考虑水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种岩土工程模型试验装置，尤其是涉及在降压开采天然气水合物过程中的砂土井壁静态液化失稳的模型箱。

背景技术

天然气水合物是在特定条件下由水分子和烃类分子组成的类冰状笼形化合物,标准状态下,单位体积天然气水合物可释放出160～180体积的甲烷气体，其在自然界的储量巨大,被认为是21世纪最重要的替代能源,如何高效安全地开采水合物已经成为当前面临的迫切问题。目前提出具有经济意义的开采方法以降压开采法为主。

目前对于降压开采法技术的研究主要集中于如何解决其开采过程中提高开采效率、运输和管路防腐等方面，较少关注岩土工程领域中可能出现的砂土井壁失稳性破坏。考虑到天然气水合物开采成本高、开采难度大，一旦发生砂土井壁静态液化破坏现象，将会造成人员伤亡和大量的财产损失，并且可能引发一系列不可逆的生态污染。这些后果应引起广泛关注，对于天然气水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化失稳的研究迫在眉睫。

在以降压开采法开采深海处的天然气水合物，由于深海条件下，液体压力巨大、温度低加上可能存在的淤泥、腐殖质沉积层受扰动后产生大量气体，导致砂土井壁失稳机理十分复杂。近些年国内外学者对传统岩土工程中静态液化现象的研究有了长足的发展，多采用数值模拟、基于经典土力学理论中的解析方法和试验研究，对于天然气水合物降压开采方面缺乏相关的研究。模型试验通过适当的缩尺比例能够直观地模拟土体的工作状态，进而获得相关的数据。要考虑深海条件下的天然气水合物降压开采引发砂土井壁静态液化失稳就必须能够控制水压力、砂土含气量、砂土温度和由开采引起的体积损失，目前国内外还没有研制出有关的试验模型装置。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明的目的是提供一种考虑天然气水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化失稳模型试验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

考虑天然气水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化失稳试验装置，

包括模型箱(0)、液压控制组件、充气控制组件、温度控制组件、体积损失控制组件和数据采集组件组成，其中

所述模型箱(0)前侧为开口玻璃窗，用于观察模型箱(0)内状况；模型箱(0)上设有开口和上盖，所述上盖用于打开或闭合开口，所述开口用于填充试验材料；所述试验材料包括砂土、水和砂土井，所述砂土和水依次铺设在模型箱(0)内，所述开采井壁(5)竖向布置在砂土中；

所述液压控制组件用于控制模型箱(0)内的水压以模拟深海压力；

所述充气控制组件用于控制模型箱(0)内砂土的含气量；

所述温度控制组件用于控制含气砂土的温度以模拟开采时的温度；

所述体积损失控制组件用于模拟天然气水合物开采引发的体积损失；

所述数据采集系统用于采集试验数据。

所述液压控制组件包括液压泵、水箱(8)、液体减压阀(10)、第一球阀(2)以及水管；所述水箱(8)和模型箱(0)通过水管连通，所述液压泵安装在水箱(8)上用于将水箱(8)内的水泵入模型箱(0)内；所述液体减压阀(10)设置在与模型箱(0)相接的管路上用于控制模型箱(0)内的水压；所述第一球阀(2)设置在与模型箱(0)相接的管路上用于控制水管的开关。

所述充气控制组件包括空气压缩机(1)、第二球阀(9)、气体减压阀(3)以及通气管；所述通气管一端与空气压缩机(1)的输出端连接，另一端埋设在砂土内；所述第二球阀(9)安装在通气管上用于控制气管的开关；所述气体减压阀(3)安装在通气管上用于控制砂土中含气量。

