專利名稱：含天然氣水合物土壓縮系數(shù)測試裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣水合物土的測試技術(shù)，尤其涉及一種含天然氣水合物土壓 縮系數(shù)測試裝置及其方法。具體地說，涉及含天然氣水合物土中不同水合物含量條件下的壓縮系數(shù)的測試， 根據(jù)在不同溫 度與壓力下溶氣水在試樣中循環(huán)飽和降溫后形成孔隙中均勻分布水合物的 不同含量的含天然氣水合物土試樣后，模擬環(huán)境變化與不同開采條件，變化試樣溫度與壓 力，測試不同條件下含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)，研究含天然氣水合物土變形特性變化規(guī)律。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是甲烷(CH4)等天然氣體分子在一定壓力和溫度條件下，被吸入到 籠形水分子團(tuán)結(jié)構(gòu)的空隙中，從而形成一種固體狀物質(zhì)。作為一種戰(zhàn)略性替代能源，天然氣 水合物具有巨大的商業(yè)開發(fā)價值，預(yù)計在本世紀(jì)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中將占據(jù)主要地位。隨著 石油和天然氣資源的日益短缺，開發(fā)天然氣水合物這一新型替代能源就顯得尤為迫切。天然氣水合物在開采過程中由于孔隙中水合物分解將釋放大量游離氣體和液態(tài) 水，導(dǎo)致孔隙壓力增加和土顆粒之間膠結(jié)喪失等一系列的物理力學(xué)性狀改變，并有可能誘 發(fā)大規(guī)模的地面沉陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。土的壓縮固結(jié)系數(shù)是評價地層在荷載等外加作用 下沉降變形的一個重要的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。目前，經(jīng)檢索，研究與測試含天然氣水合物壓縮系數(shù)的方法還未見報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種含天然氣水合物土壓縮系數(shù)測試裝置及其方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明是通過將溶有氣體的水在低溫及施加一定垂直壓力的土樣中進(jìn)行循環(huán)，使 得在一定的氣體壓力與溫度條件下溶于水中的氣體與水結(jié)合形成天然氣水合物填充于土 樣孔隙中，使得生成的含天然氣水合物土樣孔隙中只有液態(tài)水與固態(tài)的水合物存在，而沒 有游離氣存在，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室中快速準(zhǔn)確地模擬海洋環(huán)境中原位含天然氣水合物土的制 樣；然后根據(jù)不同開采條件的升溫、降壓或改變垂直壓力，從而實(shí)現(xiàn)含天然氣水合物試樣壓 縮系數(shù)和孔隙水合物不同有效應(yīng)力的相平衡條件的測試，其原理符合現(xiàn)場原位水合物形成 模式和開采工況條件，結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低廉，可以為大多數(shù)科研與勘察設(shè)計單位裝備。本發(fā)明提供試驗(yàn)的裝置與方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對海底天然氣水合物形成過程進(jìn)行準(zhǔn) 確的模擬測試，為深入研究海底含天然氣水合物土物理力學(xué)性質(zhì)提供了技術(shù)保證與支持， 將有力地推動該項研究的深入發(fā)展。本裝置利用含氣飽和水在試樣中循環(huán)飽和后降溫快速制得不同水合物含量且分 布均勻的試樣；采用雙壓力室平衡試樣內(nèi)的孔隙壓力后采用杠桿加壓，結(jié)構(gòu)簡單造價低廉 且壓力恒定；制樣形成含天然氣水合物土試樣后，可得出在不同有效應(yīng)力條件下的含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)。本方法可利用含氣飽和水在試樣中循環(huán)飽和后降溫制得試樣，制樣方法快速簡單 且孔隙中水合物分布均勻；對試樣施加恒定載荷，模擬開采條件改變溫度與壓力，得出在不 同有效應(yīng)力條件下的含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)。
