高温低压环境下的水合物三轴应力测试装置及测试方法与流程

1.本发明涉及水合物测试技术领域，具体涉及一种高温低压环境下的水合物三轴应力测试装置及测试方法。


背景技术：

2.天然气水合物是一种气体分子(以甲烷为主)与水在一定温度和压力条件下形成的结晶状固体物质，俗称“可燃冰”。天然气水合物在自然界中分布广泛在陆地上的永久冻土层以及大陆边缘海底的沉积层中，其储量丰富，且清洁干净，被认为是具有前景的新型清洁能源，具有极高的资源价值，因此天然气水合物近年来一直是科学界和油气工业界的研究热点，但由于天然气水合物开采过程中由于温度和压力的变化会发生相变，对天然气水合物进行原位岩心获取十分困难，这也使得天然气水合物的基础研究面临巨大挑战。
3.科学界通常采用在实验室内合成水合物再进行实验研究，但海底天然气水合物的组成成分多种多样，而实验室内合成水合物的装置通常采用甲烷气体和水在低温高压条件下合成天然气水合物，不同的水合物生成压力、温度，以及添加的固体颗粒物质成分及密度等，都在很大程度上影响了天然气水合物的物理力学性质。而水合物的物理力学性质在水合物的开采领域起着十分重要的作用，因此对合成的水合物力学性质的检测非常关键。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种高温低压环境下的水合物三轴应力测试装置，合成水合物后，在保持水合物相态不发生改变的情况下，将三轴应力装置固定安装在合成的水合物上方，并开展水合物的三轴应力测试。本发明还提供了一种水合物三轴应力测试方法，其能在水合物相态不发生改变的情况下开展水合物的三轴应力测试。同时，三轴应力测试结束后，三轴应力测试装置可以在保持水合物相态不发生改变的情况下拆下，替换成其他实验设备，以备后期开展水合物其他物理化学等性质研究。
5.为实现上述目的，本发明可采用以下技术方案进行：
6.一种水合物三轴应力测试装置，其包括：
7.水合物生成单元，其包括水合物生成桶，所述水合物生成桶用于反应生成带有金属示踪颗粒的水合物；
8.可分离的三轴应力测试舱，其具有密闭腔体，且所述腔体内设有三轴应力测试仪，所述三轴应力测试仪用于测试有金属示踪颗粒的水合物的应力；
9.球阀保压单元，其设置在所述三轴应力测试舱和所述水合物生成单元之间，用于控制两者的联通和封闭；以及，
10.控制与检测单元，其用于控制所述三轴应力测试舱内的电机按指令运动，并用于接收、处理和展示所述水合物生成单元的各类传感器的数据。
11.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述三轴应力测试舱包括电机、变速器、活塞杆、位移编码器、固定夹套，所述固定架套上固定有所述电机，所述电机的输出
端通过所述变速器上连接有可沿高度方向上下活动的竖向加压杆，所述竖向加压杆的下端依次安装有电磁铁和第一压力传感器，所述电磁铁通过磁力连接有带铁环的橡胶桶，所述橡胶桶的水平截面为圆环形，所述第一压力传感器用于检测对水合物的竖向压力值，所述位移编码器设置于所述变速器上，用于检测所述三轴应力测试仪下降的距离。
12.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述球阀保压单元包括球阀阀体和球阀控制杆，其中，所述球阀控制杆用于控制所述球阀阀体的翻转，以控制球阀阀门的打开和关闭。
13.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述控制与检测单元包括：
14.第二温度传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境温度，并接收来自温度控制器发出的调节指令；
15.第二压力传感器，其设置于所述水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境压力；
16.电机控制器，其与所述三轴应力测试舱的电机控制信号相连；
17.电脑控制器，其与所述物料添加单元内的电机控制器、所述温度控制器、所述第二压力传感器控制信号相连；以及，
