CN114295467A - 一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，包括设有横梁和底座的主机框架、加载系统、天然气水合物合成系统、压力控制系统、同步数据采集与处理系统以及温度控制系统，该装置能够原位生成天然气水合物沉积物试样，并且在模拟高压低温状态下进行可视化物理力学实验，对海底天然气沉积物的应力、变形进行测量，从而得到强度、变形模量等力学性质及天然气水合物电阻率，主要解决了现有的三轴仪存在的未能控制其温度压力参数或是无法实现真三轴加压状态等问题。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物沉积物物理力学性质测量领域，具体涉及一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置。
背景技术
天然气水合物俗称可燃冰，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，因其分布范围广，总量巨大，能量密度高等优势而受到世界各国政府和科学界的密切关注。然而，天然气水合物沉积物在受到微小的压力或温度扰动下容易破坏其相平衡条件而分解，导致水合物沉积层发生变形，进而引发海底滑坡及浅层构造变动，诱发海啸、地震等地质灾害。因此对天然气水合物沉积物物理力学性质的研究显得更为紧迫，建立一套严密的开采技术方案已是各国所需。
真三轴仪常用于测定土的强度和变形特性，能模拟地基土体三向应力状态并能独立地改变试样上三个主应力大小。相比于普通真三轴仪，天然气水合物沉积物真三轴仪要求能控制特定的压力温度环境来评定其强度的参数，解决现有的三轴仪存在的未能控制其温度压力参数或是无法实现真三轴加压状态等问题。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其能够原位生成天然气水合物沉积物试样，并且在模拟高压低温状态下进行可视化物理力学实验，对海底天然气沉积物的应力、变形进行测量，从而得到强度、变形模量等力学性质及天然气水合物电阻率，主要解决了现有的三轴仪存在的未能控制其温度压力参数或是无法实现真三轴加压状态等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，包括设有横梁和底座的主机框架、加载系统、天然气水合物合成系统、压力控制系统、同步数据采集与处理系统以及温度控制系统，
所述加载系统包括设在底座上的加载油缸，所述加载油缸缸体上端固定压力室平台，所述压力室平台上固定压力室筒体并与其内腔形成密封的压力室，所述压力室内设有试样模具；
所述横梁底部通过轴向荷载传感器连接轴向传力杆，轴向传力杆连接压力室筒体顶部；
所述加载油缸的加载端用于对试样模具施加轴向荷载；
所述压力室筒体的侧壁上设有对试样模具施加径向荷载的径向柱塞泵加载系统和对试样模具施加径向约束的限位承压器；
所述压力室筒体上固定有正向柱塞泵加载系统，所述正向柱塞泵加载系统配合限位承压器对试样模具施加正向加载以及约束；
所述天然气水合物合成系统包括盛放有天然气-水混合流体的混合流体容器，所述混合流体容器通过第一泵体以及管路将天然气-水混合流体注入试样模具内并控制试样内部孔隙压力用以合成天然气水合物；
所述压力控制系统包括回油容器和送油容器，所述回油容器和送油容器通过第二泵体以及管路向压力室内循环输入油液用以控制试样模具外围的围压；
所述温度控制系统包括预制在压力室筒体内的多圈螺旋状的内管、连通螺旋状的内管的冷浴以及包裹在压力室筒体外部的保温棉，所述冷浴向螺旋状的内管内通入冷却循环液来实现低温环境的控制，对水合物生成过程进行保温。
优选地，所述同步数据采集与处理系统包括能够测量压力室内油液温度的温度传感器、测量压力室内试样模具外侧围压的围压传感器、内置于径向柱塞泵加载系统中用于接收径向荷载以及位移信号的径向荷载传感器、连接正向柱塞泵加载系统用于接收正向荷载及位移信号的正向荷载传感器、测定试样电阻率的电路控制器以及用于观测记录实验过程的高速摄像机。
