一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，属天然气水合物沉积物力学特性测试领域。该装置包含三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统和计算机数据采集与控制系统。三轴试验装置主机采用双压力室结构，能准确测量天然气水合物分解过程中沉积物体变；负荷传感器安装在压力室内部，提高强度数据的精度；在底座内部设置预冷的空腔，对进入试样的孔隙气和孔隙水进行预降温，减少饱和水过程天然气水合物的分解，也提高了控温的精度；试样安装过程均采用快速接头连接，方便快捷。该装置能模拟开采条件下天然气水合物分解过程，实现高精度控温、强度和体变精确测量，认识天然气水合物沉积物力学特性和评估储层稳定性具有重要意义。
1.一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，包括三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统，其特征在于：
所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；
主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成；
上梁为长方体结构，中心设有通孔，通孔的直径与活塞对应；立柱分别与上梁、下梁采用螺栓固定连接；下梁的中心设有圆柱形的凸起，与底座对应；活塞中心设有管道，活塞上端与管道接口A对应；承压柱通过螺栓固定在所述上梁，承压柱中心设有通孔，直径与活塞直径、上梁通孔直径对应；承压柱侧面设有两个管道，分别对应管道接口B和管道接口N；管道接口B与管道接口C连通；管道接口N与密闭压力室连通；承压柱通孔下端与活塞之间采用密封圈密封；压力室筒位置与所述承压柱对应，与承压柱之间采用密封圈连接；压力室筒外围设有环形的凹槽，与保温罩筒形成环腔；环腔设有管道接口E和管道接口M；压力室筒下端与底座采用密封圈密封；底座安装在下梁上，并与下梁之间采用密封圈密封连接，位置与下梁的圆柱形凸起对应；底座设有圆柱形的空腔、管道接口F、管道接口G、管道接口H、管道接口I、管道接口J和管道接口K；管道接口F与密闭压力室连通；管道接口G与管道接口I对应，分别为冷却液的出口和进口；管道接口H与底座中心的管道对应，通过螺旋形的管道连接；
管道接口J与管道接口K对应；活塞下端安装有负荷传感器；负荷传感器中心设有管道，位置与活塞的管道对应；负荷传感器的管道与活塞的管道之间采用密封圈密封连接；负荷传感器下端安装有快速接头B；快速接头B中心设有管道，与负荷传感器的管道之间采用密封圈连接；快速接头B、负荷传感器与活塞之间通过螺栓固定；上压块为圆柱体，上部设有环形凹槽，与快速接头B对应，安装时卡住进行固定连接；上压块下部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；上压块中心设有管道，与快速接头B中心的管道采用密封圈密封连接；上压块的侧面与内压力室之间设有管道，与管道接口D对应；内压力室筒通过螺栓固定在上压块的侧面，采用密封圈密封；内压力室筒的中部设有管道接口L；下压块为圆柱体，上部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；下压块与内压力室筒之间采用密封圈密封连接，试验过程中内压力室筒随着上压块一起运动；下压块下部设有环形的凹槽，与快速接头A对应，安装时卡住进行固定连接；下压块中心设有管道，与快速接头A中心的管道之间采用密封圈密封连接；快速接头A通过螺栓固定在底座上；快速接头A中心的管道与底座中心的管道采用密封圈密封连接；天然气水合物沉积物试样上下两端分别设有渗流垫B和渗流垫A，表面套上橡皮膜置于上压块和下压块之间；压力室筒上端安装有筒盖，二者之间采用螺栓固定连接；减速机安装在上梁的下表面，并通过螺杆与筒盖连接，用于提升和下降压力室筒；承压柱的下端面安装有热电偶；
