專利名稱：一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置，屬天然氣水合物 機械特性及基礎物性測量領域。
背景技術：
天然氣水合物作為一種極具潛質的清潔能源，具有儲量大、能量密度高、分布廣、 埋藏淺等特點，其安全開采已成為石油天然氣工業新的研究熱點。從天然氣水合物沉積層 中采收天然氣會使海底沉積層強度降低，增加海床的不穩定性，可能引起地質塌陷，海底滑 坡等災害。溢出的甲烷氣體具有很強的溫室效應，是全球氣候變暖的潛在影響因素。此外， 在水合物的勘探與開采過程中，鉆井作業擾動了含水合物沉積層的地質結構，這可能導致 水合物的分解并削弱沉積層的地質力學強度，造成鉆探設備、海底管道等基礎設施的損壞 及生命財產損失。如何以經濟、安全的方式從海底含水合物沉積層中開采天然氣，既符合環 保要求，又不會引起海底滑坡與沉積層坍塌等地質災害，需要深入研究含水合物沉積物的 機械特性。三軸儀是研究土樣機械特性較為理想的設備，且因其試驗原理和操作方法相對簡 單而得到廣泛應用。體變是建立土體本構模型的重要參數。在常規三軸儀試驗中，先用水 將試樣飽和，然后通過壓縮過程中的排水量就可得到試樣的體變。然而由于天然氣水合物 受其生成條件(低溫、高壓)及穩定性的影響，在試驗過程中，不能通水將試樣進行飽和，只 能通過其他方法計算試樣的體變。因此需要對三軸儀做一些必要的改進，以適合本實驗需 求。近年來，有些研究機構利用土力學常規三軸儀進行天然氣水合物沉積物體變測量 的研究，使用的一般是是單壓力室的三軸儀，這種天然氣水合物沉積物體變測量裝置的缺 點是1)只適用于低圍壓條件下的體變測量，不能模擬海底水合物沉積層的真實應力狀態 及受壓時的體變情況。；幻單壓力室內外存在壓力差，一方面會造成壓力室內液壓油的泄 露，另一方面會造成壓力室的變形，影響體變測量的精度。
發明內容
本發明的目的是提供一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置。本發明提供的測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置包括由外罩筒和底 座組成的密閉壓力室；所述密閉壓力室內設有內罩筒，所述內罩筒固定在所述底座上；所 述底座上設有至少兩個進出油孔，一個所述進出油孔開口于所述外罩筒與內罩筒之間的環 腔，另一個所述進出油孔開口于所述內罩筒的內腔；所述外罩筒與內罩筒的頂部設有活塞； 所述活塞上設有排氣孔；所述內罩筒的內腔中設有相對應的下壓墊和上壓墊；所述上壓墊 與所述活塞的位置相應，所述下壓墊固定在所述底座上。上述三軸試驗裝置中，所述內罩筒通過卡環與所述底座密封連接；所述外罩筒通 過緊卡環和卡環固定套與所述底座密封連接。
上述三軸試驗裝置中，所述活塞與所述外罩筒和內罩筒均可通過密封圈密封連 接。上述三軸試驗裝置中，所述底座上設有兩個進出油孔。上述三軸試驗裝置中，所述上壓墊的下表面上設有上滲流板，所述下壓墊的上表 面上設有下滲流板。上述三軸試驗裝置中，所述下壓墊通過定位銷固定在所述底座上。上述三軸試驗裝置中，所述活塞與所述上壓墊相連接。上述三軸試驗裝置中，所述內罩筒的內腔中設有熱交換器，所述熱交換器與所述 底座上的制冷劑循環液進出孔相連，所述冷劑循環液進出孔開口于所述密閉壓力室外。上述三軸試驗裝置中，所述熱交換器的位置與待測天然氣水合物沉積物的位置相 應，用于控制待測天然氣水合物沉積物試樣的溫度。本發明提供的測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置具有以下優點1)最大軸向試驗力為600kN，軸向試驗力的精度為士0.5%;最大圍壓為30MPa，圍 壓的精度為士0. 5% ；溫度控制范圍為M;3K-298K，溫度控制精度為士0. 1°C，可以模擬海底 及凍土地域的壓力和溫度；2)采用雙壓力室結構設計，保持內罩筒內外壓力相等，避免了單壓力室結構由于 內外壓差造成的腔體變形，以及液壓油的泄露，提高體變測量精度。3)冷庫及低溫控制系統能夠實現溫度的快速和準確控制，滿足高精度實驗要求；4)數據采集系統具備數據實時儲存、實時分析及圖像實時處理等功能；5)系統造價相對較低；6)對海底及凍土地域天然氣水合物沉積物的體變過程均能進行模擬并測量，為天 然氣水合物沉積物的強度本構模型提供重要的基礎數據，對海底及凍土地域天然氣水合物 的勘探開采及災害防御起到了重要的指導作用。
