專利名稱：含多測(cè)量單元的高壓三軸壓力室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓三軸壓力室，特別涉及一種含多測(cè)量單元的高壓三軸壓力室。
背景技術(shù)：
天然氣水合物沉積物一般含有巖土骨架、水合物、孔隙水、氣等多相介質(zhì)，各相介質(zhì)的含量大小和分布情況會(huì)導(dǎo)致水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的變化。目前國(guó)內(nèi)外已有的天然氣水合物沉積物合成與分解及力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)備都是在原有的巖土高壓三軸實(shí)驗(yàn)儀上改裝而成，可以測(cè)試水合物生成和分解前后以及分解期間的靜剪切強(qiáng)度。最近兩年，美國(guó)的GCTS公司開(kāi)發(fā)了一種天然氣水合物土動(dòng)靜三軸儀，但整體設(shè)備價(jià)格昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種高壓三軸壓力室，能夠可選地測(cè)量水合物沉積物樣品的超聲、時(shí)域反射(TDR)、溫度和電阻參數(shù)中的一種或多種。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位于所述主腔體下部的下底盤(pán)和位于所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤(pán)和上頂蓋通過(guò)三根軸連接，所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測(cè)量單元中的一種或多種:超聲測(cè)量單元，所述超聲測(cè)量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞，所述超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞的內(nèi)部均設(shè)置有超聲探頭，所述超聲探頭專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，樣品的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方；時(shí)域反射測(cè)量單元，所述時(shí)域反射測(cè)量單元包括時(shí)域反射專用下巖心塞，所述時(shí)域反射專用下巖心塞內(nèi)部設(shè)置有時(shí)域反射探頭，所述時(shí)域反射專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方；電阻測(cè)量單元，所述電阻測(cè)量單元包括電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞，所述電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞為電阻率測(cè)量探頭，所述電阻率專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，樣品的上方；所述電阻率專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方；溫度測(cè)量單元，所述溫度測(cè)量單元包括溫度測(cè)量專用上巖心塞，所述溫度測(cè)量專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，其上設(shè)置有一個(gè)以上的溫度測(cè)量探頭。優(yōu)選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點(diǎn):當(dāng)采用時(shí)域反射測(cè)量單元時(shí)，所述時(shí)域反射探頭上的探針向上伸出至樣品中部。優(yōu)選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點(diǎn):
當(dāng)采用電阻測(cè)量單元時(shí)，所述下底盤(pán)由絕緣材料制成。優(yōu)選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點(diǎn):溫度測(cè)量專用巖心塞上設(shè)置有三個(gè)不同高度的溫度測(cè)量探頭，當(dāng)采用溫度測(cè)量單元時(shí)，所述溫度測(cè)量探頭向下伸出至樣品中，用于分別測(cè)量樣品中三個(gè)位置的溫度。優(yōu)選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點(diǎn):所述超聲探頭為外徑為30mm,長(zhǎng)度為35mm。本發(fā)明將一套實(shí)時(shí)精細(xì)測(cè)量水合物物性參數(shù)的集超聲波、TDR和電阻測(cè)量系統(tǒng)，與現(xiàn)有的一套水合物合成分解與力學(xué)性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使得原有的水合物合成分解及力學(xué)性質(zhì)一體化設(shè)備，除了能測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度等宏觀參數(shù)外，還能同時(shí)測(cè)量水合物聲波、電磁波和電阻特性等參數(shù)，從而為深入研究水合物沉積物宏觀力學(xué)參數(shù)和各物性參數(shù)及聲波和電阻參數(shù)間的關(guān)系奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，提供可靠的實(shí)驗(yàn)手段。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的采用超聲測(cè)量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的采用TDR (時(shí)域反射)測(cè)量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的采用電阻測(cè)量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的采用溫度測(cè)量單元的高壓三軸壓力室示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明通過(guò)在壓力室內(nèi)部和樣品上下兩端配備可選的超聲波、電阻和TDR(時(shí)域反射)測(cè)量單元，來(lái)達(dá)到測(cè)量水合物沉積物樣品的超聲、電磁和電壓等信號(hào)，然后可以通過(guò)理論和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推導(dǎo)樣品的水合物含量、水合物分布和分解程度等物性參數(shù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在水合物合成分解裝置，尤其是純水合物合成分解中進(jìn)行物性測(cè)試容易一些。