一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》是大連理工大學於2014年7月24日申請的發明專利，該專利申請號為201410357319X，公布號為CN104155188A，公布日為2014年11月19日，發明人是宋永臣、李洋輝、劉衛國、徐曉虎、趙佳飛、楊明軍。

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》屬於天然氣水合物基礎物性測量領域。該裝置主要包含一個自壓式三軸儀主機、軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統、溫度控制系統、數據採集系統和X射線CT成像系統。實現了低溫高壓水合物三軸儀和X射線CT成像系統的有機結合，能夠進行天然氣水合物沉積物巨觀和微觀力學特性的同步測試。該裝置能夠模擬實際儲層的應力狀態，獲取天然氣水合物沉積物的巨觀、微觀力學特性數據，對揭示天然氣水合物儲層變形機理、以及天然氣水合物分解誘因的海底滑坡等地質災害的觸發機制具有重要意義，對天然氣水合物的安全、高效開採具有重要的指導作用。

2021年6月24日，《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置
• 申請人：大連理工大學
• 發明人：宋永臣、李洋輝、劉衛國、徐曉虎、趙佳飛、楊明軍
• 申請號：201410357319X
• 申請日：2014年7月24日
• 公布號：CN104155188A
• 公布日：2014年11月19日
• 地址：遼寧省大連市甘井子區凌工路2號
• 代理機構：大連理工大學專利中心
• 代理人：梅洪玉
• Int. Cl.：G01N3/12、G01N3/06
• 類別：發明專利

專利背景

天然氣水合物具有分布廣、資源量大、埋藏淺、能量密度高、潔淨等特點，是地球上尚未開發的最大未知能源庫，被認為是21世紀最理想、具有商業開發前景的新能源。天然氣水合物的安全開採受到各國科學家和政府的廣泛重視，已成為石油天然氣工業新的研究熱點，並有可能對環境科學和能源工業的發展產生深遠的影響。在天然氣水合物勘探與開採過程中，水合物分解會影響儲層的結構穩定性，並且隨著開採過程中分解區域的擴展，可能誘發地層變形、海底滑坡等地質災害，進而造成鑽探設備、海底管道等基礎設施的損壞及生命財產損失。如何以高效、安全的方式從海底天然氣水合物沉積層中開採天然氣，既符合環保要求，又不會引起海底滑坡等地質災害，需要深入研究天然氣水合物沉積層的力學特性，結合巨觀和微觀試驗手段，明確天然氣水合物分解誘因的海底滑坡等地質災害的形成機理。

三軸試驗儀是研究土樣力學特性較為理想的設備，且因其試驗原理和操作方法相對簡單而得到廣泛套用。日本山口大學、大連理工大學等在傳統三軸試驗儀的基礎上，通過增加低溫控制系統和水合物原位生成與分解系統，實現了對天然氣水合物沉積物巨觀力學特性的測量。然而，2014年7月前國際上尚未有能夠進行天然氣水合物沉積物微觀力學特性研究的試驗裝置，無法獲得沉積物內部孔隙結構演變、顆粒遷移等微觀數據，對天然氣水合物分解過程中沉積層的微觀變形機理知之甚少。2014年7月前已有的天然氣水合物三軸試驗儀由於穿透性能差、體積大、重量大等問題，不能實現與X射線CT等可視化裝置的有機結合（例如inspeXio SMX-255CT載物台承重≤9千克，可容納樣品高度≤30厘米，且掃描過程中樣品需要旋轉），需開發一套天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置。

發明內容

專利目的

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》的目的是克服2014年7月前已有的天然氣水合物三軸試驗儀存在的不足，基於inspeXio SMX-255CT系統，提供一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置。該裝置不僅能滿足天然氣水合物沉積物試樣的巨觀力學特性試驗要求，還能實時觀測試樣內部孔隙結構的演變和顆粒遷移等情況，獲取微觀力學特性試驗數據，分析沉積層變形機理，對中國海域及凍土區域天然氣水合物的勘探和安全開採有重要的指導作用。

