[發明專利]一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201310642679.X
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN103616300A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 魏厚振;韋昌富;況輝;田慧會
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉杰

技術領域

本發明屬于天然氣水合物沉積物測試技術領域，特別涉及一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法。

背景技術

天然氣水合物是甲烷CH4等天然氣體分子在一定壓力和溫度條件下，被吸入到籠形水分子團結構的空隙中，從而形成一種固體狀物質。作為一種戰略性替代能源，天然氣水合物具有巨大的商業開發價值，預計在本世紀的能源消費結構中將占據主要地位。隨著石油和天然氣資源的日益短缺，開發天然氣水合物這一新型替代能源就顯得尤為迫切。同時，天然氣水合物不合理的開發會引起海底的地質滑坡和甲烷氣體的大量釋放進入大氣，這樣會嚴重危險海洋構筑物的安全并且引起全球變暖。因此，針對海底天然氣水合物的研究是未來大規模開發利用天然氣水合物的必然要求，其具有非常重要戰略意義。

現有技術中，針對含天然氣水合物沉積物力學性狀的相關研究尚處于起步與探索階段。目前已有的力學指標測試方法主要有二種：一是將預先制得粉末狀固體水合物與土顆?；旌希缓蟀阎瞥傻幕旌衔锓湃氲蜏氐沫h境中以開展剪切實驗；二是直接在土樣孔隙中生成天然氣水合物。首先將具有一定含水量或含冰量的土樣放入實驗裝置內，利用真空泵抽真空后注入天然氣氣體并施加一定壓力，然后降低溫度形成含天然氣水合物土試樣。

現有技術中的弊端在于：

第一種方法離自然原位水合物生成模式相差甚遠；第二種方法由于氣體在氣水界面生成的致密水合物層的擴散系數很低，將導致水合物生成時間相當的長，并使試樣孔隙中水合物分布相當不均勻，使得試驗結果可靠性大大降低。

因此以上現有的制備及方法無法真實反映海底天然氣水合物形成的實際情況；或者反應時間較長，無法滿足試驗的要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法；該裝置及方法能夠實現真實反映海底天然氣水合物形成的實際情況，且具有反應時間短的特點。

為解決上述技術問題，依據本發明的一個方面，提供了一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置，該裝置包括：釜體；剪切盒；壓帽；以及恒溫箱，用于為所述釜體提供恒定的作業溫度；所述釜體置于所述恒溫箱的內部；上活塞組件，用于在實驗過程中給試樣加載垂直壓力，所述上活塞組件穿過所述釜體并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸；下活塞組件，用于在實驗過程中給所述剪切盒提供剪切力，所述下活塞組件穿過所述釜體與所述剪切盒的下剪切板連接；第一測量機構，用于測量所述上活塞組件豎直方向上的位移；所述第一測量機構設置在所述上活塞組件的側部，且二者固定連接；第二測量機構，用于測量所述下活塞組件水平方向上的位移；所述第二測量機構設置在所述下活塞組件的側部，且二者固定連接；第三測量機構，用于測量所述釜體內部的作業溫度；所述第三測量機構設置在所述釜體的側部，且二者固定連接；氣體回收模塊，用于回收所述釜體內升溫分解水合物所產生的氣體；所述氣體回收模塊與所述釜體的內腔相連；氣壓供給模塊，用于為所述上活塞組件垂直方向上的運動提供氣壓；所述氣壓供給模塊與所述上活塞組件的內腔相連；氣源供給模塊，用于為所述釜體的內腔提供氣源；所述氣源供給模塊與所述釜體的內腔相連；液壓供給模塊，用于為所述下活塞組件水平方向勻速運動提供液壓；所述液壓供給模塊與所述下活塞組件的內腔相連；真空環境生成模塊，用于為所述釜體的內腔制造真空環境；所述真空環境生成模塊與所述釜體的內腔相連；數據采集終端，用于實時采集所述第一測量機構、所述第二測量機構、所述第三測量機構、所述氣壓供給模塊、所述氣源供給模塊、所述液壓供給模塊所測量的數據信號。

進一步地，所述上活塞組件包括：上活塞及上活塞桿；所述上活塞桿依次穿過所述上活塞、所述釜體的頂部并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸；所述第一測量機構設置在所述上活塞的側部；所述氣壓供給模塊與所述上活塞的內腔相連。

進一步地，所述下活塞組件包括：下活塞及下活塞桿；所述下活塞桿依次穿過所述下活塞、所述釜體的側部與所述剪切盒的下剪切板連接；所述第二測量機構設置在所述下活塞的側部；所述液壓供給模塊與所述下活塞的內腔相連。

進一步地，所述第一測量機構是第一位移傳感器，所述第一位移傳感器與所述數據采集終端連接；和/或，所述第二測量機構是第二位移傳感器，所述第二位移傳感器與所述數據采集終端連接；和/或，所述第三測量機構是溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述數據采集終端連接。

進一步地，所述氣體回收模塊包括：氣體回收裝置以及氣體回收閥門；所述氣體回收裝置通過所述氣體回收閥門與所述釜體的內腔相連。