【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天然气水合物勘探，具体而言，涉及一种水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置及方法。
技术介绍
1、天然气水合物是一种由水和气体(甲烷为主)在高压、低温条件下形成的类冰状笼状物，主要分布于深海和永久冻土区，因储量巨大被认为是一种潜在能源。但水合物的开采面临众多问题，开采过程不可控的水合物的分解会导致水合物沉积物抗剪强度降低，进而存在引发海底滑坡的可能性，因此对含水合物土的工程力学特性进行深入研究是进行天然气水合物安全开采的前提条件。
2、采用原位测试方式进行力学特性测试费用高且难度大，目前国际通用的方法是通过室内合成水合物的方式进行研究。采用较多的设备是高压低温三轴仪，国内外采用该类型设备开展砂质水合物的力学特性研究较多，且取得了非常多的有价值成果。然而全球水合物总量的90％以上都赋存于海底黏土质粉砂或淤泥质沉积物中，因此，研究泥质粉砂型水合物的力学特性更有价值。但泥质粉砂型水合物力学特性测试研究面临的最大困难是水合物试样的制备，低渗透性是泥质粉砂型水合物与砂质水合物的主要差别之一，采用传统的饱和水、饱和气等水合物制样手段制备泥质粉砂型高压低温三轴试样难度非常大，在传统饱和水、饱和气方式制样的过程中进行甲烷气体通气的制备效率低，所制备的试样饱和度也不高，且容易造成进气端形成水合物，而远端无水合物生成的问题。这主要是由于泥质粉砂水合物低渗透性及现有高压低温三轴仪大纵横比的特点造成的。四氢呋喃(thf)水合物也被用于水合物力学特性的研究，由于thf为水溶性液体，采用其进行水合物制备较为容易，且所制备的水合物力
技术实现思路
1、鉴于此，本专利技术提出了一种水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置及方法，旨在解决现有技术中泥质粉砂水合物试样制备效率较低且生成的水合物分布不均匀的技术问题。
2、一个方面，本专利技术提出了一种水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，包括：基座、底座、顶压施力组件、多个环形组件、水管支路和气管支路；其中，
3、所述底座设置在所述基座上方，且与所述基座可滑动连接；所述底座的一侧沿水平方向设置有剪切杆，用以对所述水合物试样施加剪切作用力；
4、各所述环形组件设置在所述底座上方，并围设成柱状空腔，用以为水合物试样提供填充空间；所述柱状空腔的高度小于所述柱状空腔的半径，用以使所述水合物试样的长径比≤1；
5、所述水管支路和所述气管支路分别与所述柱状空腔连通，用以向所述柱状空腔中注水排水、注气排气，以制备所述水合物试样；
6、所述顶压施力组件设置在所述环形组件的上方，用以与所述环形组件形成一封闭空腔，并对所述水合物试样施加作用力。
7、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，所述顶压施力组件包括：相连接的竖向加载杆和顶盖；其中，
8、所述顶盖朝向所述环形组件的顶部开口设置，所述竖向加载杆设置在所述顶盖的上方。
9、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，所述水管支路包括：注水管段和排水管段；其中，
10、所述注水管段的进口端与水源连通，所述注水管段的出口端与所述底座中的第一管路的进口连通；所述排水管段的进口端与所述顶压施力组件中的第二管路连通，且所述注水管段设置有注水阀门和注水量表；所述排水管段的出口端与排出端连通，且所述排水管段设置有排水阀门和排水量表。
11、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，所述排水管段上位于所述排水量表的上游处设置有陶土板，用以阻止气体排出。
12、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，所述气管支路包括：注气管段和排气管段；其中，
13、所述注气管段的进口端与气源连通，所述注气管段的出口端与所述底座中的第一管路的进口连通，且所述注气管段设置有注气阀门和注气量表；所述顶压施力组件中设置有第二管路，所述第二管路的进口端与所述第一管路的出口端连通，所述排气管段的进口端与所述第二管路的出口端连通，且所述排气管段上设置有排气阀门和排气量表。
14、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，所述顶压施力组件中还设置有第一导热管，所述底座中设置有第二导热管，所述第一导热管和所述第二导热管均与外部温度控制装置连接。
15、进一步地，上述水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置中，还包括：保温罩；其中，
16、所述基座、所述底座、各所述环形组件和所述顶压施力组件均置于所述保温罩内，所述顶压施力组件的竖向加载杆沿竖向穿出所述保温罩，且所述保温罩内还填充有硅油。
17、本专利技术中的水合物沉积物力学特性测试装置，通过设置长径比较小的设备，确保制备的水合物沉积物试样的长径比较小，使得气体和水分在试样中的渗透效率更快，沉积物中的水合物的分布更均匀。
