一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法，該裝置通過將釜體置于恒溫箱的內(nèi)部，上活塞組件穿過釜體并通過壓帽與剪切盒接觸，下活塞組件穿過釜體與剪切盒的下剪切板連接，第一測量機構(gòu)設(shè)置在上活塞組件的側(cè)部，第二測量機構(gòu)設(shè)置在下活塞組件的側(cè)部，第三測量機構(gòu)設(shè)置在釜體的側(cè)部，氣體回收模塊與釜體的內(nèi)腔相連；氣壓供給模塊與上活塞組件的內(nèi)腔相連；氣源供給模塊與釜體的內(nèi)腔相連；液壓供給模塊與下活塞組件的內(nèi)腔相連；真空環(huán)境生成模塊與釜體的內(nèi)腔相連；數(shù)據(jù)采集終端分別與各模塊及機構(gòu)連接，實現(xiàn)了真實模擬海底天然氣水合物形成，且具有反應(yīng)時間短的特點。
【專利說明】一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天然氣水合物沉積物測試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物是甲烷CH4等天然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(jié)構(gòu)的空隙中，從而形成一種固體狀物質(zhì)。作為一種戰(zhàn)略性替代能源，天然氣水合物具有巨大的商業(yè)開發(fā)價值，預(yù)計在本世紀(jì)的能源消費結(jié)構(gòu)中將占據(jù)主要地位。隨著石油和天然氣資源的日益短缺，開發(fā)天然氣水合物這一新型替代能源就顯得尤為迫切。同時，天然氣水合物不合理的開發(fā)會引起海底的地質(zhì)滑坡和甲烷氣體的大量釋放進入大氣，這樣會嚴(yán)重危險海洋構(gòu)筑物的安全并且引起全球變暖。因此，針對海底天然氣水合物的研究是未來大規(guī)模開發(fā)利用天然氣水合物的必然要求，其具有非常重要戰(zhàn)略意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，針對含天然氣水合物沉積物力學(xué)性狀的相關(guān)研究尚處于起步與探索階段。目前已有的力學(xué)指標(biāo)測試方法主要有二種:一是將預(yù)先制得粉末狀固體水合物與土顆?；旌?，然后把制成的混合物放入低溫的環(huán)境中以開展剪切實驗；二是直接在土樣孔隙中生成天然氣水合物。首先將具有一定含水量或含冰量的土樣放入實驗裝置內(nèi)，利用真空泵抽真空后注入天然氣氣體并施加一定壓力，然后降低溫度形成含天然氣水合物土試樣。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的弊端在于:
[0005]第一種方法離自然原位水合物生成模式相差甚遠(yuǎn)；第二種方法由于氣體在氣水界面生成的致密水合物層的擴散系數(shù)很低，將導(dǎo)致水合物生成時間相當(dāng)?shù)拈L，并使試樣孔隙中水合物分布相當(dāng)不均勻，使得試驗結(jié)果可靠性大大降低。
[0006]因此以上現(xiàn)有的制備及方法無法真實反映海底天然氣水合物形成的實際情況；或者反應(yīng)時間較長，無法滿足試驗的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及方法；該裝置及方法能夠?qū)崿F(xiàn)真實反映海底天然氣水合物形成的實際情況，且具有反應(yīng)時間短的特點。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置，該裝置包括:釜體；剪切盒；壓帽；以及恒溫箱，用于為所述釜體提供恒定的作業(yè)溫度；所述釜體置于所述恒溫箱的內(nèi)部；上活塞組件，用于在實驗過程中給試樣加載垂直壓力，所述上活塞組件穿過所述釜體并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸；下活塞組件，用于在實驗過程中給所述剪切盒提供剪切力，所述下活塞組件穿過所述釜體與所述剪切盒的下剪切板連接；第一測量機構(gòu)，用于測量所述上活塞組件豎直方向上的位移；所述第一測量機構(gòu)設(shè)置在所述上活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第二測量機構(gòu)，用于測量所述下活塞組件水平方向上的位移；所述第二測量機構(gòu)設(shè)置在所述下活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第三測量機構(gòu)，用