一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化裝置,屬于天然氣水合物基礎(chǔ)物性測量領(lǐng)域。該裝置主要包含一個(gè)自壓式三軸儀主機(jī)、軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和X射線CT成像系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了低溫高壓水合物三軸儀和X射線CT成像系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,能夠進(jìn)行天然氣水合物沉積物宏觀和微觀力學(xué)特性的同步測試。該裝置能夠模擬實(shí)際儲(chǔ)層的應(yīng)力狀態(tài),獲取天然氣水合物沉積物的宏觀、微觀力學(xué)特性數(shù)據(jù),對揭示天然氣水合物儲(chǔ)層變形機(jī)理、以及天然氣水合物分解誘因的海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)制具有重要意義,對天然氣水合物的安全、高效開采具有重要的指導(dǎo)作用。
【專利說明】一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,屬天然氣水合物 基礎(chǔ)物性測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物具有分布廣、資源量大、埋藏淺、能量密度高、潔凈等特點(diǎn),是地球上 尚未開發(fā)的最大未知能源庫,被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想、具有商業(yè)開發(fā)前景的新能源。天然 氣水合物的安全開采受到各國科學(xué)家和政府的廣泛重視,已成為石油天然氣工業(yè)新的研究 熱點(diǎn),并有可能對環(huán)境科學(xué)和能源工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在天然氣水合物勘探與開 采過程中,水合物分解會(huì)影響儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并且隨著開采過程中分解區(qū)域的擴(kuò)展,可 能誘發(fā)地層變形、海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,進(jìn)而造成鉆探設(shè)備、海底管道等基礎(chǔ)設(shè)施的損壞及 生命財(cái)產(chǎn)損失。如何以高效、安全的方式從海底天然氣水合物沉積層中開采天然氣,既符合 環(huán)保要求,又不會(huì)引起海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,需要深入研究天然氣水合物沉積層的力學(xué)特 性,結(jié)合宏觀和微觀試驗(yàn)手段,明確天然氣水合物分解誘因的海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的形成 機(jī)理。
[0003] 三軸試驗(yàn)儀是研究土樣力學(xué)特性較為理想的設(shè)備,且因其試驗(yàn)原理和操作方法相 對簡單而得到廣泛應(yīng)用。日本山口大學(xué)、大連理工大學(xué)等在傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上,通 過增加低溫控制系統(tǒng)和水合物原位生成與分解系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對天然氣水合物沉積物宏觀力 學(xué)特性的測量。然而,目前國際上尚未有能夠進(jìn)行天然氣水合物沉積物微觀力學(xué)特性研究 的試驗(yàn)裝置,無法獲得沉積物內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)演變、顆粒遷移等微觀數(shù)據(jù),對天然氣水合物分 解過程中沉積層的微觀變形機(jī)理知之甚少。現(xiàn)有的天然氣水合物三軸試驗(yàn)儀由于穿透性能 差、體積大、重量大等問題,不能實(shí)現(xiàn)與X射線CT等可視化裝置的有機(jī)結(jié)合(例如inspeXio SMX-255CT載物臺(tái)承重< 9kg,可容納樣品高度< 30cm,且掃描過程中樣品需要旋轉(zhuǎn)),亟需 開發(fā)一套天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了克服上述現(xiàn)有的天然氣水合物三軸試驗(yàn)儀存在的不足,本發(fā)明基于inspeXio SMX-255CT系統(tǒng),提供一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置。該裝置不僅能滿 足天然氣水合物沉積物試樣的宏觀力學(xué)特性試驗(yàn)要求,還能實(shí)時(shí)觀測試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的 演變和顆粒遷移等情況,獲取微觀力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析沉積層變形機(jī)理,對我國海域及 凍土區(qū)域天然氣水合物的勘探和安全開采有重要的指導(dǎo)作用。
