CN113804555B - 水合物及含水合物沉积物拉张破坏过程测试装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天然气水合物工程力学性能测试与评价领域，具体涉及一种水合物及含水合物沉积物拉张破坏过程测试装置与方法。包括水合物拉裂***、气体供给***、制冷***、供压***和数据监测***，水合物拉裂***分别与气体供给***、制冷***、供压***、数据监测***连接；所述水合物拉裂***包括反应釜、水合物承载拉裂架和荷载施加机构，荷载施加机构与水合物承载拉裂架连接，所述水合物承载拉裂架包括下拉裂架和上拉裂架，上拉裂架位于下拉裂架的上方，且上拉裂架滑动套在下拉裂架的外侧。实现了不同沉积物体系中的天然气水合物抗拉强度测试、不同拉力加载方式下的水合物抗拉强度测试以及不同材料对天然气水合物附着力的影响测试。

Description

水合物及含水合物沉积物拉张破坏过程测试装置与方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物工程力学性能测试与评价领域，具体涉及一种通过室内人工重塑不同类型的水合物-沉积物体系并测量其拉张强度及其与其他介质之间附着力的测试方法及装置。
背景技术
天然气水合物又称“可燃冰”，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，主要分布于深海沉积物或陆域永久冻土带。因其具有分布广、储量大、埋藏浅、能效高、污染低等优点，是“后石油时代”最具潜力的替代能源之一，且关于天然气水合物的研究也逐渐受到各国学者关注。
通常情况下，天然气水合物赋存于海底松散的沉积层中，多为泥质胶结的粉砂岩、粉细砂岩，埋藏深度浅，成岩性差，胶结程度低，结构十分疏松，相比于一般沉积层，水合物沉积层的岩石强度相对较弱。特别是在深海钻井和天然气水合物开发过程当中，水合物的分解会导致井眼的坍塌破坏和储层失稳变形，对钻井作业和开发生产带来潜在风险。同时，天然气水合物的开采是一个敏感***，储层温度、压力、体积的微小变化都会导致水合物的分解或形成，相态的变化会改变沉积层的强度性质，引起储层和井眼的破坏。
在上述过程中，水合物储层的破坏类型可能是压剪破坏，也可能发生拉伸破坏。特别是，如果采用储层改造(如水力压裂、水力割缝等)增产条件下，水合物储层的破坏形式出现拉伸破坏的概率将会非常大。然而，目前关于水合物力学行为的研究，主要包括应力应变关系、压缩特性、抗剪强度特性等，通过直剪仪、三轴剪力仪等仪器来实现，基本没有对水合物抗拉强度测试的仪器。水合物储层抗拉特性参数都是基于常规岩石领域的经验公式根据抗压强度测试值估算，无直接的实验数据作为支撑。因此，亟待研发天然气水合物储层抗拉特性评价的装置与测试方法。
在材料领域抗拉强度比较常见，如金属材料的抗压强度测试测试方法比较简单，但不适用于水合物测试。混凝土抗压强度测试中，测试方法多是在承受轴向拉力芯样试件的两端，用建筑结构胶粘贴特制的钢夹具进行直接的拉裂，受限于水合物存在的低温高压条件，这种方法显然不适合；上述两种抗拉强度测试均是试件与拉力施加装置直接粘结接触，水合物需要在高压低温条件下稳定存在，且不可以直接与拉力施加装置粘结。在岩石力学中，对于岩石抗拉强度的测试，受限于试件制作和实现单轴拉伸加载的困难，多是通过间接拉伸试验测定岩石抗拉强度，如劈裂试验，直接拉伸试验开展的很少。对于水合物其存在需要满足高压低温的条件，测试过程需要在水合物不发生分解的条件下进行，所以劈裂试验也是不能满足的。
综上所述，目前尚无水合物抗拉行为测试的装置，其他相关领域抗拉强度测试装置不适用于水合物测试，所以有必要开发一套适用于水合物抗拉行为测试的装置与方法，该装置和方法在满足不同类型的水合物抗拉破坏特性测试的同时，能够兼测水合物与不同金属/非金属试件间的摩擦粘附力，为水合物试采过程中可能发生的井筒水合物堆积与清除提供一定的基础参数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种水合物及含水合物沉积物拉张破坏过程测试装置与方法，实现了不同沉积物体系中的天然气水合物抗拉强度测试、不同拉力加载方式下的水合物抗拉强度测试以及不同材料对天然气水合物附着力的影响测试。
本发明的技术方案是：一种天然气水合物拉张强度测试装置，其中，包括水合物拉裂***、气体供给***、制冷***、供压***和数据监测***，水合物拉裂***分别与气体供给***、制冷***、供压***、数据监测***连接；
所述水合物拉裂***包括反应釜、水合物承载拉裂架和荷载施加机构，荷载施加机构与水合物承载拉裂架连接，水合物承载拉裂架和荷载施加机构均设置在反应釜内；
所述水合物承载拉裂架包括下拉裂架和上拉裂架，上拉裂架位于下拉裂架的上方，且上拉裂架滑动套在下拉裂架的外侧；
所述上拉裂架包括上粗筒、上细筒和上盖，上细筒的顶端中部与上粗筒固定连接，且上细筒的内腔与上粗筒的内腔连通，上粗筒的顶端与上盖之间固定连接，上盖的底部表面中部固定有环扣，上粗筒的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔；