于測量所述釜體內(nèi)部的作業(yè)溫度；所述第三測量機構(gòu)設(shè)置在所述釜體的側(cè)部，且二者固定連接；氣體回收模塊，用于回收所述釜體內(nèi)升溫分解水合物所產(chǎn)生的氣體；所述氣體回收模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連；氣壓供給模塊，用于為所述上活塞組件垂直方向上的運動提供氣壓；所述氣壓供給模塊與所述上活塞組件的內(nèi)腔相連；氣源供給模塊，用于為所述釜體的內(nèi)腔提供氣源；所述氣源供給模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連；液壓供給模塊，用于為所述下活塞組件水平方向勻速運動提供液壓；所述液壓供給模塊與所述下活塞組件的內(nèi)腔相連；真空環(huán)境生成模塊，用于為所述釜體的內(nèi)腔制造真空環(huán)境；所述真空環(huán)境生成模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連；數(shù)據(jù)采集終端，用于實時采集所述第一測量機構(gòu)、所述第二測量機構(gòu)、所述第三測量機構(gòu)、所述氣壓供給模塊、所述氣源供給模塊、所述液壓供給模塊所測量的數(shù)據(jù)信號。
[0009]進一步地,所述上活塞組件包括:上活塞及上活塞桿；所述上活塞桿依次穿過所述上活塞、所述釜體的頂部并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸；所述第一測量機構(gòu)設(shè)置在所述上活塞的側(cè)部；所述氣壓供給模塊與所述上活塞的內(nèi)腔相連。
[0010]進一步地，所述下活塞組件包括:下活塞及下活塞桿；所述下活塞桿依次穿過所述下活塞、所述釜體的側(cè)部與所述剪切盒的下剪切板連接；所述第二測量機構(gòu)設(shè)置在所述下活塞的側(cè)部；所述液壓供給模塊與所述下活塞的內(nèi)腔相連。
[0011]進一步地，所述第一測量機構(gòu)是第一位移傳感器，所述第一位移傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接；和/或，所述第二測量機構(gòu)是第二位移傳感器，所述第二位移傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接；和/或，所述第三測量機構(gòu)是溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接。
[0012]進一步地，所述氣體回收模塊包括:氣體回收裝置以及氣體回收閥門；所述氣體回收裝置通過所述氣體回收閥門與所述釜體的內(nèi)腔相連。
[0013]進一步地，所述氣壓供給模塊包括:第一氣瓶、第一調(diào)壓閥、第一復(fù)位閥、第一放空閥、第一加壓閥、第一壓力表、第一壓力傳感器以及第一復(fù)位放空閥；所述第一氣瓶與所述第一調(diào)節(jié)閥連接；所述第一調(diào)壓閥依次通過所述第一復(fù)位閥、所述第一放空閥與所述上活塞的內(nèi)腔相連；所述第一調(diào)壓閥依次通過所述第一加壓閥、所述第一壓力表、所述第一壓力傳感器以及所述第一復(fù)位放空閥與所述上活塞的內(nèi)腔相連；所述第一壓力傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量所述上活塞的內(nèi)腔壓力。
[0014]進一步地，所述氣源供給模塊包括:第二氣瓶、第二調(diào)壓閥、第三調(diào)壓閥、高壓閥、低壓閥、第二壓力表、第二壓力傳感器以及第二放空閥；所述第二氣瓶分別與所述第二調(diào)壓閥、所述第三調(diào)壓閥連接；所述第二調(diào)壓閥依次通過所述高壓閥、所述第二壓力表、所述第二壓力傳感器及第二放空閥與所述釜體的內(nèi)腔相連；所述第三調(diào)壓閥依次通過所述低壓閥、所述第二壓力表、所述第二壓力傳感器及所述第二放空閥與所述釜體的內(nèi)腔相連；所述第二放空閥設(shè)置在所述釜體上；所述第二壓力傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量所述下活塞的內(nèi)腔壓力。
[0015]進一步地，所述液壓供給模塊包括:恒流泵、第二加壓閥、第二復(fù)位放空閥、第三壓力傳感器、第二復(fù)位閥以及第三放空閥；所述恒流泵依次通過所述第二加壓閥、所述第二復(fù)位放空閥、所述第三壓力傳感器與所述下活塞的內(nèi)腔相連；所述恒流泵依次通過所述第二復(fù)位閥、所述第三放空閥與所述下活塞的內(nèi)腔相連；所述第三壓力傳感器、所述恒流泵分別與所述數(shù)據(jù)采集終端連接。