18.运行于所述电脑控制器的程序软件。
19.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述水合物生成单元设有带有电磁阀门的第二进气口、第二出气口、进水口和出水口。
20.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述水合物生成桶采用透光且强度符合设定要求的有机玻璃或特种玻璃。
21.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述水合物生成单元还包括水合物固定座和时域反射针，所述水合物固定座设于所述时域反射针上，所述时域反射针用于检测生成水合物的含水量。
22.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，还包括第一密封端盖、第二密封端盖及第三密封端盖，所述第一密封端盖位于所述三轴应力测试舱的顶部，且所述第一密封端盖为实心圆形，所述第二密封端盖及所述第三密封端盖分别位于所述球阀保压单元的上下两端，且所述第二密封端盖及所述第三密封端盖均设有通孔。
23.如上所述的水合物三轴应力测试装置，进一步地，所述水合物生成单元、所述三轴应力测试舱及所述球阀保压单元通过若干法兰盘式的端盖连接，若干所述端盖通过紧锁螺丝固定，且所述端盖内设有密封圈。
24.本发明还提供一种水合物三轴应力测试方法，其包括以下步骤：
25.将水合物生成单元、保压球阀单元和三轴应力测试舱由下到上依次安装；
26.对三轴应力测试舱内加压至与水合物生成单元内部压力一致，打开保压球阀单元，以使得三轴应力测试舱与水合物生成单元的内部空间贯通；
27.控制竖向加压杆缓慢向下移动直至接近生成的水合物，橡胶桶在竖向加压杆的推动下插入水合物中，从而形成圆柱形的水合物样品；此时，对反应装置内部施加围压；
28.控制电磁铁断电并失去磁性，橡胶桶坐落在水合物固定座上，继续控制竖向加压杆缓慢向下移动，此时，电磁铁和第一压力传感器在竖向加压杆的带动下与橡胶桶产生相对运动，待接触到水合物样品后，即可以进行三轴应力测试，并即时记录第一压力传感器及
时域反射针的参数；
29.待水合物的三轴应力测试完成之后，释放三轴应力测试舱的压力，并待压力释放后将三轴应力测试舱替换成其他要进行测试的实验仪器，完成实验装置在保压状态下测试模块的切换。
30.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的装置，合成水合物后，在保持水合物相态不发生改变的情况下，将三轴应力装置固定安装在合成的水合物上方，并开展水合物的三轴应力测试。同时，三轴应力测试结束后，三轴应力装置可以在保持水合物相态不发生改变的情况下拆下，替换成其他实验设备，以备后期开展水合物力学性质研究。本发明的装置可以大幅度提高水合物进行其他试验的效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
32.图1为本发明实施例的水合物三轴应力测试装置在试验前的结构示意图；
33.图2为本发明实施例的水合物三轴应力测试装置在试验中的结构示意图。
34.其中：1、第一密封端盖；2、第一出气口；3、竖向加压杆；4、三轴应力测试舱；5、位移编码器；6、固定夹套；7、铁环；8、橡胶桶；9、密封圈；10、第二密封端盖；11、球阀阀体；12、第三密封端盖；13、第二出气口；14、温度控制器；15、水合物生成桶；16、水合物样品；17、进水口；18、水合物固定座；19、测试台台架；20、第一温度传感器；21、变速器；22、电机；23、电源线及信号线；24、电磁铁；25、第一压力传感器；26、第一进气口；27、球阀控制杆；28、第二温度传感器；29、第二压力传感器；30、出水口；31、电脑；32、第二进气口；33、时域反射针。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.实施例：