圖1為本發明測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置的結構示意圖。圖2為利用本發明實施例1中的測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置進 行試驗的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明，但本發明并不局限于以下實施例。本發明提供的測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置的結構示意圖如圖1 所示，利用該裝置進行試驗的流程圖如圖2所示，圖中各標記如下1外罩筒、2內罩筒、3底 座、4卡環、5卡環固定套、6液壓油進出孔A、7液壓油進出孔B、8活塞、9排氣孔、10上壓墊、 11下壓墊、12上滲流板、13下滲流板、14天然氣水合物沉積物試樣、15制冷劑循環液進出 孔、16 熱交換器、17 液壓油槽、18a，18b，18c，18d，18e，18f，18g，18h 針閥、19a，19b 轉子泵、 20精密柱塞泵A、21精密柱塞泵B、22壓力表A、23壓力表BJ4數據采集模塊、25工控機、 26冷庫、27恒溫槽、沘循環泵。本發明提供的測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置包括由外罩筒1和底座3組成的密閉壓力室，外罩筒1和底座3通過卡環4和卡環固定套5密封連接；該密閉 壓力室內設有內罩筒2，內罩筒2與外罩筒1形成環腔并與底座3密封固定連接；內罩筒2 和底座3通過卡環4密封連接；底座3上設有一個液壓油進出孔A6和液壓油進出孔B7 ；液 壓油進出孔A6開口于內罩筒2與外罩筒1形成的環腔，用于平衡內罩筒2內外的壓力；液 壓油進出孔B7開口于內罩筒2的內腔，用于對天然氣水合物沉積物試樣14施加圍壓；外 罩筒1和內罩筒2的頂部設有活塞8，用于對待測天然氣水合物沉積物試樣14施加軸向壓 力；活塞8與外罩筒1和內罩筒2通過密封圈(圖中未示出)密封連接；活塞8上設有排 氣孔9，用于排出充液壓油過程中內罩筒2內的空氣；內罩筒2的內腔中設有下壓墊11和 上壓墊10，下壓墊11和上壓墊10的位置相應；下壓墊11的上表面上設有下滲流板13，上 壓墊10的下表面上設有上滲流板12 ；下壓墊11通過定位銷(圖中未示出)固定在底座3 上；上壓墊10與活塞8相連并與活塞8的位置相應；下壓墊11和上壓墊10之間放置待測 天然氣水合物沉積物試樣14 ；內罩筒2的內腔中設有熱交換器16，用于控制內罩筒2內液 壓油的溫度進而控制天然氣水合物沉積物試樣14的溫度，熱交換器16與底座3上的制冷 劑循環液進出孔15相連，制冷劑循環液進出孔15開口于該密閉壓力室外；該裝置與數據采 集模塊M相連，用于采集、記錄和控制軸壓、圍壓及孔隙壓力的大小，通過精密柱塞泵A20 的位移量來計算待測天然氣水合物沉積物試樣14的體積變化。上述測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置中，底座3與外罩筒1和內罩 筒2還可以通過其它密封方式連接，如過盈配合；外罩筒1和內罩筒2的材質和大小可以根 據需要進行調節；活塞8與外罩筒1和內罩筒2還可以通過其它密封方式連接，如過盈配合。將上述的三軸試驗裝置按照圖2所示的流程圖進行體變測量試驗液壓油進出孔 A6通過管路與液壓油槽17相連通，該管路上連接有針閥18a、18b、、轉子泵19b和壓力表 B23 ；液壓油進出孔A6與液壓油槽18同時還通過設有針閥19g、19h、精密柱塞泵A20和壓 力表A22的管路相連通；液壓油進出孔B7通過管路與液壓油槽17相連通，該管路上連接有 針閥18c、18d、轉子泵19a和壓力表B23 ；液壓油進出孔B7與液壓油槽17同時還通過設有 針閥18e、18f、精密柱塞泵B21和壓力表B23的管路相連通；該四條管路均與數據采集模塊 24相連接，該數據采集模塊M與工控機25相連接，由此得到所施加內腔與環腔液壓油壓力 的大小；制冷劑循環液液進出孔15通過循環泵28與恒溫槽27相連通，恒溫槽27內盛有恒 溫的制冷劑；上述除數據采集模塊M與工控機25之外的所有裝置均置于冷庫沈內。試驗時，確定管路無泄漏之后進行試驗；如圖2將天然氣水合物沉積物試樣14安 裝于內罩筒2內。關閉所有管路，打開針閥18a、18b、18c、18d，通過轉子泵19a、19b分別向 外罩筒1與內罩筒2之間的環腔和內罩筒2的內腔中注入液壓油，待液壓油充滿腔體后，關 閉相應針閥。然后打開針閥18e、18f、18g、18h，利用精密柱塞泵A20和精密柱塞泵B21控制 環腔及內罩筒2內的壓力，使其達到試驗所需壓力并維持環腔與內罩筒2內壓力相等。