[发明专利]一种天然气水合物力学特性测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物力学特性的测试装置，具体涉及一种在高压低温下原位测量固体力学特性的装置。

背景技术

天然气水合物是一种由气体(或易挥发的液体)与水在一定温度压力条件下形成的冰状固体，俗称可燃冰，广泛分布于冻土带地表以下和大陆边缘海底之下的沉积物中。天然气水合物具有巨大的天然气储藏能力，理想结构I型的甲烷水合物含有164倍标准状态下的甲烷气，II型结构的天然气水合物含有184倍标准状态下的天然气。全世界天然气水合物储量非常巨大，估计水合物中天然气资源量为2×10¹⁶m³，相当于2×10⁵亿吨油当量，是全球常规燃料总碳量的2倍。

天然气水合物的开采需要大量分解天然气水合物，而海底水合物的大量分解将造成含水合物地层的力学性质发生变化，可能导致海底滑坡等灾害。天然气水合物的稳定条件主要受温度、压力以及地质构造等条件的影响，当上述条件发生变化时，其存在状态也将发生变化。天然气水合物分解会产生大量的气体和水，增大了含水合物地层的孔隙压力，同时也降低了水合物与沉积物颗粒间的胶结强度，使得地层的承载能力大为降低，分解所形成的润湿带将形成一个向下的滑动面，此时一旦受地震或者沉积载荷增大等因素触发，便可引起海底滑坡。天然气水合物的危害性还表现在其分解将导致地层承载力的不均匀，这种承载力的不均匀将威胁到海洋工程的安全，如造成钻井平台桩腿的不均匀沉降，使平台倾斜甚至翻倒等。因此，在进行天然气水合物开采时，只有准确了解地层的强度特性等力学性质，才能指导天然气水合物开采的顺利进行，降低天然气水合物分解而导致海底滑坡和全球气候变化的可能性。

因此，研发天然气水合物力学性质测试装置，深入研究天然气水合物及储层的力学特性，探索不同影响因素对水合物藏力学特性的响应机制，分析水合物开采过程力学风险因素，建立评价模型，对天然气水合物的开发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种天然气水合物原位合成及其力学特性测试的装置，尤其是一种在高压低温下原位测量固体力学特性的装置，扩展了目前所存在装置的使用范围，提高测量精度。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种天然气水合物力学性质测量装置,包括数据采集系统、抽真空系统和天然气增压进气系统，数据采集系统包括有计算机、测控采集器、应力传感器、温度传感器和压力传感器，天然气增压进气系统包括有气源、进气增压系统、底部进气旁路、顶部进气管路组成，测量装置还包括有水合物反应釜，所述水合物反应釜包括有反应釜底座、端盖、加力杆、反应釜外壳和反力架，反应釜外壳和反应釜底座通过螺栓连接并通过密封圈密封，端盖通过螺旋状不锈钢管线与反应釜底座相连，加力杆从反应釜外壳顶部穿入并用密封圈密封，加力杆一端顶住端盖，另一端顶住反力架。上述水和物反应釜的结构设计紧凑，可承载243K的温度和30MPa围压，能模拟3000米水深的海底天然气水合物形成环境，采用反力架结构，可实现水合物反应釜的整体移动，保证系统安全可靠。

端盖上开有第一进出口和第二进出口用以分别连接抽真空系统和顶部进气管路，反应釜底座开有第三进出口和第四进出口，其从反应釜底座具有的凸台的正中穿过并分别连接底部进水系统和底部进气旁路。反应釜底座和端盖分别设置了两路气体管线，可实现底部进气或顶部进气或底部顶部同时进气，也可进行水驱排气，达到合成不同天然气水合物沉积物样品柱的目的。

所述应力传感器设置在加力杆上，温度传感器设置在反应釜外壳内部顶部，压力传感器设置于反力架和反应釜外壳之间。通过上述传感器的设置实现实验数据的实时采集。

所述天然气增压进气系统还包括有与气源连接的缓冲罐。可通过调整缓冲罐的有效容积，实现不同气体压力下的定容天然气水合物合成，有利于计算天然气水合物合成过程中耗气量的计算，因为定容条件只要测量温度和压力即可。

所述水合物反应釜还包括有第五进出口和第六进出口，第五进出口和第六进出口都从反应釜底座穿出，并分别连接围压加载系统和围压液加注系统。

所述加力杆还外接有轴压加载系统，通过轴压加载系统可调节加力杆的位移及作用力。

天然气水合物力学性质测量装置还包括有恒温控制系统，该系统包括有依次通过连接的恒温浴、循环水泵和反应釜内置换热管。通过恒温控制系统，可实现水合物合成及测量温度的调节和稳定控制。