所述下拉裂架包括下细筒、下粗筒和下盖，下粗筒的顶端中部与下细筒固定连接，且下粗筒的内腔与下细筒的内腔连通，下粗筒的底端与下盖之间固定连接，下细筒滑动套在上细筒的内侧，下粗筒的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔，下粗筒的顶部表面均匀间隔设置三个定位槽，荷载施加机构放置在定位槽内，下细筒上部的环形侧壁上设有安装有密封圈Ⅱ的卡槽，密封圈Ⅱ位于上细筒和下细筒之间，下细筒下部的环形侧壁上对称固定有三个限位板；
所述荷载施加机构包括数个沿下粗筒的顶部表面均匀间隔设置的水压活塞，水压活塞包括外筒和活塞，外筒内设有竖向空腔，活塞滑动设置在竖向空腔内，活塞的顶部与上拉裂架接触，活塞下部的外表面设有两道安装有密封圈Ⅲ的凹槽，密封圈Ⅲ位于活塞和外筒之间，外筒的下部设有注水孔，外筒的竖向空腔通过注水孔与供压***连通。
本发明中，所述反应釜包括反应釜本体、反应釜盖和蓝宝石玻璃，反应釜盖固定在反应釜本体的顶部，反应釜盖外壁的下部设有环形的密封圈Ⅰ，密封圈Ⅰ位于反应釜盖和反应釜本体之间；
所述反应釜盖内设有温度传感器安装孔，反应釜本体的侧壁中部设有蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃和反应釜本体之间设有密封垫，反应釜本体的侧壁上还有设有进气孔和进水管道，反应釜本体通过进气孔与气体供给***连接，反应釜本体通过进水管道与供压***连接进而与活塞装置连接，反应釜本体的底部设有圆形凹槽Ⅰ，水合物承载拉裂架安装在凹槽Ⅰ内。
所述上粗筒和上细筒呈一体式结构，上粗筒和上细筒的连接处呈45°倒角，下细筒和下粗筒呈一体式结构，下细筒和下粗筒的连接处呈45°倒角；所述上盖的顶部表面和下盖的底部表面均对称设置两个凹槽Ⅱ。
所述制冷***包括反应釜夹套和水浴箱，反应釜夹套包覆在水合物拉裂***的外侧，反应釜夹套与水浴箱连接。
所述供压***包括自动控制泵和液体流量计，自动控制泵分别通过连接管路与各水压活塞连接，自动控制泵的出口处设有液体流量计。
所述数据监测***包括计算机、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ，压力传感器Ⅰ位于***供给***和反应釜的连接管路上，压力传感器Ⅱ位于自动控制泵的出口端和荷载施加机构的连接管路上，且位于液体流量计的后方，反应釜的上部和下部分别设有温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ。
本发明还包括利用该装置进行水合物拉裂行为测试的方法，包括以下步骤：
S1.选定要测试的沉积物体系；
S2.向水合物承载拉裂架内盛装待测试样品，在反应釜内生成天然气水合物；
S3.生成天然水水合物后，通过水压活塞对上拉裂架施加向上的推力，通过工字型拉裂架，将该推力转变为对水合物储层的向上的拉力，从而对天然气水合物进行拉裂测试：
通过自动控制泵同时向数个水压活塞的外筒内注入液体，当活塞下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞向上运移，上细筒内的天然气水合物受到拉力，到达一定极限后，拉裂架内的天然气水合物发生断裂；
数个水压活塞对上拉裂架施加向上的推力，通过工字型的拉裂架将推力转变为水合物储层的向上拉力，通过以下公式得到样品的抗拉强度：
F1＝λ1×S1 (1)
S1＝3S2 (2)
λ实＝F1/S3 (3)
其中F1为作用在天然气水合物地层上的实际拉力，λ1为自动控制泵出口端的压力传感器Ⅱ实时测量到的压力值，S1为外部拉力的实际作用面积，S2为活塞的底面面积，S3为拉裂断面的面积，为下细筒或上细筒的横截面面积，λ实为样品的抗拉强度。
通过液体流量计记录的流量和水压活塞的尺寸参数，通过以下公式计算得到活塞的位移:
V1＝πR2h1 (4)
V2＝πR2h2 (5)
△h＝h2-h1 (6)
其中，V1为活塞外筒的底部与活塞底部之间的空腔的初始体积，通过液体流量计的初始测量值获取；V2为活塞外筒底部与活塞底部之间的空腔的实时体积，通过液体流量计记录的注入量得到；π为圆周率；R为外筒的内径；△h为活塞的实时位移量。
步骤S2中，天然气水合物的装样和生成包括以下具体步骤：
S2.1.打开水合物承载拉裂架，将上拉裂架和下拉裂架分开，下拉裂架倒置后将下细筒的开口用盖子封住，打开下粗筒开口处的下盖，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，装样完成，将下盖拧紧固定在下粗筒的开口处，再次倒置下拉裂架，并将下拉裂架放入反应釜内；
S2.2.在各定位槽内安装水压活塞，将下细筒开口处的盖子打开；
S2.3.将下细筒插至上细筒的内侧，当上细筒下插至限位板上时，上拉裂架的位置固定，此时水压活塞的顶端与上拉裂架接触，打开上盖，向上拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，当上拉裂架内装满样品后，装样完成，将上盖拧紧在上粗筒的开口处；