所述温度控制系统包含恒温槽和循环泵，冷却液经循环泵、管道接口I、底座的空腔、管道接口F、管道接口E、压力室筒与保温罩筒形成的环腔以及管道接口M返回到恒温槽，实现控制密闭压力室和试样温度；
所述孔隙压力控制系统，包含水槽、转子泵、两个柱塞泵以及甲烷气瓶，水槽经转子泵、然后分别经针阀B和针阀E与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述甲烷气瓶经针阀C、然后分别经针阀B和针阀E分别与柱塞泵A和柱塞泵C连接；柱塞泵A经针阀A与管道接口A连接；柱塞泵C经针阀H与所述管道接口H连接；
所述围压控制系统，包含水槽、转子泵以及两个柱塞泵，水槽经转子泵、然后分别经针阀D和针阀F与柱塞泵B和柱塞泵D连接；柱塞泵B经针阀G与管道接口F连接；柱塞泵D经针阀I与管道接口J连接；
所述计算机数据采集与控制系统，包含工控机、温度传感器、负荷传感器以及四个压力传感器，工控机分别与温度传感器、负荷传感器、压力传感器A、压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D、恒温槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C以及柱塞泵D连接，采集到相应的温度、压力数据进行处理和控制。
一种天然气水合物沉积物三轴试验装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种天然气水合物沉积物测试技术，具体涉及一种能够模拟开采条件下天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及强度和体变精确测量的三轴试验装置。
背景技术
[0002] 随着油气资源的巨大消耗，人类在21世纪后期将面临油气资源的枯竭，全球经济发展将面临严峻的挑战。天然气水合物作为一种潜在的清洁能源，因其在世界范围内分布广、储量大，引起世界各国包括我国政府在内的高度关注。
[0003] 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沉积层中，温度升高或者压力降低都有可能造成水合物分解。现阶段提出的天然气水合物开采方法主要有注热法、降压法等，其基本思路都是通过破坏天然气水合物稳定存在的温度、压力条件，促使其在地层中分解为天然气和水，然后将天然气采集至地面并加以利用。然而，天然气水合物分解会造成沉积层胶结结构的破坏，沉积层会由于承载力下降而发生沉降或变形，并且随着开采过程中水合物分解区域的扩展，可能导致沉积层发生剪切破坏，进而诱发海底滑坡、生产平台下陷倒塌等灾害。因此，在天然气水合物资源商业化开采之前，必须对天然气水合物沉积层的力学特性进行全面的分析研究，充分评估天然气水合物开采过程中沉积层的稳定性，以确保开采过程的安全。
[0004] 目前，国内外先进实验室针对天然气水合物沉积物力学特性的研究已取得一定的进展，如日本产业技术综合研究所的K.Miyazaki等通过天然气水合物三轴仪获得了天然气水合物沉积物的轴向应变和横向应变等参数；大连理工大学的李洋辉等研究了天然气水合物粘土沉积物的强度特性。可以发现，这些研究均未获得天然气水合物沉积物的精确体变数据，尤其是天然气水合物分解过程中沉积物的体变数据。同时，这些研究获得的沉积物强度值包含了活塞与缸体之间的摩擦力，不能准确反映沉积物的力学特性。体变和强度是建立土体本构模型的重要参数，对评估沉积层的沉降和变形具有重要意义，因此有必要对开采过程中天然气水合物沉积物的体变和强度特性进行深入的研究。然而由于天然气水合物受其生成条件(低温、高压)及稳定性的影响，目前尚无一套成熟的能够模拟天然气水合物分解过程，同时实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变的三轴试验装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，其能够模拟天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变等数据。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，它主要包含一个三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统。
