一种模拟水合物开采过程中海洋能源土-井界面力学性质的测试装置和测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术属海洋能源土开采力学测试领域，具体地，涉及一种模拟水合物开采过程中海洋能源土

【技术实现步骤摘要】
一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置和测试方法


[0001]本专利技术属海洋能源土开采力学测试领域，具体地，涉及一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置和测试方法。

技术介绍

[0002]天然气水合物是一种新型清洁能源，据国土资源部估算，在我国东海、南海及其邻近海域有着非常丰富的水合物资源。天然气水合物通常形成于深水浅覆盖层的松散沉积物中，具有胶结差、强度低的特性，并且在深海开采的过程中，会产生土
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井界面弱化的现象：天然气水合物覆层在抗拔结构的循坏荷载作用下，土
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结构界面发生软化；在深部海水动力作用下，土
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井界面会发生液化；开采过程中的多过程耦合(变形过程、化学过程、渗流过程及热传导等)会使土
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井界面天然气水合物发生相变。土
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井结构界面的弱化会造成开采平台基础失稳，严重危害天然气水合物开采安全。然而目前对天然气水合物的研究只是集中在产能评价和沉积物自身力学特性，忽略了水合物开采过程中土体与井界面间的相互作用。因此开展水合物开采过程中对含天然气水合物的海洋能源土
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井界面力学特性研究对水合物开采具有重要意义。
[0003]海洋能源土力学性质是目前研究重点之一，对含天然气水合物土
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井结构界面间的模拟实验较少。周远等在文《气体水合物喷射合成与直剪试验系统的研制与应用》中研制了气体水合物喷射合成与直剪试验系统，系统包括水合物喷射合成子系统和含水合物土低温高压直剪子系统，水合物喷射合成系统由供气模块，供水模块，温控模块和反应釜模块组成，水合物喷射合成装置在高压低温的环境中，通过喷射水雾，水雾与气体反应快速合成水合物，通过这种方法可快速高效地制备持力体型气体水合物。直剪试验系统由供气模块，应力加载模块，温控模块和数据采集模块组成，该系统利用由恒速恒压泵施加轴压，可以实现胶结型和填充型水合物的直剪试验。直剪试验相比于三轴剪切试验更方便省时，能快速获得沉积物的力学参数。但该系统不能模拟水合物开采的不同工况条件，不能模拟水合物开采过程中水合物沉积物与开采井结构界面间的力学特性。
[0004]在参阅国内外相关天然气水合物试验研究资料的基础上，认为现有的水合物试验装置存在一定局限性。目前，国内外的含天然气水合物力学特性试验研究绝大部分都是基于室内天然气水合物合成的基础上通过三轴试验展开，通过模拟不同地质条件(围压、气压、温度等)下及不同开采方式中含天然气水合物土体本身的各项性质，直接实现含天然气水合物土
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井结构界面间的模拟实验鲜有公开报道。目前对土
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结构面力学性质相关研究多是通过直剪仪进行开展，不能模拟天然气水合物的开采过程。本专利技术在当今现有水合物试验设备的基础上进行改进，结合传统直剪试验，专利技术一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学特性测试装置和测试方法。该装置可在高压低温环境下进行含天然气水合物土的制备并开展含天然气水合物土的常规力学试验，可以控制水合物的分解时间，模拟水合物开采过程对水合物沉积物力学性质的影响，并且可以模拟水合物开采过程中土
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井
界面的剪切过程，为研究水合物开采过程中土
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结构面弱化行为提供良好的试验技术支持。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置和测试方法。该装置可测试水合物开采过程中海洋能源土
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井界面的剪切力学特性，利用数据采集系统进行显示，操作简单，结果可靠。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的解决方案如下：
[0007]一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置，包括：三轴压力室、轴压加载器、围压加载器、供气调压系统、水浴水槽、背压阀、气液分离回收装置和数据传输采集处理器。该装置能够提供的最大轴向荷载为1500kN，最大围压为60MPa，气压的施加范围为0～20MPa，温度的调节范围为
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30～99.9℃。其中：供气调压系统和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；背压阀可以控制水合物分解；水浴水槽将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；开采井界面与土体试样相拼接，安装至三轴压力室中，模拟开采过程中土
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井界面力学特性；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、供气调压系统、围压加载器、轴压加载器、水浴水槽、背压阀相连，定时采集试验数据并予以存储处理。
[0008]相对于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0009]1、能稳定生成含天然气水合物土体试样，可实现水合物开采过程对土
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井界面力学特性试验研究；
[0010]2、可以实现考虑水合物不同分解时间的升温降压分解，也可以单独通过降压或升温模拟不同的开采工况对土
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井界面力学特性的影响；