优选地，所述试样模具包括模具筒体、嵌套在模具筒体上端的上垫块以及嵌套在模具筒体下端的下垫块，所述下垫块紧密贴合在升降加载底座上，所述压力室平台上端面开有供升降加载底座嵌入的凹槽。
优选地，所述下垫块与升降加载底座接触面预设环形凹槽并放入密封圈，以防止油液的渗入；所述上垫块与下垫块靠近试样模具内腔的一面设有铜片并预留有孔道，便于液体的通入、排出以及电线连接铜片，所述铜片与电路控制器电性连接用于测定试样电阻率。
优选地，所述上垫块、下垫块与模具筒体之间均设有密封圈，用于隔绝压力室和试样模具的内腔。
优选地，所述上垫块、下垫块、径向柱塞泵加载系统以及正向柱塞泵加载系统压头均由peek材料制成，具有阻电作用。
优选地，所述加载油缸的缸体顶部与压力室平台下端面固定连接，所述加载油缸输出端设有依次伸出的承压活塞和加载活塞，所述承压活塞端部穿过压力室平台与升降加载底座底部接触并对其实施抬升以及轴向加载，所述加载活塞端部伸入升降加载底座用以对试样的施加轴向荷载。
优选地，所述升降加载底座顶部设有球形凸起，所述下垫块底部设有与球形凸起适配的凹槽，球形凸起与凹槽配合起到约束、定位及传力作用，所述升降加载底座底部设有供加载活塞穿入的通孔，所述通孔底部设有与加载活塞端部半球凸体适配的球形槽。
优选地，所述天然气水合物合成系统中的混合流体容器连通两个主管路，其中一个主管路分出两个支管路，一个支管路连通第一泵体，另一个支管路与试样模具内腔底部相连通，两个支管路上均设有球阀；另一个主管路与试样模具内腔顶部相连通。
优选地，所述压力控制系统中送油容器连接两道送油管路，一道连接加载油缸进油口，另一道分出两支路分别连通第二泵体和压力室用于输油并控制围压，两支路上均设有球阀；所述回油容器连接两道回油管路，一道连接压力室筒体的出油口，另一道连接加载油缸回油口，两道回油管路上均设置球阀；所述送油容器与回油容器之间通过管路连通并设有球阀。
本发明的有益效果在于：该装置能够原位生成天然气水合物沉积物试样，并且在模拟高压低温状态下进行可视化物理力学实验，对海底天然气沉积物的应力、变形进行测量，从而得到强度、变形模量等力学性质及天然气水合物电阻率，同时解决了现有的三轴仪存在的未能控制其温度压力参数或是无法实现真三轴加压状态等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置正向结构系统图；
图2是一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置径向结构系统图；
图3是一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置试样模具结构示意图。
图中：1、滑轮；2、油缸基座；3、装置外壳；4、加载油缸；5、混合流体容器；6、送油容器；7、球阀；8、回油容器；9、第一泵体；91、第二泵体；10、冷浴；11、电路控制器；12、径向柱塞泵加载系统；13、径向荷载传感器；14、限位承压器；15、内管；16、压力室；17、压力室筒体；18、上部基座；19、轴向荷载传感器；20、传力杆；21、数据采集仪；22、计算机；23、支架平台；24、加载支架；25、高速摄像机；26、正向荷载传感器；27、正向柱塞泵加载系统；28、蓝宝石窗；29、压力室平台；30、承压活塞；31、加载活塞；32、升降加载底座；33、进油口；34、流体进口；35、密封圈；36、下垫块；37、锁紧块；38、围压传感器；39、温度传感器；40、出油口；41、试样模具；42、上垫块；43、铜片；44、流体出口；45、保温棉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，
包括设有横梁和底座的主机框架、加载系统、天然气水合物合成系统、压力控制系统、同步数据采集与处理系统以及温度控制系统，
主机框架底部设有装置外壳3，所述装置外壳3底部设有滑轮1；便于运移且可拆卸；
