[发明专利]一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，属天然气水合物基础物性测量领域。

背景技术

天然气水合物具有分布广、资源量大、埋藏浅、能量密度高、洁净等特点，是地球上尚未开发的最大未知能源库，被认为是21世纪最理想、具有商业开发前景的新能源。天然气水合物的安全开采受到各国科学家和政府的广泛重视，已成为石油天然气工业新的研究热点，并有可能对环境科学和能源工业的发展产生深远的影响。在天然气水合物勘探与开采过程中，水合物分解会影响储层的结构稳定性，并且随着开采过程中分解区域的扩展，可能诱发地层变形、海底滑坡等地质灾害，进而造成钻探设备、海底管道等基础设施的损坏及生命财产损失。如何以高效、安全的方式从海底天然气水合物沉积层中开采天然气，既符合环保要求，又不会引起海底滑坡等地质灾害，需要深入研究天然气水合物沉积层的力学特性，结合宏观和微观试验手段，明确天然气水合物分解诱因的海底滑坡等地质灾害的形成机理。

三轴试验仪是研究土样力学特性较为理想的设备，且因其试验原理和操作方法相对简单而得到广泛应用。日本山口大学、大连理工大学等在传统三轴试验仪的基础上，通过增加低温控制系统和水合物原位生成与分解系统，实现了对天然气水合物沉积物宏观力学特性的测量。然而，目前国际上尚未有能够进行天然气水合物沉积物微观力学特性研究的试验装置，无法获得沉积物内部孔隙结构演变、颗粒迁移等微观数据，对天然气水合物分解过程中沉积层的微观变形机理知之甚少。现有的天然气水合物三轴试验仪由于穿透性能差、体积大、重量大等问题，不能实现与X射线CT等可视化装置的有机结合(例如inspeXio SMX-255CT载物台承重≤9kg，可容纳样品高度≤30cm，且扫描过程中样品需要旋转)，亟需开发一套天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置。

发明内容

为了克服上述现有的天然气水合物三轴试验仪存在的不足，本发明基于inspeXio SMX-255CT系统，提供一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置。该装置不仅能满足天然气水合物沉积物试样的宏观力学特性试验要求，还能实时观测试样内部孔隙结构的演变和颗粒迁移等情况，获取微观力学特性试验数据，分析沉积层变形机理，对我国海域及冻土区域天然气水合物的勘探和安全开采有重要的指导作用。

本发明解决上述不足所采用的技术方案是：

一种天然气水合物沉积物力学特性可视化试验装置，包含低温高压水合物三轴仪试验系统、X射线CT成像系统和计算机数据采集系统；

所述的低温高压水合物三轴仪试验系统包含自压式三轴仪主机、轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统和温度控制系统；所述轴向加载系统、围压控制系统、背压控制系统均与所述自压式三轴仪主机相连，分别控制试样承受的荷载、围压和孔隙压力；所述温度控制系统与所述围压控制系统相连，用于控制柱塞泵D内液压油的温度，进而控制试样的温度。

所述自压式三轴仪主机置于X射线CT成像系统的载物台上，包括顶置一体化轴向加载装置和高压三轴压力室；所述顶置一体化轴向加载装置采用航空高强度铝合金等密度较低、强度较大的材料，以保证装置的强度和降低主机的整体重量，包括小型液压油缸和活塞；通过所述小型液压油缸中的液压油驱动活塞向下运动产生轴向加载力；小型液压油缸与所述高压三轴压力室之间采用螺丝连接，上方设置有加压口和排气口A，方便加载过程中油缸进行排气；所述小型液压油缸下方设置两个排气口B，用于将加载过程中所述活塞下方的气体排出；所述高压三轴压力室采用高纯铝等低密度、高X射线穿透性能的材料，以降低主机整体重量和保证主机的X射线穿透性能，包括压力室腔体和底盘，活塞与压力室腔体之间通过密封圈密封，并与试样端盖相对应，用于传递轴向加载力；所述压力室腔体的壁厚根据实验对压力和成像分辨率的要求，通过计算并经实验测试确定，外壁通过玻璃纤维等抗拉强度大的材料加固；压力室腔体的上方设置有排气口C，用于加载围压时排出压力室腔体内的残余空气；压力室腔体与底盘之间采用螺丝连接，并使用密封圈进行密封；所述底盘的中心设置凸起圆柱，用作放置试样的底座；底盘的四周对称分布有四个通道：通道A、通道B、通道C和通道D，其中通道A、通道B和通道C与所述高压三轴压力室连通，通道D通过所述底盘中心，并经由所述试样底座、渗流垫与所述试样的下端连通；所述试样端盖中心设置有通道，通道的一端通过柔性管道与所述底盘的通道A相连，另一端与所述渗流垫和试样的上端连通；所述试样采用橡皮膜密封包裹；