S2.4.连接管路，封闭反应釜，通过制冷***使反应釜保持恒定的低温状态，通过气体供给***向反应釜内通入高压气体，反应釜内的样品与高压气体反应生成天然气水合物，水合物生成过程中，通过数据监控***实时监控反应釜内的温度和压力数据，当天然气水合物生成并稳定后，即可进行拉裂测试。
当需要测试块状水合物抗拉特性时，使用冰粉与气体合成水合物，，装样之前先通过制冷***将反应釜的温度降温至0℃以下，然后将冰粉根据步骤S2装填至拉裂架内；装样完成后，将反应釜的温度升高至冰点以上，水合物平衡相以内，确保水合物生成且无冰的生成。
步骤S3中，通过自动控制泵控制液体的流速，液体以实现恒定的压力增长梯度的注入速度进行测试，或者以恒定的流量注入速度进行测试，实现了在不同的应力路径下的不同沉积***中的水合物破坏特性研究。
本发明还包括利用上述装置进行不同材料对水合物附着力影响测试的方法，其中，包括以下步骤：
S1.将待测试的材料制成长条状的杆件；
S2.选定要测试的沉积物体系；
S3.在下拉裂架内装填样品并生成天然气水合物，包括以下具体步骤：
S3.1.下拉裂架倒置后将下细筒的开口用盖子封住，打开下粗筒开口处的下盖，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，装样完成，将下盖拧紧固定在下粗筒的开口处，再次倒置下拉裂架，并将下拉裂架放入反应釜内；
S3.2.将下细筒开口处的盖子打开，将杆件***下细筒内装填的样品内，杆件的顶端与上盖的扣环连接；在各定位槽内安装水压活塞，水压活塞的顶端直接与上盖的下表面接触；
S3.3.生成天然气水合物；
S4.通过拉拔测试待测试材料与天然气水合物之间的附着力:
通过自动控制泵同时向多个水压活塞内注入液体，当活塞下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞向上运移，此时由待测试材料制成的杆件随着上盖一起上移，当拉力到一定极限值后，杆件从下细筒的天然气水合物内拔出，直至杆件从上细筒地层中全部拔出后，力值降低为相对零点，测试结束，，通过以下公式得到不同材料的摩擦强度：
Figure GDA0003341756480000051
S4＝2πr×(h-Δh)- (8)
其中λψ为测试材料的摩擦强度，S4为测试杆件与水合物的接触面积，即杆件接触的表面积，r为杆件截面的半径，h为杆件***水合物储层中的深度，△h为活塞的实时位移量。
本发明的有益效果是：
(1)自然界中天然气水合物有多种赋存状态，本申请可以通过模拟生成孔隙水合物、块状水合物以及两者混合，测量评价不同赋存类型的天然气水合物在拉力作用的破坏特征；
(2)通过自动控制泵，实现不同拉力加载方式，主要是恒定压力增长梯度和拉力快速增长两种方式，从而实现不同的应力路径下的不同沉积物体系中的水合物破坏特征研究；
(3)可以实现不同材料表面与天然气水合物之间的附着力测试，评价不同涂层对天然气水合物附着力的影响，从而优选筛管、气体输送管道、关键部位阀门等的加工材料。
附图说明
图1是本发明的连接结构示意图；
图2是水合物拉裂***的剖视结构示意图；
图3是水合物承载拉裂架的剖视结构示意图；
图4是下部拉裂架的结构示意图；
图5是上部拉裂架的结构示意图；
图6是荷载施加机构的结构示意图；
图7是利用该装置测试不同材料对水合物附着力影响的结构示意图。
图中：1水合物拉裂***；1-1反应釜；1-1-1反应釜本体；1-1-2蓝宝石玻璃；1-1-3密封垫；1-1-4反应釜盖；1-1-5温度传感器安装孔；1-1-6密封圈Ⅰ；1-1-7进气孔；1-1-8进水管道；1-1-9凹槽Ⅰ；1-2水合物承载拉裂架；1-2-1下拉裂架；1-2-2上拉裂架；1-2-3下细筒；1-2-4下粗筒；1-2-5上粗筒；1-2-6上细筒；1-2-7气孔；1-2-8限位块；1-2-9凹槽Ⅱ；1-2-10环扣；1-2-11密封圈Ⅱ；1-2-12下盖；1-2-13定位槽；1-2-14上盖；1-3荷载施加机构；1-3-1水压活塞Ⅰ；1-3-2水压活塞Ⅱ；1-3-3水压活塞Ⅲ；1-3-4活塞；1-3-5外筒；1-3-6密封圈Ⅲ；1-3-7注水孔；2气体供给***；2-1气瓶；2-2气体增压机构；3制冷***；3-1反应釜夹套；3-2水浴箱；4供压***；4-1自动控制泵；4-2液体流量计；5数据监测***；5-1压力传感器Ⅰ；5-2压力传感器Ⅱ；5-3温度传感器Ⅰ；5-4温度传感器Ⅱ；6杆件。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的天然气水合物拉张强度测试装置包括水合物拉裂***1、气体供给***2、制冷***3、供压***4和数据监测***5，水合物拉裂***1分别与气体供给***2、制冷***3、供压***4、数据监测***5连接。