所述加载系统包括设在底座上的油缸基座2，油缸基座2设加载油缸4，所述加载油缸4缸体上端固定压力室平台29，所述压力室平台29上通过若干锁紧块37和螺栓配合固定压力室筒体17并与其内腔形成密封的压力室16，压力室平台29、压力室筒体17上开有供锁紧块37嵌入固定的卡槽，所述压力室16内设有试样模具41；装置外壳3底部连接支架平台23，支架平台23置于水平面上并螺栓连接加载支架24；
所述横梁底部设上部基座18，上部基座18通过轴向荷载传感器19连接轴向传力杆20，轴向传力杆20连接压力室筒体17顶部,轴向荷载传感器19接收底部传递而上的轴向荷载及位移信号；
所述加载油缸4的加载端用于对试样模具41施加轴向荷载；
所述压力室筒体17的侧壁上设有对试样模具41施加径向荷载的径向柱塞泵加载系统12和对试样模具41施加径向约束的限位承压器14；
所述压力室筒体17上固定有正向柱塞泵加载系统27，所述正向柱塞泵加载系统27配合限位承压器14对试样模具41施加正向加载以及约束；
所述天然气水合物合成系统包括盛放有天然气-水混合流体的混合流体容器5，所述混合流体容器5通过第一泵体9以及管路将天然气-水混合流体注入试样模具41内并控制试样内部孔隙压力用以合成天然气水合物；
所述压力控制系统包括回油容器8和送油容器6，所述回油容器8和送油容器6通过第二泵体91以及管路向压力室16内循环输入油液用以控制试样模具41外围的围压；
所述同步数据采集与处理系统包括设在压力室筒体17上能够测量压力室16内油液温度的温度传感器39、内置于径向柱塞泵加载系统12中用于接收径向荷载以及位移信号的径向荷载传感器13、设在压力室筒体17上用于测量试样模具41外侧围压的围压传感器38、内置于加载支架24中用于接收正向荷载及位移信号的正向荷载传感器26、测定试样电阻率的电路控制器11以及用于观测记录实验过程的高速摄像机25，高速摄像机25设在加载支架24上。
加载支架24连接正向柱塞泵加载系统27，压力室筒体17上设有环形的蓝宝石窗28，蓝宝石窗28由蓝宝石制得，配合高速摄像机25实现试验过程中对试样的观测记录；上述各传感器均通过信号线接入数据采集仪21，通过数据采集仪21将相应信号转换为电信号传送至计算机22；
所述温度控制系统包括预制在压力室筒体17内的多圈螺旋状的内管15、连通螺旋状的内管15的冷浴10以及包裹在压力室筒体17外部的保温棉45，所述冷浴10向螺旋状的内管15内通入冷却循环液来实现低温环境的控制，对水合物生成过程进行保温。
所述试样模具41包括模具筒体、嵌套在模具筒体上端的上垫块42以及嵌套在模具筒体下端的下垫块36，所述下垫块36紧密贴合在升降加载底座32上，所述压力室平台29上端面开有供升降加载底座32嵌入的凹槽。
所述下垫块36与升降加载底座32接触面预设环形凹槽并放入密封圈35，以防止油液的渗入；所述上垫块42与下垫块36靠近试样模具41内腔的一面设有铜片43并预留有孔道，便于液体的通入、排出以及电线连接铜片，所述铜片43与电路控制器11电性连接用于测定试样电阻率。
所述上垫块42、下垫块36设有卡钳模具筒体的凹槽，并在凹槽内设有密封圈35，用于隔绝压力室16和试样模具41的内腔。
所述上垫块42、下垫块36、径向柱塞泵加载系统12以及正向柱塞泵加载系统27压头均由peek材料制成，具有阻电作用。
所述加载油缸4的缸体顶部与压力室平台29下端面固定连接，所述加载油缸4输出端设有依次伸出的承压活塞30和加载活塞31，所述承压活塞30端部穿过压力室平台29与升降加载底座32底部接触并对其实施抬升，所述加载活塞31端部伸入升降加载底座32用以对试样的施加轴向荷载。
所述加载油缸4与承压活塞30、加载活塞31、径向柱塞泵加载系统12及正向柱塞泵加载系统27均有管路连接，可向其输油液压加载；
所述升降加载底座32顶部设有球形凸起，所述下垫块36底部设有与球形凸起适配的凹槽，球形凸起与凹槽配合起到约束、定位及传力作用，所述升降加载底座32底部设有供加载活塞31穿入的通孔，所述通孔底部设有与加载活塞31端部半球凸体适配的球形槽。
所述天然气水合物合成系统中的混合流体容器5连通两个主管路，其中一个主管路分出两个支管路，一个支管路连通第一泵体9，另一个支管路穿过压力室平台29、升降加载底座32后通过下垫块36内的流体进口34与试样模具41内腔底部相连通，两个支管路上均设有球阀7；另一个主管路穿过压力室平台29后通过上垫块42内的流体出口44与试样模具41内腔顶部相连通，用于多余流体的回收。
