含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法

摘要

本发明提供了一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法，属于岩土力学技术领域。该装置包括反应釜、切削刀具、泥输送机构和旁压测试装置，反应釜用于填充有待测试含天然气水合物地层模拟物质，切削刀具设置于反应釜内，并且，切削刀具能够相对于反应釜上下移动，泥输送机构的一端与反应釜相连通，用于将切削刀具切削所得的泥从反应釜输出；旁压测试装置能够随切削刀具移动至设定的深度完成旁压测试实验。该方法基于该装置而实现。其采用原位测试方法可对含天然气水合物地层直接测试其工程力学参数，同时，对天然气水合物开发的地层稳定以及工程灾害的防治具有重要意义。

权利要求

1.一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，包括反应釜（1）、切削刀具、泥输送机构和旁压测试装置（14），所述反应釜（1）用于填充有待测试含天然气水合物地层模拟物质，所述切削刀具设置于所述反应釜（1）内，并且，所述切削刀具能够相对于所述反应釜（1）上下移动，所述泥输送机构的一端与所述反应釜（1）相连通，用于将所述切削刀具切削所得的泥从所述反应釜（1）输出；所述旁压测试装置（14）能够随所述切削刀具移动至设定的深度完成旁压测试实验；

所述反应釜（1）包括反应釜内胆（2）、反应釜滤网（4）、螺旋传动探杆（17），所述反应釜滤网（4）设置于所述反应釜内胆（2）的顶部，所述螺旋传动探杆（17）能够相对于所述反应釜滤网（4）上下移动，所述切削刀具固定连接于所述螺旋传动探杆（17）的底部；

所述泥输送机构包括螺旋传输机（34）；

所述切削刀具包括切削刀盘（25）、侧壁和储泥仓隔板（31），所述切削刀盘（25）、侧壁和储泥仓隔板（31）之间合围得到所述储泥仓（30），所述切削刀盘（25）上设置有镂空，通过所述镂空，所述切削刀盘（25）切削所得的泥能够进入到所述储泥仓（30）内，所述螺旋传输机（34）通过其一端与所述储泥仓（30）连通；

所述切削刀具还包括平衡仓隔板（33）、传动承台（28），所述平衡仓隔板（33）、储泥仓隔板（31）和侧壁之间合围得到气压平衡仓（32），所述传动承台（28）压设于所述储泥仓隔板（31）的上方；

所述反应釜（1）还包括反应釜外壳（3）和冷却管，所述反应釜内胆（2）和反应釜外壳（3）之间设置有容置空间，所述冷却管设置于所述容置空间内；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括保温层（6），所述保温层（6）设置于所述容置空间内；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括反应釜密封盖（5），所述反应釜密封盖（5）盖设于所述反应釜内胆（2）的上方，使得所述反应釜内胆（2）形成一密闭空间；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括泥土临时储存仓（16），所述泥土临时储存仓（16）设置于所述反应釜密封盖（5）内，所述泥输送机构的另一端与所述泥土临时储存仓（16）相连通；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括电磁密封衬垫（9），所述电磁密封衬垫（9）设置于所述反应釜密封盖（5）和所述反应釜（1）之间；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括机架和一对翻转支架（19），所述翻转支架（19）的外侧设置于所述机架上，所述一对翻转支架（19）的设置高度相同，并且，所述翻转支架（19）能够相对于所述机架旋转；所述翻转支架（19）的内侧固定连接于所述反应釜（1）；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括一对可升降支架（20）、升降传动链条（21）和升降电机（22），所述可升降支架（20）的内侧固定连接于所述反应釜密封盖（5），所述可升降支架（20）的外侧连接于所述升降传动链条（21），所述升降电机（22）通过控制所述升降传动链条（21），控制所述可升降支架（20）的升降；

所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括差动变压器（11）、信号放大器、信号控制定位器、液压调节阀（10）、比例流量阀（12）和压力传感器（13），所述液压调节阀（10）和比例流量阀（12）设置于所述反应釜密封盖（5）上，其中，所述液压调节阀（10）用于调节进入所述反应釜（1）的气体流量，所述比例流量阀（12）用于调节从所述反应釜（1）排出的气体流量，所述压力传感器（13）用于获取所述反应釜（1）内的压力数据；所述差动变压器（11）用于将从所述压力传感器获取的压力信号转换为电信号，并通过信号放大器将所述电信号放大后传递给信号控制定位器，从而控制液压调节阀（10）的开度。

