[发明专利]一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法

说明书

本发明属于海洋能源开采土工力学测试领域，具体地，涉及一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法。测试装置包括：密封压力室、气压罐、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器和数据传输采集处理器。侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐分别与密封压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；侧向加载剪切器和轴向加载器内部设置有应力位移传感器，实现对轴向和侧向的应力位移数值采集；温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器分别与密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器、气压罐相连，定时采集试验数据并予以存储处理。本装置能够实现天然气水合物的生成，提高水合物与结构接触面实验的精准性，为研究水合物与结构的接触问题提供良好的试验技术支持。

技术领域

本发明属于海洋能源开采土工力学测试领域，具体地，涉及一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法。

背景技术

天然气水合物作为一种新型清洁能源，开采逐渐受到了越来越多的重视。天然气水合物能源土通常形成于深水浅覆盖层的松散沉积物中，其成岩性差、抗剪强度低，水合物在沉积层的孔隙中起到了有效的胶结作用；在开采过程中，水合物分解导致地层强度和承载能力大幅度降低，引发生产井周围地层变形，进而影响到土和井壁结构面的相互作用，甚至引发井壁失稳、海底滑坡、海地面沉降等地质灾害；然而以往有关水合物开采的研究主要集中于产能评价，忽略了水合物地层与井壁稳定性的评估；因此开展含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的研究对水合物开采具有重要的意义。

土体与结构之间的接触面力学性质研究是土力学研究的重要课题之一，檀俊坤和郭佳奇等在专利《一种用于测土与结构接触面力学性质的剪切仪》(申请号201720353735.1)和专利《一种用于土与结构接触面剪切试验的可视化分层剪切盒》(申请号201720220316.0)中提供了一种用于测土与结构接触面力学性质的剪切仪和一种用于土与结构接触面剪切试验的可视化分层剪切盒；但这两种装置不能生成含天然气水合物的土试样，轴向应力未直接施加到接触面上，并且结构物与土容器之间未设置减少摩擦的装置，土容器与结构物之间摩擦较大，结构面与剪切器开口保持平齐，未考虑剪切过程中试验土样体积变化带来的影响，不能保证试验土样与结构面始终保持接触，降低了实验准确性；故上述装置并不适用于研究含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性。

由此认为，现存测试含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的装置较少并存在一定缺陷；本发明可模拟生成含天然气水合物的试验土样，并保证试验土样与结构物始终保持接触，有效减小了土容器与结构物之间的摩擦，提高了实验准确性，为研究水合物与结构接触面问题提供良好的试验技术支持。

发明内容

本发明旨在解决现有仪器中的不足，提出了一种含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置和测试方法，该装置可模拟生成含天然气水合物的试验土样，减少了土容器与结构面板之间的摩擦对实验带来影响，试验土样与结构物始终保持接触，法向应力施加到接触面上，提高实验准确性，且操作简单，结果可靠。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下：

含天然气水合物的海洋能源土与结构接触面力学特性的测试装置，包括：密封压力室、气压罐、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器和数据传输采集处理器；其中：侧向加载剪切器、轴向加载器、气压罐分别与密封压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；侧向加载剪切器和轴向加载器内部设置有应力位移传感器，实现对轴向和侧向的应力位移数值采集；温度制冷器将密封压力室内部空间无缝包围，实现对实验温度的控制；数据传输采集处理器分别与密封压力室、侧向加载剪切器、轴向加载器、温度制冷器、气压罐相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、土试样容器设置有弹簧装置，可以保证水合物试样始终与结构面板保持接触，忽略水合物试样体积变化对实验带来的影响；