[發明專利]天然氣水合物力學性能實驗裝置

有效

• 申請號: 201010222083.0
• 申請日: 2010-07-01
• 公開（公告）號: CN102042930B
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 業渝光;張劍;程軍;劉昌嶺;刁少波;胡高偉
• 申請（專利權）人: 青島海洋地質研究所
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 鞏同海

技術領域

本發明涉及一種實驗裝置，尤其涉及一種天然氣水合物力學性能實驗裝置。

背景技術

含水合物沉積層的力學參數是天然氣水合物鉆探和開采過程中非常重要的 基礎參數。由于實際含天然氣水合物的沉積物樣品十分稀少，且需要高昂的費 用，目前有關含水合物沉積物力學性質的基礎數據非常缺乏。使用實際海洋沉 積物樣品，在高壓容器中模擬海底的低溫高壓環境，進行天然氣水合物的合成 實驗，并使用有效的檢測手段測試含水合物沉積物的力學參數以及沉積物中水 合物的飽和度，得出的結果將對實際的鉆探和開發具有重要的指導意義。

國外已報道的沉積物中水合物合成與分解及力學性質實驗一體化裝置有： 美國地質調查局的天然氣水合物和沉積物模擬實驗裝置GHASTLI（Gas?Hydrate? And?Sediment?Tes?t?Laboratory?Ins?trument）；日本先進工業科學和技術國際 研究所的水合物沉積物合成與分解及三軸實驗一體化裝置；英國的水合物沉積 物合成和扭剪共振柱實驗一體化裝置；國內中國科學院力學研究所使用低溫高 壓三軸儀進行過四氫呋喃水合物沉積物力學性質的實驗研究。以上裝置均不能 實時測量實驗過程中天然氣水合物的飽和度，因此不能得出天然氣水合物飽和 度與力學性能的定量關系。

同時，隨著油氣可開采量的逐漸減少和消耗量的逐漸增加，天然氣化合物 開采的迫切性日益顯著，為了研究深海海域不同沉積層中天然氣水合物的合成 條件和力學特性，為我國海洋天然氣水合物的開采和相關災害提供準確參數， 必須弄清楚天然氣水合物的合成與分解條件，得到熱力學參數、力學參數，天 然氣水合物保持穩定需要特定的高壓低溫條件，不適宜在常溫常壓環境下移動， 因此建立一套天然氣水合物力學特性實驗裝置是十分必要的。

發明內容

本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種天然氣水合物力學性能實驗 裝置，其結構簡單，實驗效果好。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：其包括三軸儀，三軸儀設置 在恒溫裝置內，三軸儀內設有反應室，反應室的頂端、底端分別連接注液系統； 反應室的底端與圍壓系統連接；反應室內設有成型模盒，成型模盒內設置沉積 物試樣，沉積物試樣的上下兩端設有壓緊過濾裝置；沉積物試樣內設置時域反 射探針；注液系統包括飽和水容器，飽和水容器頂端通過管道與反應室的頂端 連接，飽和水容器的底端通過循環泵與反應室的底端連接；飽和水容器的頂端 連接壓力變送器與高壓氣源；飽和水容器內設有磁力攪拌器；圍壓系統包括壓 力變送器，壓力變送器通過背壓閥與反應室底端的一側連通，壓力變送器通過 圍壓泵與反應室底端的另一側連通。

本項發明用于實驗室內研究沉積物中天然氣水合物飽和度與力學性能的關 系，裝置將常規三軸儀的壓力盒進行有效改進，實現沉積物中天然氣水合物的 生成與分解實驗，并可在實驗過程中進行力學性能測試。裝置更主要的特點是 引入時域反射技術，實現天然氣水合物飽和度的實時測量，在同一系統中采集 含天然氣水合物沉積物的力學參數及飽和度，研究兩者之間的關系，為我國天 然氣水合物的勘探與開發提供基礎參數。

反應室內設有成型模盒，成型模盒內設置沉積物試樣，沉積物試樣的上下 兩端設有壓緊過濾裝置。本裝置的核心部件為反應室，常規三軸儀的反應室最 高只能承受2MPa的壓力，不能滿足天然氣水合物的實驗要求。重新設計的反應 室可以在原三軸儀上繼續使用，并可承受10MPa的壓力。在反應室內放置可變 形、可變壓高壓薄膜，實驗樣品置于薄膜內，在薄膜外有兩片開式成型模盒， 用于保證沉積物樣品的形狀。

沉積物試樣內設置時域反射探針，柔性的時域反射探針通常采用兩根，以 監測水合物生成過程并測定水合物飽和度。成型模盒置于三軸儀的加載底座上， 上部特殊設計的加載桿既可與力傳感器相連，還可以將時域反射測量電纜以及 高壓飽和水管引出。反應室內部裝有熱電阻，用于探測沉積物中的溫度。

其中三軸儀為土工實驗用的常規儀器，此裝置中將其移植入低溫環境下使 用。

注液系統包括飽和水容器，飽和水容器頂端通過管道與反應室的頂端連接， 飽和水容器的底端通過循環泵與反應室的底端連接，通過循環泵將含飽和甲烷 氣的溶液注入壓力盒中的沉積物樣品，可加速水合物的生成，縮短實驗周期。 飽和水容器的頂端連接壓力變送器與高壓氣源。