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴
向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.参见图1至图2，本发明提供了一种水合物三轴应力测试装置，合成水合物后，在保持水合物相态不发生改变的情况下，将三轴应力装置固定安装在合成的水合物上方，并开展水合物的三轴应力测试。同时，三轴应力测试结束后，三轴应力装置可以在保持水合物相态不发生改变的情况下拆下，替换成其他实验设备，以备后期开展水合物力学性质研究。本发明的装置可以大幅度提高水合物进行其他试验的效率。
42.参见图1，图1展示了一种高温低压环境下的水合物三轴应力测试装置，其包括：水合物生成单元、可分离的三轴应力测试舱4、球阀保压单元以及控制与检测单元，水合物生成单元包括水合物生成桶15，水合物生成桶15用于反应生成带有金属示踪颗粒的水合物；可分离的三轴应力测试舱4具有密闭腔体，且腔体内设有三轴应力测试仪，三轴应力测试仪用于测试有金属示踪颗粒的水合物的应力；球阀保压单元设置在三轴应力测试舱4和水合物生成单元之间，用于控制两者的联通和封闭；控制与检测单元用于控制三轴应力测试舱4内的电机22按指令运动，并用于接收、处理和展示水合物生成单元的各类传感器的数据。
43.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，三轴应力测试舱4包括电机22、变速器21、活塞杆、位移编码器5、固定夹套6，固定架套上固定有电机22，电机22的输出端通过变速器21上连接有可沿高度方向上下活动的竖向加压杆3，竖向加压杆3的下端依次安装有电磁铁24和第一压力传感器25，电磁铁24通过磁力连接有带铁环7的橡胶桶8，橡胶桶8的水平截面为圆环形，第一压力传感器25用于检测对水合物的竖向压力值，位移编码器5设置于变速器21上，用于检测三轴应力测试仪下降的距离。进一步地，球阀保压单元包括球阀阀体11和球阀控制杆27，球阀控制杆27用于控制球阀阀体11的翻转，以控制球阀阀门的打开和关闭。
44.具体地，固定架套设在三轴应力测试舱4的内部，竖向加压杆3的长度约等于试验前竖向加压杆3下端的第一压力传感器25与水合物生成桶15底部的距离，以确保竖向加压杆3能适应各种大小的水合物。竖向加压杆3的下端依次安装有电磁铁24和第一压力传感器25，其中电磁铁24为圆环状。本装置在测试前，球阀阀门关闭，如图1所示。当本装置使用时，球阀控制杆27控制球阀阀体11翻转，此时球阀的阀门打开，如图2所示，此时电机22驱动竖向加压杆3向下移动，直至接近生成的水合物，此时橡胶桶8在竖向加压杆3的推动下插入水
合物中，形成圆柱形水合物样品16。随后控制电磁铁24断电并失去磁性，橡胶桶8坐落在水合物生成桶15的底部。再继续控制竖向加压杆3缓慢向下移动，此时电磁铁24和第一压力传感器25在竖向加压杆3的带动下与橡胶桶8产生相对运动，待接触到水合物样品16后，即可以进行三轴应力测试。进一步地，三轴应力测试舱4的外壳设置有第一进气口26和第一出气口2，其用于对三轴应力测试舱4的内部进行加压和泄压。更进一步地，三轴应力测试舱4内还安装有第一温度传感器20，其用于检查三轴应力测试舱4内的环境温度。
45.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，控制与检测单元包括：第二温度传感器28、第二压力传感器29、电机控制器、电脑控制器以及运行于电脑控制器的程序软件，第二温度传感器28设置于水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境温度，并接收来自温度控制器14发出的调节指令；第二压力传感器29设置于水合物生成单元内，用于检测水合物生成的环境压力；电机控制器与三轴应力测试舱4的电机22控制信号相连；电脑控制器与物料添加单元内的电机控制器、温度控制器14、第二压力传感器29控制信号相连。本实施例中，电脑控制器通过电源线及信号线23与各类传感器、控制器相连，通过设置各类传感器可以精确地监测本装置内的温度、压力等，通过设置各类控制器可以精确地控制本装置的测试过程，从而保证试验结果的准确性。