18、另一方面，本专利技术还提出了一种水合物沉积物力学特性测试方法，包括以下步骤：步骤1，根据需要的饱和度和颗粒组分含量百分比计算出待制备的水合物沉积物中所需的干土的质量msd和水的体积vw1；
19、步骤2，对于黏粒含量较高的沉积物，预先准备需要的干土和适量的水，预先准备的水的体积多于所述待制备水合物试样中的水含量，将上述干土均匀撒入制样器，在制样器上端盖上铺设滤纸及透水石，进行预压固结预设时长，保持土样维持较高的压缩性和渗透性；
20、步骤3，将所述土样从制样器中取出直接放入承膜筒并称重，根据承膜筒和乳胶膜重量可算出土样重量为msw，根据土样重量和干土重量可算出土样中水的体积vw；
21、步骤4，将底座和顶压施力组件中的顶盖注水排气后，将盛放土样的乳胶膜与底座和顶盖密封后放入各所述环形组件围设成的柱状空腔中；
22、步骤5，将剪切杆和顶压施力组件的竖向加载杆的应力应变调零、排出各回路中的杂质气体，排除杂质完毕后，将注水注气回路和排水排气回路分别与底座和顶压施力组件连接起来；
23、步骤6，开启顶压施力组件，并根据气体组分水合物温压相平衡关系，对所述水合物试样施加竖向载荷；待竖向载荷施加到规定数值后，将顶压施力组件的竖向加载杆由力控制改为位移控制，并保持位置不变；
24、步骤7，开始向圆柱形空腔中注气，并实时测记注入气量数值vain、排出气量数值vaout和排出水量数值vwout，直到vw1≥vw-vwout，关闭注气阀、排水阀和排气阀，打开注水阀持续注水，直到注入水量为vwout，此时之前未形成水合物的甲烷气体已形成水合物，所形成的水合物中气体体积为vain-vaout，水合物饱和度可根据va1＝vain-vaout进行计算；
25、步骤8，关闭注水阀，打开注气阀、排水阀和排气阀，重复步骤7、步骤8直到饱和度达本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，包括：基座、底座、顶压施力组件、多个环形组件、水管支路和气管支路；其中，
2.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述顶压施力组件包括：相连接的竖向加载杆和顶盖；其中，
3.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述水管支路包括：注水管段和排水管段；其中，
4.根据权利要求3所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述排水管段上位于所述排水量表的上游处设置有陶土板，用以阻止气体排出。
5.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述气管支路包括：注气管段和排气管段；其中，
6.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述顶压施力组件中还设置有第一导热管，所述底座中设置有第二导热管，所述第一导热管和所述第二导热管均与外部温度控制装置连接。
7.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，
8.一种利用权利要求1至7中任一项所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置进行力学特性测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的水合物沉积物力学特性测试方法，其特征在于，所述预先准备的水的体积为所述待制备水合物试样中的水含量的2倍。
10.根据权利要求8所述的水合物沉积物力学特性测试方法，其特征在于，所述固结压力为5-10kPa，所述预设时长大于等于24h。
...【技术特征摘要】
1.一种水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，包括：基座、底座、顶压施力组件、多个环形组件、水管支路和气管支路；其中，
2.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述顶压施力组件包括：相连接的竖向加载杆和顶盖；其中，
3.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述水管支路包括：注水管段和排水管段；其中，
4.根据权利要求3所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述排水管段上位于所述排水量表的上游处设置有陶土板，用以阻止气体排出。
5.根据权利要求1所述的水合物沉积物试样制备及力学特性测试装置，其特征在于，所述气管支路包括：注气管段和排气管段；其中，
6.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：祁磊，郭洪升，姚志广，邓海峰，李春，许浩，赵开龙，曹先凡，华放，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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