一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，包括機架和剪切盒體，所述剪切盒體包括第一盒體、第二盒體和盒蓋，所述第一盒體、第二盒體和盒蓋之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物的密閉腔室，所述剪切盒體的頂部設置有進水孔和進氣孔，所述剪切盒體的底部設置有排水排氣孔，所述剪切盒體上還設置有溫度傳感器孔和壓力傳感器孔。本剪切裝置既是含水合物試樣生成的反應容器，又是對試樣進行固結/壓縮和直剪測試的剪切盒，具有組裝儀器一體化和實驗分步化的優點，用于開展與常規直剪儀不同的水平固結/壓縮測試和垂向直接剪切測試，特別適合水合物穩定區域大的巖心試樣，在水合物力學研究領域內具有廣泛的用途。
【專利說明】
一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置
技術領域
[0001]本發明涉及含水合物沉積物測試領域，具體涉及一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置。
【背景技術】
[0002]天然氣水合物(簡稱水合物)是一種非常規的固態化合物質，它一般由水分子包絡氣體分子組成，在自然界主要賦存于水深大于300m的海洋大陸架邊緣和大陸凍土層等地帶中。天然氣水合物的能量密度非常高，可達約164倍，保守估計全球約有18.8萬億噸有機碳以水合物形式存儲于自然界內(Clayton et al.，2005)，由此其被視為人類21世紀有巨大開發前景的高清潔可持續新型能源物質，然而，不同條件下水合物的儲量及分布狀況相差很大，特別是海洋水合物系統，研究表明只有那些高流體滲流通量且劇烈運移的滲漏型水合物區域才具有開采價值(Tr6hu et al.，2006)，這說明沉積物性質是影響水合物形成和聚集的重要因素。
[0003]地質構造和沉積特征對自然界水合物聚集、儲藏有很大影響，許多研究人員也相繼開展沉積物性質對水合物形成、膠結方面的研究工作，Sava and Hardage(2006)提出深水環境下水合物與骨架的四種膠結模式，Jain and Juanes(2008)從顆粒流碰撞角度模擬了未飽和流動下水合物形成及其飽和度與沉積物孔隙進入閾值壓力之間的關系，國內關進安等(2012)從滲流角度分析了含水合物地層靜水力學性質，Feng et al.(2011)、魏厚振等(2011)利用建造的水合物三軸儀測試了水合物的應力-應變行為和水合物形成對砂土強度等的影響，提出了考慮損傷的含水合物沉積物本構方程，這些研究工作極大地促進了水合物在沉積物內分布和聚集的理論認識。
[0004]由于開采水合物儲層中涉及到井壁垮塌和相應地層強度變形的問題，以及自然界中水合物分解導致的沉積物失穩等研究，工業和科學界需要獲得更精確更直觀的含水合物沉積物的諸如抗剪強度、粘聚力、摩擦角等的剪切力學性能的數據以及變化規律，這樣傳統的土工類直剪儀器就進入了水合物力學研究的視野。自然界中賦存的含水合物沉積物一般是由沉積物骨架-水合物-水和氣四相組成，隨著各相組分的不同該類沉積物會表現出從彈塑性到流變性的力學特征，這樣就需要所使用的直剪儀除了能完成傳統的固結和快剪測試夕卜，還能進行排水/排氣情況下的慢剪蠕變測試，此外由于水合物的不穩定性，含水合物沉積物試樣無法直接在傳統的土工類直剪儀器上進行剪切試驗，為了得到精確的水合物含量與荷載、變形的關系，原位力學測試是最優先的方案，為了實現這兩個功能，水合物形成反應釜與剪切盒必須綜合考慮。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本發明提供了一種一體化設計的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，既能夠實現含水合物沉積物試樣在剪切盒體內的生成，又能夠實現對該生成的含水合物沉積物試樣進行原位固結壓縮和直接剪切等力學性質的測試。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案是:
[0007]一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，包括機架和剪切盒體，所述剪切盒體包括固定在機架一側的第一盒體和可相對于第一盒體上下移動的第二盒體，在所述第二盒體遠離第一盒體的一端內部設置有可水平移動的盒蓋，所述第一盒體、第二盒體和盒蓋之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物的密閉腔室，所述剪切盒體的頂部設置有進水孔和進氣孔，所述剪切盒體的底部設置有排水排氣孔，所述剪切盒體上還設置有溫度傳感器孔和壓力傳感器孔。該剪切盒體的密閉腔室是含水合物沉積物試樣的生成容器，盒蓋的水平運動能夠實現對生成的試樣進行固結/壓縮測試，第二盒體的上下運動能夠實現對生成的試樣進行垂直直接剪切測試。
[0008]進一步地，所述剪切盒體底部還設置有預留孔。預留孔作為備用孔，在其他孔出現問題時用來代替其進行運作。
[0009]進一步地，所述機架還包括固定支架和活動支架，所述第一盒體通過固定支架與機架固定連接，所述第二盒體通過活動支架與機架活動連接。
