[發明專利]一種測定天然氣水合物沉積物體變的三軸試驗裝置

無效

• 申請號: 201110002805.6
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102135478A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 宋永臣;劉衛國;李洋輝;于鋒;李清平;姚海元;王世圣
• 申請（專利權）人: 中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;大連理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01B21/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

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。；2)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±0.5％；最大圍壓為30MPa，圍壓的精度為±0.5％；溫度控制范圍為243K-298K，溫度控制精度為±0.1℃，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。

附圖說明

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。