水合物拉裂***1包括反应釜1-1、水合物承载拉裂架1-2和荷载施加机构1-3，荷载施加机构1-3与水合物承载拉裂架1-2连接，水合物承载拉裂架1-2和荷载施加机构1-3均设置在反应釜1-1内。如图2所示，反应釜1-1为高压低温反应釜，耐压可达15MPa，包括反应釜本体1-1-1、反应釜盖1-1-4和蓝宝石玻璃1-1-2，反应釜盖1-1-4固定在反应釜本体1-1-1的顶部，反应釜盖1-1-4外壁的下部设有环形的密封圈Ⅰ1-1-6，密封圈Ⅰ1-1-6位于反应釜盖1-1-4和反应釜本体1-1-1之间，使反应釜盖1-1-4和反应釜本体1-1-1之间密封连接，从而使反应釜盖1-1-4和反应釜本体1-1-1形成密闭的腔体，水合物承载拉裂架1-2位于该腔体内。本实施例中，反应釜1-1的形状为外方内圆形。
反应釜盖1-1-4内设有温度传感器安装孔1-1-5。反应釜本体1-1-1的侧壁中部设有蓝宝石玻璃1-1-2，蓝宝石玻璃1-1-2和反应釜本体1-1-1之间设有密封垫1-1-3，实现了蓝宝石玻璃1-1-2和反应釜本体1-1-1之间的密封连接。反应釜本体1-1-1的侧壁上还有设有进气孔1-1-7和进水管道1-1-8：反应釜本体1-1-1通过进气孔1-1-7与气体供给***2连接，通过进气孔1-1-7向反应釜内注入气体，反应釜本体1-1-1通过进水管道1-1-8与供压***4连接，通过进水管道1-1-8向荷载施加机构1-3注入流体。反应釜本体1-1-1的底部设有圆形凹槽Ⅰ1-1-9，凹槽Ⅰ1-1-9用于安装水合物承载拉裂架1-2，防止拉裂架晃动。
如图3至图5所示，水合物承载拉裂架1-2包括下拉裂架1-2-1和上拉裂架1-2-2，上拉裂架1-2-2位于下拉裂架1-2-1的上方，且上拉裂架1-2-2套在下拉裂架1-2-1的外侧。
如图5所示，上拉裂架1-2-2包括上粗筒1-2-5、上细筒1-2-6和上盖1-2-14，上细筒1-2-6的顶端中部与上粗筒1-2-5固定连接，且上细筒1-2-6的内腔与上粗筒1-2-5的内腔连通，腔体内盛装有待测试样品。上粗筒1-2-5的顶端与上盖1-2-14之间呈螺纹连接，通过上盖1-2-14便于均匀的向上拉裂架内装填样品和清理。本实施例中，上粗筒1-2-5和上细筒1-2-6呈一体式结构，上粗筒1-2-5和上细筒1-2-6的连接处呈45°倒角，上粗筒1-2-5的直径为上细筒1-2-6的3倍，上细筒1-2-6的高度为上粗筒1-2-5直径的1.5倍。上盖1-2-14的顶部表面对称设置两个凹槽Ⅱ1-2-9，凹槽Ⅱ用于配合专用工具安装和拆卸下盖。上盖1-2-14的底部表面中部固定有环扣1-2-10，环扣1-2-10可以用于悬挂特定形状的杆件。上粗筒1-2-5的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔1-2-7，气体可以通过气孔均匀进入上拉裂架内，并与上拉裂架内装填的样品充分反应生产水合物。
如图4所示，下拉裂架1-2-1包括下细筒1-2-3、下粗筒1-2-4和下盖1-2-12，下粗筒1-2-4的顶端中部与下细筒1-2-3固定连接，且下粗筒1-2-4的内腔与下细筒1-2-3的内腔连通，腔体内盛装有待测试样品。下粗筒1-2-4的底端与下盖1-2-12之间呈螺纹连接，通过下盖1-2-12便于均匀的向下拉裂架内装填样品和清理。上细筒1-2-6可滑动的套在下细筒1-2-3的外侧。本实施例中，下细筒1-2-3和下粗筒1-2-4呈一体式结构，下细筒1-2-3和下粗筒1-2-4的连接处呈45°倒角，下粗筒1-2-4的直径为下细筒1-2-3的3倍，下粗筒1-2-4的高度为下细筒1-2-3直径的1.5倍。下盖1-2-12的底部表面对称设置两个凹槽Ⅱ1-2-9，凹槽Ⅱ用于配合专用工具安装和拆卸下盖。
下粗筒1-2-4的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔1-2-7，气体可以通过气孔均匀进入下拉裂架内，并与下拉裂架内装填的样品充分反应生产水合物。下粗筒1-2-4的顶部表面均匀间隔设置数个定位槽1-2-13，荷载施加机构1-3放置在定位槽1-2-13内。本实施例中，下粗筒1-2-4的顶部表面设有三个定位槽，各定位槽之间呈120°夹角分布。下细筒1-2-3的上部的环形侧壁上设有安装有密封圈Ⅱ1-2-11的卡槽，密封圈Ⅱ1-2-11位于下细筒1-2-3和上细筒1-2-6之间，通过设置密封圈Ⅱ，可以防止上拉裂架内装填的样品进入上细筒和下细筒之间并形成水合物，产生摩擦力。下细筒1-2-3下部的环形侧壁上对称固定有数个限位板1-2-8，限位板1-2-8用于限制上拉裂架的下落位置。当上细筒1-2-6插至限位板1-2-8时，上拉裂架的位置固定，此时荷载施加机构1-3的上端与上拉裂架接触。
荷载施加机构1-3位于上拉裂架和下拉裂架之间，荷载施加机构1-3的顶端与上拉裂架接触，荷载施加机构1-3的底端与下拉裂架连接。如图6所示，荷载施加机构1-3包括数个沿下粗筒1-2-4的顶部表面均匀间隔设置的水压活塞，本实施例中包括三个水压活塞，分别为水压活塞Ⅰ1-3-1、水压活塞Ⅱ1-3-2、水压活塞Ⅲ1-3-3，三个水压活塞分别设置定位槽内。水压活塞包括外筒1-3-5和活塞1-3-4，外筒1-3-5内设有竖向空腔，活塞1-3-4滑动设置在竖向空腔内，活塞1-3-4下部的外表面设有数道安装有密封圈Ⅲ1-3-7的凹槽，密封圈Ⅲ1-3-7位于活塞1-3-4和外筒1-3-5之间，对外筒1-3-5内的液体起到了密封作用。外筒1-3-5的下部设有注水孔1-3-7，外筒的竖向空腔通过注水孔1-3-7与供压***4连通，供压***4通过注水孔1-3-7向水压活塞内注入液体，提供压力。本实施例中，三个水压活塞之间相互独立，且各水压活塞之间呈并联连接，即分别通过连接管道与供压***4连接，压力始终保持一致。通过供压***向各水压活塞内注入液体并产生压力，当活塞1-3-4下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞1-3-4向上运移，此时三个水压活塞内的活塞同步移动。