技術方案

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》包含低溫高壓水合物三軸儀試驗系統、X射線CT成像系統和計算機數據採集系統；所述的低溫高壓水合物三軸儀試驗系統包含自壓式三軸儀主機、軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統和溫度控制系統；所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統均與所述自壓式三軸儀主機相連，分別控制試樣承受的荷載、圍壓和孔隙壓力；所述溫度控制系統與所述圍壓控制系統相連，用於控制柱塞泵D內液壓油的溫度，進而控制試樣的溫度。

所述自壓式三軸儀主機置於X射線CT成像系統的載物台上，包括頂置一體化軸向載入裝置和高壓三軸壓力室；所述頂置一體化軸向載入裝置採用航空高強度鋁合金等密度較低、強度較大的材料，以保證裝置的強度和降低主機的整體重量，包括小型液壓油缸和活塞；通過所述小型液壓油缸中的液壓油驅動活塞向下運動產生軸向載入力；小型液壓油缸與所述高壓三軸壓力室之間採用螺絲連線，上方設定有加壓口和排氣口A，方便載入過程中油缸進行排氣；所述小型液壓油缸下方設定兩個排氣口B，用於將載入過程中所述活塞下方的氣體排出；所述高壓三軸壓力室採用高純鋁等低密度、高X射線穿透性能的材料，以降低主機整體重量和保證主機的X射線穿透性能，包括壓力室腔體和底盤，活塞與壓力室腔體之間通過密封圈密封，並與試樣端蓋相對應，用於傳遞軸向載入力；所述壓力室腔體的壁厚根據實驗對壓力和成像解析度的要求，通過計算並經實驗測試確定，外壁通過玻璃纖維等抗拉強度大的材料加固；壓力室腔體的上方設定有排氣口C，用於載入圍壓時排出壓力室腔體內的殘餘空氣；壓力室腔體與底盤之間採用螺絲連線，並使用密封圈進行密封；所述底盤的中心設定凸起圓柱，用作放置試樣的底座；底盤的四周對稱分布有四個通道：通道A、通道B、通道C和通道D，其中通道A、通道B和通道C與所述高壓三軸壓力室連通，通道D通過所述底盤中心，並經由所述試樣底座、滲流墊與所述試樣的下端連通；所述試樣端蓋中心設定有通道，通道的一端通過柔性管道與所述底盤的通道A相連，另一端與所述滲流墊和試樣的上端連通；所述試樣採用橡皮膜密封包裹；所述軸向載入系統包含油槽、循環泵A和柱塞泵A；所述油槽經循環泵A提供柱塞泵A所需的液壓油；柱塞泵A通過柔性管道與小型液壓油缸的加壓口相連，提供軸向載入所需要的液壓；試樣承受的軸向荷載通過液壓油壓力和活塞的橫截面積相乘獲得，軸向位移通過所述活塞的位移獲得；所述圍壓控制系統包含柱塞泵D，通過柔性管道與底盤的通道C相連，提供試驗過程中所需的液壓油，並維持壓力；所述背壓控制系統包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷氣瓶、水槽和循環泵B；所述甲烷氣瓶經減壓閥與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連；所述水槽經循環泵B與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連；所述柱塞泵B經針閥C與所述底盤的通道A通過柔性管道連線，所述柱塞泵C經針閥H與所述底盤的通道D通過柔性管道連線；所述背壓控制系統主要用於控制試驗過程中試樣的孔隙壓力，並提供天然氣水合物沉積物反應所需要的天然氣和水；所述溫度控制系統包含恆溫槽和循環泵C，循環泵C通過針閥J與所述圍壓控制系統相連，將事先冷卻至試驗溫度的液壓油經由所述柱塞泵D注入至所述壓力室腔體，並維持試驗所需壓力；所述X射線CT成像系統用於試驗過程中試樣的線上CT成像掃描，獲取天然氣水合物沉積物試樣內部結構圖像，分析其演變規律。

所述計算機數據採集系統包含溫度感測器、四個壓力變送器、與CT掃描系統和水合物三軸儀系統採用電氣連線的數據採集模組，並把採集的溫度、壓力、軸向應力、軸向應變以及試樣掃描圖像等數據傳給工控機處理，進而分析天然氣水合物沉積物的巨觀和微觀力學特性。

