[发明专利]一种含水合物沉积物力学特性检测及数据处理方法

权利要求书

1.一种含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，具体步骤如下：

一、安装待测样品，施加模拟环境；

二、调节三轴加载声发射信号检测装置，进行零点校准；

三、在控制主机上设定放大器增益、多路信号切换模块中开关通断的逻辑顺序，配置数据采集模块的参数，参数包括采样模式、采样频率、采样幅值范围、采样通道；打开参数采集分析仪、声发射源定位器和裂纹成像仪；

四、针对静态检测过程，当待测样品处于稳定状态时启动电机，施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率；待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的静态检测数据进行处理；

五、针对动态检测过程，对水合物生成与分解过程都设置最终的温度值，在含水合物饱和度连续变化过程的起点启动电机，开始施加轴向应力对样品进行剪切，通过控制轴向应力大小来控制对样品剪切的速率，待检测过程结束，关闭电机停止加载，对获得的动态检测数据进行处理；

六、改变样品中沉积物粒径及加入黏土的含量，重复上述步骤，获得静态和动态检测数据；

七、除上述步骤中声发射信号的测量外，对水合物在生成分解过程中，处于稳定状态时，实时测量样品孔隙压力与温度，基于消耗甲烷气的量计算样品中水合物含量，进一步计算得到含水合物饱和度。

2.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述稳定状态包含两个阶段：一、当水合物完全生成时，即样品内部孔隙压力以及温度趋于稳定，不再发生变化；二、在水合物生成分解过程中，设置温度变化梯度，每次设置不同温度，待温度及孔隙压力均稳定时，样品中饱和度达到稳定值，即样品处于该温度条件下的稳定状态。

3.根据权利要求1所述的含水合物沉积物的力学特性检测及数据处理方法，其特征在于：所述对获得的静态检测数据进行处理是指：

一、测得不断施加轴向应力后样品产生的声发射信号，对原始信号去噪；

二、对水合物完全生成时以及达到各温度梯度稳定状态时，对测得的孔隙压力和温度数据进行滤波处理，将滤波处理后得到的压力和温度数值使用公式1计算得到含水合物饱和度，

公式1：

式中，S_h为被测样品的含水合物饱和度；M_h为水合物摩尔质量，单位：g/mol，ρ_h为水合物的密度，单位：g/m³，T₁为水合物未生成或已完全分解完时样品的温度，单位：K，T₂为水合物生成或分解过程中样品的温度，单位：K，P₁为水合物未生成或已完全分解完时样品的孔隙压力，单位：MPa，P₂为水合物分解过程中样品空隙压力，单位：MPa，Z_g1和Z_g2分别为初始状态和生成分解过程中各状态气体压缩因子，R为摩尔气体常数，单位：J/(mol·K)；

三、提取声发射事件个数，做出声发射事件个数与轴向应力的关系曲线，比较分析测得的处于稳定状态的含水合物饱和度不同的沉积物样品的声发射事件个数—轴向应力曲线，分析不同饱和度的样品在相同轴向应力下声发射事件个数的变化规律；另外，选取一个声发射事件个数的阈值，对声发射事件个数—轴向应力曲线进行非活跃和活跃阶段划分，分析随着样品饱和度的变化，活跃阶段起始时刻和结束时刻的变化规律；提取声发射信号的幅值，由幅值的变化规律辨识出稳定状态下三轴加载实验中样品发生断裂的时间点，进一步得到该时间点对应所加载的应力的大小，绘制含水合物沉积物在三轴加载过程发生断裂的轴向应力和含水合物饱和度之间的关系曲线，得到沉积物抗剪切能力随着含水合物饱和度变化而变化的规律；对轴向应力—含水合物饱和度曲线进行回归分析得到饱和度和轴向应力之间的关系式τ＝f(S_h)，在已知含水合物饱和度条件下能够据此计算出沉积物样品发生断裂时的轴向应力大小；同时能够形成一种基于轴向应力计算含水合物饱和度的方法S_h＝f^-1(τ)，其中τ表示轴向应力，S_h表示样品中含水合物饱和度；

四、除分析单参数与含水合物饱和度或者轴向应力大小之间变化规律外，选取多个声发射参数，联合分析它们与含水合物饱和度及轴向应力之间的变化规律，用BP神经网络智能机器学习方法，将利用上述公式1计算得到的含水合物饱和度作为网络输出，将声发射事件个数、能量和有效值电压作为网络的输入对网络进行训练，获得以多个声发射参数为输入的含水合物饱和度计算模型，通过改变输入参数、输出参数，实现对含水合物沉积物力学稳定性参数的预测和评估；

五、分析比较样品中沉积物粒径以及黏土含量不同时，上述声发射事件个数和幅值随着含水合物饱和度变化而变化的规律，利用神经网络计算得到沉积物粒径、黏土含量对样品在三轴加载过程中声发射事件个数和幅值特征参数的影响；分析比较粒径不同、黏土含量不同时样品在三轴加载过程中发生断裂时轴向应力大小的变化，从而在上述τ＝f(S_h)关系式基础上引入沉积物粒径和黏土含量两个变量，得到含水合物沉积物的抗剪切能力随着含水合物饱和度、样品粒径及黏土含量因素变化而改变的规律，基于大量实验数据分析确定它们之间的定量关系τ＝f(S_h,d,δ)，在已知含水合物饱和度、沉积物粒径和黏土含量条件下能够计算得到沉积物断裂时轴向应力的大小，d表示沉积物粒径，δ表示黏土含量。