一種含天然氣水合物土壓縮係數測試裝置的製作方法

2023-06-07 01:42:31 1

專利名稱：一種含天然氣水合物土壓縮係數測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種天然氣水合物土的測試技術，尤其涉及一種含天然氣水合物 土壓縮係數測試裝置。
背景技術：
天然氣水合物是甲烷(CH4)等天然氣體分子在一定壓力和溫度條件下，被吸入到 籠形水分子團結構的空隙中，從而形成一種固體狀物質。作為一種戰略性替代能源，天然氣 水合物具有巨大的商業開發價值，預計在本世紀的能源消費結構中將佔據主要地位。隨著 石油和天然氣資源的日益短缺，開發天然氣水合物這一新型替代能源就顯得尤為迫切。天然氣水合物在開採過程中由於孔隙中水合物分解將釋放大量游離氣體和液態 水，導致孔隙壓力增加和土顆粒之間膠結喪失等一系列的物理力學性狀改變，並有可能誘 發大規模的地面沉陷、滑坡等地質災害。土的壓縮固結係數是評價地層在荷載等外加作用 下沉降變形的一個重要的力學參數指標。目前，經檢索，研究與測試含天然氣水合物壓縮係數的方法還未見報導。 發明內容本實用新型的目的是在於提供了一種含天然氣水合物土壓縮係數測試裝置。本實用新型的目的是這樣實現的本裝置包括壓縮固結儀、氣水混合容器、磁力攪拌裝置、恆流泵、真空泵、百分表、 供氣裝置、恆溫裝置、數據採集器、管線、加載裝置、氣體壓力傳感器、第一、二溫度傳感器和 第1 7閥門；所述的壓縮固結儀包括由不鏽鋼材料製成的上蓋、底座、T形活塞、水浴夾套和螺 栓，其內自下而上形成有土樣室、下平衡壓力室和上平衡壓力室；其位置和連接關係是土樣室的下部和氣水混合容器下部分別通過第6、7閥門和恆流泵相連，固結壓縮 儀上部和氣水混合容器上部通過T形活塞管道、第4、5閥門相連，上平衡壓力室通過管線與 氣水混合容器相連；加載裝置的荷載施加於T形活塞上，百分表置於T形活塞和上蓋之上測量土樣的 位移；磁力攪拌裝置置於氣水混合容器下面，通過動力傳動機構帶動葉輪攪拌使氣水充分 混合；氣源依次通過高壓調節閥、第4閥門和高壓氣體壓力表後與氣水混合容器相連， 安全閥與氣水混合容器相連，保持供氣系統的安全性；真空泵依次通過第3、4閥門與氣水混合容器相連，對整個裝置實行抽真空排雜氣 處理，還可以進行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門與大氣相通；恆溫裝置通過軟管與壓縮固結儀的水浴夾套相連，控制土樣室的土樣溫度；第1溫度傳感器與氣水混合容器相連，測量氣水混合容器中的溫度，第2溫度傳感器與壓縮固結儀的水浴夾套相連，測量控制土樣室中的試樣溫度；氣體壓力傳感器P與汽 水混合容器相連，測量整個裝置的壓力；數據採集器通過數據線分別與百分表、各個溫度和壓力傳感器相連，實時監測系 統的位移、溫度和壓力動態等。工作原理本裝置利用氣水在氣水混合容器混合，經過循環把含氣水運移到土樣室的土樣 中，在合適的溫度和壓力下形成天然氣水合物，這樣就製成了含天然氣水合物土樣。上平衡 壓力室底部面積與T形活塞的底部面積相等，同時，上平衡壓力室和土樣室壓力保持相等， 這樣就可以消除氣體或是水的壓力對固結壓力造成影響。加載裝置通過T形活塞對土樣施 加壓力。百分表通過T形活塞的位移測得土樣的變形。這樣，就能比較順利的測量出含天 然氣水合物土樣的壓縮係數。本實用新型具有以下優點和積極效果①能真實模擬海底含天然氣水合物土的形成並制樣；②能簡便準確地測得不同條件下含天然氣水合物土的壓縮係數；③適用於模擬不同工況與條件下含天然氣水合物土壓縮性狀變化規律。

