[发明专利]一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置

说明书

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，属于岩土工程领域。该装置包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、压力控制系统、温度控制系统和计算机数据采集系统。压力控制系统提供天然气水合物沉积物试样试验所需孔隙压力、试样传输过程中试样上方压力、维持天然气水合物沉积物围压；温度控制系统内液压油的温度和试样保温保压转盘内试样的温度；试样制备和转移系统用于原位生成水合物沉积物试样、保存试样和向三轴仪主机内输送试样；计算机数据采集系统采集、处理数据。本发明实现了水合物沉积物低温高压三轴试验的简便化和快速化，能同时原位生成并保存多个试样，短时间内获得多个力学特性实验数据，利于实验结果的对比和分析。

技术领域

本发明涉及一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，属岩土工程领域。

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、洁净等优点，被认为是地球上尚未开发的最大未知能源库、是21世纪最理想、具有商业开发前景的新能源，它的开发利用将是世界各国未来的努力方向。然而，天然气水合物的开发涉及潜在的安全问题。天然气水合物勘探与开采过程中，水合物分解会造成沉积层胶结结构破坏，从而影响地层的稳定性，容易造成地层沉降、变形、海底滑坡等地质灾害。评估天然气水合物开采过程储层稳定性，需要对水合物沉积层的力学特性进行大量的分析，充分了解水合物沉积物的强度与变形特性。

各国学者及研究机构大多采用三轴试验仪研究天然气水合物沉积物的力学特性。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注气、注水系统，实现了对天然气水合物沉积物宏观力学特性的测量ZL201110002804.1，ZL 201510264138.7。然而，天然气水合物沉积物试样制备需要较长的时间＞24h，若采用在三轴仪内原位生成试样的方法，对装置的温度、压力控制精度和密封性提出了较高的要求，实验过程和操作比较繁琐，实验效率较低；同时，由于每个试样都是单独制备，在人工和环境因素的影响下，可能导致每个试样的差异性较大，影响实验结果的对比和分析。

发明内容

为了克服上述现有的天然气水合物三轴试验仪的不足，本发明提供一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置。该装置不仅能满足天然气水合物沉积物试样的力学特性试验要求，还能同时原位合成、保存多个天然气水合物沉积物样品，可以在较短的时间内获得多个试样的力学特性实验数据，实现天然气水合物沉积物力学特性的连续测量，减少实验数据的离散型，利于实验结果的对比和分析。

本发明解决上述不足所采用的技术方案是：

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、温度控制系统、压力控制系统和计算机数据采集系统；

所述三轴仪主机包括三轴仪框架、底盘4、压力室8、提升丝杠6、负荷传感器7、橡皮膜9、试样下压头10和轴向加载系统；所述底盘4位于三轴仪主机的底部，底盘4的中心设有通孔，用于试样输送；所述压力室8是底面无遮挡、顶面设有开口的空体结构，其通过密封圈密封固定在底盘4上；压力室8与底盘4之间通过两侧固定在三轴仪框架上的提升丝杠6实现压紧固定；压力室8内部自上而下依次设置负荷传感器7、橡皮膜9和试样下压头10，负荷传感器7、橡皮膜9和试样下压头10相互之间紧密接触；所述轴向加载系统包括伺服电机A1a和加载丝杠5；所述伺服电机A1a位于三轴仪主机顶部、三轴仪框架外部；加载丝杠5上端固定在伺服电机A1a的输出端，并依次穿过三轴仪框架和压力室8顶面的开口、与压力室8内部的负荷传感器7相接触，加载丝杠5与压力室8顶面的开口之间通过密封圈密封；伺服电机A1a带动加载丝杠5上下运动，为试样提供轴向压力；所述底盘4内部设置通道H和通道I，通道H的出口端高于通道I的出口端，通道H的出口对应于橡皮膜9外部的空腔，通道I的出口对应于试样下压头10；所述通道H和通道I用于连接压力控制系统，分别向压力室8送油加压和向试样施加孔压；所述压力室8的顶部设置排气口J，用于向压力室8送液压油时排出压力室8内的空气；