[0005] 本發(fā)明解決上述不足所采用的技術(shù)方案是:
[0006] -種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,包含低溫高壓水合物三軸儀 試驗(yàn)系統(tǒng)、X射線CT成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);
[0007] 所述的低溫高壓水合物三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)包含自壓式三軸儀主機(jī)、軸向加載系統(tǒng)、 圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng);所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控 制系統(tǒng)均與所述自壓式三軸儀主機(jī)相連,分別控制試樣承受的荷載、圍壓和孔隙壓力;所述 溫度控制系統(tǒng)與所述圍壓控制系統(tǒng)相連,用于控制柱塞泵D內(nèi)液壓油的溫度,進(jìn)而控制試 樣的溫度。
[0008] 所述自壓式三軸儀主機(jī)置于X射線CT成像系統(tǒng)的載物臺(tái)上,包括頂置一體化軸向 加載裝置和高壓三軸壓力室;所述頂置一體化軸向加載裝置采用航空高強(qiáng)度鋁合金等密度 較低、強(qiáng)度較大的材料,以保證裝置的強(qiáng)度和降低主機(jī)的整體重量,包括小型液壓油缸和活 塞;通過所述小型液壓油缸中的液壓油驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向加載力;小型液壓油缸 與所述高壓三軸壓力室之間采用螺絲連接,上方設(shè)置有加壓口和排氣口 A,方便加載過程中 油缸進(jìn)行排氣;所述小型液壓油缸下方設(shè)置兩個(gè)排氣口 B,用于將加載過程中所述活塞下 方的氣體排出;所述高壓三軸壓力室采用高純鋁等低密度、高X射線穿透性能的材料,以降 低主機(jī)整體重量和保證主機(jī)的X射線穿透性能,包括壓力室腔體和底盤,活塞與壓力室腔 體之間通過密封圈密封,并與試樣端蓋相對應(yīng),用于傳遞軸向加載力;所述壓力室腔體的壁 厚根據(jù)實(shí)驗(yàn)對壓力和成像分辨率的要求,通過計(jì)算并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試確定,外壁通過玻璃纖維 等抗拉強(qiáng)度大的材料加固;壓力室腔體的上方設(shè)置有排氣口 C,用于加載圍壓時(shí)排出壓力 室腔體內(nèi)的殘余空氣;壓力室腔體與底盤之間采用螺絲連接,并使用密封圈進(jìn)行密封;所 述底盤的中心設(shè)置凸起圓柱,用作放置試樣的底座;底盤的四周對稱分布有四個(gè)通道:通 道A、通道B、通道C和通道D,其中通道A、通道B和通道C與所述高壓三軸壓力室連通,通 道D通過所述底盤中心,并經(jīng)由所述試樣底座、滲流墊與所述試樣的下端連通;所述試樣端 蓋中心設(shè)置有通道,通道的一端通過柔性管道與所述底盤的通道A相連,另一端與所述滲 流墊和試樣的上端連通;所述試樣采用橡皮膜密封包裹;
[0009] 所述軸向加載系統(tǒng)包含油槽、循環(huán)泵A和柱塞泵A ;所述油槽經(jīng)循環(huán)泵A提供柱塞 泵A所需的液壓油;柱塞泵A通過柔性管道與小型液壓油缸的加壓口相連,提供軸向加載所 需要的液壓;試樣承受的軸向荷載通過液壓油壓力和活塞的橫截面積相乘獲得,軸向位移 通過所述活塞的位移獲得;
[0010] 所述圍壓控制系統(tǒng)包含柱塞泵D,通過柔性管道與底盤的通道C相連,提供試驗(yàn)過 程中所需的液壓油,并維持壓力;
[0011] 所述背壓控制系統(tǒng)包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷氣瓶、水槽和循環(huán)泵B ;所述甲烷 氣瓶經(jīng)減壓閥與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連;所述水槽經(jīng)循環(huán)泵B與所述柱塞泵B和柱 塞泵C相連;所述柱塞泵B經(jīng)針閥C與所述底盤的通道A通過柔性管道連接,所述柱塞泵C 經(jīng)針閥Η與所述底盤的通道D通過柔性管道連接;
