[发明专利]一种天然气水合物沉积物三轴试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物沉积物测试技术，具体涉及一种能够模拟开采条件下天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及强度和体变精确测量的三轴试验装置。

背景技术

随着油气资源的巨大消耗，人类在21世纪后期将面临油气资源的枯竭，全球经济发展将面临严峻的挑战。天然气水合物作为一种潜在的清洁能源，因其在世界范围内分布广、储量大，引起世界各国包括我国政府在内的高度关注。

天然气水合物不同于常规的石油、天然气等资源，它以胶结或者骨架支撑的形式存在于沉积层中，温度升高或者压力降低都有可能造成水合物分解。现阶段提出的天然气水合物开采方法主要有注热法、降压法等，其基本思路都是通过破坏天然气水合物稳定存在的温度、压力条件，促使其在地层中分解为天然气和水，然后将天然气采集至地面并加以利用。然而，天然气水合物分解会造成沉积层胶结结构的破坏，沉积层会由于承载力下降而发生沉降或变形，并且随着开采过程中水合物分解区域的扩展，可能导致沉积层发生剪切破坏，进而诱发海底滑坡、生产平台下陷倒塌等灾害。因此，在天然气水合物资源商业化开采之前，必须对天然气水合物沉积层的力学特性进行全面的分析研究，充分评估天然气水合物开采过程中沉积层的稳定性，以确保开采过程的安全。

目前，国内外先进实验室针对天然气水合物沉积物力学特性的研究已取得一定的进展，如日本产业技术综合研究所的K.Miyazaki等通过天然气水合物三轴仪获得了天然气水合物沉积物的轴向应变和横向应变等参数；大连理工大学的李洋辉等研究了天然气水合物粘土沉积物的强度特性。可以发现，这些研究均未获得天然气水合物沉积物的精确体变数据，尤其是天然气水合物分解过程中沉积物的体变数据。同时，这些研究获得的沉积物强度值包含了活塞与缸体之间的摩擦力，不能准确反映沉积物的力学特性。体变和强度是建立土体本构模型的重要参数，对评估沉积层的沉降和变形具有重要意义，因此有必要对开采过程中天然气水合物沉积物的体变和强度特性进行深入的研究。然而由于天然气水合物受其生成条件(低温、高压)及稳定性的影响，目前尚无一套成熟的能够模拟天然气水合物分解过程，同时实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变的三轴试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，其能够模拟天然气水合物分解过程，实现高精度控温、以及精确测量沉积物强度和体变等数据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种天然气水合物沉积物三轴试验装置，它主要包含一个三轴试验装置主机、温度控制系统、孔隙压力控制系统、围压控制系统以及计算机数据采集与控制系统。

所述三轴试验装置主机，包含主机框架、密闭压力室、内压力室和压力室筒提升装置；主机框架由上梁、立柱和下梁组成，密闭压力室由活塞、承压柱、压力室筒和底座组成，内压力室由快速接头A、上压块、内压力室筒、下压块和快速接头B组成，压力室筒提升装置由减速机、螺杆和筒盖组成。