但在高壓三軸壓力室內(nèi)實(shí)施這些物性參數(shù)測(cè)量難度特別大，其主要原因是現(xiàn)有的三軸壓力室內(nèi)樣品兩端已有多條進(jìn)出水管路、壓力和體變等傳感器接口及線纜引入和導(dǎo)出，因此要使現(xiàn)有的水合物沉積物合成分解及宏觀力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的高壓三軸儀達(dá)到能同時(shí)測(cè)量上述物性參數(shù)的要求，關(guān)鍵在于對(duì)現(xiàn)有的高壓壓力室進(jìn)行改造，即要重新設(shè)計(jì)和加工壓力室。本發(fā)明重新設(shè)計(jì)壓力室上下兩端結(jié)構(gòu)，預(yù)留超聲、TDR、溫度和電阻等四種不同探頭的布置和安放空間，方便拆卸并保證壓力室的密封性，同時(shí)對(duì)探頭給予保護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)超聲、電阻和TDR等參數(shù)測(cè)試。此外，預(yù)留和布置測(cè)試導(dǎo)線的引出孔，用于外部采集系統(tǒng)的連接，從而方便實(shí)驗(yàn)操作。如圖1 圖4所示，高壓三軸壓力室，包括主腔體1、位于所述主腔體I下部的下底盤(pán)2和位于所述主腔體上部的上頂蓋3，所述下底盤(pán)2和上頂蓋3通過(guò)三根軸4連接。主腔體I為空心圓柱體，空腔內(nèi)將容放水合物沉積物樣品5，并可容納在樣品周?chē)鷤鬟f氣壓的液體6。所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測(cè)量單元中的一種或多種:
超聲測(cè)量單元,如圖1所示，所述超聲測(cè)量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞11和超聲探頭專用下巖心塞12，所述超聲探頭專用上巖心塞11和超聲探頭專用下巖心塞12的內(nèi)部均設(shè)置有超聲探頭13，所述超聲探頭專用上巖心塞11位于上頂蓋3的下部，樣品5的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞12位于下底盤(pán)2的上部，樣品5的下方。在超聲探頭專用上巖心塞11的上部和超聲探頭專用下巖心塞12的下部設(shè)置有引出孔，可引出超聲探頭連接導(dǎo)線，接超聲測(cè)量?jī)x器。時(shí)域反射測(cè)量單元，如圖2所示，所述時(shí)域反射測(cè)量單元包括時(shí)域反射專用下巖心塞21，所述時(shí)域反射專用下巖心塞22內(nèi)部設(shè)置有時(shí)域反射探頭22，所述時(shí)域反射專用下巖心塞21位于下底盤(pán)2的上部，樣品5的下方；所述時(shí)域反射探頭22上的探針23向上伸出至樣品中部。時(shí)域反射專用下巖心塞22的下部設(shè)置有引出孔，可引出時(shí)域反射探頭連接導(dǎo)線，接時(shí)域反射測(cè)量?jī)x器。電阻測(cè)量單元，如圖3所示，所述電阻測(cè)量單元包括電阻率專用上巖心塞31和電阻率專用下巖心塞32，所述電阻率專用上巖心塞31位于上頂蓋3的下部，樣品5的上方；所述電阻率專用下巖心塞32位于下底盤(pán)2的上部，樣品5的下方。當(dāng)采用電阻測(cè)量單元時(shí)，所述下底盤(pán)2由絕緣材料制成。電阻率專用上巖心塞31和電阻率專用下巖心塞32均為導(dǎo)電的材料制成，作為電阻率測(cè)量探頭?？蓮碾娮杪蕦Ｓ蒙蠋r心塞31和電阻率專用下巖心塞32引出導(dǎo)線接電阻測(cè)量?jī)x器。溫度測(cè)量單元，如圖4所示，所述溫度測(cè)量單元包括溫度測(cè)量專用上巖心塞41，所述溫度測(cè)量專用上巖心塞41位于上頂蓋3的下部，其上設(shè)置有一個(gè)以上的溫度測(cè)量探頭42。在本發(fā)明實(shí)施例中，溫度測(cè)量專用巖心塞41上設(shè)置有三個(gè)不同高度的溫度測(cè)量探頭42，當(dāng)采用溫度測(cè)量單元時(shí)，所述溫度測(cè)量探頭42向下伸出至樣品5中，用于分別測(cè)量樣品5中三個(gè)位置(正中、四分之一、邊)的溫度。上述專用探頭均可更換，其中超聲探頭13及時(shí)域反射TDR探頭22可根據(jù)用戶自備的探頭進(jìn)行安裝，超聲探頭13外徑尺寸30mm，長(zhǎng)度35mm，時(shí)域反射TDR探頭22根據(jù)用戶要求。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可單獨(dú)對(duì)上述測(cè)量單元進(jìn)行更換，以便進(jìn)行不同參數(shù)的測(cè)試。也可以將下底盤(pán)2、上頂蓋3、軸4和測(cè)量單元作為一個(gè)整體，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，整體進(jìn)行更換來(lái)進(jìn)行各種參數(shù)的測(cè)試。高壓三軸壓力室可提供最大圍壓20MPa，進(jìn)氣壓力18MPa，可承受溫度-20_20°C之間的環(huán)境條件。本發(fā)明實(shí)施例的壓力室的工作過(guò)程如下:1、裝好壓力室上頂蓋和下底盤(pán)上的測(cè)量單元(超聲測(cè)量單元、時(shí)域反射測(cè)量單元、電阻測(cè)量單元和溫度測(cè)量單元之一)，將相應(yīng)的探頭固定并密封；2、裝上沉積物樣品或在壓力室底座上制備樣品，樣品位于下底盤(pán)和上頂蓋之間，接觸好兩端并以橡皮膜密封；3、把整個(gè)壓力室上蓋密封好，然后放置在高壓三軸儀上，就位后，對(duì)好量力環(huán)和位移傳感器。4、給壓力室注水并加圍壓，同時(shí)樣品內(nèi)部的反壓和控制進(jìn)氣壓力，給壓力室降溫，等待水合物合成。