[0012] 所述背壓控制系統(tǒng)主要用于控制試驗(yàn)過程中試樣的孔隙壓力,并提供天然氣水合 物沉積物反應(yīng)所需要的天然氣和水;
[0013] 所述溫度控制系統(tǒng)包含恒溫槽和循環(huán)泵C,循環(huán)泵C通過針閥J與所述圍壓控制系 統(tǒng)相連,將事先冷卻至試驗(yàn)溫度的液壓油經(jīng)由所述柱塞泵D注入至所述壓力室腔體,并維 持試驗(yàn)所需壓力;
[0014] 所述X射線CT成像系統(tǒng)用于試驗(yàn)過程中試樣的在線CT成像掃描,獲取天然氣水 合物沉積物試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像,分析其演變規(guī)律。
[0015] 所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含溫度傳感器、四個(gè)壓力變送器、與CT掃描系統(tǒng)和水 合物三軸儀系統(tǒng)采用電氣連接的數(shù)據(jù)采集模塊,并把采集的溫度、壓力、軸向應(yīng)力、軸向應(yīng) 變以及試樣掃描圖像等數(shù)據(jù)傳給工控機(jī)處理,進(jìn)而分析天然氣水合物沉積物的宏觀和微觀 力學(xué)特性。
[0016] 所述的自壓式三軸儀主機(jī)與所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)之 間采用柔性管道相連。
[0017] 所述的自壓式三軸儀主機(jī)采用自壓式結(jié)構(gòu),將試樣承受的荷載轉(zhuǎn)換成主機(jī)的內(nèi)部 荷載。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是:這種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置主要包 含一套低溫高壓水合物三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)、X射線CT成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。低溫 高壓水合物三軸儀系統(tǒng)用于天然氣水合物沉積物的原位生成和分解、以及進(jìn)行力學(xué)特性實(shí) 驗(yàn);X射線CT成像系統(tǒng)用于天然氣水合物沉積物變形過程中孔隙結(jié)構(gòu)演變等微觀數(shù)據(jù)的測 量;計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集溫度、壓力、負(fù)荷以及CT掃描圖像等數(shù)據(jù),進(jìn)而分析天然氣水 合物沉積物微觀變形機(jī)理。其優(yōu)點(diǎn)是:
[0019] 1)實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物三軸儀與X射線CT系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,可以同時(shí)獲取天然氣 水合物沉積物的宏觀、微觀力學(xué)特性數(shù)據(jù),對揭示天然氣水合物儲(chǔ)層變形機(jī)理、以及天然氣 水合物分解誘因的海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)制具有重要意義;
[0020] 2)采用純鋁、鋁合金等低密度、高強(qiáng)度、高X射線穿透性能的材料,使天然氣水合 物三軸儀主機(jī)整體質(zhì)量較輕、體積小、X射線穿透性能好;同時(shí)采用玻璃纖維等高抗拉強(qiáng)度 的材料對壓力室腔體進(jìn)行加固,保證穿透性能的同時(shí)提高了強(qiáng)度;
[0021] 3)采用頂置一體化軸向加載裝置將試樣承受的軸向荷載轉(zhuǎn)化為三軸儀主機(jī)的內(nèi) 部荷載,使得軸向荷載不再作用于CT載物臺(tái)上,滿足了 CT載物臺(tái)的承重限制;
[0022] 4)利用恒溫槽控制液壓油溫度,然后通過圍壓控制系統(tǒng)將事先冷卻的液壓油注入 至壓力室腔體進(jìn)而控制試樣溫度,這種溫度控制方式節(jié)省了三軸儀主機(jī)的空間;
[0023] 5)三軸儀主機(jī)與外圍系統(tǒng)均采用柔性管道相連,滿足CT成像過程中載物臺(tái)需要 旋轉(zhuǎn)的要求,方便試驗(yàn)進(jìn)行;
[0024] 6)軸向荷載通過軸向加載系統(tǒng)的壓力和活塞面積相乘獲得、軸向位移通過活塞的 位移獲得,這種計(jì)算方法避免了軸向負(fù)荷傳感器和位移傳感器的安裝,節(jié)省了空間的同時(shí) 降低了主機(jī)的整體質(zhì)量;