[0016]進一步地，所述真空環(huán)境生成模塊包括:真空泵以及真空閥門；所述真空泵通過所述真空閥門與所述釜體的內(nèi)腔相連。
[0017]依據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗方法，其基于上述裝置，包括如下步驟:試樣成樣步驟，用于設(shè)定試樣密度，并采用千斤頂壓模成樣、或者采用在剪切盒內(nèi)分層擊實成樣；試樣安裝步驟，用于將試樣放置于剪切盒中，并對釜體進行密封；真空生成步驟，用于打開真空閥門，依次關(guān)閉第二放空閥、低壓閥、高壓閥以及真空泵，對雜異氣體進行排除；氣源供給步驟，用于關(guān)閉真空泵以及真空閥門，依次打開第二氣瓶、低壓閥和/或高壓閥對釜體充氣，并通過第二調(diào)壓閥和/或第三調(diào)壓閥對釜體內(nèi)壓力值進行調(diào)節(jié)；恒溫制樣步驟，用于關(guān)閉第二氣瓶、低壓閥和/或高壓閥，待氣體完全滲透到試樣中時關(guān)閉恒溫箱，將溫度降低至_2°C至4°C ;同時采集釜體內(nèi)壓力數(shù)值；水合物合成判定步驟，用于當(dāng)釜體的氣體壓力數(shù)值保持穩(wěn)定不變時，則判定高壓反應(yīng)容器中土樣中的水合物合成完成；試樣加壓步驟，用于在水合物合成完成之后，首先打開第一加壓閥、以及第一放空閥，關(guān)閉第一復(fù)位閥以及第一復(fù)位放空閥；然后打開第一氣瓶，并通過第一調(diào)壓閥調(diào)節(jié)上活塞桿對試樣所作用的壓力數(shù)值；直剪切步驟，用于給試樣加壓完成之后，首先打開第二加壓閥以及第三放空閥，關(guān)閉第二復(fù)位閥以及第二復(fù)位放空閥；然后通過數(shù)據(jù)采集終端設(shè)置直剪切速率，開啟試驗機對試樣進行直剪切試驗；氣體回收步驟，用于依次關(guān)閉試驗機、恒流泵，打開第二放空閥、氣體回收閥門；提升恒溫箱溫度，最終通過氣體回收裝置收集試樣水合物分解所釋放的氣體并測量所釋放氣體的體積。
[0018]本發(fā)明的提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置，通過將釜體置于所述恒溫箱的內(nèi)部；上活塞組件穿過釜體并通過壓帽與剪切盒接觸；下活塞組件穿過釜體與剪切盒的下剪切板連接；第一測量機構(gòu)設(shè)置在上活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第二測量機構(gòu)設(shè)置在下活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第三測量機構(gòu)設(shè)置在釜體的側(cè)部，且二者固定連接；氣體回收模塊與釜體的內(nèi)腔相連；氣壓供給模塊與上活塞組件的內(nèi)腔相連；氣源供給模塊與釜體的內(nèi)腔相連；液壓供給模塊與下活塞組件的內(nèi)腔相連；真空環(huán)境生成模塊與釜體的內(nèi)腔相連；同時，通過數(shù)據(jù)采集終端實時采集第一測量機構(gòu)、第二測量機構(gòu)、第三測量機構(gòu)、氣壓供給模塊、氣源供給模塊、液壓供給模塊所測量的數(shù)據(jù)信號；實現(xiàn)了在實驗室中快速、準(zhǔn)確地模擬海洋環(huán)境中原位含天然氣水合物土的制樣，且通過該裝置制得的試樣中水合物分布均勻，接近于自然界中含天然氣水合物沉積物試樣；最終通過該裝置依據(jù)不同地質(zhì)工況確定垂直壓力進行直剪試驗，從而獲得抗剪強度、模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)指標(biāo)；其原理符合現(xiàn)場原位水合物形成模式和開采工況條件，且具有結(jié)構(gòu)對簡單、造價低廉及實用性廣的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖；以及
[0021]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗方法的工藝流程示意圖；
[0022]其中，1-釜體，2-剪切盒，3-壓帽，4-恒溫箱，5-溫度傳感器，6_氣體回收裝置，7-氣體回收閥門，8-高壓閥，9-低壓閥，10-恒流泵，11-真空泵，12-真空閥門，13-試樣，14-信號處理器，15-PC機，101-上活塞，102-下活塞，201-上活塞桿，202-下活塞桿，301-第一位移傳感器,302-第二位移傳感器,401-第一氣瓶,402-第二氣瓶,501-第一調(diào)壓閥，502-第二調(diào)壓閥，503-第三調(diào)壓閥，601-第一復(fù)位閥，602-第二復(fù)位閥，701-第一放空閥，702-第二放空閥，703-第三放空閥，801-第一加壓閥，802-第二加壓閥，901-第一壓力表，902-第二壓力表，110-第一壓力傳感器，111-第二壓力傳感器，112-第三壓力傳感器，120-第一復(fù)位放空閥，121-第二復(fù)位放空閥。
