一种用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置的制作方法

本实用新型涉及含水合物沉积物测试领域，具体涉及一种用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置。

背景技术：

天然气水合物(简称水合物)是一种非常规的固态化合物质，它一般由水分子包络气体分子组成，在自然界主要赋存于水深大于300m的海洋大陆架边缘和大陆冻土层等地带中。天然气水合物的能量密度非常高，可达约164倍，保守估计全球约有18.8万亿吨有机碳以水合物形式存储于自然界内(Clayton et al.,2005)，由此其被视为人类21世纪有巨大开发前景的高清洁可持续新型能源物质，然而，不同条件下水合物的储量及分布状况相差很大，特别是海洋水合物系统，研究表明只有那些高流体渗流通量且剧烈运移的渗漏型水合物区域才具有开采价值(Tréhu et al.,2006)，这说明沉积物性质是影响水合物形成和聚集的重要因素。

地质构造和沉积特征对自然界水合物聚集、储藏有很大影响，许多研究人员也相继开展沉积物性质对水合物形成、胶结方面的研究工作，Sava and Hardage(2006)提出深水环境下水合物与骨架的四种胶结模式，Jain and Juanes(2008)从颗粒流碰撞角度模拟了未饱和流动下水合物形成及其饱和度与沉积物孔隙进入阈值压力之间的关系，国内关进安等(2012)从渗流角度分析了含水合物地层静水力学性质，Feng et al.(2011)、魏厚振等(2011)利用建造的水合物三轴仪测试了水合物的应力-应变行为和水合物形成对砂土强度等的影响，提出了考虑损伤的含水合物沉积物本构方程，这些研究工作极大地促进了水合物在沉积物内分布和聚集的理论认识。

由于开采水合物储层中涉及到井壁垮塌和相应地层强度变形的问题，以及自然界中水合物分解导致的沉积物失稳等研究，工业和科学界需要获得更精确更直观的含水合物沉积物的诸如抗剪强度、粘聚力、摩擦角等的剪切力学性能的数据以及变化规律，这样传统的土工类直剪仪器就进入了水合物力学研究的视野。自然界中赋存的含水合物沉积物一般是由沉积物骨架-水合物-水和气四相组成，随着各相组分的不同该类沉积物会表现出从弹塑性到流变性的力学特征，这样就需要所使用的直剪仪除了能完成传统的固结和快剪测试外，还能进行排水/排气情况下的慢剪蠕变测试，此外由于水合物的不稳定性，含水合物沉积物试样无法直接在传统的土工类直剪仪器上进行剪切试验，为了得到精确的水合物含量与荷载、变形的关系，原位力学测试是最优先的方案，为了实现这两个功能，水合物形成反应釜与剪切盒必须综合考虑。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种一体化设计的用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置，既能够实现含水合物沉积物试样在剪切盒体内的生成，又能够实现对该生成的含水合物沉积物试样进行原位固结压缩和直接剪切等力学性质的测试。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置，包括机架和剪切盒体，所述剪切盒体包括固定在机架一侧的第一盒体和可相对于第一盒体上下移动的第二盒体，在所述第二盒体远离第一盒体的一端内部设置有可水平移动的盒盖，所述第一盒体、第二盒体和盒盖之间密闭连接，形成用于生成含水合物沉积物的密闭腔室，所述剪切盒体的顶部设置有进水孔和进气孔，所述剪切盒体的底部设置有排水排气孔，所述剪切盒体上还设置有温度传感器孔和压力传感器孔。该剪切盒体的密闭腔室是含水合物沉积物试样的生成容器，盒盖的水平运动能够实现对生成的试样进行固结/压缩测试，第二盒体的上下运动能够实现对生成的试样进行垂直直接剪切测试。

