一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置

1.本发明涉及一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置，属于天然气水合物沉积物和基础物性在线检测技术领域。


背景技术：

2.海洋是巨大的资源宝库，随着社会经济对油气能源依存度的高居不下，海洋能源的开发也正逐渐向深水迈进。海底油气资源勘探开发的研究技术手段也得到了极大的发展。天然气水合物是指在一定的温压条件下，由甲烷气体与水结合形成的笼状化合物。理想状态下1m3天然气水合物分解可以释放标况下的164m3天然气，因此天然气水合物被认为是具有巨大能源潜能的非常规能源，为了有效开发利用天然气水合物，目前，中国南海神狐海域已经开展了两次天然气水合物试采，并获得了一定的认识，为天然气水合物资源的开发利用提供了一定的经验基础。
3.静力触探是获取现场工程地质参数的最主要手段，静力触探测试技术被广泛应用于南海水合物地质调查，并通过该技术可反演深海水合物沉积物的各项力学特性。但静力触探具有很强的“区域依赖性”，即某区域获得的工程静力触探参数，由于受土质、孔渗、土组份等因素的影响，是无法直接应用于其他区域，因此，需要开展静力触探标定罐实验进行土体校核。然而由于深海原状沉积物的获取难度非常大，目前仍没有可以测试深海保压样本的静力触探标定罐系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种实现力学特性获取的准确性静力触探标定罐实验装置，该装置可配合水合物沉积物保压船载在线检测装置结合使用，在储存保压样本的同时完成静力触探标定罐实验。
5.一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置，包括：
6.静力触探单元，其包括样本保压筒，样本保压筒具有保压腔，样本保压筒的开口端与保压腔连通，样本保压筒的封闭端固定安装有静力触探探头，静力触探探头延伸进入保压腔；
7.数据采集系统，其用于采集静力触探探头获取的测量数据并存储测量数据；
8.样本输送单元，其包括样本输送保压筒，样本输送保压筒包括容纳腔，样本输送保压筒的开口端与容纳腔连通，样本输送保压筒的封闭端装有样本输送爪，样本输送爪延伸进入容纳腔；
9.还包括球阀模块，球阀模块将静力触探单元和样本输送单元连接在一起并控制两者之间的通断；球阀模块打开时，样本输送爪能够将样本从容纳腔推入本保压筒的保压腔并压向静力触探探头，在推入的过程中，静力触探探头对样本进行测量。
10.本发明提供了一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置，可在输送、保存保压岩心样本的同时，实现对岩心的静力触探标定罐实验。
11.优选的，还包括：压力维持系统，该压力维持系统通过第一高压阀门和第二高压阀门分别与静力触探单元的保压腔和样本输送单元的容纳腔相连通。采用保压筒结合多功能静力触探探头的一体化设计，结构紧凑、可靠性强，可适用于执行船载勘探任务等野外环境。
12.优选的，低温控制单元，该低温控制单元将静力触探单元的保压腔的温度维持在预设的低温度值，除了可对保压样本进行静力触探校核罐实验之外，该发明中的低温样本保压筒配合球阀模块可实现水合物原位保压样本的长时间保存
13.优选的，低温控制单元包括：控温外套筒，其包裹在样本保压筒的外部，能够通过向控温外套筒注入恒温流体的方式实现控温或者使用半导体制冷方式实现控温。
14.优选的，静力触探探头与样本输送爪同轴设置。
15.优选的，所述数据采集系统包括数据采集盒、数据传输线；所述数据采集盒通过数据传输线与多功能静力触探探头，可获取并记录静力触探实验过程中的各项数据；小型化数据采集盒，安装于低温样本保压筒外部，可实现先现场测试、后实验室读取的操作。
16.本发明还提供一种用于保压沉积物在线检测的静力触探的方法，包括以下步骤：
17.s1)样本输送过程：首先球阀模块处于关闭状态并将样本密封在样本输送保压筒内，利用压力维持系统维持样本输送保压筒内部的水压；之后将球阀模块的另一端与样本保压筒连接，利用压力维持系统为样本保压筒充水，并保持与样本输送保压筒相同的压力；打开球阀模块使样本保压筒与样本输送保压筒连通，并利用样本输送爪将样本推入至样本保压筒内；
