[發明專利]含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置及其試驗方法

在審

• 申請號: 202110241703.3
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN115014969A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 楊德歡;顏榮濤;顏夢秋;徐玉博
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01N3/02
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 胡明強

本發明提供了一種含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置及其試驗方法，包括承壓倉、恒溫箱、供氣系統、拉伸系統及數據采集系統。本發明中的含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置，通過設置承壓倉及恒溫箱，可模擬甲烷水合物沉積物在海底形成時所需的低溫及高壓環境，通過供氣系統將甲烷注入含有一定含水率的土樣中，使得在一定的氣體壓力與溫度條件下甲烷與水結合形成甲烷水合物賦存于土樣孔隙中，實現了在實驗室中快速準確地模擬海洋環境中原位含甲烷水合物土的制樣，進而降低了甲烷水合物沉積物試驗樣品的獲取難度和成本。

技術領域

本發明涉及材料的物理性質測試的技術領域，特別涉及含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置。

背景技術

甲烷水合物(俗稱可燃冰)是甲烷等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，形成一種類冰狀、非化學計量的籠狀結晶化合物，廣泛分布于大陸邊緣陸坡區海底沉積物和永久凍土帶中，具有燃燒值高、能量大和清潔無污染等特點。

目前針對含甲烷水合物沉積物力學性質的相關研究尚處于起步與探索階段，多數實驗室采用三軸試驗來模擬在實際的巖土環境中甲烷水合物沉積物的力學特性。三軸試驗是實驗室土壤測試中最常用的測試方法之一，但是應用于甲烷水合物沉積物的測試中，主要存在以下缺陷：一是甲烷水合物沉積物一般穩定地存在于深海沉積物區以及陸域永凍帶，導致試驗樣品的獲取難度大、成本高；二是目前的三軸試驗裝置只能施加周圍壓力和軸向壓力，并不能施加其它方式的力，由此導致甲烷水合物沉積物的力學研究范圍較局限，制約著其本構模型的發展。

發明內容

為解決現有技術中，甲烷水合物沉積物的力學試驗裝置存在的樣品獲取成本高、力學研究范圍較局限的技術問題，本發明的技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置，包括承壓倉、恒溫箱、供氣系統、拉伸系統及數據采集系統。

所述承壓倉內部設置啞鈴形的試樣框架，用于夾持待測試的試樣，所述試樣框架由活動部及固定部拼接而成，所述固定部固定于所述承壓倉的內部，所述承壓倉還開設有連通外部的活塞孔，所述活塞孔內插接有拉伸活塞，所述活動部與所述拉伸活塞連接，并由所述拉伸活塞的帶動下以遠離所述固定部的方向移動。

所述恒溫箱設置于所述承壓倉的外部。

所述供氣系統包括甲烷氣瓶、氣體增壓泵及真空泵，所述甲烷氣瓶與所述氣體增壓泵連接，所述氣體增壓泵及所述真空泵分別與所述承壓倉連接。

所述拉伸系統包括加載泵、液壓加載缸及加載活塞，所述加載泵與所述液壓加載缸連接，以驅動所述液壓加載缸內的所述加載活塞動作。

所述數據采集系統，包括處理器以及與所述處理器電性連接的拉力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器一，所述拉力傳感器連接于所述加載活塞與所述拉伸活塞之間，所述位移傳感器設置于所述拉伸活塞上，所述溫度傳感器及所述壓力傳感器一設置于所述承壓倉上。

本發明中的含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置，通過設置承壓倉及恒溫箱，可模擬甲烷水合物沉積物在海底形成時所需的低溫及高壓環境，通過供氣系統將甲烷注入含有一定含水率的土樣中，使得在一定的氣體壓力與溫度條件下甲烷與水結合形成甲烷水合物賦存于土樣孔隙中，實現了在實驗室中快速準確地模擬海洋環境中原位含甲烷水合物土的制樣，進而降低了甲烷水合物沉積物試驗樣品的獲取難度和成本；通過設置拉伸系統及數據采集系統，可根據不同地質工況進行拉伸試驗，從而獲得拉伸強度、模量以及斷面收縮率等多種力學指標。本發明中的含甲烷水合物沉積物的拉伸試驗裝置，其工作原理符合現場原位水合物形成模式和開采工況條件，結構相對簡單，造價低廉，可以為大多數科研與勘察設計單位裝備。

在一種可能的設計中，所述承壓倉包括倉蓋板及倉體，所述倉蓋板可拆卸地蓋合于所述倉體的倉口，所述倉體的底部固定于試驗平臺。