进一步地，所述剪切盒体底部还设置有预留孔。预留孔作为备用孔，在其他孔出现问题时用来代替其进行运作。

进一步地，所述机架还包括固定支架和活动支架，所述第一盒体通过固定支架与机架固定连接，所述第二盒体通过活动支架与机架活动连接。

进一步地，所述第二盒体的顶部与配有垂直位移传感器的第一连杆连接，所述第二盒体的底部与配有垂直位移传感器的第二连杆连接，所述盒盖的外侧与配有水平位移传感器的第三连杆连接，所述第一连杆、第二连杆和第三连杆的另一端与动力装置连接。上述动力装置可以采用常用的单缸恒压恒速泵，提供测试所需要的载荷和速度。

进一步地，所述机架的底部设置有滚轮。通过设置滚轮，可以提高本剪切装置的携带性。

本实用新型的用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置，既是含水合物沉积物试样的反应容器，又是用于对生成的水合物试样原位水平固结/压缩和垂直直接剪切的剪切盒。试验时，装填沉积物试样后对该剪切盒体进水和进气，密闭后再调节周围环境的温压，使之符合水合物形成的条件，待含水合物沉积物试样生成之后打开排水排气口，释放出剪切盒体内的压力以及可能的多余水和气体，静置一段时间后即可对该试样进行水平固结/压缩和垂直快剪/慢剪蠕变实验。本实用新型的剪切装置除了具有组装仪器一体化和实验分步化的优点，还能够开展与常规直剪仪不同的水平固结/压缩测试和垂向直接剪切测试，特别适合水合物稳定区域大的岩心试样，在水合物力学研究领域内具有广泛的用途。

附图说明

图1是本实用新型的剪切装置结构示意图；

图2是本实用新型的剪切装置处于固结压缩状态示意图；

图3是本实用新型的剪切装置处于向上剪切状态示意图；

图4是本实用新型的剪切装置处于向下剪切状态示意图；

附图标记说明：1-机架；2-剪切盒体；3-含水合物沉积物；4-进水孔；5-进气孔；6-排水排气孔；7-温度传感器孔；8-压力传感器孔；9-预留孔；10-固定支架；11-活动支架；12-第一连杆；13-第二连杆；14-第三连杆；15-滚轮；21-第一盒体；22-第二盒体；221-盒盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，一种用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置，包括机架1和剪切盒体2，所述剪切盒体2包括固定在机架1一侧的第一盒体21和可相对于第一盒体21上下移动的第二盒体22，在所述第二盒体22远离第一盒体21的一端内部设置有可水平移动的盒盖221，所述第一盒体21、第二盒体22和盒盖221之间密闭连接，形成用于生成含水合物沉积物3的密闭腔室，所述剪切盒体2的顶部设置有进水孔4和进气孔5，所述剪切盒体2的底部设置有排水排气孔6，所述剪切盒体2上还设置有温度传感器孔7和压力传感器孔8，所述剪切盒体2底部还设置有预留孔9。

其中，所述机架1包括固定支架10和活动支架11，所述第一盒体21通过固定支架10与机架1固定连接，所述第二盒体22通过活动支架11与机架1活动连接，所述第一盒体21与第二盒体22之间、第二盒体22与盒盖221之间分别设置有动密封圈，所述活动支架11上设置有使第二盒体22压紧第一盒体21的压力调节装置(图中未示出)。

其中，所述第二盒体22的顶部与配有垂直位移传感器的第一连杆12连接，所述第二盒体22的底部与配有垂直位移传感器的第二连杆13连接，所述盒盖221的外侧与配有水平位移传感器的第三连杆14连接，所述第一连杆12、第二连杆13和第三连杆14的另一端与动力装置(图中未示出)连接，动力装置可采用单缸恒压恒速泵，提供压缩固结以及剪切所需要的载荷和速度，所述动力装置也安装在机架1上，在所述机架1的底部设置有滚轮15。

