一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，包括機(jī)架和剪切盒體，所述剪切盒體包括第一盒體、第二盒體和盒蓋，所述第一盒體、第二盒體和盒蓋之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物的密閉腔室，所述剪切盒體的頂部設(shè)置有進(jìn)水孔和進(jìn)氣孔，所述剪切盒體的底部設(shè)置有排水排氣孔，所述剪切盒體上還設(shè)置有溫度傳感器孔和壓力傳感器孔。本剪切裝置既是含水合物試樣生成的反應(yīng)容器，又是對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)/壓縮和直剪測(cè)試的剪切盒，具有組裝儀器一體化和實(shí)驗(yàn)分步化的優(yōu)點(diǎn)，用于開(kāi)展與常規(guī)直剪儀不同的水平固結(jié)/壓縮測(cè)試和垂向直接剪切測(cè)試，特別適合水合物穩(wěn)定區(qū)域大的巖心試樣，在水合物力學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的用途。
【專利說(shuō)明】
一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及含水合物沉積物測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物(簡(jiǎn)稱水合物)是一種非常規(guī)的固態(tài)化合物質(zhì)，它一般由水分子包絡(luò)氣體分子組成，在自然界主要賦存于水深大于300m的海洋大陸架邊緣和大陸凍土層等地帶中。天然氣水合物的能量密度非常高，可達(dá)約164倍，保守估計(jì)全球約有18.8萬(wàn)億噸有機(jī)碳以水合物形式存儲(chǔ)于自然界內(nèi)(Clayton et al.，2005)，由此其被視為人類21世紀(jì)有巨大開(kāi)發(fā)前景的高清潔可持續(xù)新型能源物質(zhì)，然而，不同條件下水合物的儲(chǔ)量及分布狀況相差很大，特別是海洋水合物系統(tǒng)，研究表明只有那些高流體滲流通量且劇烈運(yùn)移的滲漏型水合物區(qū)域才具有開(kāi)采價(jià)值(Tr6hu et al.，2006)，這說(shuō)明沉積物性質(zhì)是影響水合物形成和聚集的重要因素。
[0003]地質(zhì)構(gòu)造和沉積特征對(duì)自然界水合物聚集、儲(chǔ)藏有很大影響，許多研究人員也相繼開(kāi)展沉積物性質(zhì)對(duì)水合物形成、膠結(jié)方面的研究工作，Sava and Hardage(2006)提出深水環(huán)境下水合物與骨架的四種膠結(jié)模式，Jain and Juanes(2008)從顆粒流碰撞角度模擬了未飽和流動(dòng)下水合物形成及其飽和度與沉積物孔隙進(jìn)入閾值壓力之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)關(guān)進(jìn)安等(2012)從滲流角度分析了含水合物地層靜水力學(xué)性質(zhì)，F(xiàn)eng et al.(2011)、魏厚振等(2011)利用建造的水合物三軸儀測(cè)試了水合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為和水合物形成對(duì)砂土強(qiáng)度等的影響，提出了考慮損傷的含水合物沉積物本構(gòu)方程，這些研究工作極大地促進(jìn)了水合物在沉積物內(nèi)分布和聚集的理論認(rèn)識(shí)。
[0004]由于開(kāi)采水合物儲(chǔ)層中涉及到井壁垮塌和相應(yīng)地層強(qiáng)度變形的問(wèn)題，以及自然界中水合物分解導(dǎo)致的沉積物失穩(wěn)等研究，工業(yè)和科學(xué)界需要獲得更精確更直觀的含水合物沉積物的諸如抗剪強(qiáng)度、粘聚力、摩擦角等的剪切力學(xué)性能的數(shù)據(jù)以及變化規(guī)律，這樣傳統(tǒng)的土工類直剪儀器就進(jìn)入了水合物力學(xué)研究的視野。自然界中賦存的含水合物沉積物一般是由沉積物骨架-水合物-水和氣四相組成，隨著各相組分的不同該類沉積物會(huì)表現(xiàn)出從彈塑性到流變性的力學(xué)特征，這樣就需要所使用的直剪儀除了能完成傳統(tǒng)的固結(jié)和快剪測(cè)試夕卜，還能進(jìn)行排水/排氣情況下的慢剪蠕變測(cè)試，此外由于水合物的不穩(wěn)定性，含水合物沉積物試樣無(wú)法直接在傳統(tǒng)的土工類直剪儀器上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，為了得到精確的水合物含量與荷載、變形的關(guān)系，原位力學(xué)測(cè)試是最優(yōu)先的方案，為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，水合物形成反應(yīng)釜與剪切盒必須綜合考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種一體化設(shè)計(jì)的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，既能夠?qū)崿F(xiàn)含水合物沉積物試樣在剪切盒體內(nèi