一種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種天然氣水合物沉積物測試技術，具體涉及一種能夠模擬開采條件下天然氣水合物分解過程，實現高精度控溫、以及強度和體變精確測量的三軸試驗裝置。
【背景技術】
[0002]隨著油氣資源的巨大消耗，人類在21世紀后期將面臨油氣資源的枯竭，全球經濟發展將面臨嚴峻的挑戰。天然氣水合物作為一種潛在的清潔能源，因其在世界范圍內分布廣、儲量大，引起世界各國包括我國政府在內的高度關注。
[0003]天然氣水合物不同于常規的石油、天然氣等資源，它以膠結或者骨架支撐的形式存在于沉積層中，溫度升高或者壓力降低都有可能造成水合物分解。現階段提出的天然氣水合物開采方法主要有注熱法、降壓法等，其基本思路都是通過破壞天然氣水合物穩定存在的溫度、壓力條件，促使其在地層中分解為天然氣和水，然后將天然氣采集至地面并加以利用。然而，天然氣水合物分解會造成沉積層膠結結構的破壞，沉積層會由于承載力下降而發生沉降或變形，并且隨著開采過程中水合物分解區域的擴展，可能導致沉積層發生剪切破壞，進而誘發海底滑坡、生產平臺下陷倒塌等災害。因此，在天然氣水合物資源商業化開采之前，必須對天然氣水合物沉積層的力學特性進行全面的分析研宄，充分評估天然氣水合物開采過程中沉積層的穩定性，以確保開采過程的安全。
[0004]目前，國內外先進實驗室針對天然氣水合物沉積物力學特性的研宄已取得一定的進展，如日本產業技術綜合研宄所的K.Miyazaki等通過天然氣水合物三軸儀獲得了天然氣水合物沉積物的軸向應變和橫向應變等參數；大連理工大學的李洋輝等研宄了天然氣水合物粘土沉積物的強度特性。可以發現，這些研宄均未獲得天然氣水合物沉積物的精確體變數據，尤其是天然氣水合物分解過程中沉積物的體變數據。同時，這些研宄獲得的沉積物強度值包含了活塞與缸體之間的摩擦力，不能準確反映沉積物的力學特性。體變和強度是建立土體本構模型的重要參數，對評估沉積層的沉降和變形具有重要意義，因此有必要對開采過程中天然氣水合物沉積物的體變和強度特性進行深入的研宄。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，目前尚無一套成熟的能夠模擬天然氣水合物分解過程，同時實現高精度控溫、以及精確測量沉積物強度和體變的三軸試驗裝置。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置，其能夠模擬天然氣水合物分解過程，實現高精度控溫、以及精確測量沉積物強度和體變等數據。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]一種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置，它主要包含一個三軸試驗裝置主機、溫度控制系統、孔隙壓力控制系統、圍壓控制系統以及計算機數據采集與控制系統。
[0008]所述三軸試驗裝置主機，包含主機框架、密閉壓力室、內壓力室和壓力室筒提升裝置；主機框架由上梁、立柱和下梁組成，密閉壓力室由活塞、承壓柱、壓力室筒和底座組成，內壓力室由快速接頭A、上壓塊、內壓力室筒、下壓塊和快速接頭B組成，壓力室筒提升裝置由減速機、螺桿和筒蓋組成。
[0009]所述上梁為長方體結構，中心設有通孔，直徑與所述活塞對應；所述立柱分別與所述上梁、所述下梁采用螺栓固定連接；所述下梁的中心設有圓柱形的凸起，與所述底座對應；所述活塞中心設有管道，所述活塞上端與管道接口 A對應；所述承壓柱通過螺栓固定在所述上梁，所述承壓柱中心設有通孔，直徑與所述活塞直徑、所述上梁通孔直徑對應；所述承壓柱側面設有兩個管道，分別對應管道接口 B和管道接口 N ;所述管道接口 B與管道接口C連通；所述管道接口 N與所述密閉壓力室連通；所述承壓柱通孔下端與所述活塞之間采用密封圈密封；所述壓力室筒位置與所述承壓柱對應，與所述承壓柱之間采用密封圈連接；所述壓力室筒外圍設有環形的凹槽，與所述保溫罩筒形成環腔。所述環腔設有管道接口 E和管道接口 M ;所述壓力室筒下端與所述底座采用密封圈密封；所述底座安裝在所述下梁，并與所述下梁之間采用密封圈密封連接，位置與所述下梁的圓柱形凸起對應；所述底座設有圓柱形的空腔、管道接口 F、管道接口 G、管道接口 H、管道接口 1、管道接口 J、以及管道接口 K ;所述管道接口 F與所述密閉壓力室連通；所述管道接口 G與所述管道接口 I對應，分別為冷卻液的出口和進口 ；管道接口 H與所述底座中心的管道對應，之間通過螺旋形的管道連接；所述管道接口 J與所述管道接口 K對應；所述活塞下端安裝有負荷傳感器；所述負荷傳感器中心設有管道，位置與所述活塞的管道對應；所述負荷傳感器的管道與所述活塞的管道之間采用密封圈密封連接；所述負荷傳感器下端安裝有快速接頭B ;所述快速接頭B中心設有管道，與所述負荷傳感器的管道之間采用密封圈連接；所述快速接頭B、所述負荷傳感器與所述活塞之間通過螺栓固定；所述上壓塊為圓柱體，上部設有環形凹槽，與所述快速接頭B對應，安裝時可以卡住進行固定連接；所述上壓塊下部設有圓柱形的凸起，直徑與天然氣水合物沉積物試樣直徑相當；所述上壓塊中心設有管道，與所述快速接頭B中心的管道采用密封圈密封連接；所述上壓塊的側面與所述內壓力室之間設有管道，與管道接口D對應；所述內壓力室筒通過螺栓固定在上壓塊的側面，同時采用密封圈密封；所述內壓力室筒的中部設有管道接口 