一种多功能水合物特性测试实验装置的制作方法

本发明涉及了一种天然气水合物实验装置，尤其涉及一种多功能水合物特性测试实验装置。

背景技术：

天然气水合物又称可燃冰，是一种天然的无污染的绿色能源。其热值极高，在同等条件下，完全燃烧放出的热量可达到煤气的数十倍。现已勘查探明的天然气水合物中的含碳量相当于已探明现有化石能源（石油、天然气和煤）含碳量总和的2倍，大多储藏在近海大陆架的沉积层，少量储存在高原冻土区，可满足人类未来1000年的能源需求。因此，被认为是具有替代石油、煤和天然气等传统能源巨大潜力的新型能源。

在我国，煤炭是主体能源，在我国一次能源消费结构中煤炭占约70%。大量煤炭的燃烧是引起近年来中国空气质量下降的主要原因之一。全国出现大范围雾霾天气，治理雾霾必须要降低化石能源消费、减少大气污染物排放、提倡和发展清洁能源。这就要求从根本上变革中国现有能源结构，完成以清洁能源为主的绿色变革。正是在此背景下，人们将目光瞄向太阳能、风能等清洁能源的同时，对“可燃冰”寄与更多希望，期待我国蕴藏丰富的“能源之王”担当起绿色变革的重任。

在能源稀缺和环境问题更加严峻的今天，如果能够实现天然气水合物的大规模开采，将对缓解人类当前的能源危机及改善居住环境具有重要的战略意义。未来世界的竞争将是能源的竞争，天然气水合物作为一种新型能源以其高热量、储量大和绿色环保的特点引起了世界各国的极大注意，研究天然气水合物的力学特性，掌握天然气水合物的开采技术十分必要。

从天然气水合物沉积层中采收天然气会使海底沉积层强度降低，增加海床的不稳定性，可能引起地质塌陷，海底滑坡等灾害。如何经济高效，安全的开采天然气水合物，同时又不会引起海底滑坡与沉积层坍塌等地质灾害，需要深入研究水合物沉积物的力学特性。

传统的三轴压缩仪具有原理简单和操作简便的优点，通过改造可以实现天然气水合物试件的三轴压缩实验，但是，传统的三轴压缩仪只能测量土样的体变，无法测得天然气水合物试件的体变。通过改造传统的三轴压缩仪只能测得天然气水合物试件力与变形的曲线，同时，由于仪器构件之间的摩擦导致所得的力偏大，实验结果的可靠度有待校正。改造的三轴压缩仪只能测量水合物试件力与位移的关系，不能监测水合物试件的体变和渗透率等性质，不能监测水合物分解过程中水合物试件的力学性质。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种能够有效解决水合物试件三轴压缩实验中力值偏大的问题，同时还可以监测水合物试件的三轴压缩时的体变特性，水合物分解过程中水合物试件的力学性质以及天然气水合物渗透率的多功能水合物特性测试实验装置。

本发明采用如下技术方案：

一种多功能水合物特性测试实验装置：其特征在于：包括供气系统、增压系统、围压控制系统、恒温气浴系统、加载系统、夹持系统、数据采集系统，增压系统、围压控制系统、加载系统、夹持系统处于恒温气浴环境中；供气系统配置要求组分的气体经过增压系统增压后进入夹持系统，围压控制系统将低温液体送入夹持系统，为水合物试件提供围压；加载系统固定夹持系统并对水合物试件施加轴向载荷；数据采集系统采集系统检测数据。

所述的一种多功能水合物特性测试实验装置，其特征在于：夹持系统由（1）缸体、（2a）左端盖、（2b）右端盖、（3a）左卡环、（3b）右卡环、（4a）左承力柱、（4b）右承力柱、（5a）进气腔、（5b）出气腔、（6a）左压块、（6b）右压块、（7a）左压力传感器、（7b）右压力传感器、（8a）左渗透板、（8b）右渗透板、（9）水合物试件、（10）柔性温度控制器、（11）进液嘴、（12）出液嘴、（13）进气嘴、（14）出气嘴组成。

所述的一种多功能水合物特性测试实验装置，其特征在于：（1）缸体与（2a）左端盖和（2b）右端盖之间通过螺纹及密封圈密封；（2a）左端盖与（4a）左承力柱之间及（2b）右端盖与（4b）右承力柱之间通过螺纹及密封圈密封。

所述的一种多功能水合物特性测试实验装置，其特征在于：（6a）左压块与（7a）左压力传感器紧密装配在一起，（6b）右压块与（7b）右压力传感器紧密装配在一起，（6a）左压块和（6b）右压块中间设置有小孔；（7a）左压力传感器和（7b）右压力传感器中间设置有小孔，且分别与压力块的孔相对应。