46.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，水合物生成单元设有带有电磁阀门的第二进气口32、第二出气口13、进水口17和出水口30。进一步地，水合物生成桶15采用透光且强度符合设定要求的有机玻璃或特种玻璃。本实施例中，为了后期能满足其他实验可视性的需求，同时还要达到保压保温的效果，水合物生成桶15的材质需要选用透光性好，强度高的厚有机玻璃或特种玻璃，示例性地，可以选用帕姆pasmo特种透明材料，这种透明材料光学级透明度可达90％，耐低温高压，选用合适的厚度甚至可以在200mpa以上的超高压强条件下作业。
47.上述实施例中，进一步地，水合物生成单元还包括水合物固定座18和时域反射针33，水合物固定座18设于时域反射针33上，时域反射针33用于检测生成水合物的含水量。本实施例中，水合物固定座18下方开有液体流通通道，同时，水合物固定座18下方安装有时域反射针33，用于测量生成水合物的含水量。
48.作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，本装置还包括第一密封端盖1、第二密封端盖10及第三密封端盖12，第一密封端盖1位于三轴应力测试舱4的顶部，且第一密封端盖1为实心圆形，第二密封端盖10及第三密封端盖12分别位于球阀保压单元的上下两端，且第二密封端盖10及第三密封端盖12均设有通孔。本实施例中，三个密封端盖这样的设计既可以保证本装置的密封性，也便于在球阀保压单元打开后，三轴应力测试舱4的竖向加压杆3可以顺利的通过第二密封端盖10及第三密封端盖12，并落在已经合成的水合物样品16的表面进行应力测试。
49.上述实施例中，进一步地，水合物生成单元、三轴应力测试舱4及球阀保压单元通过若干法兰盘式的端盖连接，若干端盖通过紧锁螺丝固定，且端盖内设有密封圈9。本实施例中，水合物生成单元、三轴应力测试舱4及球阀保压单元的上下两端均采用法兰盘式的端盖连接，端盖与端盖之间均通过锁紧螺丝固定，同时用密封圈9密封，使得本装置便于放置在测试台台架19上进行安装和拆卸。
50.本发明还提供了一种水合物三轴应力测试方法，其包括以下步骤：
51.将水合物生成单元、保压球阀单元和三轴应力测试舱4由下到上依次安装，测试前保压球阀单元为关闭状态，如图1所示。
52.对三轴应力测试舱4内加压至与水合物生成单元内部压力一致，待压力稳定后，打开保压球阀单元，以使得三轴应力测试舱4与水合物生成单元的内部空间贯通。
53.通过外部的控制电脑31启动三轴应力测试舱4内的电机22，控制竖向加压杆3缓慢向下移动直至接近生成的水合物，橡胶桶8在竖向加压杆3的推动下插入水合物中，从而形成圆柱形的水合物样品16；打开进水口17的阀门开关，通过围压机对反应装置内部施加围压。
54.控制电磁铁24断电并失去磁性，橡胶桶8坐落在水合物固定座18上，继续控制竖向加压杆3缓慢向下移动，此时，电磁铁24和第一压力传感器在竖向加压杆3的带动下与橡胶桶8产生相对运动，待接触到水合物样品16后，即可以进行三轴应力测试，并即时记录第一压力传感器及时域反射针33的参数。
55.待水合物的三轴应力测试完成之后，通过控制电机22将竖向活塞加压杆提升至三轴应力测试舱4内，转动球阀控制杆27，关闭球阀。释放三轴应力测试舱4的压力，并待压力释放后，通过拧卸装置之间的锁紧螺丝，将三轴应力测试舱4替换成其他要进行测试的实验仪器，完成实验装置在保压状态下测试模块的切换。
56.本测试方法在合成水合物后，在保持水合物相态不发生改变的情况下，将三轴应力装置固定安装在合成的水合物上方，并开展水合物的三轴应力测试。三轴应力测试结束后，三轴应力装置可以在保持水合物相态不发生改变的情况下拆下，替换成其他实验设备，以备后期开展水合物力学性质研究。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。