5、水合物沉積物合成完畢后，對(duì)樣品進(jìn)行三軸剪切實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可開(kāi)啟超聲、電阻、溫度或TDR的測(cè)量。6、剪切完成后，慢慢給壓力室撤壓至0，放掉壓力室內(nèi)冷凍液，卸下壓力室，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。壓力室在整個(gè)工作過(guò)程中，始終保證密封并承受和保持給定的圍壓和反壓，壓力室內(nèi)部和樣品內(nèi)部的進(jìn)出管路控制和測(cè)量能一直保持正常工作狀態(tài)。在本發(fā)明中，上述專用探頭巖心塞均可以在流體注入時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。更換巖心時(shí)，可以將壓力室內(nèi)整體安裝部分取出，在壓力室外更換，方便快捷。這些專用的巖心塞和各種探頭的更換和裝入完畢后，均不影響天然氣水合物沉積物樣品的稍后合成和分解或三軸壓縮剪切過(guò)程，也不影響樣品的進(jìn)水排水，以及水合物分解時(shí)的出氣，壓力室的注液等管路的正常開(kāi)關(guān)和運(yùn)轉(zhuǎn)。總之，本發(fā)明既滿足超聲、TDR、溫度和電阻的單元測(cè)試，又可以實(shí)現(xiàn)水合物合成分解及三軸壓縮剪切過(guò)程，以及實(shí)驗(yàn)前后所需的飽和固結(jié)過(guò)程的管路開(kāi)閉。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位于所述主腔體下部的下底盤(pán)和位于所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤(pán)和上頂蓋通過(guò)三根軸連接，其特征在于，所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測(cè)量單元中的一種或多種: 超聲測(cè)量單元，所述超聲測(cè)量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞，所述超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞的內(nèi)部均設(shè)置有超聲探頭，所述超聲探頭專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，樣品的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方； 時(shí)域反射測(cè)量單元，所述時(shí)域反射測(cè)量單元包括時(shí)域反射專用下巖心塞，所述時(shí)域反射專用下巖心塞內(nèi)部設(shè)置有時(shí)域反射探頭，所述時(shí)域反射專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方； 電阻測(cè)量單元，所述電阻測(cè)量單元包括電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞，所述電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞為電阻率測(cè)量探頭，所述電阻率專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，樣品的上方；所述電阻率專用下巖心塞位于下底盤(pán)的上部，樣品的下方； 溫度測(cè)量單元，所述溫度測(cè)量單元包括溫度測(cè)量專用上巖心塞，所述溫度測(cè)量專用上巖心塞位于上頂蓋的下部，其上設(shè)置有一個(gè)以上的溫度測(cè)量探頭。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特征在于， 當(dāng)采用時(shí)域反射測(cè)量單元時(shí)，所述時(shí)域反射探頭上的探針向上伸出至樣品中部。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特征在于， 當(dāng)采用電阻測(cè)量單元時(shí)，所述下底盤(pán)由絕緣材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特征在于， 溫度測(cè)量專用巖心塞上設(shè)置有三個(gè)不同高度的溫度測(cè)量探頭，當(dāng)采用溫度測(cè)量單元時(shí)，所述溫度測(cè)量探頭向下伸出至樣品中，用于分別測(cè)量樣品中三個(gè)位置的溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特征在于， 所述超聲探頭為外徑為30mm,長(zhǎng)度為35mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位于所述主腔體下部的下底盤(pán)和位于所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤(pán)和上頂蓋通過(guò)三根軸連接，所述高壓三軸壓力室還包括可替換使用的超聲測(cè)量單元、時(shí)域反射測(cè)量單元、電阻測(cè)量單元和溫度測(cè)量單元中的一種或多種。本發(fā)明將多種測(cè)量單元與現(xiàn)有的一套水合物合成分解與力學(xué)性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使得原有的水合物合成分解及力學(xué)性質(zhì)一體化設(shè)備，除了能測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度等宏觀參數(shù)外，還能同時(shí)測(cè)量水合物聲波、電磁波和電阻特性等參數(shù)，從而為深入研究水合物沉積物宏觀力學(xué)參數(shù)和各物性參數(shù)及聲波和電阻參數(shù)間的關(guān)系奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，提供可靠的實(shí)驗(yàn)手段。
文檔編號(hào)G01D21/02GK103196490SQ201310087448
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者王淑云, 魯曉兵, 張旭輝, 趙京, 王愛(ài)蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所