專利名稱：一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)裝置，具體涉及天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是一種儲(chǔ)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(duì)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(dòng)和被動(dòng)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(gè)具有商業(yè)開采價(jià)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(guó)的普遍關(guān)注，其中美、俄、日、法等國(guó)的研究較為廣泛和深入。1999年以來，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在我國(guó)南海北部陸坡開展了針對(duì)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(guó)海域存在豐富的天然氣水合物資源。我國(guó)在2007年 5月通過鉆探取得實(shí)際水合物樣品，預(yù)計(jì)于2016年實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)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(xiǎn)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(píng)價(jià)的重要參數(shù)。以前的注意力主要集中在對(duì)實(shí)驗(yàn)室合成的純水合物物理特性的研究方面，針對(duì)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(duì)天然氣水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，常規(guī)巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)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(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)裝置；所述實(shí)驗(yàn)裝置可以用于原位合成水合物后(或直接對(duì)水合物沉積試樣)進(jìn)行天然氣水合物三軸實(shí)驗(yàn)， 測(cè)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(shí)可以測(cè)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)。本實(shí)用新型提供的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)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(gè)進(jìn)油孔、至少一個(gè)進(jìn)氣孔和至少兩個(gè)聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有至少一個(gè)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(dòng)橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對(duì)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(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置中，所述底座上設(shè)有一個(gè)進(jìn)油孔、兩個(gè)進(jìn)氣孔和兩個(gè)聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有一個(gè)出氣孔。上述的三軸試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置中，所述移動(dòng)橫梁和所述活塞之間設(shè)有隔熱板。上述的三軸試驗(yàn)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(yàn)裝置的移動(dòng)。上述的三軸試驗(yàn)裝置中，所述活塞和所述試樣上壓座相連接。本實(shí)用新型提供的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)量，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備的空白。

圖1為本實(shí)用新型的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型并不局限于以下實(shí)施例。本實(shí)用新型的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)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(dòng)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。本實(shí)用新型的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)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(gè)直線導(dǎo)軌12上以便于移動(dòng)；底座11通過兩個(gè)鎖緊塊16和兩個(gè)密封圈a 19與筒體8密封連接；上蓋5通過兩個(gè)鎖緊塊13和兩個(gè)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(gè)聲波探頭(圖中未示出)，這樣在加壓的同時(shí)檢測(cè)聲波波速；底座11上設(shè)有一個(gè)進(jìn)油孔17、兩個(gè)進(jìn)氣孔18和兩個(gè)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(duì)試樣形成圍壓；從兩個(gè)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(gè)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(cè)到的信號(hào)輸入到聲波儀中；筒體8的上部設(shè)有一個(gè)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(dòng)橫梁2相連，活塞4與試樣上壓座9相連；移動(dòng)橫梁2和活塞4之間設(shè)有隔熱板3 ；通過移動(dòng)橫梁2向試樣施加軸向壓力；移動(dòng)橫梁2的上部設(shè)有一個(gè) 100KN負(fù)荷傳感器，用于測(cè)量軸向力的大小，并把所測(cè)的值傳送到與該三軸試驗(yàn)裝置相連接的計(jì)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(yàn)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。使用本實(shí)用新型的天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)裝置時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(cè)試甲烷水合物沉積物的聲波波速；完成之后通過驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫梁2和活塞4向試樣施加軸向壓力，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(gè)進(jìn)油孔、至少一個(gè)進(jìn)氣孔和至少兩個(gè)聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有至少一個(gè)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(dòng)橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對(duì)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(yàn)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(yàn)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或2所述的三軸試驗(yàn)裝置，其特征在于所述底座上設(shè)有一個(gè)進(jìn)油孔、兩個(gè)進(jìn)氣孔和兩個(gè)聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有一個(gè)出氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三軸試驗(yàn)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或2所述的三軸試驗(yàn)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或2所述的三軸試驗(yàn)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或2所述的三軸試驗(yàn)裝置，其特征在于所述移動(dòng)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或2所述的三軸試驗(yàn)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或2所述的三軸試驗(yàn)裝置，其特征在于所述活塞和所述試樣上壓座相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種天然氣水合物巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)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(gè)進(jìn)油孔、至少一個(gè)進(jìn)氣孔和至少兩個(gè)聲波線接孔；所述筒體的上部設(shè)有至少一個(gè)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(dòng)橫梁相連；所述密閉壓力室腔內(nèi)設(shè)有相對(duì)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(hào)G01N3/08GK201965059SQ20102065937
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司, 中國(guó)石油大學(xué)(華東), 中海石油研究中心, 長(zhǎng)春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司