【具體實施方式】
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置，包括:釜體I ;剪切盒2 ;壓帽3 ;用于為釜體提供所需的恒定作業(yè)溫度的恒溫箱4，且釜體I置于恒溫箱4的內(nèi)部；用于在實驗過程中給試樣加載垂直壓力的上活塞組件，且上活塞組件穿過釜體I并通過壓帽3與剪切盒2接觸；用于在實驗過程中給剪切盒2提供剪切力的下活塞組件，且下活塞組件穿過釜體I與剪切盒2的下剪切板連接；用于在實驗過程中測量上活塞組件豎直方向上位移量的第一測量機構(gòu)，且第一測量機構(gòu)設(shè)置在上活塞組件的側(cè)部，二者固定連接；用于在實驗過程中測量下活塞組件水平方向上位移量的第二測量機構(gòu)，且第二測量機構(gòu)設(shè)置在下活塞組件的側(cè)部，二者固定連接；用于在實驗過程中測量釜體I內(nèi)部作業(yè)溫度的第三測量機構(gòu)，且第三測量機構(gòu)設(shè)置在釜體I的側(cè)部，二者固定連接；用于回收釜體I內(nèi)升溫分解水合物所產(chǎn)生的氣體的氣體回收模塊，且氣體回收模塊與釜體I的內(nèi)腔相連；用于為上活塞組件垂直方向上的運動提供氣壓的氣壓供給模塊，且氣壓供給模塊與上活塞組件的內(nèi)腔相連；用于為釜體I的內(nèi)腔提供氣源的氣源供給模塊，且氣源供給模塊與釜體I的內(nèi)腔相連；用于為下活塞組件水平方向勻速運動提供液壓的液壓供給模塊，且液壓供給模塊與下活塞組件的內(nèi)腔相連；用于為釜體I的內(nèi)腔制造真空環(huán)境的真空環(huán)境生成模塊，且真空環(huán)境生成模塊與釜體I的內(nèi)腔相連；以及，用于實時采集第一測量機構(gòu)、第二測量機構(gòu)、第三測量機構(gòu)、氣壓供給模塊、氣源供給模塊、液壓供給模塊所測量的數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)采集終端。
[0025]具體而言，第一測量機構(gòu)、第二測量機構(gòu)、第三測量機構(gòu)、氣壓供給模塊、氣源供給模塊以及液壓供給模塊分別通過有線連接或無線連接的方式與數(shù)據(jù)采集終端連接進行信號傳遞，優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集終端包括PC機15及信號處理器14 ;即，第一測量機構(gòu)、第二測量機構(gòu)、第三測量機構(gòu)、氣壓供給模塊、氣源供給模塊以及液壓供給模塊分別通過有線連接或無線連接的方式與信號處理器14連接，信號處理器14與PC機15連接。[0026]本實施例中，優(yōu)選的,上活塞組件包括:上活塞101及上活塞桿201。其中，上活塞桿201依次穿過上活塞101、釜體I的頂部并通過壓帽3與剪切盒2接觸；同時，第一測量機構(gòu)設(shè)置在上活塞101的側(cè)部；氣壓供給模塊與上活塞101的內(nèi)腔相連。試驗過程中，上活塞桿201具體用于給試樣13加載相應(yīng)的垂直壓力。
[0027]本實施例中，優(yōu)選的，下活塞組件包括:下活塞102及下活塞桿202。其中，下活塞桿202依次穿過下活塞102、釜體I的側(cè)部與剪切盒2的下剪切板連接；同時，第二測量機構(gòu)設(shè)置在下活塞102的側(cè)部；液壓供給模塊與下活塞102的內(nèi)腔相連。試驗過程中，下活塞桿202具體用于為剪切盒2提供剪切力。
[0028]本實施例中，優(yōu)選的，第一測量機構(gòu)可以是第一位移傳感器301，具體用于測量上活塞桿101在豎直方向上的位移量，且第一位移傳感器301可通過有線連接或無線連接的連接方式與數(shù)據(jù)采集終端(信號處理器14)連接進行信號傳遞；第二測量機構(gòu)可以是第二位移傳感器302，具體用于測量下活塞桿102水平方向上的位移量，且第二位移傳感器302可通過有線連接或無線連接的連接方式與數(shù)據(jù)采集終端(信號處理器14)連接進行信號傳遞；第三測量機構(gòu)可以是溫度傳感器5，具體用于測量釜體I內(nèi)部的溫度(功能反應(yīng)試樣的溫度)，且溫度傳感器5與數(shù)據(jù)采集終端(信號處理器14)連接進行信號傳遞。