[0010]進一步地，所述第二盒體的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿連接，所述第二盒體的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿連接，所述盒蓋的外側與配有水平位移傳感器的第三連桿連接，所述第一連桿、第二連桿和第三連桿的另一端與動力裝置連接。上述動力裝置可以采用常用的單缸恒壓恒速栗，提供測試所需要的載荷和速度。
[0011]進一步地，所述機架的底部設置有滾輪。通過設置滾輪，可以提高本剪切裝置的攜帶性。
[0012]本發明的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，既是含水合物沉積物試樣的反應容器，又是用于對生成的水合物試樣原位水平固結/壓縮和垂直直接剪切的剪切盒。試驗時，裝填沉積物試樣后對該剪切盒體進水和進氣，密閉后再調節周圍環境的溫壓，使之符合水合物形成的條件，待含水合物沉積物試樣生成之后打開排水排氣口，釋放出剪切盒體內的壓力以及可能的多余水和氣體，靜置一段時間后即可對該試樣進行水平固結/壓縮和垂直快剪/慢剪蠕變實驗。本發明的剪切裝置除了具有組裝儀器一體化和實驗分步化的優點，還能夠開展與常規直剪儀不同的水平固結/壓縮測試和垂向直接剪切測試，特別適合水合物穩定區域大的巖心試樣，在水合物力學研究領域內具有廣泛的用途。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的剪切裝置結構示意圖；
[0014]圖2是本發明的剪切裝置處于固結壓縮狀態示意圖；
[0015]圖3是本發明的剪切裝置處于向上剪切狀態示意圖；
[0016]圖4是本發明的剪切裝置處于向下剪切狀態示意圖；
[0017]附圖標記說明:1-機架;2-剪切盒體;3-含水合物沉積物;4-進水孔;5-進氣孔;6_排水排氣孔;7-溫度傳感器孔;8-壓力傳感器孔;9-預留孔;10-固定支架；11-活動支架；12-第一連桿;13-第二連桿;14-第三連桿;15-滾輪;21-第一盒體;22-第二盒體;221-盒蓋。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的內容做進一步詳細說明。
[0019]實施例:
[0020]如圖1所示，一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，包括機架I和剪切盒體2，所述剪切盒體2包括固定在機架I 一側的第一盒體21和可相對于第一盒體21上下移動的第二盒體22，在所述第二盒體22遠離第一盒體21的一端內部設置有可水平移動的盒蓋221，所述第一盒體21、第二盒體22和盒蓋221之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物3的密閉腔室，所述剪切盒體2的頂部設置有進水孔4和進氣孔5，所述剪切盒體2的底部設置有排水排氣孔6，所述剪切盒體2上還設置有溫度傳感器孔7和壓力傳感器孔8，所述剪切盒體2底部還設置有預留孔9。
[0021]其中，所述機架I包括固定支架10和活動支架11，所述第一盒體21通過固定支架10與機架I固定連接，所述第二盒體22通過活動支架11與機架I活動連接，所述第一盒體21與第二盒體22之間、第二盒體22與盒蓋221之間分別設置有動密封圈，所述活動支架11上設置有使第二盒體22壓緊第一盒體21的壓力調節裝置(圖中未示出)。
[0022]其中，所述第二盒體22的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿12連接，所述第二盒體22的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿13連接，所述盒蓋221的外側與配有水平位移傳感器的第三連桿14連接，所述第一連桿12、第二連桿13和第三連桿14的另一端與動力裝置(圖中未示出)連接，動力裝置可采用單缸恒壓恒速栗，提供壓縮固結以及剪切所需要的載荷和速度，所述動力裝置也安裝在機架I上，在所述機架I的底部設置有滾輪15。
[0023]本實施例的用于含水合物沉積物力學測試的剪切盒體2采用316L不銹鋼，設計最大耐壓為20MPa，設計工作溫度范圍為-20?70 °C，設計形狀尺寸為120 X 60 X 60mm(長X寬X高)，設計垂向最大可承受荷載為100KN，設計水平最大進尺為120mm，設計垂直最大進尺為60_，動力裝置采用單缸恒壓恒速栗，設計垂向壓縮及剪切速率為0.0024-1.2mm/min，其中第一盒體21位于機架I的左側，第二盒體22位于機架I的右側，相應的盒蓋221位于第二盒體22的右端，下面參照圖2至圖4對本發明用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置的使用和測試過程具體描述如下:
[0024](a)采用高壓氮氣檢查剪切盒體2的氣密性:首先檢查注氣前剪切盒體2的密封情況，接著通過實驗用的耐高壓耐腐蝕管路將進氣孔5與高壓氮氣瓶連接(若有需要可以再接入增壓栗)，管路上設有高壓截止閥門，然后關閉其余的孔，打開閥門注入高壓氮氣至15MPa，靜止約2小時后關閉閥門，由于溫度傳感器和壓力傳感器通過線纜連入了電腦，可以通過相應的電腦監視軟件顯示剪切盒體內2的溫度壓力變化情況，若發現壓力慢慢下降，則使用肥皂水一一排查可能漏氣的接口，直到最后確定不會存在漏氣現象為止；
