[实用新型]含天然气水合物沉积物多功能三轴压缩实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及含水合物沉积物基础物性参数原位测试技术，尤其涉及一种能够真实模拟海洋沉积物中天然气水合物的形成，并且进行天然气水合物饱和度准确控制的实验室制样并进行排水和不排水条件的含天然气水合物沉积物三轴压缩实验的实验装置。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水在较高压力和较低温度条件下形成的类冰结晶化合物，具有储量大、分布广和能量密度高等特点，如何有效控制其开采风险已经成为近年来的研究热点。天然气水合物的不合理开发引起含水合物沉积层强度显著降低，可能诱发海床坍塌和海底滑坡等地质灾害；天然气水合物资源勘查过程中的钻井作业扰动了天然气水合物稳定条件使其发生分解，又可能诱发钻探设备和海底管道损坏等工程事故，严重威胁生命及财产安全。如何避免上述事故灾害发生是天然气水合物开采安全性的重要保障，迫切需要开展含天然气水合物力学特性的定量研究。

由于原状含天然气水合物沉积物样品获取难度大、成本高，现有的含天然气水合物沉积物力学特性实验研究仍以实验室人工合成的含天然气水合物沉积物样品为主。目前，含天然气水合物沉积物样品制备方法以原位生成法为主，包括两种方式：一是将具有一定含水量或含冰量的土样放入橡胶筒内，对其抽真空后注入一定压力的甲烷气体，然后降低温度制备含天然气水合物沉积物试样。二是直接将溶解有甲烷气体的水循环通过低温土样制备含天然气水合物沉积物试样。上述第一种方法的制备时间相当长且天然气水合物分布相当不均匀，第二种方法较好地解决了第一种方法的不足，但是该方法在样品进出口管道和透水材料内极易形成水合物造成堵塞，导致合成的天然气水合物饱和度通常较低。

现有含天然气水合物沉积物力学特性实验研究通常根据压缩实验结束之后天然气水合物分解产气量反演计算获得天然气水合物饱和度，但是样品进出口管道与透水材料中天然气水合物分解产生的甲烷气以及样品孔隙内的自由态甲烷气均会对反演计算结果精度造成影响，无法实现天然气水合物饱和度的精细控制。

传统的三轴压缩仪具有原理简单和操作简便等优点，是常规土体力学特性研究较为常用的实验设备。体积变形(体变)是含天然气水合物沉积物力学特性定量研究的重要参数。在传统的三轴压缩仪中，先用水将土样饱和，然后通过压缩过程中的排水量确定土样的体变。由于天然气水合物稳定存在于较高压力和较低温度条件下，不能通过水将含天然气水合物沉积物样品饱和，需要对传统的三轴压缩仪进行必要改造以确保排水和不排水实验过程中天然 气水合物保持稳定并实现含天然气水合物沉积物体变的测量，为含天然气水合物沉积物的本构模型提出提供重要的实验数据。申请号为201110183207.3，名称为“含天然气水合物沉积物三轴试验装置及其试验方法”的专利对三轴压缩机进行了一定的改进，但仍存在某些问题；申请号为201010222083.0的专利也仅仅给出了将时域反射技术应用于含天然气水合物沉积物力学测试的方法，但仍存在一些问题。上述两个专利存在的问题包括：

1.在含天然气水合物沉积物样品制备过程中，水合物容易在样品进出口管道和透水材料孔隙中生成，导致液体循环管道堵塞，直接影响了含天然气水合物沉积物样品制备的效果；

2.含天然气水合物沉积物中水合物饱和度的原位实时精确控制存在缺陷；

3.不能够实现含天然气水合物沉积物样品的体变测量。

因此急需一种技术方案来解决困扰含天然气水合物沉积物三轴压缩实验中存在的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以解决含天然气水合物沉积物样品制备过程中管道堵塞问题的，能够原位实时精确控制样品中水合物饱和度并可实现样品体变测量的含天然气水合物沉积物多功能三轴压缩实验装置。

为了达到上述目的，本实用新型包括压力室、三轴实验机、恒温气浴箱、循环注液系统、液体循环控温系统和数据采集系统，所述的三轴实验机设置在恒温气浴箱的内部，压力室设置在三轴实验机的内部，循环注液系统与压力室连通，液体循环控温系统设置在导力杆和压力室底座的内部，数据采集系统分别与压力室、恒温气浴箱、循环注液系统和液体循环控温系统连接。

具体的说，本实用新型的循环注液系统与压力室内的样品孔隙连通。

本实用新型的核心实用新型点在于在原有三轴实验机的基础上添加了循环注液系统和液体循环控温系统，保证了在样品制备过程中天然气水合物生成不会堵塞液体循环管道，有力的保障了实验的顺利进行。