專利名稱：天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)室內(nèi)試驗裝置，具體涉及天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是一種儲量豐富的、高能量密度的綠色清潔能源。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣資源大量消耗。世界天然氣水合物的總能量約為煤、油、氣總和的2 3倍， 對于緩解油氣資源緊張具有重大意義。天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下，由天然氣和水組成的類冰的、籠型結(jié)晶化合物。它廣泛分布于大陸、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)科學(xué)家在陸地凍土帶首先發(fā)現(xiàn)第一個具有商業(yè)開采價值的天然氣水合物氣田——麥索雅哈氣田之后，引起了世界各國的普遍關(guān)注，其中美、俄、日、法等國的研究較為廣泛和深入。1999年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局在我國南海北部陸坡開展了針對天然氣水合物的高分辨率多道地震和深海地質(zhì)取樣、海底照相等調(diào)查工作。調(diào)查結(jié)果表明，我國海域存在豐富的天然氣水合物資源。我國在2007年 5月通過鉆探取得實際水合物樣品，預(yù)計于2016年實現(xiàn)對水合物的試開采。在天然氣水合物地層的鉆探過程中，鉆井液使水合物不同程度的分解，天然氣水合物沉積物的強(qiáng)度和模量等力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生明顯的變化，水合物沉積物強(qiáng)度降低，使井壁出現(xiàn)垮塌、天然氣溶解到鉆井液中。這一過程使井涌、井塌等工程風(fēng)險增大。天然氣水合物沉積物的強(qiáng)度參數(shù)是井眼穩(wěn)定性分析和水合物開發(fā)評價的重要參數(shù)。以前的注意力主要集中在對實驗室合成的純水合物物理特性的研究方面，針對海洋水合物開發(fā)的研究才剛開始。由于天然氣水合物穩(wěn)定需要特定的溫度壓力環(huán)境，目前尚未開發(fā)出針對天然氣水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)實驗的設(shè)備，常規(guī)巖石力學(xué)三軸實驗技術(shù)和設(shè)備很難取得和保持原狀水合物樣來進(jìn)行三軸強(qiáng)度和聲波測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置；所述實驗裝置可以用于原位合成水合物后(或直接對水合物沉積試樣)進(jìn)行天然氣水合物三軸實驗，測得水合物沉積物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角，同時可以測得天然氣水合物試樣的聲學(xué)特性參數(shù)；這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為以后研究天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定、開采分解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置包括由筒體、底座和上蓋組成的密閉壓力室；所述底座上設(shè)有至少一個進(jìn)油孔、至少一個進(jìn)氣孔和至少兩個聲波線接孔； 所述筒體的上部設(shè)有至少一個出氣孔；所述上蓋上設(shè)有活塞；該活塞與所述密閉壓力室外的移動橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對應(yīng)的試樣下壓座和試樣上壓座；所述試樣上壓座與所述活塞的位置相應(yīng)，所述試樣下壓座固定在所述底座上；所述試樣上壓座和試樣下壓座中均設(shè)有聲波探頭。上述的三軸試驗裝置中，所述底座和上蓋均通過鎖緊塊與所述筒體密封連接。上述的三軸試驗裝置中，所述底座和上蓋與所述筒體的內(nèi)側(cè)均通過密封圈a密封連接。上述的三軸試驗裝置中，所述底座上設(shè)有一個進(jìn)油孔、兩個進(jìn)氣孔和兩個聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有一個出氣孔。上述的三軸試驗裝置中，所述試樣下壓座通過定位銷固定在所述底座上。上述的三軸試驗裝置中，所述試樣上壓座上設(shè)有試樣上壓墊；所述試樣下壓座上設(shè)有試樣下壓墊。上述的三軸試驗裝置中，所述活塞與所述上蓋通過密封圈b密封連接。上述的三軸試驗裝置中，所述移動橫梁和所述活塞之間設(shè)有隔熱板。上述的三軸試驗裝置中，所述底座的下表面上設(shè)有滑軌，如直線導(dǎo)軌，便于所述三軸試驗裝置的移動。上述的三軸試驗裝置中，所述活塞和所述試樣上壓座相連接。本發(fā)明提供的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置具有以下有益效果將天然氣水合物合成與分解以及其力學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì)有效地銜接起來，將三軸壓力室與天然氣水合物反應(yīng)釜進(jìn)行了有效結(jié)合，避開了模具制樣、裝樣等操作過程中的水合物分解問題，實現(xiàn)了對天然氣水合物沉積物樣品的物性及力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的同步測量，填補(bǔ)了國內(nèi)水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)實驗和測量設(shè)備的空白。


圖1為本發(fā)明的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。本發(fā)明的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中各標(biāo)記如下1100KN負(fù)荷傳感器、2移動橫梁、3隔熱板、4活塞、5上蓋、6密封圈b、7出氣孔、 8筒體、9試樣上壓座、10試樣下壓座、11底座、12直線導(dǎo)軌、13，16鎖緊塊、14試樣上壓墊、 15試樣下壓墊、17進(jìn)油孔、18進(jìn)氣孔、19密封圈a。