力矩传感器采集。
所述高压反应釜模块的主要作用是安装剪切盒及沉积物样品，营造满足天然气水合物样品制备的高压低温环境，并满足环剪实验旋转测试的需求。为此，高压反应釜模块的技术细节如下，如图6所示：
所述高压反应釜模块包括反应釜本体5-1，反应釜端盖5-2，反应釜本体5-1与反应釜端盖5-2之间连接，侧面密封，高压反应釜模块还包括设置在反应釜本体5-1内侧壁的定位卡槽5-3，设置在反应釜端盖5-2中心内侧壁的旋转轴卡槽5-4，安装在反应釜本体底部外侧的轴承卡槽5-5，设置在反应釜本体底部内侧的旋转导向槽5-6，以及给反应釜内部加入甲烷气、释放甲烷气的通道5-7、5-8。
特别需要说明的是，上述结构表述中，反应釜本体底部也可以不与反应釜整体成型，而是以反应釜下端盖的形式出现，此时默认上述反应釜本体底部为反应釜本体下端盖。
其中，定位卡槽5-3与剪切盒模块的定位销2-11配合并固定，防止上剪切盒发生旋转；旋转轴卡槽5-4与旋转模块的端面轴承4-8的外缘配合，用于安装旋转轴4-4；轴承卡槽5-5内部安装旋转轴承4-6，且轴承卡槽5-5内壁与旋转轴承4-6的外缘配合并固定；旋转导向槽5-6主要用于安装平面旋转轴承4-7，平面旋转轴承4-7的下端面与旋转导向槽5-6配合并固定；轴承卡槽5-5固定在反应釜本体下端面并与反应釜密封，防止反应釜内部气体漏出；加入甲烷气、释放甲烷气的通道5-7、5-8可以设置在反应釜端盖，也可以设置在反应釜本体侧壁，本发明不对气流通道的具体位置设限。
所述制冷控温模块用以实现天然气水合物样品制备所需的低温环境的关键，主要包括恒温水浴槽6-1，制冷腔体6-2，保温层6-3，制冷盘管6-4，以及设置在制冷腔体6-2中的导流肋片6-5，如图7所示；
其中，制冷盘管6-4安装在高压反应釜内部，制冷盘管6-4入口连接低温水浴槽6-1的出口，制冷盘管6-4出口端连接制冷腔体6-2中距离恒温水浴槽的远端，制冷盘管6-4的入口端与出口端在高压反应釜本体壁上采用螺纹密封结构，整个制冷系统为低压流动系统，与反应釜内部的高压环境隔绝；环柱形的制冷腔体被导流肋片6-5封隔成相互连通、单一流向的固定通路。
实际制冷流程为：设定恒温水浴槽6-1的温度给恒温水浴槽中的液体降温，同时启动循环。从恒温水浴槽6-1流出的制冷液首先进入制冷盘管6-4，制冷盘管在反应釜内部缠绕，制冷液最终在导流肋片6-5的远端进入制冷腔体6-2，在导流肋片6-5的导流作用下，制冷液继续在制冷腔体6-2中循环，并最终到达恒温水浴槽的入流端，再次进入低温恒温水浴槽内部降温。
上述制冷液循环流程中，由于低温制冷液首先进入到反应釜内部的制冷盘管，然后再进入反应釜外围的制冷腔体，因此能够保证反应釜内部的温度降低效率，在反应釜外围制冷腔体中的循环相当于起到了二次制冷和防止外部热量进入反应釜内部的过程，起到了双重降温效果；而制冷腔体外围包裹的保温层则起到了保温的效果。
所述气体供给模块的主要作用是向反应釜模块内部注入高压甲烷气体，营造能够形成天然气水合物的高压环境。主要由高压甲烷气瓶11及相应的气体注入泵、管线和阀门构成。需要特别指出的是，本发明中，高压甲烷气体注入到高压反应釜内部以后，剪切盒内、外同步具有高压甲烷环境，且剪切盒内外高压甲烷气体相互连通，这样设计的主要目的是防止剪切盒受内外压差的影响而损坏；
同时，为了尽可能使注入的新鲜甲烷气直接与沉积物和水接触形成水合物，本发明中注入气体的高压管线入口设计在上剪切盒外壳内侧压载顶板3-1的上部，然后气体穿过压载顶板3-1的孔眼，均匀进入沉积物内部。这样设计的有益效果是：(1)气体均匀进入沉积物有利于控制沉积物内部的水合物均匀分布，实验结果可靠性强；(2)压载顶板无需克服沉积物中孔隙压力带来的反向作用力，降低了轴压加载的负荷。
