[发明专利]天然气水合物力学性能实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种天然气水合物力学性能实验装置。

背景技术

含水合物沉积层的力学参数是天然气水合物钻探和开采过程中非常重要的 基础参数。由于实际含天然气水合物的沉积物样品十分稀少，且需要高昂的费 用，目前有关含水合物沉积物力学性质的基础数据非常缺乏。使用实际海洋沉 积物样品，在高压容器中模拟海底的低温高压环境，进行天然气水合物的合成 实验，并使用有效的检测手段测试含水合物沉积物的力学参数以及沉积物中水 合物的饱和度，得出的结果将对实际的钻探和开发具有重要的指导意义。

国外已报道的沉积物中水合物合成与分解及力学性质实验一体化装置有： 美国地质调查局的天然气水合物和沉积物模拟实验装置GHASTLI（Gas Hydrate  And Sediment Tes t Laboratory Ins trument）；日本先进工业科学和技术国际 研究所的水合物沉积物合成与分解及三轴实验一体化装置；英国的水合物沉积 物合成和扭剪共振柱实验一体化装置；国内中国科学院力学研究所使用低温高 压三轴仪进行过四氢呋喃水合物沉积物力学性质的实验研究。以上装置均不能 实时测量实验过程中天然气水合物的饱和度，因此不能得出天然气水合物饱和 度与力学性能的定量关系。

同时，随着油气可开采量的逐渐减少和消耗量的逐渐增加，天然气化合物 开采的迫切性日益显著，为了研究深海海域不同沉积层中天然气水合物的合成 条件和力学特性，为我国海洋天然气水合物的开采和相关灾害提供准确参数， 必须弄清楚天然气水合物的合成与分解条件，得到热力学参数、力学参数，天 然气水合物保持稳定需要特定的高压低温条件，不适宜在常温常压环境下移动， 因此建立一套天然气水合物力学特性实验装置是十分必要的。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种天然气水合物力学性能实验 装置，其结构简单，实验效果好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括三轴仪，三轴仪设置 在恒温装置内，三轴仪内设有反应室，反应室的顶端、底端分别连接注液系统； 反应室的底端与围压系统连接；反应室内设有成型模盒，成型模盒内设置沉积 物试样，沉积物试样的上下两端设有压紧过滤装置；沉积物试样内设置时域反 射探针；注液系统包括饱和水容器，饱和水容器顶端通过管道与反应室的顶端 连接，饱和水容器的底端通过循环泵与反应室的底端连接；饱和水容器的顶端 连接压力变送器与高压气源；饱和水容器内设有磁力搅拌器；围压系统包括压 力变送器，压力变送器通过背压阀与反应室底端的一侧连通，压力变送器通过 围压泵与反应室底端的另一侧连通。

本项发明用于实验室内研究沉积物中天然气水合物饱和度与力学性能的关 系，装置将常规三轴仪的压力盒进行有效改进，实现沉积物中天然气水合物的 生成与分解实验，并可在实验过程中进行力学性能测试。装置更主要的特点是 引入时域反射技术，实现天然气水合物饱和度的实时测量，在同一系统中采集 含天然气水合物沉积物的力学参数及饱和度，研究两者之间的关系，为我国天 然气水合物的勘探与开发提供基础参数。

反应室内设有成型模盒，成型模盒内设置沉积物试样，沉积物试样的上下 两端设有压紧过滤装置。本装置的核心部件为反应室，常规三轴仪的反应室最 高只能承受2MPa的压力，不能满足天然气水合物的实验要求。重新设计的反应 室可以在原三轴仪上继续使用，并可承受10MPa的压力。在反应室内放置可变 形、可变压高压薄膜，实验样品置于薄膜内，在薄膜外有两片开式成型模盒， 用于保证沉积物样品的形状。

沉积物试样内设置时域反射探针，柔性的时域反射探针通常采用两根，以 监测水合物生成过程并测定水合物饱和度。成型模盒置于三轴仪的加载底座上， 上部特殊设计的加载杆既可与力传感器相连，还可以将时域反射测量电缆以及 高压饱和水管引出。反应室内部装有热电阻，用于探测沉积物中的温度。

其中三轴仪为土工实验用的常规仪器，此装置中将其移植入低温环境下使 用。

注液系统包括饱和水容器，饱和水容器顶端通过管道与反应室的顶端连接， 饱和水容器的底端通过循环泵与反应室的底端连接，通过循环泵将含饱和甲烷 气的溶液注入压力盒中的沉积物样品，可加速水合物的生成，缩短实验周期。 饱和水容器的顶端连接压力变送器与高压气源。