[0025] 7)三軸儀主機(jī)采用可拆卸的方式,方便試驗(yàn)操作和清洗儀器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1是一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置工作原理圖。
[0027] 圖2是一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)圖。
[0028] 圖3a是自壓式三軸儀主機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖3b是自壓式三軸儀主機(jī)的底盤俯視圖。
[0030] 圖中:1工控機(jī);2數(shù)據(jù)采集模塊;3油槽;4a循環(huán)泵A ;4b循環(huán)泵B ;
[0031] 4c循環(huán)泵C ;5a針閥A ;5b針閥B ;5c針閥C ;5d針閥D ;5e針閥E ;
[0032] 5f針閥F ;5g針閥G ;5h針閥H ;5i針閥I ;5j針閥J ;6a柱塞泵A ;
[0033] 6b柱塞泵B ;6c柱塞泵C ;6d柱塞泵D ;7a壓力變送器A ;7b壓力變送器B ;7c壓 力變送器C ;7d壓力變送器D ;8水槽;9甲烷氣瓶;10減壓閥;11溫度傳感器;12恒溫槽; 13a排氣口 A ; 13b排氣口 B ; 13c排氣口 C ; 14小型液壓油缸;15加壓口; 16活塞;17端蓋; 18滲流墊;19試樣;20橡皮膜;21底盤;22壓力室腔體。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 圖1所示為一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置的工作原理圖,其 工作過程為:背壓控制系統(tǒng)提供天然氣水合物沉積物試樣反應(yīng)生成所需的天然氣和水,以 及生成與分解過程和三軸壓縮過程中的孔隙壓力;溫度控制系統(tǒng)通過降低圍壓控制系統(tǒng)內(nèi) 液壓油的溫度,進(jìn)而控制天然氣水合物沉積物生成與分解過程和三軸壓縮過程中的溫度; 圍壓控制系統(tǒng)主要用于維持天然氣水合物沉積物生成與分解過程和三軸壓縮過程中的圍 壓;軸向加載系統(tǒng)通過柱塞泵注入液壓油推動(dòng)活塞控制軸向加載;CT機(jī)拍攝整個(gè)試驗(yàn)過程 中水合物沉積物微觀孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律圖像;試驗(yàn)過程中的參數(shù),如溫度、壓力信號(hào)等均由 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并分析。
[0035] 圖2所示為一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)圖,下面按 各個(gè)系統(tǒng)功能對天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化實(shí)驗(yàn)過程加以說明:
[0036] 1)背壓控制系統(tǒng)工作過程:將凍結(jié)的沉積物試樣19放置于底盤21上,甲烷氣瓶9 經(jīng)減壓閥10、針閥5f,然后分別經(jīng)針閥5d、5g向柱塞泵6b、6c里注入一定壓力甲烷氣體,柱 塞泵6b、6c分別經(jīng)壓力變送器7b、針閥5c和壓力變送器7c、針閥5h向凍結(jié)的沉積物試樣19 里注入甲烷氣體,逐漸升高壓力并最終保持穩(wěn)定;同時(shí),油槽12經(jīng)循環(huán)泵4c、針閥5 j向柱 塞泵6d里注入一定溫度液壓油,柱塞泵6d經(jīng)壓力變送器7d、針閥5i將液壓油注入到壓力 室,控制圍壓增加速率與孔隙壓力增加速率相同,并且始終保持圍壓比孔隙壓力高0. 2MPa。 凍結(jié)的沉積物試樣在一定溫度下融化,注入的甲烷氣體與融化的水充分反應(yīng)生成天然氣水 合物,當(dāng)上下柱塞泵里的氣體體積沒有明顯變化時(shí),表明空隙里的水已經(jīng)與甲烷氣體完全 反應(yīng)。此時(shí),關(guān)閉針閥5(:、5(1、5€、58、511,排出柱塞泵713、7(3內(nèi)的甲烷氣體,然后水槽8經(jīng)循 環(huán)泵4b、針閥5e,再分別經(jīng)針閥5d、5g將水注入到柱塞泵6b、6c中。柱塞泵6b、6c逐漸升 高壓力,并保持一定的壓差,此時(shí)打開針閥5c、5h,使試樣內(nèi)的殘余甲烷氣體在壓差的作用 下被驅(qū)替完全。
[0037] 2)圍壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)工作過程:恒溫槽12經(jīng)循環(huán)泵4c、針閥5j所需溫 度的液壓油注入到柱塞泵6d內(nèi),柱塞泵6d經(jīng)壓力變送器7d、針閥5i向壓力室注入液壓油, 以控制所需圍壓和溫度。