2.根据权利要求1所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，所述反应釜（1）上设有进出气口（7）。

3.根据权利要求1所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，所述测试含天然气水合物地层模拟物质包括饱和沉积物和甲烷气体。

4.根据权利要求1所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，还包括钻入电机（18），所述钻入电机（18）用于控制所述螺旋传动探杆（17）在竖直方向的移动。

5.根据权利要求4所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，还包括测量腔，所述测量腔的侧壁设有弹性膜（42）。

6.根据权利要求1所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，还包括主切刀（39）、先行刀（40）和刮刀（41），所述主切刀（39）、先行刀（40）和刮刀（41）均设置于所述切削刀盘（25）的内部。

7.一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法，其特征在于，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法基于权利要求1‑6中任一所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置而实现，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法包括以下步骤，将待测试含天然气水合物地层模拟物质填充至所述反应釜（1）内；

向所述反应釜（1）内通入具有设定温度的甲烷，使得所述反应釜（1）内形成模拟测试环境；

令所述切削刀具执行对所述待测试含天然气水合物地层模拟物质的切削动作；

启动所述泥输送机构，使得所述切削刀具且所得的泥从所述反应釜（1）输出；

在执行对所述待测试含天然气水合物地层模拟物质的切削动作的过程中，所述旁压测试装置（14）执行完成所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试实验。

8.根据权利要求7所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法，其特征在于，还包括以下步骤，令所述切削刀具执行继续向下钻进的动作，直至所述切削刀具到达下一设定的深度，完成所述待测试含天然气水合物地层模拟物质在下一深度的旁压测试实验。

说明书

含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土力学技术领域，特别是涉及一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法。

背景技术

[0002] 含天然气水合物通常分布于陆地冻土地区或大陆边缘深海浅层沉积物中，在一定温度和压力条件下，由甲烷气体与水结合形成笼状化合物。近20年来，尽管国内外学者对含天然气水合物沉积物的研究颇多，但在海底水合物储层方面，由于天然气水合物处于深海环境，对赋存环境温度与压力变化敏感，极易产生分解，其原状试样获取困难，关键物理力学参数测试不准确。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法，其采用原位测试方法可对含天然气水合物地层直接测试其工程力学参数，同时，对天然气水合物开发的地层稳定以及工程灾害的防治具有重要意义，从而更加适于实用。

[0004] 为了达到上述第一个目的，本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置的技术方案如下：

[0005] 本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置包括反应釜(1)、切削刀具、泥输送机构和旁压测试装置(14)，

[0006] 所述反应釜(1)用于填充有待测试含天然气水合物地层模拟物质，

[0007] 所述切削刀具设置于所述反应釜(1)内，并且，所述切削刀具能够相对于所述反应釜(1)上下移动，

[0008] 所述泥输送机构的一端与所述反应釜(1)相连通，用于将所述切削刀具切削所得的泥从所述反应釜(1)输出；

[0009] 所述旁压测试装置(14)能够随所述切削刀具移动至设定的深度完成旁压测试实验。

[0010] 本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还可采用以下技术措施进一步实现。

[0011] 作为优选，所述反应釜(1)上设有进出气口(7)。

[0012] 作为优选，所述测试含天然气水合物地层模拟物质包括饱和沉积物和甲烷气体。

[0013] 作为优选，所述反应釜(1)包括反应釜内胆(2)、反应釜滤网(4)、升降杆(17)，[0014] 所述反应釜滤网(4)设置于所述反应釜内胆(2)的顶部，