)的生成，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該生成的含水合物沉積物試樣進(jìn)行原位固結(jié)壓縮和直接剪切等力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，包括機(jī)架和剪切盒體，所述剪切盒體包括固定在機(jī)架一側(cè)的第一盒體和可相對(duì)于第一盒體上下移動(dòng)的第二盒體，在所述第二盒體遠(yuǎn)離第一盒體的一端內(nèi)部設(shè)置有可水平移動(dòng)的盒蓋，所述第一盒體、第二盒體和盒蓋之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物的密閉腔室，所述剪切盒體的頂部設(shè)置有進(jìn)水孔和進(jìn)氣孔，所述剪切盒體的底部設(shè)置有排水排氣孔，所述剪切盒體上還設(shè)置有溫度傳感器孔和壓力傳感器孔。該剪切盒體的密閉腔室是含水合物沉積物試樣的生成容器，盒蓋的水平運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生成的試樣進(jìn)行固結(jié)/壓縮測(cè)試，第二盒體的上下運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生成的試樣進(jìn)行垂直直接剪切測(cè)試。
[0008]進(jìn)一步地，所述剪切盒體底部還設(shè)置有預(yù)留孔。預(yù)留孔作為備用孔，在其他孔出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)用來(lái)代替其進(jìn)行運(yùn)作。
[0009]進(jìn)一步地，所述機(jī)架還包括固定支架和活動(dòng)支架，所述第一盒體通過(guò)固定支架與機(jī)架固定連接，所述第二盒體通過(guò)活動(dòng)支架與機(jī)架活動(dòng)連接。
[0010]進(jìn)一步地，所述第二盒體的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿連接，所述第二盒體的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿連接，所述盒蓋的外側(cè)與配有水平位移傳感器的第三連桿連接，所述第一連桿、第二連桿和第三連桿的另一端與動(dòng)力裝置連接。上述動(dòng)力裝置可以采用常用的單缸恒壓恒速栗，提供測(cè)試所需要的載荷和速度。
[0011]進(jìn)一步地，所述機(jī)架的底部設(shè)置有滾輪。通過(guò)設(shè)置滾輪，可以提高本剪切裝置的攜帶性。
[0012]本發(fā)明的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，既是含水合物沉積物試樣的反應(yīng)容器，又是用于對(duì)生成的水合物試樣原位水平固結(jié)/壓縮和垂直直接剪切的剪切盒。試驗(yàn)時(shí)，裝填沉積物試樣后對(duì)該剪切盒體進(jìn)水和進(jìn)氣，密閉后再調(diào)節(jié)周圍環(huán)境的溫壓，使之符合水合物形成的條件，待含水合物沉積物試樣生成之后打開(kāi)排水排氣口，釋放出剪切盒體內(nèi)的壓力以及可能的多余水和氣體，靜置一段時(shí)間后即可對(duì)該試樣進(jìn)行水平固結(jié)/壓縮和垂直快剪/慢剪蠕變實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的剪切裝置除了具有組裝儀器一體化和實(shí)驗(yàn)分步化的優(yōu)點(diǎn)，還能夠開(kāi)展與常規(guī)直剪儀不同的水平固結(jié)/壓縮測(cè)試和垂向直接剪切測(cè)試，特別適合水合物穩(wěn)定區(qū)域大的巖心試樣，在水合物力學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的用途。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的剪切裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的剪切裝置處于固結(jié)壓縮狀態(tài)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的剪切裝置處于向上剪切狀態(tài)示意圖；
[0016]圖4是本發(fā)明的剪切裝置處于向下剪切狀態(tài)示意圖；
[0017]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1-機(jī)架;2-剪切盒體;3-含水合物沉積物;4-進(jìn)水孔;5-進(jìn)氣孔;6_排水排氣孔;7-溫度傳感器孔;8-壓力傳感器孔;9-預(yù)留孔;10-固定支架；11-活動(dòng)支架；12-第一連桿;13-第二連桿;14-第三連桿;15-滾輪;21-第一盒體;22-第二盒體;221-盒蓋。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例:
[0020]如圖1所示，一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，包括機(jī)架I和剪切盒體2，所述剪切盒體2包括固定在機(jī)架I 一側(cè)的第一盒體21和可相對(duì)于第一盒體21上下移動(dòng)的第二盒體22，在所述第二盒體22遠(yuǎn)離第一盒體21的一端內(nèi)部設(shè)置有可水平移動(dòng)的盒蓋221，所述第一盒體21、第二盒體22和盒蓋221之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物3的密閉腔室，所述剪切盒體2的頂部設(shè)置有進(jìn)水孔4和進(jìn)氣孔5，所述剪切盒體2的底部設(shè)置有排水排氣孔6，所述剪切盒體2上還設(shè)置有溫度傳感器孔7和壓力傳感器孔8，所述剪切盒體2底部還設(shè)置有預(yù)留孔9。
[0021]其中，所述機(jī)架I包括固定支架10和活動(dòng)支架11，所述第一盒體21通過(guò)固定支架10與機(jī)架I固定連接，所述第二盒體22通過(guò)活動(dòng)支架11與機(jī)架I活動(dòng)連接，所述第一盒體21與第二盒體22之間、第二盒體22與盒蓋221之間分別設(shè)置有動(dòng)密封圈，所述活動(dòng)支架11上設(shè)置有使第二盒體22壓緊第一盒體21的壓力調(diào)節(jié)裝置(圖中未示出)。
[0022]其中，所述第二盒體22的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿12連接，所述第二盒體22的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿13連接，所述盒蓋221的外側(cè)與配有水平位移傳感器的第三連桿14連接，所述第一連桿12、第二連桿13和第三連桿14的另一端與動(dòng)力裝置(圖中未示出)連接，動(dòng)力裝置可采用單缸恒壓恒速栗，提供壓縮固結(jié)以及剪切所需要的載荷和速度，所述動(dòng)力裝置也安裝在機(jī)架I上，在所述機(jī)架I的底部設(shè)置有滾輪15。
[0023]本實(shí)施例的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切盒體2采用316L不銹鋼，設(shè)計(jì)最大耐壓為20MPa，設(shè)計(jì)工作溫度范圍為-20?70 °C，設(shè)計(jì)形狀尺寸為120 X 60 X 60mm(長(zhǎng)X寬X高)，設(shè)計(jì)垂向最大可承受荷載為100KN，設(shè)計(jì)水平最大進(jìn)尺為120mm，設(shè)計(jì)垂直最大進(jìn)尺為60_，動(dòng)力裝置采用單缸恒壓恒速栗，設(shè)計(jì)垂向壓縮及剪切速率為0.0024-1.2mm/min，其中第一盒體21位于機(jī)架I的左側(cè)，第二盒體22位于機(jī)架I的右側(cè)，相應(yīng)的盒蓋221位于第二盒體22的右端，下面參照?qǐng)D2至圖4對(duì)本發(fā)明用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置的使用和測(cè)試過(guò)程具體描述如下:
[0024](a)采用高壓氮?dú)鈾z查剪切盒體2的氣密性:首先檢查注氣前剪切盒體2的密封情況，接著通過(guò)實(shí)驗(yàn)用的耐高壓耐腐蝕管路將進(jìn)氣孔5與高壓氮?dú)馄窟B接(若有需要可以再接入增壓栗)，管路上設(shè)有高壓截止閥門(mén)，然后關(guān)閉其余的孔，打開(kāi)閥門(mén)注入高壓氮?dú)庵?5MPa，靜止約2小時(shí)后關(guān)閉閥門(mén)，由于溫度傳感器和壓力傳感器通過(guò)線纜連入了電腦，可以通過(guò)相應(yīng)的電腦監(jiān)視軟件顯示剪切盒體內(nèi)2的溫度壓力變化情況，若發(fā)現(xiàn)壓力慢慢下降，則使用肥皂水一一排查可能漏氣的接口，直到最后確定不會(huì)存在漏氣現(xiàn)象為止；
[0025](b)制作含CO2水合物沉積物試樣:打開(kāi)盒蓋221，將一定粒徑的固結(jié)沉積細(xì)砂放入剪切盒體2內(nèi)，再關(guān)閉盒蓋221，通過(guò)進(jìn)水口 4注入預(yù)先計(jì)算好的去離子水，關(guān)閉進(jìn)水口 4，通過(guò)進(jìn)氣口 5通入高壓CO2氣體，待壓力傳感器顯示至8Mpa壓力時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口4，使用大型步入式可編程高低溫試驗(yàn)箱等降溫設(shè)備使剪切裝置的溫度降至1°C并穩(wěn)定下來(lái)，再隨時(shí)觀察溫度傳感器和壓力傳感器的曲線變化情況，可據(jù)此判斷水合物的生成狀況，當(dāng)確定該CO2水合物沉積物試樣反應(yīng)完全后，再靜置半小時(shí)，再降低溫度至0.TC，在2min內(nèi)快速打開(kāi)排水排氣孔6放掉可能多余的水或氣，接著關(guān)閉排水排氣孔6，利用單缸恒壓恒速栗向盒蓋221施加推力，使剪切盒體2內(nèi)保持約1.5-2MPa的圍壓，讓CO2水合物穩(wěn)定，記錄水平位移傳感器的變化數(shù)據(jù)和曲線，注意如果是要進(jìn)行排氣/排水下的固結(jié)/剪切實(shí)驗(yàn)則可在盒體內(nèi)相應(yīng)的放入陶土板或透水石；