本实施例的用于含水合物沉积物力学测试的剪切盒体2采用316L不锈钢，设计最大耐压为20MPa，设计工作温度范围为-20～70℃，设计形状尺寸为120×60×60mm(长×宽×高)，设计垂向最大可承受荷载为100KN，设计水平最大进尺为120mm，设计垂直最大进尺为60mm，动力装置采用单缸恒压恒速泵，设计垂向压缩及剪切速率为0.0024-1.2mm/min，其中第一盒体21位于机架1的左侧，第二盒体22位于机架1的右侧，相应的盒盖221位于第二盒体22的右端，下面参照图2至图4对本实用新型用于含水合物沉积物力学测试的剪切装置的使用和测试过程具体描述如下：

(a)采用高压氮气检查剪切盒体2的气密性：首先检查注气前剪切盒体2的密封情况，接着通过实验用的耐高压耐腐蚀管路将进气孔5与高压氮气瓶连接(若有需要可以再接入增压泵)，管路上设有高压截止阀门，然后关闭其余的孔，打开阀门注入高压氮气至15MPa，静止约2小时后关闭阀门，由于温度传感器和压力传感器通过线缆连入了电脑，可以通过相应的电脑监视软件显示剪切盒体内2的温度压力变化情况，若发现压力慢慢下降，则使用肥皂水一一排查可能漏气的接口，直到最后确定不会存在漏气现象为止；

(b)制作含CO₂水合物沉积物试样：打开盒盖221，将一定粒径的固结沉积细砂放入剪切盒体2内，再关闭盒盖221，通过进水口4注入预先计算好的去离子水，关闭进水口4，通过进气口5通入高压CO₂气体，待压力传感器显示至8Mpa压力时关闭进气口4，使用大型步入式可编程高低温试验箱等降温设备使剪切装置的温度降至1℃并稳定下来，再随时观察温度传感器和压力传感器的曲线变化情况，可据此判断水合物的生成状况，当确定该CO₂水合物沉积物试样反应完全后，再静置半小时，再降低温度至0.1℃，在2min内快速打开排水排气孔6放掉可能多余的水或气，接着关闭排水排气孔6，利用单缸恒压恒速泵向盒盖221施加推力，使剪切盒体2内保持约1.5-2MPa的围压，让CO₂水合物稳定，记录水平位移传感器的变化数据和曲线，注意如果是要进行排气/排水下的固结/剪切实验则可在盒体内相应的放入陶土板或透水石；

(c)含CO₂水合物沉积物的水平固结/压缩性质测试：待步骤(b)完成后，开动单缸恒压恒速泵，由第三连杆14对盒盖221向左方向分5级施加水平荷载，开展该含水合物试样的固结/压缩试验，如图2所示，记录位移传感器的变化数据和曲线，即可得到该热力学条件和水合物含量下的在侧限与轴向加载条件下试样变形与荷载的关系、变形与时间的关系，根据测得的关系曲线可得到试样的压缩系数、压缩模量、压缩与固结系数等参数；

(d)含CO₂水合物沉积物的垂向快剪及慢剪蠕变等力学性质测试：待步骤(b)完成后，开动单缸恒压恒速泵，由第二连杆13对第二盒体22向上分5级施加垂直推力，使第二盒体22向上剪切移动，如图3所示，记录位移传感器的变化数据和曲线；或者由第一连杆12对第二盒体22向下分5级施加垂直推力，使第二盒体22向下剪切移动，如图4所示，记录位移传感器的变化数据和曲线，根据相应的土工实验指导条例开展实验，如果垂向剪切速率为0.0024mm/min则可视为慢剪蠕变测试，如果垂向剪切速率为1.2mm/min则可视为快剪测试，最后可得到在该热力学条件和水合物含量下的沉积物试样的摩擦角和黏聚力等关系曲线，及得到其相关抗剪强度指标。

本实用新型的剪切装置特别用于开展与常规直剪仪不同的水平固结/压缩测试和垂向直接剪切测试，特别适合水合物稳定区域大的岩心试样，在水合物力学研究领域内具有广泛的用途。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。