具體地說，一、含天然氣水合物土壓縮系數(shù)測試測試裝置(簡稱裝置)本裝置包括壓縮固結(jié)儀、氣水混合容器、磁力攪拌裝置、恒流泵、真空泵、百分表、 供氣裝置、恒溫裝置、數(shù)據(jù)采集器、管線、加載裝置、氣體壓力傳感器、第一、二溫度傳感器和 第1 7閥門；所述的壓縮固結(jié)儀包括由不銹鋼材料制成的上蓋、底座、T形活塞、水浴夾套和螺 栓，其內(nèi)自下而上形成有土樣室、下平衡壓力室和上平衡壓力室；其位置和連接關(guān)系是土樣室的下部和氣水混合容器下部分別通過第6、7閥門和恒流泵相連，固結(jié)壓縮 儀上部和氣水混合容器上部通過T形活塞管道、第4、5閥門相連，上平衡壓力室通過管線與 氣水混合容器相連；加載裝置的荷載施加于T形活塞上，百分表置于T形活塞和上蓋之上測量土樣的 位移；磁力攪拌裝置置于氣水混合容器下面，通過動力傳動機(jī)構(gòu)帶動葉輪攪拌使氣水充分 混合；氣源依次通過高壓調(diào)節(jié)閥、第4閥門和高壓氣體壓力表后與氣水混合容器相連， 安全閥與氣水混合容器相連，保持供氣系統(tǒng)的安全性；真空泵依次通過第3、4閥門與氣水混合容器相連，對整個裝置實(shí)行抽真空排雜氣 處理，還可以進(jìn)行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門與大氣相通；恒溫裝置通過軟管與壓縮固結(jié)儀的水浴夾套相連，控制土樣室的土樣溫度；第1溫度傳感器與氣水混合容器相連，測量氣水混合容器中的溫度，第2溫度傳感 器與壓縮固結(jié)儀的水浴夾套相連，測量控制土樣室中的試樣溫度；氣體壓力傳感器P與汽 水混合容器相連，測量整個裝置的壓力；數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)線分別與百分表、各個溫度和 壓力傳感器相連，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的位移、溫度和壓力動態(tài)等。工作原理本裝置利用氣水在氣水混合容器混合，經(jīng)過循環(huán)把含氣水運(yùn)移到土樣室的土樣 中，在合適的溫度和壓力下形成天然氣水合物，這樣就制成了含天然氣水合物土樣。上平衡 壓力室底部面積與T形活塞的底部面積相等，同時，上平衡壓力室和土樣室壓力保持相等， 這樣就可以消除氣體或是水的壓力對固結(jié)壓力造成影響。加載裝置通過T形活塞對土樣施 加壓力。百分表通過T形活塞的位移測得土樣的變形。這樣，就能比較順利的測量出含天 然氣水合物土樣的壓縮系數(shù)。二、含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)測試方法(簡稱方法)本方法包括下列步驟①試樣的安裝；②檢查氣密性；③抽真空；
④注水飽和；⑤施加氣體；⑥啟動恒流泵，降溫制樣；⑦判斷水合物合成完成；⑧加載；⑨數(shù)據(jù)采集和處理；⑩數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過分析可以得到含天然氣水合物土樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積壓縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、垂直固結(jié)系數(shù)和水平固結(jié)系數(shù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果①能真實(shí)模擬海底含天然氣水合物土的形成并制樣；②能簡便準(zhǔn)確地測得不同條件下含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)；③適用于模擬不同工況與條件下含天然氣水合物土壓縮性狀變化規(guī)律。
