CN104655494A - 深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，它包括加载框架，加载框架上端外侧设置有用于提升压力室筒罩的提升油缸，内侧设置有负荷传感器；下端设置有通过伺服阀连接动态伺服油源***的加载油缸；加载油缸上部设置有底座，底座内设置有压力室进出油孔、冷却循环液进出孔；底座上通过密封环、卡环和卡环固定套密封连接压力室筒罩，形成压力室；底座中间位置处设置有下压垫，下压垫顶部通过下渗流垫与试样一端连接；试样另一端通过上渗流垫与上压垫一端连接，上压垫另一端与活塞端面连接，活塞顶部与负荷传感器对应设置；试样中部设置有换热器，换热器通过底座内的冷却循环液进出孔与设置在动三轴试验仪外部的恒温槽连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物沉积物机械特性测量领域中的试验仪，特别是关于一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪。
背景技术
天然气水合物资源量丰富、能量密度高，是一种极具开发前景的新型洁净能源，其安全开采已成为21世纪石油天然气工业新的研究热点。然而，天然气水合物不同于常规的石油、天然气等资源，它以胶结或者骨架支撑的形式存在于储层中。同时它也是一种亚稳态物质，温度升高或者压力降低都有可能造成水合物分解。水合物沉积物在分解后，固态水合物转变成液态水和甲烷气，土颗粒之间胶结作用消失，孔隙压力增大，导致有效应力降低，当受到地震、波浪等动荷载的影响时，可能产生软化、气化甚至振动液化现象，导致水合物沉积层的失稳，引起海底生产设施及结构物基础的破坏。因此，研究天然气水合物沉积物在动荷载作用下的力学响应特性对天然气水合物的安全开采具有重要意义。
近年来，国内外许多研究机构进行了一系列天然气水合物沉积物的力学特性研究工作，并设计、开发了多套水合物沉积物力学特性实验装置。然而，当前使用的实验装置都只能用于静荷载作用下水合物沉积物的力学特性分析，不能获得水合物沉积物在波浪、地震等动荷载条件下的力学响应特性。常规的动三轴实验装置不能提供天然气水合物赋存稳定存在的温度和压力条件，经改造后能初步满足天然气水合物动力特性分析要求，但仍不能实现深水天然气水合物沉积物的动力特性分析，且因操作不方便(试样安装、压力室安装、水合物生成等)未能得到广泛应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，该动三轴试验仪操作简捷，能有效模拟水合物沉积物的动力学特性，对我国海域天然气水合物矿藏的勘探与开采起重要的指导作用。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：它包括加载框架、提升油缸、负荷传感器、加载油缸、伺服阀、动态伺服油源***、底座、压力室进出油孔、冷却循环液进出孔、密封环、卡环、卡环固定套、压力室筒罩、压力室、下压垫、下渗流垫、试样、上渗流垫、上压垫、活塞和换热器；所述加载框架采用门式结构，所述加载框架上端外侧设置有用于提升所述压力室筒罩的所述提升油缸，内侧设置有所述负荷传感器；所述加载框架下端设置有所述加载油缸，所述加载油缸通过所述伺服阀连接所述动态伺服油源***；位于所述加载油缸上部设置有所述底座，所述底座内一侧设置有所述压力室进出油孔、另一侧设置有所述冷却循环液进出孔；所述底座上通过所述密封环、卡环和卡环固定套密封连接所述压力室筒罩，所述压力室筒罩内形成所述压力室；位于所述压力室内，在所述底座中间位置处设置有所述下压垫，所述下压垫顶部通过所述下渗流垫与所述试样一端连接；所述试样另一端通过所述上渗流垫与所述上压垫一端连接，所述上压垫另一端与所述活塞端面连接，所述活塞顶部与所述负荷传感器对应设置；所述试样中部设置有所述换热器，所述换热器通过所述底座内的所述冷却循环液进出孔与设置在动三轴试验仪外部的恒温槽连接。
上述技术方案中，所述动态伺服油源***包括所述加载油缸、所述伺服阀、油箱、冷却器、过滤器、溢流阀、液压泵、压力表、电机、A/D模块和上位机；所述油箱一侧设置有所述冷却器，另一侧依次通过所述过滤器、溢流阀连接所述液压泵入口，所述液压泵出口连接所述伺服阀；位于所述液压泵出口处还设置有所述压力表，且所述液压泵由所述电机带动工作，所述电机和伺服阀经所述A/D模块连接所述上位机。
所述下压垫和上压垫上还分别设置有下气水通孔和上气水通孔；所述活塞上设置活塞排气孔。
所述底座下部设置有小车，并在所述加载框架下端上部设置有与所述小车配合的导轨。
上述技术方案中，所述加载油缸的活塞端面安装有测试精度为10-6应变的轴向位移传感器。