[0029]本實施例中，優(yōu)選的，氣體回收模塊包括:氣體回收裝置6以及氣體回收閥門7 ;其中，氣體回收裝置6通過氣體回收閥門7與釜體I的內(nèi)腔相連；該模塊主要用于試驗完成后，通過氣體回收裝置6對升溫分解水合物產(chǎn)生的氣體進行回收；氣體回收裝置6的回收原理已為現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。
[0030]本實施例中，優(yōu)選的，氣壓供給模塊包括:第一氣瓶401、第一調(diào)壓閥501、第一復(fù)位閥601、第一放空閥701、第一加壓閥801、第一壓力表901、第一壓力傳感器110以及第一復(fù)位放空閥120 ;其中，第一氣瓶401通過第一調(diào)壓閥501、第一復(fù)位閥601、第一放空閥701、第一加壓閥801、第一壓力表901、第一壓力傳感器110以及第一復(fù)位放空閥120與上活塞101的內(nèi)腔相連；同時，第一壓力傳感器110與數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量上活塞101的內(nèi)腔壓力并將測量數(shù)值傳輸至數(shù)據(jù)采集終端；第一氣瓶401可為上活塞桿201垂直方向運動提供氣壓。
[0031]具體而言，第一氣瓶401與第一調(diào)節(jié)閥501連接；第一調(diào)壓閥501依次通過第一復(fù)位閥601、第一放空閥701與上活塞101的內(nèi)腔相連；同時，第一調(diào)壓閥501還依次通過第一加壓閥801、第一壓力表901、第一壓力傳感器110以及第一復(fù)位放空閥120與上活塞101的內(nèi)腔相連。
[0032]本實施例中，優(yōu)選的，氣源供給模塊包括:第二氣瓶402、第二調(diào)壓閥502、第三調(diào)壓閥503、高壓閥8、低壓閥9、第二壓力表902、第二壓力傳感器111以及第二放空閥702 ；其中，第二氣瓶402通過第二調(diào)壓閥402、第三調(diào)壓閥503、高壓閥8、低壓閥9、第二壓力表902、第二壓力傳感器111以及第二放空閥702與釜體I的內(nèi)腔相連；同時，第二放空閥702設(shè)置在釜體I上；且第二壓力傳感器111與所述數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量下活塞102的內(nèi)腔壓力并將測量數(shù)值傳輸至數(shù)據(jù)采集終端；第二氣瓶402可為釜體I內(nèi)腔提供氣源。
[0033]具體而言，第二氣瓶402分別與第二調(diào)壓閥502、第三調(diào)壓閥503連接；第二調(diào)壓閥502依次通過高壓閥8、第二壓力表902、第二壓力傳感器111及第二放空閥702與釜體I的內(nèi)腔相連；第三調(diào)壓閥503依次通過低壓閥9、第二壓力表902、第二壓力傳感器111及第二放空閥702與釜體I的內(nèi)腔相連。
[0034]本實施例中，優(yōu)選的，液壓供給模塊包括:恒流泵10、第二加壓閥802、第二復(fù)位放空閥121、第三壓力傳感器112、第二復(fù)位閥602以及第三放空閥703 ;其中，恒流泵10通過第二加壓閥802、第二復(fù)位放空閥121、第三壓力傳感器112、第二復(fù)位閥602以及第三放空閥703與下活塞102的內(nèi)腔相連；同時，第三壓力傳感器112、恒流泵10分別與數(shù)據(jù)采集終端連接。試驗過程中，恒流泵10具體用于為下活塞桿202水平方向勻速運動提供液壓。
[0035]具體而言，恒流泵10依次通過第二加壓閥802、第二復(fù)位放空閥121、第三壓力傳感器112與下活塞102的內(nèi)腔相連；恒流泵10依次通過第二復(fù)位閥602、第三放空閥703與下活塞102的內(nèi)腔相連。
[0036]本實施例中，優(yōu)選的，真空環(huán)境生成模塊包括:真空泵11以及真空閥門12。其中，真空泵11通過真空閥門12與釜體I的內(nèi)腔相連。試驗過程中，真空泵11能夠?qū)崿F(xiàn)為釜體I內(nèi)容制造真空環(huán)境。
[0037]本實施例中，所闡述的復(fù)位閥、放空閥以及復(fù)位放空閥均可通過具有通、斷氣/液傳輸功能的閥門進行等同替換。
[0038]與本發(fā)明實施例提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置相對應(yīng)，本發(fā)明實施例還提供了一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗方法，請參閱圖2，該方法包括如下步驟:
[0039]步驟1000:試樣成樣步驟，用于設(shè)定試樣密度，并采用千斤頂壓模成樣、或者采用在剪切盒內(nèi)分層擊實成樣；其中，試樣直徑可設(shè)定為61.8mm,高度可設(shè)定為20mm ;且試樣密度的設(shè)定可以是模擬海底天然氣水合物穩(wěn)定層土壤密度1.5?2.5g/cm3，含水率2%?40% ；
[0040]步驟2000:試樣安裝步驟，用于將試樣13放置于剪切盒2中，并對釜體I進行密封；具體操作可將釜體蓋打開后，將成型的試樣13放置于剪切盒2中，并在試樣13上放置一個墊片，再安裝好壓帽3，將釜體蓋蓋上，最后安裝密封好釜體I ;其中，墊片和壓帽3均有氣孔，便于氣體進入試樣13中；
[0041]步驟3000:真空生成步驟，用于先打開真空閥門12，再依次關(guān)閉第二放空閥702、低壓閥9、高壓閥8以及真空泵11，對雜異氣體進行排除(對釜體I及部分管路進行抽真空)；
[0042]步驟4000:氣源供給步驟，用于抽氣完成后，關(guān)閉真空泵11以及真空閥門12，依次打開第二氣瓶402、低壓閥9和/或高壓閥8對釜體I充氣，并通過第二調(diào)壓閥502和/或第三調(diào)壓閥503對釜體I內(nèi)壓力值進行調(diào)節(jié)至所需壓力數(shù)值(當(dāng)所需壓強大于2Mpa時，打開釜體高壓閥8，反之，打開釜體低壓閥9)；
[0043]步驟5000:恒溫制樣步驟，用于當(dāng)充氣完畢之后，關(guān)閉第二氣瓶402、低壓閥9和/或高壓閥8，待氣體完全滲透到試樣13中時關(guān)閉恒溫箱4，將溫度降低至-2°C至4°C;同時，啟動數(shù)據(jù)采集終端對數(shù)據(jù)進行采集；
[0044]步驟6000:水合物合成判定步驟，用于當(dāng)釜體I中的氣體壓力保持穩(wěn)定不變時，判定剪切盒2中土樣水合物合成完成；其中，判定在相應(yīng)的溫度壓力條件下，溫度一般為-2?4°C，二氧化碳壓力一般為2?3Mpa，甲烷一般為3?6Mpa ；
[0045]步驟7000:試樣加壓步驟，用于在水合物合成完成之后，首先打開第一加壓閥801、以及第一放空閥701，關(guān)閉第一復(fù)位閥601以及第一復(fù)位放空閥120 ;然后打開第一氣瓶401，并通過第一調(diào)壓閥501調(diào)節(jié)上活塞桿101對試樣所作用的壓力數(shù)值(可將該壓力數(shù)值調(diào)至所需數(shù)值)；
[0046]步驟8000:直剪切步驟，用于給試樣13加壓完成之后，首先打開第二加壓閥801以及第三放空閥703，關(guān)閉第二復(fù)位閥602以及第二復(fù)位放空閥121 ;然后通過數(shù)據(jù)采集終端設(shè)置直剪切速率，開啟試驗機對試樣13進行直剪切試驗；
[0047]步驟9000:氣體回收步驟，用于依次關(guān)閉試驗機、恒流泵10、高壓閥8、低壓閥9以及真空泵11，打開第二放空閥702、氣體回收閥門7;提升恒溫箱4溫度(參考溫度25°C)，實現(xiàn)試樣的水合物分解(水合物的分解過程一般持續(xù)24小時)，進而通過氣體回收裝置6收集試樣水合物分解所釋放的氣體并測量所釋放氣體的體積。
[0048]最終，依據(jù)本發(fā)明數(shù)據(jù)采集終端(PC機15及信號處理器14)所采集的測量數(shù)據(jù)以及通過氣體回收裝置7所測量的氣體體積，通過理論計算獲取水合物相關(guān)參數(shù)(水合物飽和度、抗剪強度、模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)指標(biāo))，在本試驗裝置及方法所采集測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行水合物相關(guān)參數(shù)的計算已為現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。
[0049]本發(fā)明提供的一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置及其試驗方法，實現(xiàn)了對含天然氣水合物土的實驗室制樣后開展直剪切強度的測試，根據(jù)不同含水率的土樣施加滿足水合物形成的溫壓條件的氣體與溫度，形成含天然氣水合物土試樣，通過不同土樣的含水率來控制水合物飽和度，測試不同水合物飽和度下含天然氣水合物土的抗剪強度，研究含水合物土的力學(xué)特性，具體包括:
[0050]首先，通過使氣體在高壓反應(yīng)釜中慢慢滲透到處于低溫和一定壓力的含水土樣中，使得在一定的氣體壓力與溫度條件下溶于水中的氣體與水結(jié)合形成天然氣水合物填充于土樣孔隙中，即生成的含天然氣水合物土樣孔隙中只有液態(tài)水與固態(tài)的水合物存在，而沒有游離氣存在，實現(xiàn)了在實驗室中快速、準(zhǔn)確地模擬海洋環(huán)境中原位含天然氣水合物土的制樣，且制得的試樣中水合物分布均勻，接近于自然界中含天然氣水合物土試樣；
[0051]然后，根據(jù)不同地質(zhì)工況確定垂直壓力進行直剪試驗，從而獲得抗剪強度、模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)指標(biāo)；其原理符合現(xiàn)場原位水合物形成模式和開采工況條件，且具有結(jié)構(gòu)對簡單、造價低廉及實用性廣的特點。
[0052]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗裝置，其特征在于，包括:釜體；剪切盒；壓帽；以及 恒溫箱，用于為所述釜體提供恒定的作業(yè)溫度；所述釜體置于所述恒溫箱的內(nèi)部； 上活塞組件，用于在實驗過程中給試樣加載垂直壓力，所述上活塞組件穿過所述釜體并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸；下活塞組件，用于在實驗過程中給所述剪切盒提供剪切力，所述下活塞組件穿過所述釜體與所述剪切盒的下剪切板連接； 第一測量機構(gòu)，用于測量所述上活塞組件豎直方向上的位移；所述第一測量機構(gòu)設(shè)置在所述上活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第二測量機構(gòu)，用于測量所述下活塞組件水平方向上的位移；所述第二測量機構(gòu)設(shè)置在所述下活塞組件的側(cè)部，且二者固定連接；第三測量機構(gòu)，用于測量所述釜體內(nèi)部的作業(yè)溫度；所述第三測量機構(gòu)設(shè)置在所述釜體的側(cè)部，且二者固定連接； 氣體回收模塊，用于回收所述釜體內(nèi)升溫分解水合物所產(chǎn)生的氣體；所述氣體回收模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連；氣壓供給模塊，用于為所述上活塞組件垂直方向上的運動提供氣壓；所述氣壓供給模塊與所述上活塞組件的內(nèi)腔相連；氣源供給模塊，用于為所述釜體的內(nèi)腔提供氣源；所述氣源供給模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連；液壓供給模塊，用于為所述下活塞組件水平方向勻速運動提供液壓；所述液壓供給模塊與所述下活塞組件的內(nèi)腔相連；真空環(huán)境生成模塊，用于為所述釜體的內(nèi)腔制造真空環(huán)境；所述真空環(huán)境生成模塊與所述釜體的內(nèi)腔相連； 數(shù)據(jù)采集終端，用于實時采集所述第一測量機構(gòu)、所述第二測量機構(gòu)、所述第三測量機構(gòu)、所述氣壓供給模塊、所述氣源供給模塊、所述液壓供給模塊所測量的數(shù)據(jù)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述上活塞組件包括: 上活塞及上活塞桿； 所述上活塞桿依次穿過所述上活塞、所述釜體的頂部并通過所述壓帽與所述剪切盒接觸； 所述第一測量機構(gòu)設(shè)置在所述上活塞的側(cè)部；所述氣壓供給模塊與所述上活塞的內(nèi)腔相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述下活塞組件包括: 下活塞及下活塞桿； 所述下活塞桿依次穿過所述下活塞、所述釜體的側(cè)部與所述剪切盒的下剪切板連接；所述第二測量機構(gòu)設(shè)置在所述下活塞的側(cè)部；所述液壓供給模塊與所述下活塞的內(nèi)腔相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于: 所述第一測量機構(gòu)是第一位移傳感器，所述第一位移傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接； 和/或， 所述第二測量機構(gòu)是第二位移傳感器，所述第二位移傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接； 和/或， 所述第三測量機構(gòu)是溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述氣體回收模塊包括: 氣體回收裝置以及氣體回收閥門； 所述氣體回收裝置通過所述氣體回收閥門與所述釜體的內(nèi)腔相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述氣壓供給模塊包括: 