圖1為本裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為壓縮固結(jié)儀結(jié)構(gòu)示意圖。其中10-壓縮固結(jié)儀，11-上蓋，12-底座，13-T形活塞，14-水浴夾套，15-螺栓；Kl-土樣室，K2-上平衡壓力室，K3-下平衡壓力室；20-氣水混合容器；30-磁力攪拌裝置，31-動力傳動機(jī)構(gòu)，32-葉輪；40-恒流泵；50-真空泵；60-百分表；70-供氣裝置；71-儲氣瓶，72-壓力調(diào)節(jié)閥，73-氣體壓力顯示表，74-安全閥；80-恒溫裝置；90-數(shù)據(jù)采集器；100-管線；110-加載裝置；P-氣體壓力傳感器；Τ1、Τ2_第1、2溫度傳感器；Vl V7-第1 7閥門。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明一、裝置1、總體 如圖1、2，本裝置包括壓縮固結(jié)儀10、氣水混合容器20、磁力攪拌裝置30、恒流 泵40、真空泵50、百分表60、供氣裝置70、恒溫裝置80、數(shù)據(jù)采集器90、管線100、加載裝置 110、氣體壓力傳感器P、第一、二溫度傳感器Tl、T2和第1 7閥門Vl V7 ；所述的壓縮固結(jié)儀10包括由不銹鋼材料制成的上蓋11、底座12、T形活塞13、水 浴夾套14和螺栓15，其內(nèi)自下而上形成有土樣室Kl、下平衡壓力室K3和上平衡壓力室K2 ；其位置和連接關(guān)系是土樣室Kl的下部和氣水混合容器20下部分別通過第6、7閥門V6、V7和恒流泵40 相連，固結(jié)壓縮儀10上部和氣水混合容器20上部通過T形活塞13管道、第4、5閥門V4、 V5相連，上平衡壓力室K2通過管線100與氣水混合容器20相連；加載裝置110的荷載施加于T形活塞13上，百分表60置于T形活塞13和上蓋11 之上測量土樣的位移；磁力攪拌裝置30置于氣水混合容器20下面，通過動力傳動機(jī)構(gòu)31 帶動葉輪32攪拌使氣水充分混合；氣源71依次通過高壓調(diào)節(jié)閥72、第4閥門V4和高壓氣體壓力表73后與氣水混合 容器20相連，安全閥74與氣水混合容器20相連，保持供氣系統(tǒng)的安全性；真空泵50依次通過第3、4閥門V3、V4與氣水混合容器20相連，對整個裝置實(shí)行抽真 空排雜氣處理，還可以進(jìn)行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門V2與大氣相通；恒溫裝置80通過軟管與壓縮固結(jié)儀10的水浴夾套14相連，控制土樣室Kl的土 樣溫度；第1溫度傳感器Tl與氣水混合容器20相連，測量氣水混合容器20中的溫度，第 2溫度傳感器T2與壓縮固結(jié)儀10的水浴夾套14相連，測量控制土樣室Kl中的試樣溫度； 氣體壓力傳感器P與汽水混合容器20相連，測量整個裝置的壓力；數(shù)據(jù)采集器90通過數(shù)據(jù)線分別與百分表60、各個溫度和壓力傳感器相連，實(shí)時監(jiān) 測裝置的位移、溫度和壓力動態(tài)等。2、各部件1)壓縮固結(jié)儀10如圖2，壓縮固結(jié)儀(?？苾x制作，HBS-A3) 10包括不銹鋼材料制成的上蓋11、底 座12、T形活塞13和水浴夾套14 ；上蓋11和底座12利用螺栓15連接成一個容器，容器內(nèi)設(shè)置有T形活塞13，自下 而上形成土樣室K1、下平衡壓力室K3和上平衡壓力室K2 ；容器外包裹有水浴夾套14 ；各個 部件之間都采用0型密封圈封嚴(yán)并且達(dá)到密封的要求。土樣室Kl內(nèi)裝試驗(yàn)土樣，上平衡壓力室K2底部面積與T形活塞13底部面積相同， 保證了內(nèi)部壓力不會對固結(jié)壓力產(chǎn)生影響；水浴夾套14保證了壓縮固結(jié)儀10的溫度控制；同時內(nèi)置的第二溫度傳感器T2對壓縮固結(jié)儀10的溫度進(jìn)行監(jiān)控。溫度傳感器T2 (選用北京，PtlOO/ Φ 3)。