气体供给***2用于向水合物拉裂***1内注入甲烷气体，包括气瓶2-1和气体增压机构2-2，储存在气瓶2-1内的气体经过气体增压机构2-2的增压后被送至气体供给***2中。
制冷***3用于保证水合物拉裂***1始终处于低温的环境，包括反应釜夹套3-1和水浴箱3-2，反应釜夹套3-1包覆在水合物拉裂***1的外侧，反应釜夹套3-1与水浴箱3-2连接，水浴箱3-2和反应釜夹套3-1内形成水循环，以保证水合物拉裂***1处于温度恒定的低温状态，以保证天然气水合物的生成。
供压***4包括自动控制泵4-1和液体流量计4-2，自动控制泵4-1分别通过连接管路与各水压活塞连接，通过自动控制泵4-1可以实现以固定的流速、或者固定的压力增长梯度同时向各水压活塞内注入液体。自动控制泵4-1的出口处设有液体流量计4-2，用于计算注入到水压活塞中液体的体积，结合水压活塞的尺寸即可计算得到活塞的位移量。
数据监测***5包括计算机、压力传感器Ⅰ5-1、压力传感器Ⅱ5-2、温度传感器Ⅰ5-3、温度传感器Ⅱ5-4，其中压力传感器Ⅰ5-1位于***供给***和反应釜的连接管路上，用于检测水合物生成过程中的压力变化；压力传感器Ⅱ5-2位于自动控制泵4-1的出口端和荷载施加机构1-3的连接管路上，且位于液体流量计4-2的后方，用于监测水合物拉裂过程中拉力的变化；反应釜的上部和下部分别设有温度传感器Ⅰ5-3、温度传感器Ⅱ5-4。计算机分别与压力传感器Ⅰ5-1、压力传感器Ⅱ5-2、温度传感器Ⅰ5-3、温度传感器Ⅱ5-4、液体流量计4-2连接，计算机根据上述传感器和液体流量计实时采集到的数据实时计算活塞位移。
该装置的测试原理是通过数个水压活塞对上拉裂架1-2-2施加向上的推力，该推力通过“工”字型拉裂架转变为对水合物储层的向上的拉力。
本发明还包括利用该装置进行水合物拉裂行为测试的方法，该方法包括以下步骤。
第一步，选定要测试的沉积物体系。
自然界中水合物有多种赋存形式，包括生成孔隙型水合物、块状水合物或者上述两种水合物的混合，通过该方法可以测量评价不同赋存类型的水合物在拉力作用的破坏特征。
当待测试样品为沉积物样品时，即可进行沉积物体系中水合物拉裂测试，此时配制待测试沉积物样品与水混合，按照不同的饱和度确定加水量，可以实现沉积物样品的饱和度在0％-100％之间变化。
当待测试样品为冰粉时，即可进行纯水***中水合物拉力测试，此时通过制冰机制备冰粉末。
当待测试样品为冰粉和沉积物样品的混合物时，即可进行纯水和沉积物接触界面处水合物拉裂测试，此时根据上述方法分别制备冰粉和具有不同饱和度的沉积物样品。
第二步，向水合物承载拉裂架1-2内盛装待测试样品，在反应釜1-1内生成天然气水合物。天然气水合物的装样和生成通过以下具体步骤来完成。
首先，打开水合物承载拉裂架1-2，将上拉裂架1-2-2和下拉裂架1-2-1分开，下拉裂架1-2-1倒置后将下细筒1-2-3的开口用盖子封住，打开下粗筒1-2-4开口处的下盖1-2-12，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，从而保证每次装入下拉裂架内的样品质量相同。装样完成，将下盖1-2-12拧紧固定在下粗筒1-2-4的开口处，再次倒置下拉裂架1-2-1，并将下拉裂架放入反应釜1-1内。装样完成的标准为，根据具体的沉积体系，装入相应的质量、固定击实次数使拉裂架装满，相同沉积体系每次装样质量、击实次数相同。
其次，在各定位槽内安装水压活塞，将下细筒1-2-3开口处的盖子打开。
然后，将上细筒1-2-6插至下细筒1-2-3的外侧，当上细筒1-2-6下插至限位板1-2-8上时，上拉裂架1-2-2的位置固定，此时水压活塞的顶端与上拉裂架1-2-2接触，打开上盖1-2-14，向上拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，当上拉裂架1-2-2内装满样品后，装样完成，将上盖1-2-14拧紧在上粗筒1-2-5的开口处。
最后，连接管路，封闭反应釜1-1，通过制冷***3使反应釜保持恒定的低温状态，通过气体供给***向反应釜1-1内通入高压气体，反应釜内的样品与高压气体反应生成天然气水合物，水合物生成过程中，通过数据监控***5实时监控反应釜内的温度和压力数据，当天然气水合物生成并稳定一定时间后，即可进行下一步的拉裂测试。
如第一步所述，样品可以为沉积物样品、冰粉、或者沉积物样品和冰粉的混合物，当样品中含有冰粉时，装样之前需要先通过制冷***4将反应釜1-1的温度降温至0℃以下，然后将含有冰粉的样品根据上述步骤装填至拉裂架内。装样完成后，将反应釜1-1的温度升高至冰点以上，水合物平衡相以内，确保水合物生成且无冰的生成。