[0015] 所述升降杆(17)能够相对于所述反应釜滤网(4)上下移动，

[0016] 所述切削刀具固定连接于所述升降杆(17)的底部。

[0017] 作为优选，所述泥输送机构包括螺旋传输机(34)。

[0018] 作为优选，所述切削刀具包括切削刀盘(25)、侧壁和储泥仓隔板(31)，

[0019] 所述切削刀盘(25)、侧壁和储泥仓隔板(31)之间合围得到所述储泥仓(30)，[0020] 所述切削刀具(25)上设置有镂空，

[0021] 通过所述镂空，所述切削刀具(25)切削所得的泥能够进入到所述储泥仓(30)内，[0022] 所述螺旋传输机(34)通过其一端与所述储泥仓(30)连通。

[0023] 作为优选，所述切削刀具还包括平衡仓隔板(33)、传动承台(28)，

[0024] 所述平衡仓隔板(33)、储泥仓隔板(31)和侧壁之间合围得到气压平衡仓(32)，[0025] 所述传动承台(28)压设于所述储泥仓隔板(31)的上方。

[0026] 作为优选，所述反应釜(1)还包括反应釜外壳(3)和冷却管，

[0027] 所述反应釜内胆(2)和反应釜外壳(3)之间设置有容置空间，

[0028] 所述冷却管设置于所述容置空间内。

[0029] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括保温层(6)，[0030] 所述保温层(6)设置于所述容置空间内。

[0031] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括反应釜密封盖(5)，

[0032] 所述反应釜密封盖(5)盖设于所述反应釜内胆(2)的上方，使得所述反应釜内胆(2)形成一密闭空间。

[0033] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括泥土临时储存仓(16)，所述泥土临时储存仓(16)设置于所述反应釜密封盖(5)内，

[0034] 所述泥输送机构的另一端与所述泥土临时储存仓(16)相连通。

[0035] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括电磁密封衬垫(9)，

[0036] 所述电磁密封衬垫(9)设置于所述反应釜密封盖(5)和所述反应釜(1)之间。

[0037] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括机架和一对翻转支架(19)，

[0038] 所述翻转支架(19)的外侧设置于所述机架上，所述一对翻转支架(19)的设置高度相同，并且，所述翻转支架(19)能够相对于所述机架旋转；

[0039] 所述翻转支架(19)的内侧固定连接于所述反应釜(1)。

[0040] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括一对可升降支架(20)、升降传动链条(21)和升降电机(22)，

[0041] 所述可升降支架(20)的内侧固定连接于所述反应釜密封盖(5)，

[0042] 所述可升降支架(20)的外侧连接于所述升降传动链条(21)，

[0043] 所述升降电机(22)通过控制所述升降传动链条(21)，控制所述可升降支架(20)的升降。

[0044] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括差动变压器(11)、信号放大器、信号控制定位器、液压调节阀(10)、比例流量阀(12)和压力传感器(13)，[0045] 所述液压调节阀(10)和比例流量阀(12)设置于所述反应釜密封盖(5)上，其中，所述液压调节阀(10)用于调节进入所述反应釜(1)的气体流量，所述比例流量阀(12)用于调节从所述反应釜(1)排出的气体流量，

[0046] 所述压力传感器(13)用于获取所述反应釜(1)内的压力数据；

[0047] 所述差动变压器(11)用于将从所述压力传感器获取的压力信号转换为电信号，并通过信号放大器将所述电信号放大后传递给信号控制定位器，从而控制液压调节阀(10)的开度。

[0048] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括螺旋传动探杆(17)和钻入电机(18)，

[0049] 所述钻入电机(18)用于控制所述螺旋传动探杆(17)在竖直方向的移动。

[0050] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置还包括测量腔，所述测量腔的侧壁设有弹性膜(42)。

[0051] 作为优选，所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，其特征在于，还包括主切刀(39)、先行刀(40)和刮刀(41)，

[0052] 所述主切刀(39)、先行刀(40)和刮刀(41)均设置于所述切削刀盘(25)的内部。

[0053] 为了达到上述第二个目的，本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法的技术方案如下：

[0054] 本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法基于本发明提供的所述的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置而实现，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法包括以下步骤，