[0026](c)含CO2水合物沉積物的水平固結(jié)/壓縮性質(zhì)測(cè)試:待步驟(b)完成后，開(kāi)動(dòng)單缸恒壓恒速栗，由第三連桿14對(duì)盒蓋221向左方向分5級(jí)施加水平荷載，開(kāi)展該含水合物試樣的固結(jié)/壓縮試驗(yàn)，如圖2所示，記錄位移傳感器的變化數(shù)據(jù)和曲線，即可得到該熱力學(xué)條件和水合物含量下的在側(cè)限與軸向加載條件下試樣變形與荷載的關(guān)系、變形與時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)測(cè)得的關(guān)系曲線可得到試樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮與固結(jié)系數(shù)等參數(shù)；
[0027](d)含CO2水合物沉積物的垂向快剪及慢剪蠕變等力學(xué)性質(zhì)測(cè)試:待步驟(b)完成后，開(kāi)動(dòng)單缸恒壓恒速栗，由第二連桿13對(duì)第二盒體22向上分5級(jí)施加垂直推力，使第二盒體22向上剪切移動(dòng)，如圖3所示，記錄位移傳感器的變化數(shù)據(jù)和曲線;或者由第一連桿12對(duì)第二盒體22向下分5級(jí)施加垂直推力，使第二盒體22向下剪切移動(dòng)，如圖4所示，記錄位移傳感器的變化數(shù)據(jù)和曲線，根據(jù)相應(yīng)的土工實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)條例開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，如果垂向剪切速率為
0.0024mm/min則可視為慢剪蠕變測(cè)試，如果垂向剪切速率為1.2mm/min則可視為快剪測(cè)試，最后可得到在該熱力學(xué)條件和水合物含量下的沉積物試樣的摩擦角和黏聚力等關(guān)系曲線，及得到其相關(guān)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
[0028]本發(fā)明的剪切裝置特別用于開(kāi)展與常規(guī)直剪儀不同的水平固結(jié)/壓縮測(cè)試和垂向直接剪切測(cè)試，特別適合水合物穩(wěn)定區(qū)域大的巖心試樣，在水合物力學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的用途。
[0029]上述實(shí)施例只是為了說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是根據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
的實(shí)質(zhì)所做出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，包括機(jī)架(I)和剪切盒體(2)，其特征在于:所述剪切盒體(2)包括固定在機(jī)架(I) 一側(cè)的第一盒體(21)和可相對(duì)于第一盒體(21)上下移動(dòng)的第二盒體(22)，在所述第二盒體(22)遠(yuǎn)離第一盒體(21)的一端內(nèi)部設(shè)置有可水平移動(dòng)的盒蓋(221)，所述第一盒體(21)、第二盒體(22)和盒蓋(221)之間密閉連接，形成用于生成含水合物沉積物(3)的密閉腔室，所述剪切盒體(2)的頂部設(shè)置有進(jìn)水孔(4)和進(jìn)氣孔(5)，所述剪切盒體(2)的底部設(shè)置有排水排氣孔(6)，所述剪切盒體(2)上還設(shè)置有溫度傳感器孔(7)和壓力傳感器孔(8)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，其特征在于，所述剪切盒體(2)底部還設(shè)置有預(yù)留孔(9)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，其特征在于，所述機(jī)架(I)還包括固定支架(10)和活動(dòng)支架(11)，所述第一盒體(21)通過(guò)固定支架(10)與機(jī)架(I)固定連接，所述第二盒體(22)通過(guò)活動(dòng)支架(11)與機(jī)架(I)活動(dòng)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，其特征在于，所述第二盒體(22)的頂部與配有垂直位移傳感器的第一連桿(12)連接，所述第二盒體(22)的底部與配有垂直位移傳感器的第二連桿(13)連接，所述盒蓋(221)的外側(cè)與配有水平位移傳感器的第三連桿(14)連接，所述第一連桿(12)、第二連桿(13)和第三連桿(14)的另一端與動(dòng)力裝置連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于含水合物沉積物力學(xué)測(cè)試的剪切裝置，其特征在于，所述機(jī)架(I)的底部設(shè)置有滾輪(15)。
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK106053245SQ201610564883
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月14日
【發(fā)明人】關(guān)進(jìn)安, 梁德青, 武文志
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所