当样品为沉积物样品和冰粉的混合物时，装样过程中，在上拉裂架内装填沉积物、下拉裂架内装填冰粉，或者上拉裂架内装填冰粉、下拉裂架内装填沉积物。
第三步，生成天然水水合物后，通过水压活塞对上拉裂架1-2-2施加向上的推力，通过工字型拉裂架，将该推力转变为对水合物储层的向上的拉力，从而对天然气水合物进行拉裂测试。
通过自动控制泵4-1同时向多个水压活塞的外筒1-3-5内注入液体，当活塞1-3-4下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞1-3-4向上运移，上细筒1-2-6内的天然气水合物受到拉力，到达一定极限后，拉裂架内的天然气水合物发生断裂。通过液体流量计4-2记录的流量和水压活塞的尺寸参数，通过以下公式计算得到活塞1-3-4的位移。
V1＝πR2h1 (4)
V2＝πR2h2 (5)
△h＝h2-h1 (6)
其中，V1为活塞外筒的底部与活塞底部之间的空腔的初始体积，通过读取液体流量计4-2的初始测量值获取；V2为活塞外筒底部与活塞底部之间的空腔的实时体积，通过液体流量计4-2记录的注入量得到；π为圆周率；R为外筒的内径；△h为活塞的实时位移量。
数个水压活塞对上拉裂架施加向上的推力，并通过工字型的拉裂架结构将推力转变为水合物储层的向上拉力，外力的作用面积和天然气水合物地层抗力即所要测得的天然气水合物抗拉强度的作用面积是不同的，通过以下公式得到样品的抗拉强度。
F1＝λ1×S1 (1)
S1＝3S2 (2)
λ实＝F1/S3 (3)
其中F1为作用在天然气水合物地层上的实际拉力；λ1为自动控制泵出口端的压力传感器Ⅱ5-2实时测量到的压力值；S1为外部拉力的实际作用面积；S2为活塞1-3-4的底面面积；S3为拉裂断面的面积，实际上为下细筒1-2-6或上细筒1-2-3的横截面面积；λ实为样品的抗拉强度。
拉裂测试过程中，拉力的施加方式是通过自动控制泵的注液方式实现的。因此在注液过程中，通过自动控制泵控制液体的流速，既可以以恒定的流量也就是以恒定的压力注液进行测试，也可以以恒定的压力增长梯度进行测试，实现了在不同的应力路径下的不同沉积***中的水合物破坏特性研究。
本发明还包括利用上述装置进行不同材料对水合物附着力影响测试的方法，该方法包括以下步骤。
第一步，将待测试的材料，如铁、铝、以及在上述材料上涂抹了不同成分的涂层，如耐磨损涂层、耐热抗氧化涂层、抗大气和浸渍腐蚀涂层、耐化学腐蚀涂层，制成如图7所示的长条状的杆件6。
第二步，选定要测试的沉积物体系。其具体的步骤如上所述，此处不再赘述。
第三步，在下拉裂架内装填样品并生成天然气水合物，包括以下具体步骤。
首先，下拉裂架1-2-1倒置后将下细筒1-2-3的开口用盖子封住，打开下粗筒1-2-4开口处的下盖1-2-12，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，从而保证每次装入下拉裂架内的样品质量相同。装样完成，将下盖1-2-12拧紧固定在下粗筒1-2-4的开口处，再次倒置下拉裂架1-2-1，并将下拉裂架放入反应釜1-1内。装样完成的标准为，根据具体的沉积体系，装入相应的质量、固定击实次数使拉裂架装满，相同沉积体系每次装样质量、击实次数相同。
其次，将下细筒1-2-3开口处的盖子打开，将杆件6***下细筒1-2-3内装填的样品内，杆件6的顶端与上盖1-2-14的扣环1-2-10连接。
然后，在各定位槽内安装水压活塞，水压活塞的顶端直接与上盖1-2-14的下表面接触。
最后，生成天然气水合物，其具体步骤如上所述，此处不再赘述。
第三步，生成天然气水合物后，通过拉拔测试待测试材料与天然气水合物之间的附着力。
通过自动控制泵4-1同时向多个水压活塞内注入液体，当活塞1-3-4下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞1-3-4向上运移，此时由待测试材料制成的杆件6随着上盖1-2-14一起上移，当拉力到一定极限值后，杆件6从上细筒的天然气水合物内拔出，直至杆件6从上细筒地层中全部拔出后，力值降低为相对零点，测试结束，通过以下公式得到不同材料的摩擦强度：
Figure GDA0003341756480000121
S4＝2πr×(h-Δh) (8)
其中λψ为测试材料的摩擦强度，S4为测试杆件与水合物的接触面积，即杆件接触的表面积，r为杆件截面的半径，h为杆件***水合物储层中的深度，△h为活塞的实时位移量。
通过评价不同涂层对水合物附着力的影响，可以优选筛管加工材料。
以上对本发明所提供的水合物及含水合物沉积物拉张破坏过程测试装置与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种天然气水合物拉张强度测试装置，其特征在于，包括水合物拉裂***(1)、气体供给***(2)、制冷***(3)、供压***(4)和数据监测***(5)，水合物拉裂***(1)分别与气体供给***(2)、制冷***(3)、供压***(4)、数据监测***(5)连接；