[0025](b)制作含CO2水合物沉積物試樣:打開盒蓋221，將一定粒徑的固結沉積細砂放入剪切盒體2內，再關閉盒蓋221，通過進水口 4注入預先計算好的去離子水，關閉進水口 4，通過進氣口 5通入高壓CO2氣體，待壓力傳感器顯示至8Mpa壓力時關閉進氣口4，使用大型步入式可編程高低溫試驗箱等降溫設備使剪切裝置的溫度降至1°C并穩定下來，再隨時觀察溫度傳感器和壓力傳感器的曲線變化情況，可據此判斷水合物的生成狀況，當確定該CO2水合物沉積物試樣反應完全后，再靜置半小時，再降低溫度至0.TC，在2min內快速打開排水排氣孔6放掉可能多余的水或氣，接著關閉排水排氣孔6，利用單缸恒壓恒速栗向盒蓋221施加推力，使剪切盒體2內保持約1.5-2MPa的圍壓，讓CO2水合物穩定，記錄水平位移傳感器的變化數據和曲線，注意如果是要進行排氣/排水下的固結/剪切實驗則可在盒體內相應的放入陶土板或透水石；
[0026](c)含CO2水合物沉積物的水平固結/壓縮性質測試:待步驟(b)完成后，開動單缸恒壓恒速栗，由第三連桿14對盒蓋221向左方向分5級施加水平荷載，開展該含水合物試樣的固結/壓縮試驗，如圖2所示，記錄位移傳感器的變化數據和曲線，即可得到該熱力學條件和水合物含量下的在側限與軸向加載條件下試樣變形與荷載的關系、變形與時間的關系，根據測得的關系曲線可得到試樣的壓縮系數、壓縮模量、壓縮與固結系數等參數；
[0027](d)含CO2水合物沉積物的垂向快剪及慢剪蠕變等力學性質測試:待步驟(b)完成后，開動單缸恒壓恒速栗，由第二連桿13對第二盒體22向上分5級施加垂直推力，使第二盒體22向上剪切移動，如圖3所示，記錄位移傳感器的變化數據和曲線;或者由第一連桿12對第二盒體22向下分5級施加垂直推力，使第二盒體22向下剪切移動，如圖4所示，記錄位移傳感器的變化數據和曲線，根據相應的土工實驗指導條例開展實驗，如果垂向剪切速率為
0.0024mm/min則可視為慢剪蠕變測試，如果垂向剪切速率為1.2mm/min則可視為快剪測試，最后可得到在該熱力學條件和水合物含量下的沉積物試樣的摩擦角和黏聚力等關系曲線，及得到其相關抗剪強度指標。
[0028]本發明的剪切裝置特別用于開展與常規直剪儀不同的水平固結/壓縮測試和垂向直接剪切測試，特別適合水合物穩定區域大的巖心試樣，在水合物力學研究領域內具有廣泛的用途。
[0029]上述實施例只是為了說明本發明的技術構思及特點，其目的是在于讓本領域內的普通技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡是根據本
【發明內容】
的實質所做出的等效的變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，包括機架(I)和剪切盒體(2)，其特征在于:所述剪切盒體(2)包括固定在機架(I) 一側的第一盒體(21)和可相對于第一盒體(21)上下移動的第二盒體(22)，在所述第二盒體(22)遠離第一盒體(21)的一端內部設置有可水平移動的盒蓋(221)，所述第一盒體(21)、第二盒體(22)和盒蓋(221)之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物(3)的密閉腔室，所述剪切盒體(2)的頂部設置有進水孔(4)和進氣孔(5)，所述剪切盒體(2)的底部設置有排水排氣孔(6)，所述剪切盒體(2)上還設置有溫度傳感器孔(7)和壓力傳感器孔(8)。2.根據權利要求1所述的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，其特征在于，所述剪切盒體(2)底部還設置有預留孔(9)。3.根據權利要求2所述的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，其特征在于，所述機架(I)還包括固定支架(10)和活動支架(11)，所述第一盒體(21)通過固定支架(10)與機架(I)固定連接，所述第二盒體(22)通過活動支架(11)與機架(I)活動連接。4.根據權利要求1至3任一所述的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，其特征在于，所述第二盒體(22)的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿(12)連接，所述第二盒體(22)的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿(13)連接，所述盒蓋(221)的外側與配有水平位移傳感器的第三連桿(14)連接，所述第一連桿(12)、第二連桿(13)和第三連桿(14)的另一端與動力裝置連接。5.根據權利要求4所述的用于含水合物沉積物力學測試的剪切裝置，其特征在于，所述機架(I)的底部設置有滾輪(15)。
【文檔編號】G01N3/24GK106053245SQ201610564883
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月14日
【發明人】關進安, 梁德青, 武文志
【申請人】中國科學院廣州能源研究所