[发明专利]一种含天然气水合物土直剪强度的试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于天然气水合物沉积物测试技术领域，特别涉及一种含天然气水合物土直剪强度的试验装置及方法。

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。同时，天然气水合物不合理的开发会引起海底的地质滑坡和甲烷气体的大量释放进入大气，这样会严重危险海洋构筑物的安全并且引起全球变暖。因此，针对海底天然气水合物的研究是未来大规模开发利用天然气水合物的必然要求，其具有非常重要战略意义。

现有技术中，针对含天然气水合物沉积物力学性状的相关研究尚处于起步与探索阶段。目前已有的力学指标测试方法主要有二种：一是将预先制得粉末状固体水合物与土颗粒混合，然后把制成的混合物放入低温的环境中以开展剪切实验；二是直接在土样孔隙中生成天然气水合物。首先将具有一定含水量或含冰量的土样放入实验装置内，利用真空泵抽真空后注入天然气气体并施加一定压力，然后降低温度形成含天然气水合物土试样。

现有技术中的弊端在于：

第一种方法离自然原位水合物生成模式相差甚远；第二种方法由于气体在气水界面生成的致密水合物层的扩散系数很低，将导致水合物生成时间相当的长，并使试样孔隙中水合物分布相当不均匀，使得试验结果可靠性大大降低。

因此以上现有的制备及方法无法真实反映海底天然气水合物形成的实际情况；或者反应时间较长，无法满足试验的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含天然气水合物土直剪强度的试验装置及方法；该装置及方法能够实现真实反映海底天然气水合物形成的实际情况，且具有反应时间短的特点。

为解决上述技术问题，依据本发明的一个方面，提供了一种含天然气水合物土直剪强度的试验装置，该装置包括：釜体；剪切盒；压帽；以及恒温箱，用于为所述釜体提供恒定的作业温度；所述釜体置于所述恒温箱的内部；上活塞组件，用于在实验过程中给试样加载垂直压力，所述上活塞组件穿过所述釜体并通过所述压帽与所述剪切盒接触；下活塞组件，用于在实验过程中给所述剪切盒提供剪切力，所述下活塞组件穿过所述釜体与所述剪切盒的下剪切板连接；第一测量机构，用于测量所述上活塞组件竖直方向上的位移；所述第一测量机构设置在所述上活塞组件的侧部，且二者固定连接；第二测量机构，用于测量所述下活塞组件水平方向上的位移；所述第二测量机构设置在所述下活塞组件的侧部，且二者固定连接；第三测量机构，用于测量所述釜体内部的作业温度；所述第三测量机构设置在所述釜体的侧部，且二者固定连接；气体回收模块，用于回收所述釜体内升温分解水合物所产生的气体；所述气体回收模块与所述釜体的内腔相连；气压供给模块，用于为所述上活塞组件垂直方向上的运动提供气压；所述气压供给模块与所述上活塞组件的内腔相连；气源供给模块，用于为所述釜体的内腔提供气源；所述气源供给模块与所述釜体的内腔相连；液压供给模块，用于为所述下活塞组件水平方向匀速运动提供液压；所述液压供给模块与所述下活塞组件的内腔相连；真空环境生成模块，用于为所述釜体的内腔制造真空环境；所述真空环境生成模块与所述釜体的内腔相连；数据采集终端，用于实时采集所述第一测量机构、所述第二测量机构、所述第三测量机构、所述气压供给模块、所述气源供给模块、所述液压供给模块所测量的数据信号。

进一步地，所述上活塞组件包括：上活塞及上活塞杆；所述上活塞杆依次穿过所述上活塞、所述釜体的顶部并通过所述压帽与所述剪切盒接触；所述第一测量机构设置在所述上活塞的侧部；所述气压供给模块与所述上活塞的内腔相连。

进一步地，所述下活塞组件包括：下活塞及下活塞杆；所述下活塞杆依次穿过所述下活塞、所述釜体的侧部与所述剪切盒的下剪切板连接；所述第二测量机构设置在所述下活塞的侧部；所述液压供给模块与所述下活塞的内腔相连。

进一步地，所述第一测量机构是第一位移传感器，所述第一位移传感器与所述数据采集终端连接；和/或，所述第二测量机构是第二位移传感器，所述第二位移传感器与所述数据采集终端连接；和/或，所述第三测量机构是温度传感器，所述温度传感器与所述数据采集终端连接。

进一步地，所述气体回收模块包括：气体回收装置以及气体回收阀门；所述气体回收装置通过所述气体回收阀门与所述釜体的内腔相连。