[0008] 所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成。
[0009] 所述上梁为长方体结构，中心设有通孔，直径与所述活塞对应；所述立柱分别与所述上梁、所述下梁采用螺栓固定连接；所述下梁的中心设有圆柱形的凸起，与所述底座对应；所述活塞中心设有管道，所述活塞上端与管道接口A对应；所述承压柱通过螺栓固定在所述上梁，所述承压柱中心设有通孔，直径与所述活塞直径、所述上梁通孔直径对应；所述承压柱侧面设有两个管道，分别对应管道接口B和管道接口N；所述管道接口B与管道接口C连通；所述管道接口N与所述密闭压力室连通；所述承压柱通孔下端与所述活塞之间采用密封圈密封；所述压力室筒位置与所述承压柱对应，与所述承压柱之间采用密封圈连接；所述压力室筒外围设有环形的凹槽，与所述保温罩筒形成环腔。所述环腔设有管道接口E和管道接口M；所述压力室筒下端与所述底座采用密封圈密封；所述底座安装在所述下梁，并与所述下梁之间采用密封圈密封连接，位置与所述下梁的圆柱形凸起对应；所述底座设有圆柱形的空腔、管道接口F、管道接口G、管道接口H、管道接口I、管道接口J、以及管道接口K；所述管道接口F与所述密闭压力室连通；所述管道接口G与所述管道接口I对应，分别为冷却液的出口和进口；管道接口H与所述底座中心的管道对应，之间通过螺旋形的管道连接；所述管道接口J与所述管道接口K对应；所述活塞下端安装有负荷传感器；所述负荷传感器中心设有管道，位置与所述活塞的管道对应；所述负荷传感器的管道与所述活塞的管道之间采用密封圈密封连接；所述负荷传感器下端安装有快速接头B；所述快速接头B中心设有管道，与所述负荷传感器的管道之间采用密封圈连接；所述快速接头B、所述负荷传感器与所述活塞之间通过螺栓固定；所述上压块为圆柱体，上部设有环形凹槽，与所述快速接头B对应，安装时可以卡住进行固定连接；所述上压块下部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；所述上压块中心设有管道，与所述快速接头B中心的管道采用密封圈密封连接；所述上压块的侧面与所述内压力室之间设有管道，与管道接口D对应；所述内压力室筒通过螺栓固定在上压块的侧面，同时采用密封圈密封；所述内压力室筒的中部设有管道接口L；所述下压块为圆柱体，上部设有圆柱形的凸起，直径与天然气水合物沉积物试样直径相当；所述下压块与所述内压力室筒之间采用密封圈密封连接，试验过程中所述内压力室筒随着所述上压块一起运动；所述下压块下部设有环形的凹槽，与所述快速接头A对应，安装时可以卡住进行固定连接；所述下压块中心设有管道，与所述快速接头A中心的管道之间采用密封圈密封连接；所述快速接头A通过螺栓固定在所述底座上；所述快速接头A中心的管道与所述底座中心的管道采用密封圈密封连接；所述天然气水合物沉积物试样上下两端分别设有渗流垫B和渗流垫A，表面套上橡皮膜之后放置在所述上压块和所述下压块之间；所述压力室筒上端安装有所述筒盖，二者之间采用螺栓固定连接；所述减速机安装在所述上梁的下表面，并通过所述螺杆与所述筒盖连接，在实验过程中用于提升和下降压力室筒；所述承压柱的下端面安装有热电偶。
[0010] 所述温度控制系统主要包含一个恒温槽、一个循环泵，冷却液经所述循环泵、管道接口I、所述底座的空腔、管道接口F、管道接口E、所述压力室筒的与所述保温罩筒形成的环腔、以及管道接口M返回到恒温槽，实现控制所述密闭压力室和所述试样温度的目的。