上述技术方案中，所述压力室进出油孔、下气水通孔和上气水通孔的进口处都设置有压力传感器；所述压力室内还设置有温度传感器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用的动三轴试验仪能够模拟自然条件下天然气水合物储层的温度、压力和应力状态等参数，分析围压、固结比、温度、饱和度、排水条件、水合物胶结形态等对水合物沉积物动力特性的影响，进而提出水合物沉积物动力破坏标准、孔压发展模式，并建立水合物沉积物的动模量和动阻尼比随动剪应变幅值与平均有效固结压力的变化关系。对我国海域天然气水合物矿藏的勘探与开采起重要的指导作用。2、本发明能够实现天然气水合物沉积物的原位生成与分解，可直接在压力室内生成天然气水合物并进行动力特性分析，极大地方便和简化试样安装、压力室安装、以及天然气水合物沉积物的生成等过程，操作简洁便利。3、本发明能提供水合物沉积物试样的动弹性模量、动剪切模量和阻尼比以及动强度、动应变和动孔隙水压力等参数；通过天然气水合物沉积物的动三轴实验，对水合物沉积物的动力学特性及其安全开采、灾害防御等具有指导意义。本发明可以广泛在天然气水合物沉积物机械特性测量领域中应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是将图1中的压力室筒罩移开时的部分结构示意图；
图3是本发明的动态伺服油源***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明提供一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其包括加载框架1、提升油缸2、负荷传感器3、加载油缸4、伺服阀5、动态伺服油源***、底座6、压力室进出油孔7、冷却循环液进出孔8、密封环9、卡环10、卡环固定套11、压力室筒罩12、压力室13、下压垫14、下渗流垫15、试样16、上渗流垫17、上压垫18、活塞19和换热器20。
加载框架1采用门式结构，加载框架1上端外侧设置有提升油缸2，内侧设置有负荷传感器3；加载框架1下端设置有用于提供动态加载过程中需要试验荷载的加载油缸4，加载油缸4通过伺服阀5连接动态伺服油源***，通过伺服阀5控制加载油缸4内活塞的速度和稳定性；位于加载油缸4上部设置有底座6，通过动态伺服油源***和加载油缸4对底座6实施轴向加载。底座6内一侧设置有压力室进出油孔7、另一侧设置有冷却循环液进出孔8。底座6上通过密封环9、卡环10和卡环固定套11密封连接压力室筒罩12，压力室筒罩12内形成压力室13，通过压力室进出油孔7往压力室13中充液压油以控制压力室13中的围压；压力室筒罩12连接提升油缸2，通过提升油缸2实现压力室筒罩12的安装与拆卸。位于压力室13内，在底座6中间位置处设置有下压垫14，下压垫14顶部通过下渗流垫15与试样16一端连接；试样16另一端通过上渗流垫17与上压垫18一端连接，上压垫18另一端与活塞19端面连接，以实现对试样16施加轴向压力；活塞19顶部与负荷传感器3对应设置，用于实验时采集试样16所受到的载荷。试样16中部设置有换热器20，换热器20通过底座6内的冷却循环液进出孔8与设置在动三轴试验仪外部的恒温槽连接，通过换热器20对压力室13内的温度进行控制。
上述实施例中，下压垫14和上压垫18上还分别设置有下气水通孔21和上气水通孔22，通过下气水通孔21和上气水通孔22往试样16中通入气体和水，控制孔隙压力，以原位生成天然气水合物。
上述各实施例中，活塞19上设置活塞排气孔23，用于排出压力室13内残余的空气。
上述各实施例中，底座6下部设置有小车24，并在加载框架1下端上部设置有导轨25，小车24通过导轨25进行移动，方便试样16的安装。
上述各实施例中，加载油缸4的活塞端面安装有轴向位移传感器26，该位移传感器的测试精度为10-6应变。
上述各实施例中，压力室进出油孔7、下气水通孔21和上气水通孔22的进口处都设置有压力传感器，压力传感器连接设置在动三轴试验仪外部的伺服控制器，伺服控制器根据压力传感器反馈的压力值调节和控制压力室13内的围压和试样孔隙压力。
上述各实施例中，压力室13内还设置有温度传感器，温度传感器连接连接设置在动三轴试验仪外部的伺服控制器，进而通过恒温槽来控制换热器20，实现对压力室13内的温度进行测量并控制。
上述各实施例中，如图3所示，动态伺服油源***用于给加载油缸4工作腔和回油腔提供压力油，其包括加载油缸4、伺服阀5、油箱27、冷却器28、过滤器29、溢流阀30、液压泵31、压力表32、电机33、A/D模块34和上位机35。油箱27一侧设置有冷却器28，另一侧依次通过过滤器29、溢流阀30连接液压泵31入口，液压泵31出口连接伺服阀5，液压泵31经伺服阀5向加载油缸4内注油。位于液压泵31出口处还设置有压力表32，且液压泵31由电机33带动工作，电机33和伺服阀5经A/D模块34连接上位机35，经上位机35控制，通过伺服阀5调节和维持压力室13内相应的温度、压力和负荷。
综上所述，当本发明的轴向激振频率为0-5Hz，频率精度为±0.2％，最大幅值为2mm，最大轴向试验力为600kN时，可模拟深水天然气水合物沉积物在动荷载条件下的动力响应特性。当动态伺服油源***的最大工作压力为25MPa，最大流量为30L/min，本发明在动态伺服油源***中还设置具有过压保护、油路堵塞报警和油温过高报警等功能的装置。本发明的加载油缸4经动态伺服油源***能够施加的最大围压为30MPa，围压的精度为±0.5％；由温度传感器和换热器20能够控制压力室13内的温度范围为243K～298K，温度控制精度为±0.1℃，可模拟深水天然气水合物储层的压力和温度。