[0055] 将待测试含天然气水合物地层模拟物质填充至所述反应釜(1)内；

[0056] 向所述反应釜(1)内通入具有设定温度的甲烷，使得所述反应釜(1)内形成模拟测试环境；

[0057] 令所述切削刀具执行对所述待测试含天然气水合物地层模拟物质的切削动作；

[0058] 启动所述泥输送机构，使得所述切削刀具且所得的泥从所述反应釜(1)输出；

[0059] 在执行对所述待测试含天然气水合物地层模拟物质的切削动作的过程中，所述旁压测试装置(14)执行完成所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试实验。

[0060] 本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法还可采用以下技术措施进一步实现。

[0061] 作为优选，所述含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试方法还包括以下步骤，[0062] 令所述切削刀具执行继续向下钻进的动作，直至所述切削刀具到达下一设定的深度，完成所述待测试含天然气水合物地层模拟物质在下一深度的旁压测试实验。

[0063] 通过本发明提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法所获得的试验数据，自钻式旁压试验可以获得以下成果：确定地基承载力、土的剪切模量、孔隙水压力、原位侧向压力、静止侧应力系数、孔壁位移、不排水抗剪强度等力学参数，还可以通过获得的加载曲线分析圆柱孔穴的收缩与扩张。

附图说明

[0064] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0065] 附图1为本发明实施例提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置的整体结构示意图；

[0066] 附图2为附图1中A部分的局部放大结构示意图；

[0067] 附图3为本发明实施例提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置中应用的切削刀盘在一个方向的结构示意图；

[0068] 附图4为附图1中B部分的局部放大结构示意图；

[0069] 附图5为本发明实施例提供的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置中应用的压力控制系统中各元器件之间的信号流向关系示意图；

[0070] 附图标记说明：

[0071] 1‑反应釜，2‑反应釜内胆，3‑反应釜外壳，4‑反应釜滤网，5‑反应釜密封盖，6‑反应釜保温层，7‑进出气口，8‑密封扣，9‑电磁密封衬垫，10‑液压调节阀，11‑差动变压器，12‑比例流量阀，13‑压力传感器，14‑旁压测试装置，15‑螺旋传输电机，16‑泥土临时储存仓，17‑螺旋传动探杆，18‑钻入电机，19‑翻转支架，20‑可升降支架，21‑升降传动链条，22‑升降电机，23‑电缆及导压管进口，24‑液压千斤顶，25‑切削刀盘，26‑刀盘支撑架，27‑轴承，28‑传动承台，29‑液压马达，30‑储泥仓，31‑储泥仓隔板，32‑气压平衡仓，33‑平衡仓隔板，34‑螺旋传输机，35‑螺旋中心杆，36‑多芯电缆，37‑输液管，38‑导压管，39‑主切刀，40‑先行刀，41‑刮刀，42‑弹性膜，43‑保护铠，44‑位移传感器。

具体实施方式

[0072] 有鉴于此，本发明提供了一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法，其采用原位测试方法可对含天然气水合物地层直接测试其工程力学参数，同时，对天然气水合物开发的地层稳定以及工程灾害的防治具有重要意义，从而更加适于实用。

[0073] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置与方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

[0074] 本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

[0075] 参见附图1‑附图5，本发明实施例提出的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，主要由7部分组成，分别为：反应釜子系统、压力控制子系统、温度控制子系统、供气子系统、自钻式旁压测试子系统、高度调节子系统、数据采集及监控子系统。