所述控制与数据采集模块的主要功能是控制实验温度、实验压力、旋转速度，并实施采集实验系统中的温度、压力、转速、扭矩等数据，继续参考图1，包括角位移传感器7、扭矩传感器8、控制器9、采集计算机及其软件系统10以及若干个温度传感器和压力传感器。控制器9与油压泵3-5、恒温水浴槽6-1、旋转电机4-1相连并控制加载的轴压值、系统的温度值和旋转轴的转速，控制器9的控制数据与计算机及其采集软件10相连并在计算机中储存。控制与数据采集模块还包含若干个温度传感器与压力传感器。
实施例2、与所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置对应的，本实施例另外提出了如下含水合物沉积物环剪破坏特征的实验模拟方法，包括以下步骤：
(1)损耗校准：主要包括轴压加载模块纵向运动磨损校准和旋转模块旋转摩阻校准。
不安装沉积物，安装实验系统的各个模块，给系统降温至实验所需的温度并维持恒定一段时间，保证高压反应釜内的温度均匀分布；
然后，①在空载状态下，匀速缓慢向压载/卸荷腔体中注入液压油，观察压载/卸荷隔板的运动情况，压载/卸荷隔板开始向下运动时，记录此时油压泵出口的压力；该过程反复进行至少3次，取平均值P0作为轴压加载模块加载的压力损耗；②在空载状态下，以步骤(5)中所选取的电机转速，匀速转动旋转轴360°，记录空载状态下的旋转扭矩值T0，作为旋转模块旋转摩阻。
(2)样品准备与安装
称取一定质量的沉积物，根据沉积物孔隙度，计算合成特定饱和度的水合物所需的含水量，反算需要加入沉积物中的总水量，将沉积物和水均匀混合充分搅拌并密闭静置12h；
依次安装旋转模块和下剪切盒及其附属部件，将沉积物分两层压实装入下剪切盒内部，然后安装上剪切盒，将剩下的沉积物分两次压实装入上剪切盒，分层安装沉积物过程中分层压实后需将上层表面打毛；最后依次安装轴压加载模块和高压反应釜端盖，接通制冷控温模块，设定恒温水浴槽温度给系统降温；
(3)预固结
根据实际模拟需要确定需要施加到沉积物上的有效轴向应力P1。然后，调整轴压加载系统管路，向压载/卸荷腔体中匀速注入液压油，推动压载顶板向下运动并与沉积物接触，继续注入液压油直至油压泵出口的压力达到Pf。采用油压泵实时跟踪，保证施加到沉积物上的轴向应力P1维持恒定并维持一定的时间，达到预固结含水沉积物的目的。
此步骤中，施加到沉积物上的有效轴向应力P1与油压泵出口压力Pf的相互关系为：
式中，S1表示单个压载/卸荷腔体的横截面积，cm2；n表示压载/卸荷腔体的个数；S2表示环形压载顶板的横截面积，cm2。
(4)制备含水合物沉积物样品
对反应釜内部抽真空，然后注入高压天然气，使反应釜内部的压力达到能够形成天然气水合物的压力条件，持续运行制冷控温模块，使天然气与沉积物中的孔隙水反应形成天然气水合物，当反应釜中的压力维持长时间不变时，认为水合物合成结束。
需要特别指出的是，本发明在水合物合成过程中始终保持步骤(3)中施加的有效轴向应力维持不变，通过油压泵观察水合物合成过程中液压油的吸入/排出量，判断水合物合成对沉积物内部结构的影响；通过油压泵排出/吸入量随时间的变化关系，与水合物合成过程中的反应釜内部压力、温度衰减对比分析，分析水合物合成过程中对沉积物内部结构影响的具体时机。
(5)环剪试验
根据实际剪切所需的旋转轴转速，设定电机转速，以恒定的速率匀速转动旋转轴，带动下剪切盒旋转，对含水合物沉积物产生剪切作用。实时记录旋转轴的角位移和扭矩值。当旋转角位移达到设定的值时，停止剪切试验。
需要指出的是，本步骤中为了探讨不同的剪切速率对已经破坏的水合物地层的滑坡特性的影响，在旋转角位移达到特定值后，可以通过调整旋转轴转速，以更慢或更快的角速度继续进行剪切试验。
(6)结束试验