所述的自壓式三軸儀主機與所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統之間採用柔性管道相連。

所述的自壓式三軸儀主機採用自壓式結構，將試樣承受的荷載轉換成主機的內部荷載。

有益效果

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》的有益效果是：該天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置主要包含一套低溫高壓水合物三軸儀試驗系統、X射線CT成像系統和計算機數據採集系統。低溫高壓水合物三軸儀系統用於天然氣水合物沉積物的原位生成和分解、以及進行力學特性實驗；X射線CT成像系統用於天然氣水合物沉積物變形過程中孔隙結構演變等微觀數據的測量；計算機數據採集系統採集溫度、壓力、負荷以及CT掃描圖像等數據，進而分析天然氣水合物沉積物微觀變形機理。其優點是：

（1）實現了天然氣水合物三軸儀與X射線CT系統的有機結合，可以同時獲取天然氣水合物沉積物的巨觀、微觀力學特性數據，對揭示天然氣水合物儲層變形機理、以及天然氣水合物分解誘因的海底滑坡等地質災害的觸發機制具有重要意義；

（2）採用純鋁、鋁合金等低密度、高強度、高X射線穿透性能的材料，使天然氣水合物三軸儀主機整體質量較輕、體積小、X射線穿透性能好；同時採用玻璃纖維等高抗拉強度的材料對壓力室腔體進行加固，保證穿透性能的同時提高了強度；

（3）採用頂置一體化軸向載入裝置將試樣承受的軸向荷載轉化為三軸儀主機的內部荷載，使得軸向荷載不再作用於CT載物台上，滿足了CT載物台的承重限制；

（4）利用恆溫槽控制液壓油溫度，然後通過圍壓控制系統將事先冷卻的液壓油注入至壓力室腔體進而控制試樣溫度，這種溫度控制方式節省了三軸儀主機的空間；

（5）三軸儀主機與外圍系統均採用柔性管道相連，滿足CT成像過程中載物台需要旋轉的要求，方便試驗進行；

（6）軸向荷載通過軸向載入系統的壓力和活塞面積相乘獲得、軸向位移通過活塞的位移獲得，這種計算方法避免了軸向負荷感測器和位移感測器的安裝，節省了空間的同時降低了主機的整體質量；

（7）三軸儀主機採用可拆卸的方式，方便試驗操作和清洗儀器。

附圖說明

圖1是《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》工作原理圖。

圖2是《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》的系統圖。

圖3a是自壓式三軸儀主機的結構圖。

圖3b是自壓式三軸儀主機的底盤俯視圖。

圖中：1工控機；2數據採集模組；3油槽；4a循環泵A；4b循環泵B；4c循環泵C；5a針閥A；5b針閥B；5c針閥C；5d針閥D；5e針閥E；5f針閥F；5g針閥G；5h針閥H；5i針閥I；5j針閥J；6a柱塞泵A；6b柱塞泵B；6c柱塞泵C；6d柱塞泵D；7a壓力變送器A；7b壓力變送器B；7c壓力變送器C；7d壓力變送器D；8水槽；9甲烷氣瓶；10減壓閥；11溫度感測器；12恆溫槽；13a排氣口A；13b排氣口B；13c排氣口C；14小型液壓油缸；15加壓口；16活塞；17端蓋；18滲流墊；19試樣；20橡皮膜；21底盤；22壓力室腔體。

技術領域

《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》涉及一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，屬天然氣水合物基礎物性測量領域。