所述水合物拉裂***(1)包括反应釜(1-1)、水合物承载拉裂架(1-2)和荷载施加机构(1-3)，荷载施加机构(1-3)与水合物承载拉裂架(1-2)连接，水合物承载拉裂架(1-2)和荷载施加机构(1-3)均设置在反应釜(1-1)内；
所述水合物承载拉裂架(1-2)包括下拉裂架(1-2-1)和上拉裂架(1-2-2)，上拉裂架(1-2-2)位于下拉裂架(1-2-1)的上方，且上拉裂架(1-2-2)滑动套在下拉裂架(1-2-1)的外侧；
所述上拉裂架(1-2-2)包括上粗筒(1-2-5)、上细筒(1-2-6)和上盖(1-2-14)，上细筒(1-2-6)的顶端中部与上粗筒(1-2-5)固定连接，且上细筒(1-2-6)的内腔与上粗筒(1-2-5)的内腔连通，上粗筒(1-2-5)的顶端与上盖(1-2-14)之间固定连接，上盖(1-2-14)的底部表面中部固定有环扣(1-2-10)，上粗筒(1-2-5)的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔(1-2-7)；
所述下拉裂架(1-2-1)包括下细筒(1-2-3)、下粗筒(1-2-4)和下盖(1-2-12)，下粗筒(1-2-4)的顶端中部与下细筒(1-2-3)固定连接，且下粗筒(1-2-4)的内腔与下细筒(1-2-3)的内腔连通，下粗筒(1-2-4)的底端与下盖(1-2-12)之间固定连接，下细筒(1-2-3)滑动套在上细筒(1-2-6)的内侧，下粗筒(1-2-4)的环形侧壁均匀间隔设置数个气孔(1-2-7)，下粗筒(1-2-4)的顶部表面均匀间隔设置数个定位槽(1-2-13)，荷载施加机构(1-3)放置在定位槽(1-2-13)内，下细筒(1-2-3)上部的环形侧壁上设有安装有密封圈Ⅱ(1-2-11)的卡槽，密封圈Ⅱ(1-2-11)位于下细筒(1-2-3)和上细筒(1-2-6)之间，下细筒(1-2-3)下部的环形侧壁上对称固定有数个限位板(1-2-8)；
所述荷载施加机构(1-3)包括数个沿下粗筒(1-2-4)的顶部表面均匀间隔设置的水压活塞，水压活塞包括外筒(1-3-5)和活塞(1-3-4)，外筒(1-3-5)内设有竖向空腔，活塞(1-3-4)滑动设置在竖向空腔内，活塞(1-3-4)的顶部与上拉裂架(1-2-2)接触，活塞(1-3-4)下部的外表面设有数道安装有密封圈Ⅲ(1-3-7)的凹槽，密封圈Ⅲ(1-3-7)位于活塞(1-3-4)和外筒(1-3-5)之间，外筒(1-3-5)的下部设有注水孔(1-3-7)，外筒的竖向空腔通过注水孔(1-3-7)与供压***(4)连通。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物拉张强度测试装置，其特征在于，所述反应釜(1-1)包括反应釜本体(1-1-1)、反应釜盖(1-1-4)和蓝宝石玻璃(1-1-2)，反应釜盖(1-1-4)固定在反应釜本体(1-1-1)的顶部，反应釜盖(1-1-4)外壁的下部设有环形的密封圈Ⅰ(1-1-6)，密封圈Ⅰ(1-1-6)位于反应釜盖(1-1-4)和反应釜本体(1-1-1)之间；
所述反应釜盖(1-1-4)内设有温度传感器安装孔(1-1-5)，反应釜本体(1-1-1)的侧壁中部设有蓝宝石玻璃(1-1-2)，蓝宝石玻璃(1-1-2)和反应釜本体(1-1-1)之间设有密封垫(1-1-3)，反应釜本体(1-1-1)的侧壁上还有设有进气孔(1-1-7)和进水管道(1-1-8)，反应釜本体(1-1-1)通过进气孔(1-1-7)与气体供给***(2)连接，反应釜本体(1-1-1)通过进水管道(1-1-8)与供压***(4)连接，反应釜本体(1-1-1)的底部设有圆形凹槽Ⅰ(1-1-9)，水合物承载拉裂架(1-2)安装在凹槽Ⅰ(1-1-9)内。
3.根据权利要求1所述的天然气水合物拉张强度测试装置，其特征在于，所述制冷***(3)包括反应釜夹套(3-1)和水浴箱(3-2)，反应釜夹套(3-1)包覆在水合物拉裂***(1)的外侧，反应釜夹套(3-1)与水浴箱(3-2)连接。
4.根据权利要求1所述的天然气水合物拉张强度测试装置，其特征在于，所述供压***(4)包括自动控制泵(4-1)和液体流量计(4-2)，自动控制泵(4-1)分别通过连接管路与各水压活塞连接，自动控制泵(4-1)的出口处设有液体流量计(4-2)。
5.根据权利要求1所述的天然气水合物拉张强度测试装置，其特征在于，所述数据监测***(5)包括计算机、压力传感器Ⅰ(5-1)、压力传感器Ⅱ(5-2)、温度传感器Ⅰ(5-3)、温度传感器Ⅱ(5-4)，压力传感器Ⅰ(5-1)位于***供给***和反应釜的连接管路上，压力传感器Ⅱ(5-2)位于自动控制泵(4-1)的出口端和荷载施加机构(1-3)的连接管路上，且位于液体流量计(4-2)的后方，反应釜的上部和下部分别设有温度传感器Ⅰ(5-3)、温度传感器Ⅱ(5-4)。
6.一种利用权利要求1-5任一权利要求所述天然气水合物拉张强度测试装置进行水合物拉裂行为测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.选定要测试的沉积物体系；