[0011]3、上下基座由L型带孔钢块和带孔软硅胶组成，保证气液体流动使天然气水合物顺利生成及分解，同时分别传递轴压至试样土体和井界面，实现土
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井界面间的相互剪切；
[0012]4、采用数据自动采集、计算，数据采集精度高，自动化程度较高，减小人工误差；
附图说明
[0013]图1为模拟水合物开采过程中土
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井界面力学特性测试装置的结构示意图；
[0014]图2是模拟水合物开采过程中土
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井界面力学特性测试装置的上/下垫块、土
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井界面试样示意图；
[0015]图3是模拟水合物开采过程中土
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井界面力学特性测试装置中气液分离回收装置示意图。
[0016]图中：1、三轴压力室，2、轴压加载器，3、围压加载器，4、土
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井界面试样，5、供气调压系统，6、水浴水槽，7、背压阀，8、气液分离回收装置，9、数据采集系统。
具体实施方式
[0017]如图1所示，模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置，包括：三轴压力室1、轴压加载器2、围压加载器3、土
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井界面剪切试样4、供气调压系统5、水浴水槽6、背压阀7、气液分离回收装置8和数据采集系统9；其中：应力加载系统2、3与三轴压力室1连接，实现不同应力方式加载；供气调压系统5与三轴压力室1连接，提供气源并控制气
体施加压力；水浴水槽6将三轴压力室1无缝包围，控制围压室内温度，实现水合物稳定生成或水合物升温分解；土
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井界面试样4安装在三轴压力室1中，模拟开采引起的土
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井界面相互剪切作用；背压阀7与三轴压力室1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学性质的测试装置，包括：三轴压力室、轴压加载器、围压加载器、供气调压系统、水浴水槽、背压阀、气液分离回收装置和数据传输采集处理器。该装置能够提供的最大轴向荷载为1500kN，最大围压为60MPa，气压的施加范围为0～20MPa，温度的调节范围为
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30～99.9℃。其中：供气调压系统和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；背压阀可以控制水合物分解；水浴水槽将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；开采井界面与土体试样相拼接，安装至三轴压力室中，模拟开采过程中土
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井界面力学特性；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、供气调压系统、围压加载器、轴压加载器、水浴水槽、背压阀相连，定时采集试验数据并予以存储处理。2.根据权利要求1所述的一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学特性测试装置，其特征在于：三轴压力室自下而上装有下垫块、土
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井界面试样上基座(L型带孔钢块、半圆带孔软硅胶)、半圆柱土体试样、井界面、土
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井界面试样上基座(L型带孔钢块、半圆带孔软硅胶)。上垫块通过管线与供气调压系统连接。下垫块通过管线与背压阀连接。L型带孔钢块均匀设有内外两层均匀分布的直径1mm圆孔，圆孔贯穿整个L型带孔钢块。带孔软硅胶设有个均匀分布直径3mm圆孔，圆孔中心与L型带孔钢块内层圆孔中心相对应。L型带孔钢块上表面设有深0.5mm凹槽，利于甲烷气体流通。3.根据权利要求1
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2所述的一种模拟水合物开采过程中土
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井界面力学特性测试装置，其特征在于：土
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井界面试样4整体高100mm，直径50mm；半圆柱土体试样与井界面尺寸相同，直径50mm，高60mm。土
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井界面试样外侧包裹热缩胶套，热缩胶套上下端分别与上垫、下垫块相连，保证试样密封；此外，热缩胶套轴向两侧设有两个轴向应变传感器，外表面中部设有一个环向应变传感器。4.根据权利要求1
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3所述的一种模拟水合物开采过程中土
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井界面力学特性测试装置，其特征在于：L型带孔钢块刚性大，作用为传递轴压加载系统所施加的轴压至半圆柱土体试样和井界面，实现土体试样与井界面间的相互剪切；半圆带孔软硅胶刚性极小，不影响土
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井界面剪切时的相互错动，可保持试验过程中热缩胶套内与三轴压力室内部的围压值相同。5.根据权利要求1
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4所述的一种模拟水合物开采过程中海洋能源土
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井界面力学特性测试装置，其特征在于：水浴水槽包括恒温水浴和温度表；水浴水槽将三轴压力室无缝包围；温度施加范围值为
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【专利技术属性】
技术研发人员：张玉，侯正森，李建威，李大勇，于婷婷，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：