[发明专利]一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置

说明书

本发明属天然气水合物基础物性测量技术领域，提供了一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，包括主机及加载系统、内部平面约束系统、底部岩心填装转移系统、径向围压及岩心孔压控制测量系统、计算机数据采集系统和声波测量系统。该装置能够原位生成天然气水合物沉积物岩心，并且在模拟海洋原有储存状态下进行平面应变力学实验，对海底天然气沉积物岩心进行强度及体积变形测量，同时解决了现有平面应变仪所具备的加载端面约束不完整、加载板与岩心间的摩擦过大、量测精度不够，岩心橡皮膜容易被扎破等诸多问题，并引入了声波测量装置，可以在剪切时对岩心进行声波扫描，极大地增强了对岩心基础物性的研究。

技术领域

本发明属天然气水合物基础物性测量技术领域，涉及一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置。

背景介绍

天然气水合物因其储量巨大以及燃烧时清洁无污染而被许多研究者认为能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源，缓解全球能源危机；我国天然气储量巨大，具有极大的开采潜力。然而，海底沉积物中的天然气水合物分解释放出的游离状甲烷气泡进入海水，会造成海水富甲烷化，破坏海洋生态环境，而穿过海水进入大气的甲烷则会加剧全球温室效应，同时自然界的或者开发过程中导致的温度或压力的微小变化都能够影响沉积物的强度，导致水合物沉积层发生变形，进而引发海底滑坡及浅层构造变动，诱发海啸、地震等地质灾害，因此全面而深入的研究水合物沉积层的力学性质，建立一套安全可行的开采技术方案显得尤为重要。

平面应变仪是一种常用的测量岩土力学的实验仪器，在工程设计研究中具有很高的重要性，可以科学地，精确地进行复杂应力加载过程，可以实现天然气水合物开采井壁及条形基础等诸多工程稳定性研究。现有的研究水合物沉积物力学性质研究装备中，实现模拟海底天然气水合物储藏温压条件下，在平面应变仪中原位生成水合物沉积物并进行应力试验，同时克服现有平面应变仪所具备的加载板与岩心间的摩擦过大、加载端面约束不完整、量测精度不够，岩心橡皮膜容易被扎破等诸多问题。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海底天然气水合物岩心声波式平面应变仪装置，包括主机及加载系统、内部平面约束系统、底部岩心填装转移系统、径向围压及岩心孔压控制测量系统及计算机数据采集系统；

所述主机及加载系统包括主机框架与加载装置；所述主机框架由上部支架和下部支架固定连接而成；所述加载装置包括小型液压油缸、稳压装置、活塞、柱塞泵；所述小型液压油缸穿过上部支架上端中心开设的通孔，通过稳压装置与活塞一端连接；小型液压油缸驱动稳压装置与活塞向下运动产生轴向加载力；活塞另一端穿过下部支架上端开设的通孔与轴向盖板相连；

所述内部平面约束系统包括轴向约束系统、径向约束系统与多层橡皮膜；所述多层橡皮膜由外层橡皮膜、六角橡皮膜与内层橡皮膜构成，三层橡皮膜由内至外叠加放置，有效预防岩心扎破橡皮膜；

所述轴向约束系统设置于多层橡皮膜顶部，包括沿径向由里向外依次布置的轴向盖板上部、轴向压板、径向伸缩压板、连接装置以及轴向滚轮和轴向密封圈；其中，轴向盖板上部、轴向压板、径向伸缩压板与连接装置的下端面处于同一平面共同提供轴向约束，通过径向伸缩压板的伸缩约束岩心轴向变形；所述连接装置为一C型结构，其上部端面通过轴向滚轮与径向压板内侧面接触，下部端面设置轴向密封圈直接与径向压板内侧面接触，连接装置通过轴向滚轮沿径向压板的内侧面滑动实现轴向运动，通过径向伸缩压板的伸缩实现径向运动；

径向约束系统包括沿橡皮膜两侧对称设置的两组部件，每组部件包括径向压板、柔性水囊、上端径向密封圈、下端径向密封圈；其中，上端径向密封圈用于密封径向压板上端面与上部支架下端面；下端径向密封圈用于密封径向压板下端面与底部压板上端面；所述柔性水囊同时与径向压板的外侧面、上部支架下端面和底部压板上侧面接触，通过排水量计算岩心径向应变；