權利要求

1.《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》特徵在於，包含低溫高壓水合物三軸儀試驗系統、X射線CT成像系統和計算機數據採集系統；所述的低溫高壓水合物三軸儀試驗系統包含自壓式三軸儀主機、軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統和溫度控制系統；所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統均與所述自壓式三軸儀主機相連，分別控制試樣承受的荷載、圍壓和孔隙壓力；所述溫度控制系統與所述圍壓控制系統相連，用於控制柱塞泵D內液壓油的溫度，進而控制試樣的溫度；所述自壓式三軸儀主機置於X射線CT成像系統的載物台上，包括頂置一體化軸向載入裝置和高壓三軸壓力室；所述頂置一體化軸向載入裝置包括小型液壓油缸和活塞；通過小型液壓油缸中的液壓油驅動活塞向下運動產生軸向載入力；小型液壓油缸與所述高壓三軸壓力室之間採用螺絲連線，上方設定有加壓口和排氣口A，方便載入過程中油缸進行排氣；所述小型液壓油缸下方設定兩個排氣口B，用於將載入過程中活塞下方的氣體排出；所述高壓三軸壓力室包括壓力室腔體和底盤，活塞與壓力室腔體之間通過密封圈密封，並與試樣端蓋相對應，用於傳遞軸向載入力；所述壓力室腔體的壁厚根據實驗對壓力和成像解析度的要求，通過計算並經實驗測試確定，壓力室腔體的外壁通過抗拉強度大的材料加固；壓力室腔體的上方設定有排氣口C，用於載入圍壓時排出壓力室腔體內的殘餘空氣；壓力室腔體與底盤之間採用螺絲連線，並使用密封圈進行密封；所述底盤的中心設定凸起圓柱，用作放置試樣的底座；底盤的四周對稱分布有四個通道：通道A、通道B、通道C和通道D，其中通道A、通道B和通道C與高壓三軸壓力室連通，通道D通過底盤的中心，並經由所述試樣的底座、滲流墊與試樣的下端連通；所述試樣的端蓋中心設定有通道，通道的一端通過柔性管道與所述底盤的通道A相連，另一端與所述滲流墊和試樣的上端連通；所述試樣採用橡皮膜密封包裹；所述軸向載入系統包含油槽、循環泵A和柱塞泵A；所述油槽經循環泵A提供柱塞泵A所需的液壓油；柱塞泵A通過柔性管道與小型液壓油缸的加壓口相連，提供軸向載入所需要的液壓；試樣承受的軸向荷載通過液壓油壓力和活塞的橫截面積相乘獲得，軸向位移通過所述活塞的位移獲得；所述圍壓控制系統包含柱塞泵D，通過柔性管道與底盤的通道C相連，提供試驗過程中所需的液壓油，並維持壓力；所述背壓控制系統包含柱塞泵B和柱塞泵C、甲烷氣瓶、水槽和循環泵B；所述甲烷氣瓶經減壓閥與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連；所述水槽經循環泵B與所述柱塞泵B和柱塞泵C相連；所述柱塞泵B經針閥C與所述底盤的通道A通過柔性管道連線，所述柱塞泵C經針閥H與所述底盤的通道D通過柔性管道連線；所述背壓控制系統用於控制試驗過程中試樣的孔隙壓力，並提供天然氣水合物沉積物反應所需要的天然氣和水；所述溫度控制系統包含恆溫槽和循環泵C，循環泵C通過針閥J與所述圍壓控制系統相連，將冷卻至試驗溫度的液壓油經由柱塞泵D注入至壓力室腔體，並維持試驗所需壓力；所述X射線CT成像系統用於試驗過程中試樣的線上CT成像掃描，獲取天然氣水合物沉積物試樣內部結構圖像，分析其演變規律；所述計算機數據採集系統包含溫度感測器、四個壓力變送器、與CT掃描系統和水合物三軸儀系統採用電氣連線的數據採集模組，並把採集的溫度、壓力、軸向應力、軸向應變以及試樣掃描圖像數據傳給工控機處理，進而分析天然氣水合物沉積物的巨觀和微觀力學特性。

2.根據權利要求1所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的頂置一體化軸向載入裝置採用航空高強度鋁合金材料設計。

3.根據權利要求1或2所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的高壓三軸壓力室採用高純鋁材料。

4.根據權利要求1或2所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的壓力室腔體的外壁通過玻璃纖維加固。

5.根據權利要求3所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的壓力室腔體的外壁通過玻璃纖維加固。

6.根據權利要求1、2或5所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的自壓式三軸儀主機與所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統之間採用柔性管道相連。

7.根據權利要求3所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的自壓式三軸儀主機與所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統之間採用柔性管道相連。

8.根據權利要求4所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的自壓式三軸儀主機與所述軸向載入系統、圍壓控制系統、背壓控制系統之間採用柔性管道相連。

9.根據權利要求1、2、5、7或8所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的自壓式三軸儀主機採用自壓式結構，將試樣承受的荷載轉換成主機的內部荷載。