所述温度控制组件包括温度控制电脑(6)、加热棒(12)和温度计(20)，

所述加热棒(12)埋设在砂土内用于为砂土加热；

所述温度计(20)埋设在砂土内用于测量砂土温度；

所述温度控制电脑(6)与加热器(12)连接用于控制加热器的功率以及开关；

温度控制电脑(6)与温度计(20)连接用于实时监测、反馈试验过程中砂土的温度变化。

体积损失控制系统包括活塞(15)、变速器(16)、电机马达(17)和滑动腔室(19)；所述滑动腔室(19)在模型箱(0)底部，所述活塞(15)滑动连接在滑动腔室(19)内形成活塞(15)结构，活塞(15)底部固定有活塞(15)杆，所述变速器(16)安装在电机马达(17)上用于调节输出速度；电机马达(17)与电源的总可控开关连接用于控制其启动和关闭；利用齿条与变速器(16)的变速齿轮啮合实现转动转化为直线运动，齿条的顶部作用在活塞(15)的底部的活塞(15)杆上从而实现活塞(15)的滑动；活塞(15)上侧的土体随活塞(15)的下移而下沉至滑动腔室(19)内，即模拟出模型箱(0)内土体体积的损失。

所述数据采集组件包括应力计(4)，所述应力计(4)固定在开采井外侧且被埋设在砂土内用于测定砂土的应力。

所述数据采集组件包括位移计(13)，所述位移计(13)用于测量活塞(15)的下移量，再结合活塞(15)的截面积计算出损失的体积。

所述数据采集组件包括监控系统，所述监控系统包括支架、led灯照明和数码相机，所述支架设模型箱(0)有玻璃开窗的前侧，所述led灯照明和数码相机安装在支架上用于拍摄记录试验过程。

本发明的设计思路及具有以下优点：

1、充气控制系统通过管网深入砂土内部，空气压缩机中高压空气经过可控的减压阀，达到量化控制砂土内含气量。这样可根据实际情况选取含气量，设计试验方案，更好地模拟天然气水合物降压开采过程中砂土井壁发生静态液化失稳现象。

2、液压控制系统将水箱与模型箱相连接，液压泵能够控制模型箱内水量以达到控制水压的目的，因而能够模拟深海条件下的高压作用。并且通过控制压力能够模拟不同水深的工况。

3、温度控制系统通过分布在砂土内部的加热棒，能够精确的控制含气砂土的温度变化。这样可根据实际情况加热含气砂土，更好地模拟天然气水合物降压开采过程中温度变化情况。

4、体积损失控制系统通过活塞、变速器、电机马达，能够精准的控制体积损失量。这样可根据实际情况调整活塞的速度，更好的模拟天然气水合物开采过程中的体积损失情况

5、模型箱前侧为有机玻璃，通过监测系统可以很清晰的观察土体的变化，可视化程度高。通过监视系统采集图像信息可以完整地记录实验过程中土体发生的变化。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为模型箱结构示意图；

图2为图1a-a结构剖视图；

图3为图1b-b结构剖视图；

图4为图1c-c结构剖视图；

图5为图2d结构剖视图。

图中数字标记:

0模型箱，1空气压缩机，2第一球阀，3气体减压阀，4应力计，5开采井壁，6温度控制电脑，7微型液压泵，8水箱，9第二球阀,，10液体减压阀，11导气管，12加热棒，13位移计，14压力计，15活塞，16变速器，17电机马达，18土压力计，19滑动腔室，温度计20。

具体实施方式

考虑天然气水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化失稳模型试验装置，参照图1进行说明，包括模型箱、充气控制组件、温度控制组件、液体压力控制系统、体积损失控制组件和数据采集组件。

模型箱上部开口，方便填充试验材料和对装置各个组件进行装配和调试，模型箱前侧为有机玻璃，方便对内部土体进行观察。试验材料包括开采井、砂土、黏土和水。如图1、图2所示，模型箱内部由下至上依次填充砂土、黏土和水，开采井竖向布置在模型箱内的右前侧便于透过玻璃进行观察。

如图2所示，充气控制系统包括微型空气压缩机1、第一球阀2、气体减压阀3及相关管路。空气压缩机1置于模型箱0一侧，通过相关管网使空气压缩机1的输出端深入砂土中用于为砂土中充入气体；空气压缩机1与电源的总可控开关相连用于控制压缩机的开启和关闭。在管路上由左到右依次布置了减压阀3和第一球阀2用于控制充气量，手动操作第一球阀2能够实现进气管道开启和关闭。