基于本发明的动三轴试验仪，对试样16进行动力特性分析的具体方法如下：
首先，将安装有上渗流垫17、下渗流垫15的试样16放入压力室13中，并在试样16上下两端安装上压垫11、下压垫14，并将下压垫14与底座6固定连接；通过提升油缸2将压力室筒罩12放置在底座6上，压力室筒罩12与底座6通过密封环9、卡环10和卡环固定套11密封连接；将活塞19放入压力室13中，并与上压垫18固定连接；
然后，通过进油孔8往压力室13中充液压油，控制所需围压，通过上气水通孔22、下气水通孔21将甲烷气体充入试样16中，控制所需孔隙压力，通过换热器20控制温度，在设定的温压条件下原位生成水合物沉积物试样；
最后，通过动态伺服加载***对试样16进行动加载，在各种载荷下测量试样16的动力特性，通过预先设置的数据采集***将数据实时记录到计算机中。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：它包括加载框架、提升油缸、负荷传感器、加载油缸、伺服阀、动态伺服油源***、底座、压力室进出油孔、冷却循环液进出孔、密封环、卡环、卡环固定套、压力室筒罩、压力室、下压垫、下渗流垫、试样、上渗流垫、上压垫、活塞和换热器；
所述加载框架采用门式结构，所述加载框架上端外侧设置有用于提升所述压力室筒罩的所述提升油缸，内侧设置有所述负荷传感器；所述加载框架下端设置有所述加载油缸，所述加载油缸通过所述伺服阀连接所述动态伺服油源***；位于所述加载油缸上部设置有所述底座，所述底座内一侧设置有所述压力室进出油孔、另一侧设置有所述冷却循环液进出孔；所述底座上通过所述密封环、卡环和卡环固定套密封连接所述压力室筒罩，所述压力室筒罩内形成所述压力室；位于所述压力室内，在所述底座中间位置处设置有所述下压垫，所述下压垫顶部通过所述下渗流垫与所述试样一端连接；所述试样另一端通过所述上渗流垫与所述上压垫一端连接，所述上压垫另一端与所述活塞端面连接，所述活塞顶部与所述负荷传感器对应设置；所述试样中部设置有所述换热器，所述换热器通过所述底座内的所述冷却循环液进出孔与设置在动三轴试验仪外部的恒温槽连接。
2.如权利要求1所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述动态伺服油源***包括所述加载油缸、所述伺服阀、油箱、冷却器、过滤器、溢流阀、液压泵、压力表、电机、A/D模块和上位机；所述油箱一侧设置有所述冷却器，另一侧依次通过所述过滤器、溢流阀连接所述液压泵入口，所述液压泵出口连接所述伺服阀；位于所述液压泵出口处还设置有所述压力表，且所述液压泵由所述电机带动工作，所述电机和伺服阀经所述A/D模块连接所述上位机。
3.如权利要求1所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述下压垫和上压垫上还分别设置有下气水通孔和上气水通孔；所述活塞上设置活塞排气孔。
4.如权利要求2所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述下压垫和上压垫上还分别设置有下气水通孔和上气水通孔；所述活塞上设置活塞排气孔。
5.如权利要求1～4任一项所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述底座下部设置有小车，并在所述加载框架下端上部设置有与所述小车配合的导轨。
6.如权利要求1～4任一项所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述加载油缸的活塞端面安装有测试精度为10-6应变的轴向位移传感器。
7.如权利要求5所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述加载油缸的活塞端面安装有测试精度为10-6应变的轴向位移传感器。
8.如权利要求1～4、7任一项所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述压力室进出油孔、下气水通孔和上气水通孔的进口处都设置有压力传感器；所述压力室内还设置有温度传感器。
9.如权利要求5所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述压力室进出油孔、下气水通孔和上气水通孔的进口处都设置有压力传感器；所述压力室内还设置有温度传感器。
10.如权利要求6所述的深水天然气水合物沉积物动力特性分析用的动三轴试验仪，其特征在于：所述压力室进出油孔、下气水通孔和上气水通孔的进口处都设置有压力传感器；所述压力室内还设置有温度传感器。
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