[0038] 3)軸向加載系統(tǒng)工作過程:油槽3經(jīng)循環(huán)泵4a、針閥5a將液壓油注入到柱塞泵 6a,柱塞泵6a經(jīng)壓力變送器7a、針閥5b將液壓油注入到小型液壓油缸14推動(dòng)活塞16進(jìn)行 軸向加載。
[0039] 4)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作過程:溫度傳感器11、壓力變送器4a、4b、4c、4d采集 得到恒溫槽溫度及各管路壓力信號(hào),CT機(jī)拍攝得到水合物沉積物圖像信號(hào),這些信號(hào)被傳 輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)1里再進(jìn)行顯示 和存儲(chǔ)。
[0040] 圖3a所示為自壓式三軸儀主機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。將凍結(jié)的試樣19套上橡皮膜20放置 在底盤21上,在試樣頂部放置滲流墊18以防止砂土顆粒進(jìn)入管路造成堵塞,將端蓋17放 置于滲流墊18上面,然后將壓力室腔體22通過螺栓固定在底盤21上,固定好后,安裝活塞 16,并將小型液壓油缸14按照圖3所示通過螺絲固定在壓力室腔體22頂端。最后將快速 接頭A、C、D以及加壓口 15按照圖2所示接入管路系統(tǒng)準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特征在于,包含低溫高壓水 合物三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)、X射線CT成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 所述的低溫高壓水合物三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)包含自壓式三軸儀主機(jī)、軸向加載系統(tǒng)、圍壓 控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng);所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系 統(tǒng)均與所述自壓式三軸儀主機(jī)相連,分別控制試樣承受的荷載、圍壓和孔隙壓力;所述溫度 控制系統(tǒng)與所述圍壓控制系統(tǒng)相連,用于控制柱塞泵D內(nèi)液壓油的溫度,進(jìn)而控制試樣的 溫度; 所述自壓式三軸儀主機(jī)置于X射線CT成像系統(tǒng)的載物臺(tái)上,包括頂置一體化軸向加載 裝置和高壓三軸壓力室;所述頂置一體化軸向加載裝置包括小型液壓油缸和活塞;通過小 型液壓油缸中的液壓油驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向加載力;小型液壓油缸與所述高壓三軸 壓力室之間采用螺絲連接,上方設(shè)置有加壓口和排氣口 A,方便加載過程中油缸進(jìn)行排氣; 所述小型液壓油缸下方設(shè)置兩個(gè)排氣口 B,用于將加載過程中活塞下方的氣體排出;所述 高壓三軸壓力室包括壓力室腔體和底盤,活塞與壓力室腔體之間通過密封圈密封,并與試 樣端蓋相對應(yīng),用于傳遞軸向加載力;所述壓力室腔體的壁厚根據(jù)實(shí)驗(yàn)對壓力和成像分辨 率的要求,通過計(jì)算并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試確定,壓力室腔體的外壁通過抗拉強(qiáng)度大的材料加固;壓 力室腔體的上方設(shè)置有排氣口 C,用于加載圍壓時(shí)排出壓力室腔體內(nèi)的殘余空氣;壓力室 腔體與底盤之間采用螺絲連接,并使用密封圈進(jìn)行密封;所述底盤的中心設(shè)置凸起圓柱,用 作放置試樣的底座;底盤的四周對稱分布有四個(gè)通道:通道A、通道B、通道C和通道D,其中 通道A、通道B和通道C與高壓三軸壓力室連通,通道D通過底盤的中心,并經(jīng)由所述試樣的 底座、滲流墊與試樣的下端連通;所述試樣的端蓋中心設(shè)置有通道,通道的一端通過柔性管 道與所述底盤的通道A相連,另一端與所述滲流墊和試樣的上端連通;所述試樣采用橡皮 膜密封包裹; 所述軸向加載系統(tǒng)包含油槽、循環(huán)泵A和柱塞泵A ;所述油槽經(jīng)循環(huán)泵A提供柱塞泵A 所需的液壓油;柱塞泵A通過柔性管道與小型液壓油缸的加壓口相連,提供軸向加載所需 要的液壓;試樣承受的軸向荷載通過液壓油壓力和活塞的橫截面積相乘獲得,軸向位移通 過所述活塞的位移獲得; 