所述压力控制系统中送油容器6连接两道送油管路，一道连接加载油缸4进油口，另一道分出两支路分别连通第二泵体91和压力室16用于输油并控制围压，两支路上均设有球阀7；压力室平台29开有连通压力室16的进油口33；
所述回油容器8连接两道回油管路，一道连接压力室筒体17的出油口40，另一道连接加载油缸4回油口，两道回油管路上均设置球阀7；所述送油容器6与回油容器8之间通过管路连通并设有球阀7，互相补给。
使用时，具体步骤如下：
第一步，驱动加载油缸4，使承压活塞30将升降加载底座32顶起到合适位置；在升降加载底座32凹槽处放入密封圈35，将下垫块36与升降加载底座32闭合；
第二步，将以填充完试样且放置好铜片43的试样模具41卡入上垫块42和下垫块36的凹槽，然后将上下密封圈35套于试样模具41与上垫块42、下垫块36的凹槽缝隙；
第三步，将密封圈35置于压力室平台29顶部两端，将压力室筒体17盖上并闭合，用锁紧块37与螺栓锁紧，连接好压力室筒体17上部构件，装置安装完毕；
第四步，驱动加载油缸4，使承压活塞30将升降加载底座32顶起到上垫块42与压力室筒体17相接触，当轴向荷载传感器19向计算机22传送的信号即将发生改变时，停止上升；
第五步，打开相应的第二泵体91及球阀7通过进油口33向压力室16内注油并加压至实验相应压力；打开输送流体的第一泵体9及相应球阀7，将混合流体容器5内的天然气-水混合流体通过流体进口34进入到试验模具41内；
第六步，打开冷浴10，向内管15通入冷却循环液并降低至实验相应温度，在压力室筒体17外裹上保温棉45，开始天然气水合物的生成；
第七步，天然气水合物生成完毕后，通过控制加载油缸4将加载活塞31伸出并施加轴向荷载；加载油缸4油路连通径向柱塞泵加载系统12和正向柱塞泵加载系统27，通过加载油缸4控制径向柱塞泵加载系统12及正向柱塞泵加载系统27分别施加径向荷载及正向荷载；
第九步，由各传感器及高速摄像机25采集到的各种数据汇总到计算机22，进行数据分析，得到各物理力学参数，量测完毕。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，包括设有横梁和底座的主机框架、加载系统、天然气水合物合成系统、压力控制系统以及温度控制系统，其特征在于，
所述加载系统包括设在底座上的加载油缸(4)，所述加载油缸(4)缸体上端固定压力室平台(29)，所述压力室平台(29)上固定压力室筒体(17)并与其内腔形成密封的压力室(16)，所述压力室(16)内设有试样模具(41)；
所述横梁底部通过轴向荷载传感器(19)连接轴向传力杆(20)，轴向传力杆(20)连接压力室筒体(17)顶部；
所述加载油缸(4)的加载端用于对试样模具(41)施加轴向荷载；
所述压力室筒体(17)的侧壁上设有对试样模具(41)施加径向荷载的径向柱塞泵加载系统(12)和对试样模具(41)施加径向约束的限位承压器(14)；
所述压力室筒体(17)侧壁固定有正向柱塞泵加载系统(27)，所述正向柱塞泵加载系统(27)配合限位承压器(14)对试样模具(41)施加正向加载以及约束；
所述天然气水合物合成系统包括盛放有天然气-水混合流体的混合流体容器(5)，所述混合流体容器(5)通过第一泵体(9)以及管路将天然气-水混合流体注入试样模具(41)内并控制试样内孔隙压力用以合成天然气水合物；
所述压力控制系统包括回油容器(8)和送油容器(6)，所述回油容器(8)和送油容器(6)通过第二泵体(91)以及管路向压力室(16)内循环输入油液用以控制试样模具(41)外围的围压；
所述温度控制系统包括预制在压力室筒体(17)内的多圈螺旋状的内管(15)、连通螺旋状的内管(15)的冷浴(10)以及包裹在压力室筒体(17)外部的保温棉(45)，所述冷浴(10)向螺旋状的内管(15)内通入冷却循环液来实现低温环境的控制，对水合物生成过程进行保温。