[0076] 其中，反应釜子系统包括反应釜1，反应釜1包括反应釜内胆2，其设计尺寸高度为700mm，直径为400mm，满足3倍钻头直径尺寸的要求，材质为钛合金材质，防止模拟含天然气条件下反应釜内胆2的破裂和腐蚀，甲烷通过温控子系统，待达到设定温度(一般设置为3℃)后，通过进出气口7向反应釜内胆2中充气，反应釜内胆2中填充有饱和沉积物，反应釜内胆2顶部设有反应釜滤网4，防止反应物在实验过程中溢出反应釜内胆2，保证所测力学参数的精度；反应釜滤网4顶部设有液压千斤顶24，用以模拟含天然气水合物地层的上覆土层压力；反应釜内胆2外壁缠绕有冷却管，冷却管内的温控液为乙二醇，冷却管为紫铜管，与反应釜内胆2的外壁局部焊接；反应釜内胆2与反应釜外壳3之间设有保温层6，起到保温隔热的作用，保温层6的材质为岩棉，厚度为50mm。反应釜外壳3为不锈钢材质，有耐腐蚀和保护反应釜内装置的特点，反应釜外壳3与反应釜密封盖5外部设有密封扣8，起到机械密封的作用；反应釜外壳3与反应釜密封盖5之间设有电磁密封衬垫9，试验开始时通上电源，电磁密封衬垫9通过电磁感应使得反应釜外壳3与反应釜密封盖5紧密连接，反应釜内环境与外部环境有效隔绝。反应釜密封盖5顶部设有差动变压器11，通过LVDT线性可变差动变压系统测定釜内压强，同时控制液压调节阀10，液压调节阀10与气罐相连接，向反应釜内输气增大反应釜内压强；压力传感器13实时监测反应釜内压强，一旦超过设定值，向比例流量阀12传输信号，比例流量阀12将按设定比例向反应釜外稳定排压，维持反应釜内压强的稳定；反应釜密封盖5与自钻式旁压测试子系统相连接，保证测试设备的测量精度；反应釜密封盖5内设有泥土临时储存仓16，被切削的土体通过螺旋输送机34运送至泥土临时储存仓16，待试验结束后可卸下泥土临时储存仓16，对储存仓进行清洗。反应釜外壳3外部与翻转支架19通过高强度螺栓连接，翻转反应釜外壳，便于清理反应釜内胆3,高强度螺栓可拆卸，便于定期的检查和维修；反应釜密封盖5与可升降支架20通过高强度螺栓连接，可升降支架可以控制反应釜密封盖5的高度，达到设定高度后自动锁紧，增加反应釜的密封性。

[0077] 压力控制子系统包括增压装置和减压装置，增压装置包括差动变压器11和液压调节阀10，差动变压器11为LVDT线性可变差动变压器，在一定范围内呈线性关系，差动变压器将压力信号转换为电信号，通过信号放大器将电信号放大后传递给信号控制定位器，从而控制液压调节阀10；液压调节阀10为PCV5液压调节阀，与气瓶相连接，可以稳定的增加反应釜内压强。减压系统包括压力传感器13和比例流量阀12，压力传感器13实时监测反应釜内压强，一旦超过设定值，向比例流量阀12传输信号，比例流量阀12将按设定比例向反应釜外稳定排压，维持反应釜内压强的稳定。本实施例中，在反应釜1中模拟含天然气水合物地层环境主要包括，通过液压调节阀10、差动变压器11、比例流量阀12、压力传感器13控制反应釜1内压强模拟深海压力环境；通过液压千斤顶24模拟天然气水合物地层以上的上覆土压力；通过反应釜内胆2与反应釜外壳3间的冷却管模拟深海温度环境；通过进出气口7输入气体模拟含天然气水合物。

[0078] 温度控制子系统包括冷却管、制冷机、换热器，温控液通过制冷机和换热器，待达到设定温度，向冷却管循环输入温控液，用以维持反应釜内胆的温度；甲烷气瓶与制冷机和换热器连接，待达到设定温度时通过进出气口7向反应釜内胆2中注入甲烷，用以模拟含天然气水合物的条件。

[0079] 供气子系统包括气瓶和甲烷气瓶，气瓶与液压调节阀10相连接，用以增大反应釜内压强，模拟深海环境；甲烷气瓶先与制冷机和换热器相连接，待达到设定温度后通过进出气口7向反应釜内胆2充气，用以模拟含天然气水合物的条件；供气子系统与电缆及导压管进口23相连接，为旁压测试装置14在测试阶段稳定提供气源，使测试数据精确有效。

[0080] 自钻式旁压测试子系统包括切削装置、测量腔和传动装置，传动装置包括螺旋传动探杆17和钻入电机18，用于控制旁压仪的升降，切削装置包括切削刀盘25、储泥仓30、气压平衡仓32、轴承27、液压马达29、螺旋传输机34、螺旋输送电机15，以确保周围土体不受扰动的情况下钻进，测量腔包括压力传感器13、位移传感器44、弹性膜42、保护铠43，用于测量土体的物理参数；