附图说明

图1是本发明多功能水合物特性测试实验装置工作原理框图。

图2是本发明多功能水合物特性测试实验装置夹持系统结构示意图。

图3是本发明多功能水合物特性测试实验装置加载系统结构示意图。

图4是本发明多功能水合物特性测试实验装置的试验系统示意图。

图中各标记如下：（1）缸体、（2a）左端盖、（2b）右端盖、（3a）左卡环、（3b）右卡环、（4a）左承力柱、（4b）右承力柱、（5a）进气腔、（5b）出气腔、（6a）左压块、（6b）右压块、（7a）左压力传感器、（7b）右压力传感器、（8a）左渗透板、（8b）右渗透板、（9）水合物试件、（10）柔性温度控制器、（11）进液嘴、（12）出液嘴、（13）进气嘴、（14）出气嘴、（15）气瓶、（16）截止阀、（17）第一压力变送器、（18）温控槽、（19）增压泵、（20）恒流恒压泵、（21）针阀、（22）流量计、（23）止回阀、（24）液压油箱、（25）电动泵、（26）针阀、（27）第二压力变送器、（28）差压变送器、（29）背压阀、（30）流量计、（31）液压油槽、（32）止回阀、（33）数控压力阀、（34）减压阀、（35）流量计、（36）气体回收瓶、（37）工控机、（38）恒温箱、（39）右加载缸、（40）左加载缸、（41）加载垫块、（42）滚珠丝杠、（43）固定卡槽、（44）气液分离器、（45）背压阀、（46）量筒、（47）天平。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

图1所示为多功能水合物特性测试实验装置工作原理框图，其工作过程为：气体经配气系统配气后得到实验模拟要求气体，由增压系统增压后输入夹持系统中，围压控制系统向夹持系统供给低温液压油，夹持系统和加载系统置于恒温浴槽温控系统的乙二醇浴槽中进行温控，反应过程中的工作参数如温度、压力信号均由计算机数据采集系统采集和实时分析。

图2所示为夹持系统结构图。由于夹持系统基本是对称设计，以下组装顺序以先组装左侧为例。先把（4a）左承力柱穿过（2a）左端盖，将（6a）左压块连接到（4a）左承力柱，然后将三者的组合体组装到（1）缸体上，卡紧（3a）左卡环，将预制好的水合物试件（9）左右两端分别放置左渗透板（8a）、右渗透板（8b），然后用柔性温度控制器（10）将三者紧密包裹住，将四者的组合体固定到左压力传感器（7a）上；把（4b）右承力柱穿过（2b）右端盖，将（6b）右压块连接到（4b）右承力柱，然后将三者的组合体组装到（1）缸体上，同时将上述水合物试件的组合体固定到右压力传感器（7b）上卡紧（3b）右卡环，至此完成夹持系统的组装。

图3所示为加载系统示意图。加载系统采用卧式设计，组装好的夹持系统放置在右加载缸（39）、左加载缸（40）、加载垫块（41）、滚珠丝杠（42）、固定卡槽（43）组成的空间。

图4所示为多功能水合物特性测试实验装置的系统图，下面按图中所示系统加以说明：

(1)恒温箱及乙二醇浴槽温控槽工作过程为：实验开始前首先用恒温箱（38）进行一级温控，提供合适的环境温度，制冷温度范围是20～0℃；然后用置于恒温箱（38）内的温控槽（44）进行二级温控，精确控制浸于温控槽（44）中夹持系统的温度。

(2)供气增压过程如下：按图示配置，开启阀16，气体依次经过截止阀（16）、增压泵（19）、（20）恒流恒压泵、（21）针阀、（22）流量计、（23）止回阀向夹持系统注入气体达到设计压力值。

(3)围压控制系统工作过程为：开启针阀（26），用电动泵（25）把液压油箱（24）中的低温液压油供给夹持系中，设定背压阀（29）的压力，经背压阀（29）、流量计（30）和液压油槽（31）实现试件围压的施加。

(4)计算机数据采集系统工作过程为：第一压力变送器（17）、第二压力变送器（27）、差压变送器（28）采集得到试件两端压力等模拟信号，这些信号被传输传入工控机（37）后由软件进行数据显示和存储。

(5)其他工作系统：

气体经过夹持系统后，先后经过止回阀（32）、减压阀（34）、气液分离器（44）、数控压力阀（33）、流量计（35）、气体回收瓶（36）；液体经过夹持系统后，先后经过止回阀（32）、减压阀（34）、气液分离器（44）、背压阀（45）、量筒（46）、天平（47）。