18.s2)静力触探测试过程：启动静力触探探头，样本在样本输送爪推动下与静力触探探头相对运动，静力触探探头逐渐贯入样本，该期间，使用数据采集系统记录采集到的测量数据；
19.s3)样本保压存储过程：当样本被输送至样本保压筒最内端，关闭球阀模块，将球阀模块与样本输送保压筒分离，并断开样本保压筒与压力维持系统的连接。
20.优选的，还包括：
21.s4)控温过程：控温外套筒安装于样本保压筒外围，在整个样本输送、静力触探实验过程中保持样本保压筒低温环境。
22.本发明的其他有益效果将结合实施例具体说明。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置原理图。
25.图2a,b,c,d分别是用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置系统使用的先后不同状态图。
26.图3是一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置工作流程图。
27.图中：1：多功能静力触探探头；2a：保压筒；2b：控温外套筒；2c：静力触探探头密封盖；3：球阀模块；4a：样本输送保压筒；4b：样本输送爪；5a：高压柱塞泵；5b：高压阀门；6a：数
据采集盒；6b：数据传输线；7：样本。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.实施例1：
30.参照图1-3，该实施例提供一种用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置，其目的在于保压保温维持水合物相平衡条件，获取原状样本并在保真采样的过程中，实现保压沉积物在线检测，即在样本采集过程中就完成静力触探过程。
31.在样本采集过程中，样本从海底采集上来先存储在钻具内，然后钻具与样本输送系统通过球阀连接，当球阀两端压力相等时打开球阀，样本输送爪伸出并抓取样本进入样本输送系统内，随后关闭球阀，此时便达到图2a的状态，完成样本从钻具转移至样本输送系统的过程。样本保压转移切割这部分技术是现有技术，并不是本文的创新点，因此不再赘述。
32.用于保压沉积物在线检测的静力触探标定罐装置包括静力触探单元，其包括样本保压筒2a，样本保压筒具有保压腔，样本保压筒的开口端与保压腔连通，样本保压筒2a的封闭端固定安装有静力触探探头1，静力触探探头1延伸进入保压腔；在其实施例中，静力触探探头1为多功能的静力触探探头1，集成了包括力学特性测试模块、多功能测试模块等诸多模块，静力触探探头1本身为现有技术，不是本实施例的改进点，静力触探探头1的安放和使用是本实施例相对于现有技术的贡献，在本实施例中，多功能静力触探探头安装于所述样本保压筒封闭端中央，所述静力触探探头密封盖用于静力触探探头与保压筒之间的密封以及静力触探探头的轴向位置固定。
33.样本输送单元，其包括样本输送保压筒4a及样本输送爪4b；所述样本输送保压筒与球阀模块3连接，承担样本输送轨道；样本输送爪运动速度可控，并负责抓取并运送沉积物样本进入低温样本保压筒，样本输送保压筒4a包括容纳腔，样本输送保压筒4a的开口端与容纳腔连通，因此，样本输送保压筒4a的主体为一端封闭、一端敞开的圆柱形空心金属筒；样本输送保压筒4a的封闭端装有样本输送爪4b，样本输送爪4b延伸进入容纳腔。
34.数据采集系统，其用于采集静力触探探头1获取的测量数据；所述数据采集系统包括数据采集盒6a、数据传输线6b；所述数据采集盒通过数据传输线与多功能静力触探探头，可获取并记录静力触探实验过程中的各项数据；小型化数据采集盒，安装于低温样本保压筒外部，可实现先现场测试、后实验室读取的操作。
35.还包括球阀模块3，球阀模块3将静力触探单元和样本输送单元连接在一起并控制两者之间的通断；球阀模块3打开时，样本输送爪4b能够将样本7从容纳腔推入本保压筒2a的保压腔并压向静力触探探头1，在推入的过程中，静力触探探头1对样本7进行测量。
36.本发明的有益效果是：通过一体化设计，通过静力触探探头固定、样本运动的方式实现静力触探沉积物标定实验；该结构不需外加静力触探探头驱动系统，结合现有船载保压岩心在线检测装备的岩心动力输送转移机构，即本实施例中的样本输送系统，能实现保压样本输送至样本保压筒的同时进行静力触探标定罐实验，整体装置结构简单紧凑，操作