10.根據權利要求6所述的天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置，其特徵在於，所述的自壓式三軸儀主機採用自壓式結構，將試樣承受的荷載轉換成主機的內部荷載。

實施方式

圖1所示為《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》的工作原理圖，其工作過程為：背壓控制系統提供天然氣水合物沉積物試樣反應生成所需的天然氣和水，以及生成與分解過程和三軸壓縮過程中的孔隙壓力；溫度控制系統通過降低圍壓控制系統內液壓油的溫度，進而控制天然氣水合物沉積物生成與分解過程和三軸壓縮過程中的溫度；圍壓控制系統主要用於維持天然氣水合物沉積物生成與分解過程和三軸壓縮過程中的圍壓；軸向載入系統通過柱塞泵注入液壓油推動活塞控制軸向載入；CT機拍攝整個試驗過程中水合物沉積物微觀孔隙結構演變規律圖像；試驗過程中的參數，如溫度、壓力信號等均由計算機數據採集系統採集並分析。

圖2所示為一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化實驗裝置的系統圖，下面按各個系統功能對天然氣水合物沉積物力學特性可視化實驗過程加以說明：

（1）背壓控制系統工作過程：將凍結的沉積物試樣19放置於底盤21上，甲烷氣瓶9經減壓閥10、針閥5f，然後分別經針閥5d、5g向柱塞泵6b、6c里注入一定壓力甲烷氣體，柱塞泵6b、6c分別經壓力變送器7b、針閥5c和壓力變送器7c、針閥5h向凍結的沉積物試樣19里注入甲烷氣體，逐漸升高壓力並最終保持穩定；同時，油槽12經循環泵4c、針閥5j向柱塞泵6d里注入一定溫度液壓油，柱塞泵6d經壓力變送器7d、針閥5i將液壓油注入到壓力室，控制圍壓增加速率與孔隙壓力增加速率相同，並且始終保持圍壓比孔隙壓力高0.2兆帕。凍結的沉積物試樣在一定溫度下融化，注入的甲烷氣體與融化的水充分反應生成天然氣水合物，當上下柱塞泵里的氣體體積沒有明顯變化時，表明空隙里的水已經與甲烷氣體完全反應。此時，關閉針閥5c、5d、5f、5g、5h，排出柱塞泵7b、7c內的甲烷氣體，然後水槽8經循環泵4b、針閥5e，再分別經針閥5d、5g將水注入到柱塞泵6b、6c中。柱塞泵6b、6c逐漸升高壓力，並保持一定的壓差，此時打開針閥5c、5h，使試樣內的殘餘甲烷氣體在壓差的作用下被驅替完全。

（2）圍壓控制系統、溫度控制系統工作過程：恆溫槽12經循環泵4c、針閥5j所需溫度的液壓油注入到柱塞泵6d內，柱塞泵6d經壓力變送器7d、針閥5i向壓力室注入液壓油，以控制所需圍壓和溫度。

（3）軸向載入系統工作過程：油槽3經循環泵4a、針閥5a將液壓油注入到柱塞泵6a，柱塞泵6a經壓力變送器7a、針閥5b將液壓油注入到小型液壓油缸14推動活塞16進行軸向載入。

（4）計算機數據採集系統工作過程：溫度感測器11、壓力變送器4a、4b、4c、4d採集得到恆溫槽溫度及各管路壓力信號，CT機拍攝得到水合物沉積物圖像信號，這些信號被傳輸到數據採集系統里進行數據處理得到數位訊號，數位訊號傳輸到工控機1里再進行顯示和存儲。

圖3a所示為自壓式三軸儀主機的結構圖。將凍結的試樣19套上橡皮膜20放置在底盤21上，在試樣頂部放置滲流墊18以防止砂土顆粒進入管路造成堵塞，將端蓋17放置於滲流墊18上面，然後將壓力室腔體22通過螺栓固定在底盤21上，固定好後，安裝活塞16，並將小型液壓油缸14按照圖3所示通過螺絲固定在壓力室腔體22頂端。最後將快速接頭A、C、D以及加壓口15按照圖2所示接入管路系統準備進行試驗。

專利榮譽

2021年6月24日，《一種天然氣水合物沉積物力學特性可視化試驗裝置》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。