[0081] 高度调节子系统包括翻转装置和升降装置，翻转装置包括翻转支架19，与反应釜外壳3通过高强度螺栓连接，翻转反应釜外壳，便于清理反应釜内胆2,高强度螺栓可拆卸，便于定期的检查和维修；翻转支架19底座与平整的地面连接，可以通过膨胀螺栓与地面固定，确保装置的稳定性。反应釜密封盖5与可升降支架20通过高强度螺栓连接，升降电机22通过控制升降传动链条21控制反应釜密封盖5的上下竖直移动，实验结束时可以通过升降传动链条21将反应釜密封盖5与反应釜外壳3脱离，开始试验时可以通过传动链条21降低反应釜密封盖5的高度，待达到设定值时自动锁紧，增加反应釜的密闭性和稳定性；可升降支架20达到预定高度后自动锁紧，可以为旁压测试仪在钻入时提供支撑反力。

[0082] 数据采集及监控子系统包括压力传感器、位移传感器、温度传感器、流量传感器和监控模块，压力传感器13位于反应釜密封盖5顶部和旁压测试装置14的测量腔处，位于反应釜密封盖5顶部的压力传感器13用于测量反应釜内压强，位于旁压测试装置14内测量腔处的压力传感器包括孔隙水压力传感器和侧向应力传感器，用于测量含天然气水合物沉积物的工程力学参数；位移传感器44位于螺旋传动探杆17和旁压测试装置14测量腔内，位于螺旋传动探杆17处的位移传感器用于监控旁压测试装置14的钻入深度和钻入速率，位于旁压测试装置14测量腔内的位移传感器44用于测量孔壁位移；流量传感器位于进出气口7和电缆及导压管进口23处，用于监控和控制进出气的流量大小；温度传感器位于反应釜内胆2中部和底部，用于监控反应釜内温度；监控模块与传感器相连，用于采集数据和实时监控反应釜内情况和旁压测试情况。

[0083] 对应本发明实施例含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，该用于室内模拟测试的自钻式旁压测试装置，包括：

[0084] 自钻式旁压测试仪包括传动装置、测量腔和切削装置。

[0085] 传动装置包括钻入电机18和螺旋传动探杆17，由钻入电机18控制螺旋传动探杆17的钻进速度，采用螺旋设计的传动探杆可以有效地控制钻进的速度，速度一般设置为1mm/s。

[0086] 测量腔侧壁设有弹性膜42，弹性膜由两层5mm厚的丁腈橡胶膜组成，作为压力容器；弹性膜外部设有18条沿环向等距布置的条形保护铠43，用于保护弹性膜；弹性膜42内有压力传感器13和位移传感器44，位移传感器44由贴有电阻应变片的悬臂弹簧和随轴转动的杠杆式应变臂组成，沿轴向均匀布置，悬臂弹簧与弹性膜42保持接触，可同时测量多方向的径向位移量；压力传感器13包括孔隙水压力传感器和侧向应力传感器，孔隙水压力传感器紧贴于弹性膜42，同一高度设有3个等间距分布的孔隙水压力传感器，侧向应力传感器安装在弹性膜内，同一高度设有3个等间距分布的侧向应力传感器，各传感器与数据采集及监控子系统独立连接，避免相互干扰，使获得的数据真实可靠。

