含天然气水合物沉积物多功能三轴压缩实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及含水合物沉积物基础物性参数原位测试技术，尤其涉及一种能够真实模拟海洋沉积物中天然气水合物的形成，并且进行天然气水合物饱和度准确控制的实验室制样并进行排水和不排水条件的含天然气水合物沉积物三轴压缩实验的实验装置。
【背景技术】
[0002]天然气水合物是由天然气和水在较高压力和较低温度条件下形成的类冰结晶化合物，具有储量大、分布广和能量密度高等特点，如何有效控制其开采风险已经成为近年来的研宄热点。天然气水合物的不合理开发引起含水合物沉积层强度显著降低，可能诱发海床坍塌和海底滑坡等地质灾害；天然气水合物资源勘查过程中的钻井作业扰动了天然气水合物稳定条件使其发生分解，又可能诱发钻探设备和海底管道损坏等工程事故，严重威胁生命及财产安全。如何避免上述事故灾害发生是天然气水合物开采安全性的重要保障，迫切需要开展含天然气水合物力学特性的定量研宄。
[0003]由于原状含天然气水合物沉积物样品获取难度大、成本高，现有的含天然气水合物沉积物力学特性实验研宄仍以实验室人工合成的含天然气水合物沉积物样品为主。目前，含天然气水合物沉积物样品制备方法以原位生成法为主，包括两种方式:一是将具有一定含水量或含冰量的土样放入橡胶筒内，对其抽真空后注入一定压力的甲烷气体，然后降低温度制备含天然气水合物沉积物试样。二是直接将溶解有甲烷气体的水循环通过低温土样制备含天然气水合物沉积物试样。上述第一种方法的制备时间相当长且天然气水合物分布相当不均匀，第二种方法较好地解决了第一种方法的不足，但是该方法在样品进出口管道和透水材料内极易形成水合物造成堵塞，导致合成的天然气水合物饱和度通常较低。
[0004]现有含天然气水合物沉积物力学特性实验研宄通常根据压缩实验结束之后天然气水合物分解产气量反演计算获得天然气水合物饱和度，但是样品进出口管道与透水材料中天然气水合物分解产生的甲烷气以及样品孔隙内的自由态甲烷气均会对反演计算结果精度造成影响，无法实现天然气水合物饱和度的精细控制。
[0005]传统的三轴压缩仪具有原理简单和操作简便等优点，是常规土体力学特性研宄较为常用的实验设备。体积变形(体变)是含天然气水合物沉积物力学特性定量研宄的重要参数。在传统的三轴压缩仪中，先用水将土样饱和，然后通过压缩过程中的排水量确定土样的体变。由于天然气水合物稳定存在于较高压力和较低温度条件下，不能通过水将含天然气水合物沉积物样品饱和，需要对传统的三轴压缩仪进行必要改造以确保排水和不排水实验过程中天然气水合物保持稳定并实现含天然气水合物沉积物体变的测量，为含天然气水合物沉积物的本构模型提出提供重要的实验数据。申请号为201110183207.3，名称为“含天然气水合物沉积物三轴试验装置及其试验方法”的专利对三轴压缩机进行了一定的改进，但仍存在某些问题；申请号为201010222083.0的专利也仅仅给出了将时域反射技术应用于含天然气水合物沉积物力学测试的方法，但仍存在一些问题。上述两个专利存在的问题包括:
[0006]1.在含天然气水合物沉积物样品制备过程中，水合物容易在样品进出口管道和透水材料孔隙中生成，导致液体循环管道堵塞，直接影响了含天然气水合物沉积物样品制备的效果；
[0007]2.含天然气水合物沉积物中水合物饱和度的原位实时精确控制存在缺陷；
[0008]3.不能够实现含天然气水合物沉积物样品的体变测量。
[0009]因此急需一种技术方案来解决困扰含天然气水合物沉积物三轴压缩实验中存在的问题。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型的目的在于提供一种可以解决含天然气水合物沉积物样品制备过程中管道堵塞问题的，能够原位实时精确控制样品中水合物饱和度并可实现样品体变测量的含天然气水合物沉积物多功能三轴压缩实验装置。
[0011]为了达到上述目的，本实用新型包括压力室、三轴实验机、恒温气浴箱、循环注液系统、液体循环控温系统和数据采集系统，所述的三轴实验机设置在恒温气浴箱的内部，压力室设置在三轴实验机的内部，循环注液系统与压力室连通，液体循环控温系统设置在导力杆和压力室底座的内部，数据采集系统分别与压力室、恒温气浴箱、循环注液系统和液体循环控温系统连接。