L ;所述下壓塊為圓柱體，上部設有圓柱形的凸起，直徑與天然氣水合物沉積物試樣直徑相當；所述下壓塊與所述內壓力室筒之間采用密封圈密封連接，試驗過程中所述內壓力室筒隨著所述上壓塊一起運動；所述下壓塊下部設有環形的凹槽，與所述快速接頭A對應，安裝時可以卡住進行固定連接；所述下壓塊中心設有管道，與所述快速接頭A中心的管道之間采用密封圈密封連接；所述快速接頭A通過螺栓固定在所述底座上；所述快速接頭A中心的管道與所述底座中心的管道采用密封圈密封連接；所述天然氣水合物沉積物試樣上下兩端分別設有滲流墊B和滲流墊A，表面套上橡皮膜之后放置在所述上壓塊和所述下壓塊之間；所述壓力室筒上端安裝有所述筒蓋，二者之間采用螺栓固定連接；所述減速機安裝在所述上梁的下表面，并通過所述螺桿與所述筒蓋連接，在實驗過程中用于提升和下降壓力室筒；所述承壓柱的下端面安裝有熱電偶。
[0010]所述溫度控制系統主要包含一個恒溫槽、一個循環泵，冷卻液經所述循環泵、管道接口 1、所述底座的空腔、管道接口 F、管道接口 E、所述壓力室筒的與所述保溫罩筒形成的環腔、以及管道接口 M返回到恒溫槽，實現控制所述密閉壓力室和所述試樣溫度的目的。
[0011]所述孔隙壓力控制系統主要包含一個水槽、一個轉子泵、兩個柱塞泵、以及一個甲烷氣瓶，所述水槽經轉子泵、然后分別經針閥B和針閥E與柱塞泵A和柱塞泵C連接；所述甲烷氣瓶經針閥C、然后分別經針閥B和針閥E分別與柱塞泵A和柱塞泵C連接；所述柱塞泵A經針閥A與所述管道接口 A連接；所述柱塞泵C經針閥H與所述管道接口 H連接。
[0012]所述圍壓控制系統主要包含一個水槽、一個轉子泵、以及兩個柱塞泵，所述水槽經轉子泵、然后分別經針閥D和針閥F與柱塞泵B和柱塞泵D連接；所述柱塞泵B經針閥G與所述管道接口 F連接；所述柱塞泵D經針閥I與所述管道接口 J連接。
[0013]所述計算機數據采集與控制系統主要包含一個工控機，一個溫度傳感器、一個負荷傳感器、以及四個壓力傳感器，所述工控機分別與溫度傳感器、負荷傳感器、壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C、壓力傳感器D、恒溫槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C、以及柱塞泵D連接，采集到相應的溫度、壓力數據進行處理和控制。
[0014]本發明的有益效果是:這種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置主要包含一個三軸試驗裝置主機、溫度控制系統、孔隙壓力控制系統、圍壓控制系統以及計算機數據采集與控制系統。溫度控制系統控制天然氣水合物生成與分解過程中的溫度；孔隙壓力控制系統供給合成天然氣水合物需要的蒸餾水和甲烷氣體，并維持天然氣水合物生成和分解相應的壓力；圍壓控制系統提供所述密閉壓力室和內壓力室的壓力；計算機數據采集與控制系統用于采集溫度、壓力等檢測數據，并根據檢測數據對恒溫槽和柱塞泵進行控制。其優點是:
[0015]I)實驗過程中，通過計算內壓力室內液壓水量的變化以及活塞的位移，可以獲得天然氣水合物沉積物試樣分解過程中的體變，同時適用于非飽和試樣的體變測量；
[0016]2)采用雙壓力室結構設計，實驗過程中保持內壓力室筒內外壓力相等，避免了由于單壓力室結構由于內外壓差造成的腔體變形和液壓水的泄漏，提高體變測量精度；
[0017]3)內壓力室筒通過螺栓固定在上壓塊外側，并通過密封圈密封，實驗過程中隨著上壓塊一起運動，盡可能的縮小了內壓力室的體積，提高了體變測量的精度；
[0018]4)底座設有冷卻用的空腔和螺旋形的管道，在孔隙水和甲烷氣體進入試樣之前進行預先降溫，防止試樣飽和過程造成天然氣水合物的分解；壓力室筒外設有保溫罩筒，可以有效防止熱量散失；同時，通過底座與壓力室筒的聯合控溫，提高了溫度控制精度，避免了之前的設備需要放在冷庫中以提高控溫精度的不足，改善了實驗條件；
[0019]5)試樣安裝過程中均采用快速接頭連接，節省了實驗時間，可以有效減少試樣安裝過程中天然氣水合物分解以及對試樣造成的擾動；
[0020]6)負荷傳感器安裝在快速接頭與活塞之間，獲得的強度數據不包含活塞與缸體之間的摩擦力，提高了實驗數據的精度和可信度；
[0021]7)壓力室筒套在承壓柱外側，并通過密封圈密封，施加圍壓時壓力全部作用在承壓柱的下表面，對壓力室筒沒有向上的作用力。實驗過程中，壓力室筒提升裝置可以很方便的控制壓力室筒的位置，并且不需要太大的作用力就可以實現壓力室的密封；
[0022]8)可以進行天然氣水合物沉積物力學特性的全面測量，獲得沉積物強度、體變等數據，為天然氣水合物沉積物本構模型建立及地層變形分析提供基礎數據，對天然氣水合物資源的勘探和安全開采提供指導作用。
【附圖說明】
[0023]圖1是一種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置的系統圖。
[0024]圖2是一種天然氣水合物沉積物三軸試驗裝置主機