2)氣水混合容器20氣水混合容器20選用?？苾xHBS-B3，采用不銹鋼材料制成。內(nèi)部裝適量蒸餾水，上部空間為實(shí)驗(yàn)氣體，上部利用0型密封圈封嚴(yán)和粗牙螺栓 緊扣密封，從而達(dá)到密封要求和方便安裝拆卸的目的。內(nèi)置第二溫度傳感器T2 (選用北京 PtlOO/Φ 3)測量容器內(nèi)水的溫度，還內(nèi)置第二氣體壓力傳感器Ρ2(選用西安ND-1)測量容 器內(nèi)氣體的壓力變化。3)磁力攪拌器30采用常規(guī)的磁力攪拌器，選用鄭州CL-4A。4)恒流泵 40采用普通恒流泵，選用江蘇產(chǎn)品，最大恒流速度40ml/min。5)真空泵 50采用常規(guī)普通單級旋片式真空泵，極限真空度2 6X10_2Pa。6)百分表 60選用上海偉特儀器公司產(chǎn)品，型號161353400，精度0. 01mm。7)供氣裝置70供氣裝置70包括前后依次連通的儲氣瓶71、調(diào)節(jié)閥72、體壓力顯示表73和安全 閥74。由儲氣瓶71提供氣體，由壓力調(diào)節(jié)閥72調(diào)節(jié)壓力，由氣體壓力顯示表73顯示氣 體壓力值(精度0. 5% F · S)，由安全閥74超壓保護(hù)。8)恒溫裝置80恒溫裝置80為常用設(shè)備，選用浙江寧波THX2020。溫度范圍-20 20°C，溫度控制精度士0. 2°C，內(nèi)置循環(huán)泵。9)數(shù)據(jù)采集器90數(shù)據(jù)采集器90選用Campbell公司的數(shù)據(jù)采集器，型號CR1000。10)高壓不銹鋼管線100普通型，管徑Φ6πιπι，耐壓50MPa，采用不銹鋼制成。11)壓縮固結(jié)儀加載裝置110壓縮固結(jié)儀加載裝置110選用?？苾xHBS-JZ3。采用不銹鋼制成，利用杠桿原理制成，采用砝碼加載，能提供穩(wěn)定的固結(jié)壓力。12)Vl V8—第 1 8 閥門第1 8閥門Vl V8是普通高壓閥門，兩端管徑Φ6mm，采用不銹鋼制成，耐壓 50MPa。二、方法本方法包括下列步驟①試樣的安裝將土樣按設(shè)定 密度(模擬海底水合物穩(wěn)定層土干密度1. 5g/cm3 2. 5g/cm3)、含 水率(2% 40% )均勻裝入壓縮固結(jié)儀土樣室中，向氣水混合容器中加入適量的蒸餾除離 子水(大約為氣水混合容器體積的3/4)，連接裝置。②檢查氣密性
往裝置中沖入氮?dú)庵? 8Mpa，若裝置能維持壓力3 4小時不變，則說明裝置氣密性完好。③抽真空 抽真空15min 30min，排出裝置中的雜異氣。④注水飽和抽氣完成后，打開閥門使氣水混合容器中的水進(jìn)入到土樣室中使土樣飽和。⑤施加氣體打開閥門，調(diào)節(jié)壓力閥將壓力調(diào)至設(shè)定壓力值(設(shè)定值必須保證試驗(yàn)土樣中形成 水合物并且維持水合物的穩(wěn)定壓力，如二氧化碳為2 4MPa，甲烷為6 IOMPa)后關(guān)閉閥 門。⑥啟動恒流泵，降溫制樣啟動恒流泵，啟動恒溫水浴系統(tǒng)，降低溫度值至設(shè)定值(溫度值設(shè)定必須保證在 上面壓力的條件下，裝置溫壓條件在相平衡邊界以內(nèi)合成氣體水合物，一般設(shè)定為_2 4°C )，利用低溫冷液(利用酒精作為冷凍液，凝固點(diǎn)為_114°C )在水浴夾套中循環(huán)降低土 樣溫度至設(shè)定值并保持恒定。⑦判斷水合物合成完成如果氣水混合容器的氣體壓力保持穩(wěn)定不變時，則可判定在相應(yīng)的溫度壓力條件 下(溫度即天然氣水合物的合成溫度，壓力即最后的穩(wěn)定壓力，一般溫度為_2°C 4°C，壓 力為0. 5Mpa 4MPa)，土樣室中的水合物合成完成，即樣本制備完成。⑧加載保持裝置中的溫度和壓力不變，按照實(shí)驗(yàn)相應(yīng)要求對含天然氣水合物土樣加上相 應(yīng)荷載(根據(jù)不同要求，一般范圍為12. 5 12800kPa)。⑨數(shù)據(jù)采集和處理利用數(shù)據(jù)采集器對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行溫度、壓力和土樣豎直變形自動采集、傳輸和記錄。⑩數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過分析可以得到含天然氣水合物土樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量、體 積壓縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、垂直固結(jié)系數(shù)和水平固結(jié)系數(shù)等。
權(quán)利要求