[0012]具体的说，本实用新型的循环注液系统与压力室内的样品孔隙连通。
[0013]本实用新型的核心实用新型点在于在原有三轴实验机的基础上添加了循环注液系统和液体循环控温系统，保证了在样品制备过程中天然气水合物生成不会堵塞液体循环管道，有力的保障了实验的顺利进行。
[0014]压力室包括压力室上盖、压力室下盖、压力室侧筒、成型模盒、螺旋支撑架，压力室侧筒的上下两端分别与压力室上盖和压力室下盖连接，成型模盒设置在压力室侧筒的中心轴线上，螺旋支撑架穿过压力室侧筒的两侧中间位置与成型模盒连接，控制成型模盒的开闭。
[0015]压力室上盖中心位置设有导力杆通孔，导力杆穿过导力杆通孔伸出压力室上盖。导力杆为空心结构，其上端连接有导力帽。导力帽的侧周设有通孔，导力帽通孔包括氧化铝密封端口、样品上端循环控温腔入口、样品上端循环控温腔出口。导力杆下端通过螺栓与样品端盖连接，样品端盖、导力杆和导力帽密封连接构成样品上端循环控温腔，样品端盖内设有两个绝缘环，绝缘环中心设有时域反射探针。上法兰夹持橡胶筒密封圈通过螺栓与样品端盖下端连接。
[0016]压力室下盖底端中心位置设有空腔，与样品底座连接。压力室下盖侧周设有通孔，包括围压液入口、样品下端循环控温腔入口、样品下端循环控温腔出口、样品进口、样品排空口。样品底座内部设有两个空腔，一个连通样品进口、样品排空口和样品孔隙，另一个连通样品下端循环控温腔入口，两者通过密封圈隔离。下法兰夹持橡胶筒密封圈通过螺栓与压力室下盖上端连接。橡胶筒被上、下法兰夹持与样品端盖和压力室下盖连接并形成样品空腔，空腔内为含天然气水合物沉积物样品，样品上下两端通过透水石与样品端盖和压力室下盖连接，橡胶筒外设有镂空半开式成型模盒。
[0017]压力室的成型模盒的内部设有温度传感器，样品的上下两端均特殊设计有液体循环控温空腔，在控温空腔中设有温度传感器，在样品制备过程中使控温空腔中液体的温度略高于样品温度，即可解决样品进出口管道和透水石因水合物生成而堵塞的问题。
[0018]所述的三轴实验机包括受力框架和实验机底座，受力框架的下侧中心位置设有压力传感器，在压力传感器的一侧设有位移传感器，压力室设置在受力框架与实验机底座之间。
[0019]所述的循环注液系统包括气液混合容器、高压气瓶、孔隙液体容器，气液混合容器下设有磁力搅拌器，气液混合容器输入端分别与高压气瓶、孔隙液体容器管道连接，输出端的上端通过高压管道与样品顶端连接，输出端的下端通过柱塞注液泵组和高压管道与样品底端连接。所述的液体循环温控系统设置在循环注液系统中，其包括样品上端循环控温腔和样品下端循环控温腔。柱塞注液泵组的作用就是将饱和甲烷气体的水注入样品中，并不断循环。
[0020]所述的围压系统包括围压液体容器、水泵、围压泵、围压液体排出体积测量泵，围压液体容器首先与水泵连接，再与围压泵和围压液体排出体积测量泵连接，最后与压力室内部空腔连接。
[0021]所述的数据采集系统包括信号采集器、工控机，工控机与采集器连接，所述的信号采集器与压力传感器、位移传感器、温度探头、时域反射探针和围压液体排出体积测量泵连接。
[0022]所述的气体测量回收系统，包括背压阀、减压阀、安全阀B、气液分离器、干燥器，气体测量回收系统在气液输出端上端管道上，背压阀与减压阀连接，减压阀与安全阀B连接，安全阀B与气液分离器连接，气液分离器的下端设有电子天平，气液分离器与干燥器连接。
[0023]所述的螺旋支撑架包括螺旋杆、螺旋转珠和推进杆，螺旋杆和推进杆之间设有螺旋转珠。
[0024]一种根据权利要求1所述的含天然气水合物沉积物多功能三轴压缩实验方法，其包括以下步骤:
[0025]①试样的制备
[0026]试样的直径为39.1臟，高度为120臟；
[0027]焊接时域反射探针，安装橡胶筒，旋转闭合开式成型模盒，均分体积含水率8 %的实验用土为四份，分层装入橡胶筒并依次砸实至3cm、6cm、9cm和12cm ；
[0028]②压力室的安装
[0029]将安装好的压力室安装于三轴实验机底座上，调整受力框架位置并安装好应力传感器和位移传感器，连接压力室的高压管线，向气液混合容器中加入1/2容积的去离子水，连接气液混合容器的高压管线；
[0030]③施加围压固结
[0031]向压力室内注入围压液，设置围压为0.5?6MPa，对试样进行固结，静置12?24h ；
[0032]④排空