1、水合物试件力学特性实验：

上述多功能水合物特性测试实验装置进行天然气水合物力学性能试验。实验所用的甲烷纯度99.9％。所用的液压油为耐低温液压油。先将夹持系统用蒸馏水清洗干净，组装好夹持系统，将制作好的水合物试件放置在夹持系统中；连接管路，向夹持系统内通入气瓶（15）中实验气体，并利用增压泵（19）将压力控制在实验设计压力；升高试件周围温度使试件中的冰融化，保持系统温度24小时，确定气体充分溶解。开启恒温箱（38）获得低温环境，利用温控槽（18）冷却系统到实验设计温度。观察压力的变化，压力不再变化时水合物生成结束，保持10h，然后升高温度，促使甲烷水合物分解，然后再次生成水合物,获得均匀水合物分布的试件。关闭止回阀（32）、减压阀（34）、气液分离器（44）、数控压力阀（33）、流量计（35）、背压阀（45），开启加载系统对试件进行加载，根据实验方案对试件施加预定值的围压，设置好背压阀（29）的压力值，通过压力传感器（7a）和（7b）记录试件力-位移数据，通过记录流量计（30）流经的液体体积换算得到试件的体积应变数据。

2、水合物试件加热分解力学特性实验：

上述多功能水合物特性测试实验装置进行天然气水合物力学性能试验。实验所用的甲烷纯度99.9％。所用的液压油为耐低温液压油。先将夹持系统用蒸馏水清洗干净，组装好夹持系统，将制作好的水合物试件放置在夹持系统中；连接管路，向夹持系统内通入气瓶（15）中实验气体，并利用增压泵（19）将压力控制在实验设计压力；升高试件周围温度使试件中的冰融化，保持系统温度24小时，确定气体充分溶解。开启恒温箱（38）获得低温环境，利用温控槽（18）冷却系统到实验设计温度。观察压力的变化，压力不再变化时水合物生成结束，保持10h，然后升高温度，促使甲烷水合物分解，然后再次生成水合物，获得均匀水合物分布的试件。开启加载系统对试件进行加载，根据实验方案对试件施加预定值的围压，设置好背压阀（29）的压力值，利用柔性温度控制器（10）对水合物试件加热，模拟水合物试件加热开采，通过调节背压阀（45）的开闭模拟开采过程中排水固结和不排水固结，通过压力传感器（7a）和（7b）记录试件力-位移数据，通过记录流量计（30）流经的液体体积换算得到试件的体积应变数据。

3、水合物试件降压分解力学特性实验：

上述多功能水合物特性测试实验装置进行天然气水合物力学性能试验。实验所用的甲烷纯度99.9％。所用的液压油为耐低温液压油。先将夹持系统用蒸馏水清洗干净，组装好夹持系统，将制作好的水合物试件放置在夹持系统中；连接管路，向夹持系统内通入气瓶（15）中实验气体，并利用增压泵（19）将压力控制在实验设计压力；升高试件周围温度使试件中的冰融化，保持系统温度24小时，确定气体充分溶解。开启恒温箱（38）获得低温环境，利用温控槽（18）冷却系统到实验设计温度。观察压力的变化，压力不再变化时水合物生成结束，保持10h，然后升高温度，促使甲烷水合物分解，然后再次生成水合物，获得均匀水合物分布的试件。开启加载系统对试件进行加载，根据实验方案对试件施加预定值的围压，设置好背压阀（29）的压力值，设置数控压力阀（33）的阀值，减小水合物试件孔隙压力，实现模拟降压开采水合物，通过调节背压阀（45）的开闭模拟开采过程中排水固结和不排水固结，通过压力传感器（7a）和（7b）记录试件力-位移数据，通过记录流量计（30）流经的液体体积换算得到试件的体积应变数据。

4、水合物试件渗透率实验：

上述多功能水合物特性测试实验装置进行天然气水合物力学性能试验。实验所用的甲烷纯度99.9％。所用的液压油为耐低温液压油。先将夹持系统用蒸馏水清洗干净，组装好夹持系统，将制作好的水合物试件放置在夹持系统中；连接管路，向夹持系统内通入气瓶（15）中实验气体，并利用增压泵（19）将压力控制在实验设计压力；升高试件周围温度使试件中的冰融化，保持系统温度24小时，确定气体充分溶解。开启恒温箱（38）获得低温环境，利用温控槽（18）冷却系统到实验设计温度。观察压力的变化，压力不再变化时水合物生成结束，保持10h，然后升高温度，促使甲烷水合物分解，然后再次生成水合物，获得均匀水合物分布的试件。根据实验方案对试件施加预定值的围压，设置好背压阀（29）的压力值，关闭背压阀（45），通过记录流量计（22）和流量计（35）的数值可计算得出水合物试件的渗透率。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。