所述圍壓控制系統(tǒng)包含柱塞泵D,通過柔性管道與底盤的通道C相連,提供試驗(yàn)過程中 所需的液壓油,并維持壓力; 所述背壓控制系統(tǒng)包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷氣瓶、水槽和循環(huán)泵B ;所述甲烷氣瓶 經(jīng)減壓閥與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連;所述水槽經(jīng)循環(huán)泵B與所述柱塞泵B和柱塞泵 C相連;所述柱塞泵B經(jīng)針閥C與所述底盤的通道A通過柔性管道連接,所述柱塞泵C經(jīng)針 閥Η與所述底盤的通道D通過柔性管道連接;所述背壓控制系統(tǒng)用于控制試驗(yàn)過程中試樣 的孔隙壓力,并提供天然氣水合物沉積物反應(yīng)所需要的天然氣和水; 所述溫度控制系統(tǒng)包含恒溫槽和循環(huán)泵C,循環(huán)泵C通過針閥J與所述圍壓控制系統(tǒng)相 連,將冷卻至試驗(yàn)溫度的液壓油經(jīng)由柱塞泵D注入至壓力室腔體,并維持試驗(yàn)所需壓力; 所述X射線CT成像系統(tǒng)用于試驗(yàn)過程中試樣的在線CT成像掃描,獲取天然氣水合物 沉積物試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像,分析其演變規(guī)律; 所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含溫度傳感器、四個(gè)壓力變送器、與CT掃描系統(tǒng)和水合物 三軸儀系統(tǒng)采用電氣連接的數(shù)據(jù)采集模塊,并把采集的溫度、壓力、軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變以 及試樣掃描圖像數(shù)據(jù)傳給工控機(jī)處理,進(jìn)而分析天然氣水合物沉積物的宏觀和微觀力學(xué)特 性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特征 在于,所述的頂置一體化軸向加載裝置采用航空高強(qiáng)度鋁合金材料設(shè)計(jì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其 特征在于,所述的高壓三軸壓力室采用高純鋁材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其 特征在于,所述的壓力室腔體的外壁通過玻璃纖維加固。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特征 在于,所述的壓力室腔體的外壁通過玻璃纖維加固。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置, 其特征在于,所述的自壓式三軸儀主機(jī)與所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng) 之間采用柔性管道相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特征 在于,所述的自壓式三軸儀主機(jī)與所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)之間采 用柔性管道相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特征 在于,所述的自壓式三軸儀主機(jī)與所述軸向加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、背壓控制系統(tǒng)之間采 用柔性管道相連。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、5、7或8所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝 置,其特征在于,所述的自壓式三軸儀主機(jī)采用自壓式結(jié)構(gòu),將試樣承受的荷載轉(zhuǎn)換成主機(jī) 的內(nèi)部荷載。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的所述天然氣水合物沉積物力學(xué)特性可視化試驗(yàn)裝置,其特 征在于,所述的自壓式三軸儀主機(jī)采用自壓式結(jié)構(gòu),將試樣承受的荷載轉(zhuǎn)換成主機(jī)的內(nèi)部 荷載。
【文檔編號(hào)】G01N3/12GK104155188SQ201410357319
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】宋永臣, 李洋輝, 劉衛(wèi)國, 徐曉虎, 趙佳飛, 楊明軍 申請人:大連理工大學(xué)