本發(fā)明的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置包括由筒體8、底座11和上蓋5組成的密閉壓力室；底座11置于兩個直線導(dǎo)軌12上以便于移動；底座11通過兩個鎖緊塊16 和兩個密封圈a 19與筒體8密封連接；上蓋5通過兩個鎖緊塊13和兩個密封圈a與筒體 8密封連接；筒體8設(shè)有試樣下壓座10，試樣下壓座10通過定位銷(圖中未示出)固定在底座11上；試樣下壓座10上設(shè)有試樣下壓墊15 ；試樣下壓座10上設(shè)有試樣上壓座9，試樣上壓座9上設(shè)有試樣上壓墊14，試樣下壓座10和試樣上壓座9位置相應(yīng)；試樣下壓座10 和試樣上壓座9之間放置巖樣以形成天然氣水合物；試樣下壓座10和試樣上壓座9中均鑲嵌有1個聲波探頭(圖中未示出)，這樣在加壓的同時檢測聲波波速；底座11上設(shè)有一個進(jìn)油孔17、兩個進(jìn)氣孔18和兩個聲波線接孔(圖中未示出)；進(jìn)油孔17與外部設(shè)置的輸油裝置連通，向筒體8內(nèi)輸送液壓油以對試樣形成圍壓；從兩個進(jìn)氣孔18中通入甲烷氣體以合成甲烷水合物；試樣下壓座10和試樣上壓座9中鑲嵌的聲波探頭通過兩個聲波線接孔與外部設(shè)置的聲波儀相連接，以將聲波探頭檢測到的信號輸入到聲波儀中；筒體8的上部設(shè)有一個出氣孔8 ；上蓋5的中部設(shè)有活塞4，活塞4通過密封圈b 6與上蓋5密封連接；活塞 4與密閉壓力室外的移動橫梁2相連，活塞4與試樣上壓座9相連；移動橫梁2和活塞4之間設(shè)有隔熱板3 ；通過移動橫梁2向試樣施加軸向壓力；移動橫梁2的上部設(shè)有一個100KN 負(fù)荷傳感器，用于測量軸向力的大小，并把所測的值傳送到與該三軸試驗裝置相連接的計算機(jī)控制系統(tǒng)。上述天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置中，底座11和上蓋5與筒體8還可以通過其它密封方式連接，如過盈配合；筒體11的材質(zhì)和大下可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；試樣下壓座10和試樣上壓座9中鑲嵌的聲波探頭的數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；活塞4與上蓋5 還可以通過其它密封方式連接，如過盈配合。使用本發(fā)明的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置時，將試樣裝在試樣下壓座10 上，然后安裝試樣上壓座9;然后通過進(jìn)油孔17向密閉壓力室內(nèi)充入液壓油；當(dāng)出氣孔7中有液壓油溢出時，關(guān)閉出氣孔7，繼續(xù)向密閉壓力室內(nèi)充入液壓油，當(dāng)筒體11內(nèi)的壓力和溫度達(dá)到天然氣水合物形成的穩(wěn)定值后，停止向筒體11內(nèi)充入液壓油；同時，通過進(jìn)氣孔18 向筒體11內(nèi)通入甲烷氣體并記錄通入氣體的量；然后通過鑲嵌在試樣上壓座9和試樣下壓座10中的聲波探頭測試甲烷水合物沉積物的聲波波速；完成之后通過驅(qū)動移動橫梁2和活塞4向試樣施加軸向壓力，同時通過控制系統(tǒng)記錄軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的變化規(guī)律。實驗結(jié)束后，打開出氣孔7用氣泵將筒體8中的液壓油吹出；然后打開鎖緊塊16，將筒體8提升起來，取出做完試驗的巖樣。
權(quán)利要求
1.一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置，其特征在于它包括由筒體、底座和上蓋組成的密閉壓力室；所述底座上設(shè)有至少一個進(jìn)油孔、至少一個進(jìn)氣孔和至少兩個聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有至少一個出氣孔；所述上蓋上設(shè)有活塞；該活塞與所述密閉壓力室外的移動橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對應(yīng)的試樣下壓座和試樣上壓座； 所述試樣上壓座與所述活塞的位置相應(yīng)，所述試樣下壓座固定在所述底座上；所述試樣上壓座和試樣下壓座中均設(shè)有聲波探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述底座和上蓋均通過鎖緊塊與所述筒體密封連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述底座和上蓋與所述筒體的內(nèi)側(cè)均通過密封圈a密封連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述底座上設(shè)有一個進(jìn)油孔、兩個進(jìn)氣孔和兩個聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有一個出氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述試樣下壓座通過定位銷固定在所述底座上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述試樣上壓座上設(shè)有試樣上壓墊；所述試樣下壓座上設(shè)有試樣下壓墊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述活塞與所述上蓋通過密封圈b密封連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述移動橫梁和所述活塞之間設(shè)有隔熱板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述底座的下表面上設(shè)有滑軌；所述滑軌為直線導(dǎo)軌。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一所述的三軸試驗裝置，其特征在于所述活塞和所述試樣上壓座相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗裝置。所述裝置包括由筒體、底座和上蓋組成的密閉壓力室；所述底座上設(shè)有至少一個進(jìn)油孔、至少一個進(jìn)氣孔和至少兩個聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有至少一個出氣孔；所述上蓋上設(shè)有活塞；該活塞與所述密閉壓力室外的移動橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對應(yīng)的試樣下壓座和試樣上壓座；所述試樣上壓座與所述活塞的位置相應(yīng)，所述試樣下壓座固定在所述底座上；所述試樣上壓座和試樣下壓座中均設(shè)有聲波探頭。
文檔編號G01N3/02GK102564853SQ20101058640
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者余敏, 劉彬, 周建良, 姚海元, 孫曉杰, 崔青, 李令東, 李清平, 白玉湖, 程兵, 程遠(yuǎn)方, 艾傳志, 趙壽強(qiáng), 郝慶澤 申請人:中國海洋石油總公司, 中國石油大學(xué)(華東), 中海石油研究中心, 長春市朝陽試驗儀器有限公司