第一氣瓶、第一調(diào)壓閥、第一復(fù)位閥、第一放空閥、第一加壓閥、第一壓力表、第一壓力傳感器以及第一復(fù)位放空閥； 所述第一氣瓶與所述第一調(diào)節(jié)閥連接；所述第一調(diào)壓閥依次通過所述第一復(fù)位閥、所述第一放空閥與所述上活塞的內(nèi)腔相連；所述第一調(diào)壓閥依次通過所述第一加壓閥、所述第一壓力表、所述第一壓力傳感器以及所述第一復(fù)位放空閥與所述上活塞的內(nèi)腔相連；所述第一壓力傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量所述上活塞的內(nèi)腔壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述氣源供給模塊包括: 第二氣瓶、第二調(diào)壓閥、第三調(diào)壓閥、高壓閥、低壓閥、第二壓力表、第二壓力傳感器以及第二放空閥； 所述第二氣瓶分別與所述第二調(diào)壓閥、所述第三調(diào)壓閥連接；所述第二調(diào)壓閥依次通過所述高壓閥、所述第二壓力表、所述第二壓力傳感器及第二放空閥與所述釜體的內(nèi)腔相連；所述第三調(diào)壓閥依次通過所述低壓閥、所述第二壓力表、所述第二壓力傳感器及所述第二放空閥與所述釜體的 內(nèi)腔相連； 所述第二放空閥設(shè)置在所述釜體上；所述第二壓力傳感器與所述數(shù)據(jù)采集終端連接，用于測量所述下活塞的內(nèi)腔壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述液壓供給模塊包括: 恒流泵、第二加壓閥、第二復(fù)位放空閥、第三壓力傳感器、第二復(fù)位閥以及第三放空閥； 所述恒流泵依次通過所述第二加壓閥、所述第二復(fù)位放空閥、所述第三壓力傳感器與所述下活塞的內(nèi)腔相連；所述恒流泵依次通過所述第二復(fù)位閥、所述第三放空閥與所述下活塞的內(nèi)腔相連； 所述第三壓力傳感器、所述恒流泵分別與所述數(shù)據(jù)采集終端連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述真空環(huán)境生成模塊包括: 真空泵以及真空閥門； 所述真空泵通過所述真空閥門與所述釜體的內(nèi)腔相連。
10.一種含天然氣水合物土直剪強度的試驗方法，基于權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，包括如下步驟: 試樣成樣步驟，用于設(shè)定試樣密度，并采用千斤頂壓模成樣、或者采用在剪切盒內(nèi)分層擊實成樣； 試樣安裝步驟，用于將試樣放置于剪切盒中，并對釜體進行密封； 真空生成步驟，用于打開真空閥門，依次關(guān)閉第二放空閥、低壓閥、高壓閥以及真空泵，對雜異氣體進行排除； 氣源供給步驟，用于關(guān)閉真空泵以及真空閥門，依次打開第二氣瓶、低壓閥和/或高壓閥對釜體充氣，并通過第二調(diào)壓閥和/或第三調(diào)壓閥對釜體內(nèi)壓力值進行調(diào)節(jié)； 恒溫制樣步驟，用于關(guān)閉第二氣瓶、低壓閥和/或高壓閥，待氣體完全滲透到試樣中時關(guān)閉恒溫箱，將溫度降低至_2°C至4°C ;同時采集釜體內(nèi)壓力數(shù)值； 水合物合成判定步驟，用于當(dāng)釜體的氣體壓力數(shù)值保持穩(wěn)定不變時，則判定高壓反應(yīng)容器中土樣中的水合物合成完成； 試樣加壓步驟，用于在水合物合成完成之后，首先打開第一加壓閥、以及第一放空閥，關(guān)閉第一復(fù)位閥以及第一復(fù)位放空閥；然后打開第一氣瓶，并通過第一調(diào)壓閥調(diào)節(jié)上活塞桿對試樣所作用的壓力數(shù)值； 直剪切步驟，用于給試樣加壓完成之后，首先打開第二加壓閥以及第三放空閥，關(guān)閉第二復(fù)位閥以及第二復(fù)位放空閥；然后通過數(shù)據(jù)采集終端設(shè)置直剪切速率，開啟試驗機對試樣進行直剪切試驗； 氣體回收步驟，用于依次關(guān)閉試驗機、 恒流泵，打開第二放空閥、氣體回收閥門；提升恒溫箱溫度，最終通過氣體回收裝置收集試樣水合物分解所釋放的氣體并測量所釋放氣體的體積。
【文檔編號】G01N3/24GK103616300SQ201310642679
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】魏厚振, 韋昌富, 況輝, 田慧會 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所