[0087] 切削装置包括切削设备、驱动设备和传输设备，切削设备包括定位环刀和切削刀盘25，定位环刀用于测试装置在钻进过程中的定位，防止钻孔过程中的偏移，切削刀盘25采用面板式，可以有效地与开挖面平衡，切削刀盘25所用的刀具包括主切刀39、先行刀40、和刮刀41，先行刀40用于预松土体和挖掘土层，主切刀39用于切削土体，刮刀41用于铲土入仓；被切削的土体通过刮刀41铲入储泥仓30中，本实施例中，切削刀盘25为一呈平面的结构，其中，具有镂空，主切刀39、先行刀40和刮刀41均设置于切削刀盘25的镂空内，储泥仓30顶部设有储泥仓隔板31，用于防止被切削的土体进入测量腔，影响仪器的测量精度，气压平衡仓32和平衡仓隔板33作为缓冲仓平衡测量腔和切削装置的压强，同时保持开挖面的稳定。驱动设备包括液压马达29，通过传动承台28带动轴承27的转动，轴承27带动切削刀盘25和定位环刀的转动，刀盘支撑架26位于传动承台28和切削刀盘25之间，为刀盘切削土体过程中提供支撑反力。传输设备包括螺旋中心杆35和螺旋传输机34，螺旋传输机34绕着螺旋中心杆35转动，将储泥仓内的土体输送至反应釜密封盖5内的泥土临时储存仓16中，螺旋传输电机15为螺旋传输机34提供动力，并控制其传输的速度；螺旋中心杆35内设有多芯电缆36，为切削装置提供电源；螺旋传输机外壁设有导压管38和输液管37，导压管38内设有应变控制器，用以控制施加在旁压仪上的气压速率，同时，为气压平衡仓32提供压力，平衡开挖面；输液管37为切削装置提供润滑液(一般为蒸馏水)，使被切削的土体可以顺利地通过螺旋传输机34排出。

[0088] 本发明实施例中的含天然气水合物地层自钻式旁压模拟测试装置，提供室内自钻式旁压测试模拟装置的使用方法，包括：

[0089] 本发明提出的自钻式旁压模拟测试方法包括含天然气沉积物地层环境模拟阶段、旁压测试装置钻入阶段、旁压测试实验与数据采集阶段。

[0090] 含天然气沉积物地层环境模拟阶段包括：向反应釜内胆填充饱和水沉积物后将反应釜滤网4置于沉积物顶部，随后通过可升降支架20将反应釜密封盖5下降至预设高度，与反应釜紧密贴合；将反应釜密封盖顶部的液压调节阀10打开，并向装置内输送气体直至达到预设压强；将经过温度控制子系统后的甲烷通入反应釜内胆中，同时，反应釜滤网上的液压千斤顶24通过电脑控制系统向沉积物顶部施加竖向压力。待反应釜内压强、温度以及沉积物顶部的竖向压力稳定地达到预设值时，可以进行下一阶段的实验。

[0091] 旁压测试装置钻入阶段包括：率定自钻式旁压仪测量腔的弹性膜约束力和仪器管道系统受力后的综合变形后，将旁压测试装置安装在模拟装置内；达到预设的含天然气水合物地层环境后，开启钻入电机18，旁压测试装置随着螺旋传动探杆17向下钻进；与此同时，接通液压马达29的电源，液压马达带动切削刀盘25的转动；被切削的土体通过螺旋传输机35被运送至临时储泥仓16中，待试验结束后进一步清理；旁压仪钻进过程中应向输液管中注入蒸馏水，确保钻孔顺利，并提高被切削土体的传输效率；钻进过程中可通过导压管向内注入适量气体，用以平衡旁压仪与周围环境的压力。

[0092] 旁压测试试验与数据采集阶段包括：当测试装置到达预设的深度后，卸除钻杆的下压力，停止液压马达29的转动，截断冲洗水；通过压力传感器13测得测试腔压力达到稳定时的压力值，该压力即为土的静止侧压力；开启压力阀门，当压力控制器的压力与测量腔中的压力平衡时正式开始测试；测量腔外侧包裹的弹性膜在腔内压力的作用下膨胀，同时对周围土体进行挤压，通过位移传感器、孔隙水压力传感器和总应力传感器获得的数据进行数据的传输、存储和后处理；当测量腔达到预定的膨胀量时，停止该阶段试验。

[0093] 重复上述步骤，向下钻进，继续下一深度的旁压测试实验，钻进开始前通过钻头上的位移传感器监控测试装置的垂直度，必要时可通过定位环刀对钻进角度进行修正，直至完成所有预定深度位置的旁压测试实验。

[0094] 通过所获得的试验数据，自钻式旁压试验可以获得以下成果：确定地基承载力、土的剪切模量、孔隙水压力、原位侧向压力、静止侧应力系数、孔壁位移、不排水抗剪强度等力学参数，还可以通过获得的加载曲线分析圆柱孔穴的收缩与扩张。

[0095] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0096] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。