[发明专利]含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物土的测试技术，尤其涉及一种含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法。

具体地说，涉及含天然气水合物土中不同水合物含量条件下的压缩系数的测试，根据在不同温度与压力下溶气水在试样中循环饱和降温后形成孔隙中均匀分布水合物的不同含量的含天然气水合物土试样后，模拟环境变化与不同开采条件，变化试样温度与压力，测试不同条件下含天然气水合物土的压缩系数，研究含天然气水合物土变形特性变化规律。

背景技术

天然气水合物是甲烷(CH₄)等天然气体分子在一定压力和温度条件下，被吸入到笼形水分子团结构的空隙中，从而形成一种固体状物质。作为一种战略性替代能源，天然气水合物具有巨大的商业开发价值，预计在本世纪的能源消费结构中将占据主要地位。随着石油和天然气资源的日益短缺，开发天然气水合物这一新型替代能源就显得尤为迫切。

天然气水合物在开采过程中由于孔隙中水合物分解将释放大量游离气体和液态水，导致孔隙压力增加和土颗粒之间胶结丧失等一系列的物理力学性状改变，并有可能诱发大规模的地面沉陷、滑坡等地质灾害。土的压缩固结系数是评价地层在荷载等外加作用下沉降变形的一个重要的力学参数指标。

目前，经检索，研究与测试含天然气水合物压缩系数的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种含天然气水合物土压缩系数测试装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是通过将溶有气体的水在低温及施加一定垂直压力的土样中进行循环，使得在一定的气体压力与温度条件下溶于水中的气体与水结合形成天然气水合物填充于土样孔隙中，使得生成的含天然气水合物土样孔隙中只有液态水与固态的水合物存在，而没有游离气存在，实现了在实验室中快速准确地模拟海洋环境中原位含天然气水合物土的制样；然后根据不同开采条件的升温、降压或改变垂直压力，从而实现含天然气水合物试样压缩系数和孔隙水合物不同有效应力的相平衡条件的测试，其原理符合现场原位水合物形成模式和开采工况条件，结构相对简单，造价低廉，可以为大多数科研与勘察设计单位装备。

本发明提供试验的装置与方法，在实验室内对海底天然气水合物形成过程进行准确的模拟测试，为深入研究海底含天然气水合物土物理力学性质提供了技术保证与支持，将有力地推动该项研究的深入发展。

本装置利用含气饱和水在试样中循环饱和后降温快速制得不同水合物含量且分布均匀的试样；采用双压力室平衡试样内的孔隙压力后采用杠杆加压，结构简单造价低廉且压力恒定；制样形成含天然气水合物土试样后，可得出在不同有效应力条件下的含天然气水合物土的压缩系数。

本方法可利用含气饱和水在试样中循环饱和后降温制得试样，制样方法快速简单且孔隙中水合物分布均匀；对试样施加恒定载荷，模拟开采条件改变温度与压力，得出在不同有效应力条件下的含天然气水合物土的压缩系数。

具体地说，

一、含天然气水合物土压缩系数测试测试装置(简称装置)

本装置包括压缩固结仪、气水混合容器、磁力搅拌装置、恒流泵、真空泵、百分表、供气装置、恒温装置、数据采集器、管线、加载装置、气体压力传感器、第一、二温度传感器和第1～7阀门；

所述的压缩固结仪包括由不锈钢材料制成的上盖、底座、T形活塞、水浴夹套和螺栓，其内自下而上形成有土样室、下平衡压力室和上平衡压力室；

其位置和连接关系是：

土样室的下部和气水混合容器下部分别通过第6、7阀门和恒流泵相连，固结压缩仪上部和气水混合容器上部通过T形活塞管道、第4、5阀门相连，上平衡压力室通过管线与气水混合容器相连；

加载装置的荷载施加于T形活塞上，百分表置于T形活塞和上盖之上测量土样的位移；磁力搅拌装置置于气水混合容器下面，通过动力传动机构带动叶轮搅拌使气水充分混合；

气源依次通过高压调节阀、第4阀门和高压气体压力表后与气水混合容器相连，安全阀与气水混合容器相连，保持供气系统的安全性；

真空泵依次通过第3、4阀门与气水混合容器相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；整个装置通过第2阀门与大气相通；

恒温装置通过软管与压缩固结仪的水浴夹套相连，控制土样室的土样温度；