精 密柱塞泵A20和精密柱塞泵B21的壓力控制為伺服控制，能通過調節注油量來調節壓力室 內的壓力。然后對天然氣水合物試樣14進行剪切試驗。通過位移傳感器測得活塞8的位 移量，而后將位移信號傳輸到數據采集模塊M中進行數據處理得到數字信號，數字信號傳 入工控機25進行數據顯示和儲存，從而得到活塞8進入內罩筒2內的體積增量AV1，規定 為“ + ”;同時通過位移傳感器測得精密柱塞泵A20中精密滾珠絲杠的位移量，而后將位移信號傳輸到數據采集模塊M中進行數據處理得到數字信號，數字信號傳入工控機25進行數 據顯示和儲存，并規定對試樣進行加載時向內罩筒2內補充液壓油的體積為“ + ”，從內罩筒 2內卸載液壓油的體積為“-”，從而得到內罩筒2內液壓油體積的增量AV2 ；則天然氣水合 物沉積物試樣14的體積變化量AV = ΔΑ+Δν2。 上述裝置中的外罩筒1和內罩筒2的制造工藝采用鍛造后機加工，體變精度為 0.01% ；實驗數據與文獻數據對比顯示，本系統工作狀態良好。
權利要求
1.一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置，其特征在于它包括由外罩筒 和底座組成的密閉壓力室；所述密閉壓力室內設有內罩筒，所述內罩筒固定在所述底座上； 所述底座上設有至少兩個進出油孔，一個所述進出油孔開口于所述外罩筒與內罩筒之間的 環腔，另一個所述進出油孔開口于所述內罩筒的內腔；所述外罩筒與內罩筒的頂部設有活 塞；所述活塞上設有排氣孔；所述內罩筒的內腔中設有相對應的下壓墊和上壓墊；所述上 壓墊與所述活塞的位置相應，所述下壓墊固定在所述底座上。
2.根據權利要求1所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述內罩筒通過卡環與所述底 座密封連接；所述外罩筒通過卡環和卡環固定套與所述底座密封連接。
3.根據權利要求1或2所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述活塞與所述外罩筒與 內罩筒均通過密封圈密封連接。
4.根據權利要求1-3中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述底座上設有兩個 進出油孔。
5.根據權利要求1-4中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述上壓墊的下表面 上設有上滲流板，所述下壓墊的上表面上設有下滲流板。
6.根據權利要求1-5中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述下壓墊通過定位 銷固定在所述底座上。
7.根據權利要求1-6中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述活塞與所述上壓 墊相連接。
8.根據權利要求1-7中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述內罩筒的內腔中 設有熱交換器，所述熱交換器與設置于所述底座上的制冷劑循環液進出孔相連，所述制冷 劑循環液進出孔開口于所述密閉壓力室外。
9.根據權利要求8所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述熱交換器的位置與待測天 然氣水合物沉積物的位置相應。
全文摘要
本發明提供了一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置。該裝置包括由外罩筒和底座組成的密閉壓力室；所述密閉壓力室內設有內罩筒，所述內罩筒固定在所述底座上；所述底座上設有至少兩個進出油孔，一個所述進出油孔開口于所述外罩筒與內罩筒之間的環腔，另一個所述進出油孔開口于所述內罩筒的內腔；所述外罩筒與內罩筒的頂部設有活塞；所述活塞上設有排氣孔；所述內罩筒的內腔中設有相對應的下壓墊和上壓墊；所述上壓墊與所述活塞的位置相應，所述下壓墊固定在所述底座上。
文檔編號G01B21/00GK102135478SQ20111000280
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月7日 優先權日2011年1月7日
發明者于鋒, 劉衛國, 姚海元, 宋永臣, 李洋輝, 李清平, 王世圣 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 大連理工大學