如图3所示，温度控制系统包括温度控制电脑6、加热棒12和温度计20。加热棒12和温度计20呈网状深入布置砂土之中用于均匀的加热含气砂土，所述温度控制装置6与加热棒12和温度计20连接用于控制加热棒12的开关以及加热棒12的功率和实时监控、记录含气砂土的温度变化，从而实现控制模型箱内的升温速度以及最终达到稳态时的温度。

如图4所示，液压控制系统包括带数显的微型液压泵7、水箱8，液体减压阀10和第二球阀9。微型液压泵7与电源的总可控开关连接用于控制微型液压泵7的启动和关闭。微型液压泵7和水箱8置于模型箱0一侧，水箱与模型箱0连通，压力泵8安装在水箱8上用于将水箱8内的水泵入模型箱0内以实现给模型箱0内加压。所述减压阀安装在与模型箱0相接的管路上用于控制模型箱0内的水压值。手动操作第二球阀9安装在与模型箱0相接的管路上能用于控制进液管道开启和关闭。

体积损失控制系统包括活塞15、变速器16、动力装置和滑动腔室19。如图5所示，所述滑动腔室19在模型箱0底部，所述活塞15滑动连接在滑动腔室19内形成活塞结构，活塞15底部固定有活塞杆。本实施例中的动力装置采用电机马达17，所述变速器16安装在电机马达17上用于调节输出速度。电机马达17与电源的总可控开关连接用于控制其启动和关闭。利用齿条与变速器16的变速齿轮啮合实现转动转化为直线运动，齿条的顶部作用在活塞的底部的活塞杆上从而实现活塞15的滑动。活塞15上侧的土体随活塞15的下移而下沉至滑动腔室19内，即模拟出模型箱0内土体体积的损失。

通过调整变速器16能够调整活塞的运动速度用于模拟不同速度的体积损失过程，从而实现根据实际情况控制体积损失。

所述数据采集系统包括位移计、应力计、拍摄组件，所述应力计埋设在砂土内且紧贴开采井用于取得井壁砂土的应力值。

所述位移计13安装在活塞的下方用于测量活塞15下降的距离，并结合滑动腔室19的截面面积测量出已损失的体积。

所述压力计14的上侧与活塞15底部的活塞杆固定，压力计14的下侧与齿条固定，用于检测土体的压力。所述土压力计18安装在活塞15上侧用于检测土体的压力。通过两个压力计使测量值更加准确。

所述的拍摄组件设在模型箱外的前测，包括支架、led灯和数码相机，支架固定于模型箱有玻璃开窗的前侧，led灯照明和数码相机安装在支架上用于拍摄记录试验过程。

本发明考虑天然气水合物降压开采诱发砂土井壁静态液化失稳模型试验装置的装配操作过程通过以下几个步骤完成：

第一，清洗模型箱0，尤其是其玻璃使之达到良好的可视度。将砂土按照一定的分布形式填入模型箱底部，然后填入一定厚度的黏土，插入加热棒和充气管网，并在开采井外侧井壁附近放置若干的应力计。对水箱8加入足够量的水，确保模型箱0内部各个组件连接正常，各个接口处无漏水、漏气现象。

第二，开启液压控制组件和充气控制组件的电源，开启监视系统。确保各个系统能够正常运转。

第三，打开球阀9，增加液压到预定数值，之后打开球阀2，开始对砂土进行充气，充入预定的气体之后，在应力计4和土压力计18达到稳定状态时，即达到试验预想模拟的初始状态。

第四，开始模拟试验，调整转速器16达到预定的情况，启动电机马达17，通过活塞15的移动模拟开采过程中的体积损失情况，诱发砂土井壁静态失稳现象。此时监视系统记录土体位移变形的变化情况，通过piv技术对数码相机拍摄的数据进行分析得到应变的变化情况；应力计4记录土体应力的变化情况。

本说明书所述的具体实施方式仅仅是对于本发明内容的一种操作方式，由于本发明装置具有较好的可控性，相关技术领域的技术人员可以便捷地对试验方案进行修改达到各种环境下的条件控制，本发明的保护范围不应仅仅局限于说明书中所述的具体实施方式，相关技术人员根据本发明构思基础上所采用的等同技术方法都应当隶属于本发明的保护范围。