缓慢释放高压反应釜内部的高压气体，回退轴压加载系统卸载轴向应力，然后快速打开反应釜观察剪切盒内部的剪切面的形状。将步骤(1)～(5)过程中获取的温度、压力、转速、扭矩等参数储存并做后续处理。
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 (10)
1.含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，包括高压反应釜模块、制冷控温模块、气体供给模块和控制与采集模块，其特征在于，还包括剪切盒模块、旋转模块和轴压加载模块；
所述剪切盒模块主体为圆环柱结构，整体安装在高压反应釜模块内部，用以制备含水合物沉积物样品并开展旋转剪切模拟实验，剪切盒模块与高压反应釜模块之间固定连接，气体供给模块内的高压甲烷气体注入到高压反应釜模块内部以后，剪切盒模块内、外同步具有高压甲烷环境，且剪切盒模块内外高压甲烷气体相互连通；
所述轴压加载模块安装在剪切盒模块上部，用以给位于剪切盒模块内部的含水合物沉积物(1)施加纵向压力；所述旋转模块的旋转中轴(4-9)安装在剪切盒模块的环状中心，旋转中轴(4-9)通过密封轴承穿透高压反应釜模块下部端面，旋转模块用以驱动剪切盒模块的下剪切盒以特定的速率转动。
2.根据权利要求1所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述剪切盒模块包括下剪切盒和上剪切盒；所述下剪切盒包括下剪切盒外壳(2-1)，下剪切盒内壳(2-4)，下剪切盒端盖(2-7)，以及设置在下剪切盒端盖(2-7)外部的键槽(2-8)；上剪切盒包括上剪切盒外壳(2-2)，上剪切盒内壳(2-5)，上剪切盒端盖(2-12)，以及设置在上剪切盒侧面的定位销(2-11)；
所述上剪切盒内壳(2-5)与下剪切盒内壳(2-4)之间安装推力轴承(2-6)，推力轴承(2-6)的內缘与上剪切盒内壳(2-5)固定，推力轴承(2-6)的外缘与下剪切盒内壳(2-4)固定，上剪切盒外壳(2-2)与下剪切盒内壳(2-1)之间安装推力轴承(2-3)，推力轴承(2-3)的內缘与下剪切盒内壳(2-1)固定，推力轴承(2-3)的外缘与上剪切盒内壳(2-3)固定；所述上剪切盒端盖(2-12)与上剪切盒外壳(2-2)和上剪切盒内壳(2-5)之间固定连接；所述上剪切盒端盖(2-12)上设置有若干与剪切盒外部连通的气道(2-13)。
3.根据权利要求2所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述剪切盒内部还设置有下防滑垫圈(2-9)和上防滑垫圈(2-10)，下防滑垫圈(2-9)与下剪切盒端盖(2-7)之间固定，上防滑垫圈(2-10)与轴压加载模块的压载顶板(3-1)之间固定连接。
4.根据权利要求3所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述上防滑垫圈(2-10)下侧、下防滑垫圈(2-9)上侧分别均匀设置有凸齿，上防滑垫圈(2-10)上设置有气体自由流通的气孔，上防滑垫圈(2-10)外径小于上剪切盒外壳(2-2)的内径，上防滑垫圈(2-10)内径大于上剪切盒内壳(2-5)的外径。
5.根据权利要求3所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述轴压加载模块包括压载顶板(3-1)，油压泵(3-5)，液压油罐(3-6)，压载连杆(3-2)，压载/卸荷隔板(3-3)，压载/卸荷腔体(3-4)，以及连接管线和阀门；
所述压载顶板(3-1)为环形带孔圆盘，安装在剪切盒模块内部，并与上防滑垫圈(2-10)固定；压载连杆(3-2)为圆柱状，压载连杆(3-2)下端与压载顶板(3-1)连接，其上端穿过上剪切盒端盖(2-12)并伸入压载/卸荷腔体(3-4)，压载/卸荷腔体(3-4)为圆柱状结构，压载/卸荷腔体(3-4)的内腔尺寸与压载/卸荷隔板(3-3)一致；