一種含天然氣水合物土壓縮系數(shù)測試裝置，其特征在于包括壓縮固結(jié)儀(10)、氣水混合容器(20)、磁力攪拌裝置(30)、恒流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供氣裝置(70)、恒溫裝置(80)、數(shù)據(jù)采集器(90)、管線(100)、加載裝置(110)、氣體壓力傳感器(P)、第一、二溫度傳感器(T1、T2)和第1～7閥門(V1～V7)；所述的壓縮固結(jié)儀(10)包括由不銹鋼材料制成的上蓋(11)、底座(12)、T形活塞(13)、水浴夾套(14)和螺栓(15)，其內(nèi)自下而上形成有土樣室(K1)、下平衡壓力室(K3)和上平衡壓力室(K2)；其位置和連接關(guān)系是土樣室(K1)的下部和氣水混合容器(20)下部分別通過第6、7閥門(V6、V7)和恒流泵(40)相連，固結(jié)壓縮儀(10)上部和氣水混合容器(20)上部通過T形活塞(13)管道、第4、5閥門(V4、V5)相連，上平衡壓力室(K2)通過管線(100)與氣水混合容器(20)相連；加載裝置(110)的荷載施加于T形活塞(13)上，百分表(60)置于T形活塞(13)和上蓋(11)之上測量土樣的位移；磁力攪拌裝置(30)置于氣水混合容器(20)下面，通過動力傳動機(jī)構(gòu)(31)帶動葉輪(32)攪拌使氣水充分混合；氣源(71)依次通過高壓調(diào)節(jié)閥(72)、第4閥門(V4)和高壓氣體壓力表(73)后與氣水混合容器(20)相連，安全閥(74)與氣水混合容器(20)相連，保持供氣系統(tǒng)的安全性；真空泵(50)依次通過第3、4閥門(V3、V4)與氣水混合容器(20)相連，對整個裝置實(shí)行抽真空排雜氣處理，還可以進(jìn)行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門(V2)與大氣相通；恒溫裝置(80)通過軟管與壓縮固結(jié)儀(10)的水浴夾套(14)相連，控制土樣室(K1)的土樣溫度；第1溫度傳感器(T1)與氣水混合容器(20)相連，測量氣水混合容器(20)中的溫度，第2溫度傳感器(T2)與壓縮固結(jié)儀(10)的水浴夾套(14)相連，測量控制土樣室(K1)中的試樣溫度；氣體壓力傳感器(P)與汽水混合容器(20)相連，測量整個裝置的壓力；數(shù)據(jù)采集器(90)通過數(shù)據(jù)線分別與百分表(60)、各個溫度和壓力傳感器相連，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的位移、溫度和壓力動態(tài)。
2.按權(quán)利要求1所述裝置的測試方法，其特征在于包括下列步驟①試樣的安裝；②檢查氣密性；③抽真空；④注水飽和；⑤施加氣體；⑥啟動恒流泵，降溫制樣；⑦判斷水合物合成完成；⑧加載；⑨數(shù)據(jù)采集和處理；⑩數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過分析可以得到含天然氣水合物土樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積壓 縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、垂直固結(jié)系數(shù)和水平固結(jié)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含天然氣水合物土壓縮系數(shù)測試裝置及其方法，涉及一種天然氣水合物土的測試技術(shù)。本裝置包括壓縮固結(jié)儀(10)、氣水混合容器(20)、磁力攪拌裝置(30)、恒流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供氣裝置(70)、恒溫裝置(80)、數(shù)據(jù)采集器(90)、管線(100)、加載裝置(110)、氣體壓力傳感器(P)、第一、二溫度傳感器(T1、T2)和第1～7閥門(V1～V7)。本發(fā)明能真實(shí)模擬海底含天然氣水合物土的形成并制樣；能簡便準(zhǔn)確地測得不同條件下含天然氣水合物土的壓縮系數(shù)；適用于模擬不同工況與條件下含天然氣水合物土壓縮性狀變化規(guī)律。
文檔編號G01N3/14GK101846605SQ20101013092
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者吳二林, 韋昌富, 顏榮濤, 魏厚振 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所