2.如权利要求1所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，还包括同步数据采集与处理系统，所述同步数据采集与处理系统包括能够测量压力室(16)内油液温度的温度传感器(39)、测量压力室(16)内试样模具(41)外侧围压的围压传感器(38)、内置于径向柱塞泵加载系统(12)中用于接收径向荷载以及位移信号的径向荷载传感器(13)、连接正向柱塞泵加载系统(27)用于接收正向荷载及位移信号的正向荷载传感器(26)、用于测定试样电阻率的电路控制器(11)以及用于观测记录实验过程的高速摄像机(25)。
3.如权利要求2所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述试样模具(41)包括模具筒体、嵌套在模具筒体上端的上垫块(42)以及嵌套在模具筒体下端的下垫块(36)，所述下垫块(36)紧密贴合在升降加载底座(32)上，所述压力室平台(29)上端面开有供升降加载底座(32)嵌入的凹槽。
4.如权利要求3所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述下垫块(36)与升降加载底座(32)接触面预设环形凹槽并放入密封圈(35)，以防止油液的渗入；所述上垫块(42)与下垫块(36)靠近试样模具(41)内腔的一面设有铜片(43)并预留有孔道，便于液体的通入、排出以及电线连接铜片，所述铜片(43)与电路控制器(11)电性连接用于测定试样电阻率。
5.如权利要求3所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述上垫块(42)、下垫块(36)与模具筒体之间均设有密封圈(35)，用于隔绝压力室(16)和试样模具(41)的内腔。
6.如权利要求3所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述上垫块(42)、下垫块(36)、径向柱塞泵加载系统(12)以及正向柱塞泵加载系统(27)压头均由peek材料制成，具有阻电作用。
7.如权利要求3所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述加载油缸(4)的缸体顶部与压力室平台(29)下端面固定连接，所述加载油缸(4)输出端设有依次伸出的承压活塞(30)和加载活塞(31)，所述承压活塞(30)端部穿过压力室平台(29)与升降加载底座(32)底部接触并对其实施抬升以及轴向加载，所述加载活塞(31)端部伸入升降加载底座(32)用以对试样的施加轴向荷载。
8.如权利要求7所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述升降加载底座(32)顶部设有球形凸起，所述下垫块(36)底部设有与球形凸起适配的凹槽，球形凸起与凹槽配合起到约束、定位及传力作用，所述升降加载底座(32)底部设有供加载活塞(31)穿入的通孔，所述通孔底部设有与加载活塞(31)端部半球凸体适配的球形槽。
9.如权利要求1所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述天然气水合物合成系统中的混合流体容器(5)连通两个主管路，其中一个主管路分出两个支管路，一个支管路连通第一泵体(9)，另一个支管路与试样模具(41)内腔底部相连通，两个支管路上均设有球阀(7)；另一个主管路与试样模具(41)内腔顶部相连通。
10.如权利要求1所述的一种天然气水合物沉积物真三轴试验装置，其特征在于，所述压力控制系统中送油容器(6)连接两道送油管路，一道连接加载油缸(4)进油口，另一道分出两支路分别连通第二泵体(91)和压力室(16)用于输油并控制围压，两支路上均设有球阀(7)；所述回油容器(8)连接两道回油管路，一道连接压力室筒体(17)的出油口，另一道连接加载油缸(4)回油口，两道回油管路上均设置球阀(7)；所述送油容器(6)与回油容器(8)之间通过管路连通并设有球阀(7)。
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