[0011] 所述孔隙压力控制系统主要包含一个水槽、一个转子泵、两个柱塞泵、以及一个甲烷气瓶，所述水槽经转子泵、然后分别经针阀B和针阀E与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述甲烷气瓶经针阀C、然后分别经针阀B和针阀E分别与柱塞泵A和柱塞泵C连接；所述柱塞泵A经针阀A与所述管道接口A连接；所述柱塞泵C经针阀H与所述管道接口H连接。
[0012] 所述围压控制系统主要包含一个水槽、一个转子泵、以及两个柱塞泵，所述水槽经转子泵、然后分别经针阀D和针阀F与柱塞泵B和柱塞泵D连接；所述柱塞泵B经针阀G与所述管道接口F连接；所述柱塞泵D经针阀I与所述管道接口J连接。
[0013] 所述计算机数据采集与控制系统主要包含一个工控机，一个温度传感器、一个负荷传感器、以及四个压力传感器，所述工控机分别与温度传感器、负荷传感器、压力传感器A、压力传感器B、压力传感器C、压力传感器D、恒温槽、柱塞泵A、柱塞泵B、柱塞泵C、以及柱塞泵D连接，采集到相应的温度、压力数据进行处理和控制。
[0014] 本发明的有益效果是：这种天然气水合物沉积物三轴试验装置主要包含一个三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统。温度控制系统控制天然气水合物生成与分解过程中的温度；孔隙压力控制系统供给合成天然气水合物需要的蒸馏水和甲烷气体，并维持天然气水合物生成和分解相应的压力；围压控制系统提供所述密闭压力室和内压力室的压力；计算机数据采集与控制系统用于采集温度、压力等检测数据，并根据检测数据对恒温槽和柱塞泵进行控制。其优点是：
[0015] 1)实验过程中，通过计算内压力室内液压水量的变化以及活塞的位移，可以获得天然气水合物沉积物试样分解过程中的体变，同时适用于非饱和试样的体变测量；
[0016] 2)采用双压力室结构设计，实验过程中保持内压力室筒内外压力相等，避免了由于单压力室结构由于内外压差造成的腔体变形和液压水的泄漏，提高体变测量精度；
[0017] 3)内压力室筒通过螺栓固定在上压块外侧，并通过密封圈密封，实验过程中随着上压块一起运动，尽可能的缩小了内压力室的体积，提高了体变测量的精度；
[0018] 4)底座设有冷却用的空腔和螺旋形的管道，在孔隙水和甲烷气体进入试样之前进行预先降温，防止试样饱和过程造成天然气水合物的分解；压力室筒外设有保温罩筒，可以有效防止热量散失；同时，通过底座与压力室筒的联合控温，提高了温度控制精度，避免了之前的设备需要放在冷库中以提高控温精度的不足，改善了实验条件；
[0019] 5)试样安装过程中均采用快速接头连接，节省了实验时间，可以有效减少试样安装过程中天然气水合物分解以及对试样造成的扰动；
[0020] 6)负荷传感器安装在快速接头与活塞之间，获得的强度数据不包含活塞与缸体之间的摩擦力，提高了实验数据的精度和可信度；
[0021] 7)压力室筒套在承压柱外侧，并通过密封圈密封，施加围压时压力全部作用在承压柱的下表面，对压力室筒没有向上的作用力。实验过程中，压力室筒提升装置可以很方便的控制压力室筒的位置，并且不需要太大的作用力就可以实现压力室的密封；
[0022] 8)可以进行天然气水合物沉积物力学特性的全面测量，获得沉积物强度、体变等数据，为天然气水合物沉积物本构模型建立及地层变形分析提供基础数据，对天然气水合物资源的勘探和安全开采提供指导作用。
附图说明
[0023] 图1是一种天然气水合物沉积物三轴试验装置的系统图。
[0024] 图2是一种天然气水合物沉积物三轴试验装置主机的结构图。
[0025] 图中：1工控机；2a压力变送器A；2b压力变送器B；2c压力变送器C；2d压力变送器D；3a针阀A；3b针阀B；3c针阀C；3d针阀D；3e针阀E；3f针阀F；3g针阀G；3h针阀H；3i针阀I；3j针阀J；3k针阀K；3l针阀L；3m针阀M；4a柱塞泵A；4b柱塞泵B；4c柱塞泵C；4d柱塞泵D；5甲烷气瓶；6转子泵；7水槽；8循环泵；9恒温槽；10a管道接口A；10b管道接口B；10c管道接口C；10d管道接口D；10e管道接口E；10f管道接口F；10g管道接口G；10h管道接口H；10i管道接口I；10j管道接口J；10k管道接口K；10l管道接口L；10m管道接口M；10n管道接口N；11活塞；12减速机；13螺杆；14筒盖；15压力室筒；16保温罩筒；17内压力室筒；18下压块；19底座；20下梁；