所述压载/卸荷隔板(3-3)将压载/卸荷腔体(3-4)一分为二形成上部加载腔体和下部卸载腔体；压载/卸荷隔板(3-3)与压载连杆(3-2)之间固定；压载/卸荷腔体(3-4)的上端面和下端面分别设置液压油入口，并于设置在高压反应釜外围的油压泵(3-5)、液压油罐(3-6)依次相连通。
6.根据权利要求1所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述旋转模块包括旋转电机(4-1)，旋转减速机(4-2)，旋转主动齿轮(4-3)，旋转从动齿轮(4-4)，旋转轴承(4-6)，平面旋转轴承(4-7)，旋转定位键(4-8)，旋转定位销(4-5)及端面轴承(4-10)；
所述旋转从动齿轮(4-4)固定在旋转中轴(4-9)的下端面；旋转主动齿轮(4-3)与旋转从动齿轮(4-4)配合，带动旋转中轴(4-9)发生旋转；旋转轴承(4-6)的外缘与反应釜本体底部过盈配合固定，旋转轴承(4-6)的內缘与旋转中轴(4-9)配合并固定；平面旋转轴承(4-7)的下端面与反应釜本体底部内壁的旋转导向槽(5-6)配合，平面旋转轴承(4-7)与旋转中轴之间采用旋转定位销(4-5)固定，平面旋转轴承(4-7)的上端面外侧连接旋转定位销(4-8)；旋转定位销(4-8)在仪器安装过程中嵌入位于下剪切盒端盖外部的键槽(2-8)并固定；旋转中轴(4-9)的上端面与设置在高压反应釜模块端盖内侧的端面轴承(4-10)配合。
7.根据权利要求2所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述高压反应釜模块包括反应釜本体(5-1)，反应釜端盖(5-2)，反应釜本体(5-1)与反应釜端盖(5-2)之间固定连接，侧面密封；高压反应釜模块还包括设置在反应釜本体(5-1)内侧壁的定位卡槽(5-3)，设置在反应釜端盖(5-2)中心内侧壁的旋转轴卡槽(5-4)，安装在反应釜本体(5-1)底部外侧的轴承卡槽(5-5)，设置在反应釜本体(5-1)底部内侧的旋转导向槽(5-6)，以及给反应釜内部加入甲烷气、释放甲烷气的通道(5-7)和(5-8)；
定位卡槽(5-3)与剪切盒模块的定位销(2-11)配合并固定，旋转轴卡槽(5-4)与旋转模块的端面轴承(4-8)的外缘配合，用于安装旋转轴(4-4)；轴承卡槽(5-5)内部安装旋转轴承(4-6)，且轴承卡槽(5-5)内壁与旋转轴承(4-6)的外缘配合并固定；旋转导向槽(5-6)主要用于安装平面旋转轴承(4-7)，平面旋转轴承(4-7)的下端面与旋转导向槽(5-6)配合并固定；轴承卡槽(5-5)固定在反应釜本体(5-1)的下端面并与反应釜密封。
8.根据权利要求1所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述制冷控温模块包括恒温水浴槽(6-1)，制冷腔体(6-2)，保温层(6-3)，制冷盘管(6-4)，以及设置在制冷腔体中的导流肋片(6-5)；
制冷盘管(6-4)安装在高压反应釜模块内部，制冷盘管(6-4)入口连接低温水浴槽(6-1)的出口，制冷盘管(6-4)出口端连接制冷腔体(6-2)中距离恒温水浴槽的远端，制冷盘管(6-4)的入口端与出口端在高压反应釜本体壁上采用螺纹密封结构，整个制冷系统为低压流动系统，与反应釜模块内部的高压环境隔绝；环柱形的制冷腔体被导流肋片(6-5)封隔成相互连通、单一流向的固定通路。