S2.向水合物承载拉裂架内盛装待测试样品，在反应釜内生成天然气水合物；
S3.生成天然水水合物后，通过水压活塞对上拉裂架施加向上的推力，通过工字型拉裂架，将该推力转变为对水合物储层的向上的拉力，从而对天然气水合物进行拉裂测试：
通过自动控制泵同时向数个水压活塞的外筒内注入液体，当活塞下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞向上运移，下细筒内的天然气水合物受到拉力，到达一定极限后，拉裂架内的天然气水合物发生断裂；
数个水压活塞对上拉裂架施加向上的推力，通过工字型的拉裂架将推力转变为水合物储层的向上拉力，通过以下公式得到样品的抗拉强度：
F1＝λ1×S1 (1)
S1＝3S2 (2)
λ实＝F1/S3 (3)
其中F1为作用在天然气水合物地层上的实际拉力，λ1为自动控制泵出口端的压力传感器Ⅱ实时测量到的压力值，S1为外部拉力的实际作用面积，S2为活塞的底面面积，S3为拉裂断面的面积，为下细筒或上细筒的横截面面积，λ实为样品的抗拉强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过液体流量计记录的流量和水压活塞的尺寸参数，通过以下公式计算得到活塞的位移:
V1＝πR2h1 (4)
V2＝πR2h2 (5)
△h＝h2-h1 (6)
其中，V1为活塞外筒的底部与活塞底部之间的空腔的初始体积，通过液体流量计的初始测量值获取；V2为活塞外筒底部与活塞底部之间的空腔的实时体积，通过液体流量计记录的注入量得到；π为圆周率；R为外筒的内径；△h为活塞的实时位移量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，天然气水合物的装样和生成包括以下具体步骤：
S2.1.打开水合物承载拉裂架，将上拉裂架和下拉裂架分开，下拉裂架倒置后将下细筒的开口用盖子封住，打开下粗筒开口处的下盖，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，装样完成，将下盖拧紧固定在下粗筒的开口处，再次倒置下拉裂架，并将下拉裂架放入反应釜内；
S2.2.在各定位槽内安装水压活塞，将下细筒开口处的盖子打开；
S2.3.将上细筒插至下细筒的外侧，当上细筒下插至限位板上时，上拉裂架的位置固定，此时水压活塞的顶端与上拉裂架接触，打开上盖，向上拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，当上拉裂架内装满样品后，装样完成，将上盖拧紧在上粗筒的开口处；
S2.4.连接管路，封闭反应釜，通过制冷***使反应釜保持恒定的低温状态，通过气体供给***向反应釜内通入高压气体，反应釜内的样品与高压气体反应生成天然气水合物，水合物生成过程中，通过数据监控***实时监控反应釜内的温度和压力数据，当天然气水合物生成并稳定后，即可进行拉裂测试。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中，通过自动控制泵控制液体的流速，液体以实现恒定的压力增长梯度的注入速度进行测试，或者以恒定的流量注入速度进行测试，实现了在不同的应力路径下的不同沉积***中的水合物破坏特性研究。
10.一种利用权利要求1-5任一权利要求所述天然气水合物拉张强度测试装置进行不同材料对水合物附着力影响测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待测试的材料制成长条状的杆件；
S2.选定要测试的沉积物体系；
S3.在下拉裂架内装填样品并生成天然气水合物，包括以下具体步骤：
S3.1.下拉裂架倒置后将下细筒的开口用盖子封住，打开下粗筒开口处的下盖，向下拉裂架内装入样品，装样过程中用击实锤击实，装样完成，将下盖拧紧固定在下粗筒的开口处，再次倒置下拉裂架，并将下拉裂架放入反应釜内；
S3.2.将下细筒开口处的盖子打开，将杆件***下细筒内装填的样品内，杆件的顶端与上盖的扣环连接；在各定位槽内安装水压活塞，水压活塞的顶端直接与上盖的下表面接触；
S3.3.生成天然气水合物；
S4.通过拉拔测试待测试材料与天然气水合物之间的附着力:
通过自动控制泵同时向多个水压活塞内注入液体，当活塞下部受到的水压大于天然气水合物胶结产生的拉力、上拉裂架的重力、以及装填的样品生成的水合物的重力之和时，活塞向上运移，此时由待测试材料制成的杆件随着上盖一起上移，当拉力到一定极限值后，杆件从下细筒的天然气水合物内拔出，直至杆件从上细筒地层中全部拔出后，力值降低为相对零点，测试结束，通过以下公式得到不同材料的摩擦强度：
Figure FDA0003217202040000041
S4＝2πr×(h-Δh) (8)
其中λψ为测试材料的摩擦强度，S4为测试杆件与水合物的接触面积，即杆件接触的表面积，r为杆件截面的半径，h为杆件***水合物储层中的深度,△h为活塞的实时位移量。
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