简便，适合于船载等现场任务的使用。
37.实施例2：
38.本实施例除了包含前述实施例的内容，还包括压力维持系统，该压力维持系统通过第一高压阀门和第二高压阀门分别与静力触探单元的保压腔和样本输送单元的容纳腔相连通，一种可行的实施方式是，所述压力维持系统包括高压柱塞泵5a、高压阀门5b及管路5c；所述高压柱塞泵与所述高压阀门及管路相连接；高压阀门及管路与低温样本保压筒及样本输送系统连接；控制高压柱塞泵处于恒压状态，并通过高压阀门及管路控制样本输送及保存过程中的压力环境。
39.在本实施例中，采用了压力维持系统同时控制静力触探单元的保压腔和样本输送单元的容纳腔的压力，使得静力触探单元的保压腔和样本输送单元的容纳腔内的压力环境相同，尽可能保持样本7的压力状态不发生变化，因此后期分析数据可以准确反映沉积物的原始成份与状态。
40.实施例3：
41.本实施例除了包含前述实施例的内容，还包括：低温控制单元，该低温控制单元将静力触探单元的保压腔的温度维持在预设的低温度值。低温控制单元包括：控温外套筒2b，其包裹在样本保压筒2a的外部，能够通过向控温外套筒注入恒温流体的方式实现控温或者使用半导体制冷方式实现控温。
42.因此，除了可对保压样本进行静力触探校核罐实验之外，该发明中的低温样本保压筒配合球阀模块可实现水合物原位保压样本的长时间保存。
43.实施例4：
44.本实施例除了包含前述实施例的内容，还包括：静力触探探头1与样本输送爪4b同轴设置。这样通过样本输送系统向低温样本保压筒输送样本，使样本与多功能静力触探探头接触并形成同轴相对运动，且静力触探探头1逐渐贯入样本7；期间使用述数据采集盒6a记录各项数据。同轴设置的有益效果一方面是不容易发生静力触探探头1的损坏，另一方面可以使静力触探探头1准确测量数据。
45.实施例5：
46.本实施例提供一种用于保压沉积物在线检测的静力触探的方法，包括以下步骤：
47.s1样本输送过程：首先球阀模块处于关闭状态并将样本7密封在样本输送保压筒4a内，利用压力维持系统维持样本输送保压筒4a内部的水压，此时，样本输送保压筒4a创建了一个压力环境。
48.之后将球阀模块3的另一端与样本保压筒2a连接，利用压力维持系统为样本保压筒2a充水，并保持与样本输送保压筒4a相同的压力；当球阀模块3两侧压力相等时，打开球阀模块3使样本保压筒2a与样本输送保压筒4a连通，并利用样本输送爪4b将样本推入至样本保压筒2a内。
49.s2静力触探测试过程：启动静力触探探头1，样本7在样本输送爪4b推动下与静力触探探头1相对运动，静力触探探头1始终保持固定，由于样本7向静力触探探头1运动，静力触探探头1逐渐贯入样本7，该期间，使用数据采集系统记录采集到的测量数据。因此，在本实施例中，静力触探探头1对样本7的测量是在样本7装载进入样本保压筒2a的过程中完成的，并没有其他额外的测量步骤。
50.s3样本保压存储过程：当样本7被输送至样本保压筒2a最内端，完成了样本7样本保压筒2a的装载，关闭球阀模块3，将球阀模块3与样本输送保压筒4a分离，并断开样本保压筒2a与压力维持系统的连接。本实施例没有采用两个球阀模块3分别密封样本保压筒2a和样本输送保压筒4a，如果采用两个球阀模块3，增加整个装置在轴向上的长度，重度，和制造成本。因此，只使用一个球阀模块3，通过先后的连接样本输送保压筒4a和样本保压筒2a和断开即完成了本实施例的保真采样操作是本实施例方法的另一个重要贡献。
51.另外，还可以包括以下步骤：
52.s4控温过程：控温外套筒2b安装于样本保压筒2a外围，在整个样本输送、静力触探实验过程中保持样本保压筒2a低温环境。例如，在整个样本输送、静力触探标定罐实验过程中保持向控温外套筒2b循环注入恒温流体；在实验操作结束并进行到样本存储阶段后，可以停止向控温外套筒2b循环注入恒温流体，将填装样本7的球阀模块3与保压筒2a放置在低温冷库或冰箱等低温环境下。
53.除了可对保压样本进行静力触探校核罐实验之外，该发明中的低温样本保压筒配合球阀模块可实现水合物原位保压样本的长时间保存；
54.本发明可与现有的船载保压岩心在线检测装备协同使用，船载保压岩心在线检测装备的样本转移系统本可以替代本发明中的样本输送系统.
55.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。