9.基于权利要求1所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)损耗校准：对轴压加载模块纵向运动磨损校准和旋转模块旋转摩阻校准，确定轴压加载模块加载的压力损耗P0，以及旋转模块旋转摩阻T0；
(2)样品准备与安装：确定沉积物的质量和需要加入沉积物中的总水量，将沉积物和水均匀混合充分搅拌，安装模拟装置各功能模块；
(3)预固结：确定需要施加到沉积物上的有效轴向应力P1，调整轴压加载模块相关管路，记录轴压加载模块的油压泵出口压力Pf，采用油压泵实时跟踪，保证施加到沉积物上的轴向应力P1维持恒定并维持一定的时间，达到预固结含水沉积物的目的；
(4)制备含水合物沉积物样品：保持步骤(3)中施加的有效轴向应力维持不变，对高压反应釜模块内部抽真空，然后注入高压天然气，达到能够形成天然气水合物的压力条件，持续运行制冷控温模块，使天然气与沉积物中的孔隙水反应形成天然气水合物，当反应釜中的压力维持长时间不变时，水合物合成结束；
(5)环剪试验：根据实际剪切所需的旋转轴转速，通过旋转模块以恒定的速率匀速剪切盒模块的下剪切盒旋转，对含水合物沉积物产生剪切作用，实时记录旋转中轴的角位移和扭矩值，当旋转角位移达到设定的值时，停止剪切试验；
(6)结束试验：缓慢释放高压反应釜模块内部的高压气体，回退轴压加载模块卸载轴向应力，打开反应釜观察剪切盒模块内部的剪切面的形状，将步骤(1)～(5)过程中获取的温度、压力、转速、扭矩参数储存并做后续处理。
10.根据权利要求9所述的含水合物沉积物环剪破坏模拟装置，其特征在于：所述步骤(3)中，施加到沉积物上的有效轴向应力P1与油压泵出口压力Pf的相互关系为：
轴压加载模块包括压载顶板(3-1)，压载/卸荷隔板(3-3)，压载/卸荷腔体(3-4)，以及连接管线和阀门；式中，S1表示单个压载/卸荷腔体的横截面积；n表示压载/卸荷腔体的个数；S2表示环形压载顶板的横截面积。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220236159A1 (en) * | 2022-03-07 | 2022-07-28 | Hunan University Of Science And Technology | Friction and wear testing platform capable of simulating high-pressure, silt-containing and turbid submarine environment |
| US11774336B2 (en) * | 2022-03-07 | 2023-10-03 | Hunan University Of Science And Technology | Friction and wear testing platform capable of simulating high-pressure, silt-containing and turbid submarine environment |
| CN115329692A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-11 | 中国石油大学(北京) | 一种成品油管道水力参数在线校准方法及系统 |
| CN115329692B (zh) * | 2022-08-02 | 2024-03-19 | 中国石油大学(北京) | 一种成品油管道水力参数在线校准方法及系统 |
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| CN114252351B (zh) | 2024-08-27 |
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