21a快速接头A；21b快速接头B；22a渗流板A；22b渗流板B；23天然气水合物沉积物试样；24上压块；25热电偶；26负荷传感器；27立柱；28上梁；29承压柱。
具体实施方式
[0026] 图1所示为一种天然气水合物沉积物三轴试验装置的系统图，下面按各个系统功能对天然气水合物沉积物三轴试验过程加以说明：
[0027] 1)温度控制系统工作过程：恒温槽9经循环泵8、针阀3l将一定温度的冷却液注入到底座19的空腔以及压力室筒15与保温罩筒16形成的环腔内。底座19空腔内的冷却液对进入天然气水合物沉积物试样23的孔隙气和孔隙水进行预降温，防止天然气水合物分解，同时通过底座19的上表面对压力室内的液体进行控温；压力室筒15与保温罩筒16形成的环腔内的冷却液用于控制压力室内液体的温度，进而控制天然气水合物沉积物试样23的温度，提供天然气水合物生成与分解过程的温度条件。
[0028] 2)孔隙压力控制系统和围压控制系统工作过程：将冻结的沉积物试样23包裹橡皮膜放置于下压块18和上压块24之间。甲烷气瓶5经针阀3c，然后分别经针阀3b、3e向柱塞泵4a、4c注入一定压力的甲烷气体，甲烷气体注入后关闭针阀3c、3b、3e。柱塞泵4a、4c分别经针阀3a、压力变送器2a和针阀3h、压力变送器2c向冻结的沉积物试样23里注入甲烷气体，逐渐升高压力并最终保持稳定；同时，围压控制系统中水槽7经转子泵6，分别经针阀3d、3f将一定温度的液压水注入到柱塞泵4b、4d中，液压水注入后关闭针阀3d、3f。柱塞泵4b、4d分别经针阀3g、压力变送器2b和针阀3i、压力变送器2d将液压水注入到压力室和内压力室中，控制围压增加速率与孔隙压力增加速率相同，并且始终保持围压比孔隙压力高0.2MPa。冻结的沉积物试样23在温度控制系统的作用下在一定温度条件下融化，注入的甲烷气体与融化的水充分反应生成天然气水合物，当柱塞泵4a、4c里的气体体积无明显变化时，表明孔隙里的水已经与甲烷气体完成反应。此时，关闭针阀3a、3h，打开针阀3b、3e、3m，将柱塞泵4a、4c中的甲烷气体排出。然后水槽7经转子泵6，再分别经针阀3b、3e将水注入到柱塞泵4a、4c中。
柱塞泵4a、4c逐渐升高压力，并保持一定的压差，此时打开针阀3a、3h，使天然气水合物沉积物试样23中残留的甲烷气体在压差的作用下被驱替完全。驱替完全后，维持柱塞泵4a、4c的压力相等，控制试验过程中孔隙水压力，进而控制天然气水合物的分解过程。
[0029] 3)计算机数据采集与控制系统工作过程：热电偶25、压力传感器2a、2b、2c采集到压力室内温度和各管路内压力信号，这些信号被传输到计算机中进行处理和分析，然后计算机根据反馈的信号对恒温槽9和柱塞泵4a、4b、4c、4d进行控制，进而达到试验要求的温度和压力条件。
[0030] 图2所示为一种天然气水合物沉积物三轴试验装置主机的结构图。首先利用压力室筒提升装置将压力室筒15提升至一定高度，使快速接头21a暴露出来，便于冻结试样23安装；将冻结试样23套上橡皮膜，然后在冻结试样的底部和顶部分别放置渗流板22a、22b以防止砂土颗粒进入管路造成堵塞。将橡皮膜包裹的冻结试样23连同渗流垫22a、22b放置在下压块18与上压块24之间，同时用橡皮圈将橡皮膜捆扎在下压块18和上压块24的凸起部分。使用螺栓将内压力室筒17固定在上压块24上，然后将其放置在快速接头21a、21b之间。连接管道接口10k和10l、10c和10d。然后利用压力室筒提升装置将压力室筒15缓缓降低至底座
19的某一位置，二者之间使用密封圈密封。最后将管道接口10e、10f、10g、10h、10i、10j、10m按照图1所示接入管路系统准备进行试验。