圖1為本裝置結構示意圖；圖2為壓縮固結儀結構示意圖。其中10-壓縮固結儀，11-上蓋，12-底座，13-T形活塞，14-水浴夾套， 15-螺栓；Kl-土樣室，K2-上平衡壓力室，K3-下平衡壓力室；20-氣水混合容器；30-磁力攪拌裝置，31-動力傳動機構，32-葉輪；40-恆流泵；50-真空泵；60-百分表；70-供氣裝置；71-儲氣瓶，72-壓力調節閥，73-氣體壓力顯示錶，74-安全閥；80-恆溫裝置；90-數據採集器；100-管線；110-加載裝置；P-氣體壓力傳感器；Tl、T2-第1、2溫度傳感器；[0045]Vl V7-第1 7閥門。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例詳細說明1、總體如圖1、2，本裝置包括壓縮固結儀10、氣水混合容器20、磁力攪拌裝置30、恆流 泵40、真空泵50、百分表60、供氣裝置70、恆溫裝置80、數據採集器90、管線100、加載裝置 110、氣體壓力傳感器P、第一、二溫度傳感器Tl、T2和第1 7閥門Vl V7 ；所述的壓縮固結儀10包括由不鏽鋼材料製成的上蓋11、底座12、T形活塞13、水 浴夾套14和螺栓15，其內自下而上形成有土樣室Kl、下平衡壓力室K3和上平衡壓力室K2 ；其位置和連接關係是土樣室Kl的下部和氣水混合容器20下部分別通過第6、7閥門V6、V7和恆流泵40 相連，固結壓縮儀10上部和氣水混合容器20上部通過T形活塞13管道、第4、5閥門V4、 V5相連，上平衡壓力室K2通過管線100與氣水混合容器20相連；加載裝置110的荷載施加於T形活塞13上，百分表60置於T形活塞13和上蓋11 之上測量土樣的位移；磁力攪拌裝置30置於氣水混合容器20下面，通過動力傳動機構31 帶動葉輪32攪拌使氣水充分混合；氣源71依次通過高壓調節閥72、第4閥門V4和高壓氣體壓力表73後與氣水混合 容器20相連，安全閥74與氣水混合容器20相連，保持供氣系統的安全性；真空泵50依次通過第3、4閥門V3、V4與氣水混合容器20相連，對整個裝置實行 抽真空排雜氣處理，還可以進行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門V2與大氣 相通；恆溫裝置80通過軟管與壓縮固結儀10的水浴夾套14相連，控制土樣室Kl的土 樣溫度；第1溫度傳感器Tl與氣水混合容器20相連，測量氣水混合容器20中的溫度，第 2溫度傳感器T2與壓縮固結儀10的水浴夾套14相連，測量控制土樣室Kl中的試樣溫度； 氣體壓力傳感器P與汽水混合容器20相連，測量整個裝置的壓力；數據採集器90通過數據線分別與百分表60、各個溫度和壓力傳感器相連，實時監 測裝置的位移、溫度和壓力動態等。2、各部件1)壓縮固結儀10如圖2，壓縮固結儀(海科儀製作，HBS-A3) 10包括不鏽鋼材料製成的上蓋11、底 座12、T形活塞13和水浴夾套14 ；上蓋11和底座12利用螺栓15連接成一個容器，容器內設置有T形活塞13，自下 而上形成土樣室K1、下平衡壓力室K3和上平衡壓力室K2 ；容器外包裹有水浴夾套14 ；各個 部件之間都採用0型密封圈封嚴並且達到密封的要求。土樣室Kl內裝試驗土樣，上平衡壓力室K2底部面積與T形活塞13底部面積相同， 保證了內部壓力不會對固結壓力產生影響；水浴夾套14保證了壓縮固結儀10的溫度控制；[0064]同時內置的第二溫度傳感器T2對壓縮固結儀10的溫度進行監控。溫度傳感器T2 (選用北京，PtlOO/ Φ 3)。2)氣水混合容器20氣水混合容器20選用海科儀HBS-B3，採用不鏽鋼材料製成。內部裝適量蒸餾水，上部空間為實驗氣體，上部利用0型密封圈封嚴和粗牙螺栓 緊扣密封，從而達到密封要求和方便安裝拆卸的目的。內置第二溫度傳感器Τ2 (選用北京 PtlOO/Φ 3)測量容器內水的溫度，還內置第二氣體壓力傳感器Ρ2(選用西安ND-1)測量容 器內氣體的壓力變化。3)磁力攪拌器30採用常規的磁力攪拌器，選用鄭州CL-4A。4)恆流泵 40採用普通恆流泵，選用江蘇產品，最大恆流速度40ml/min。5)真空泵 50採用常規普通單級旋片式真空泵，極限真空度2 6X10_2Pa。6)百分表 60選用上海偉特儀器公司產品，型號161353400，精度0. 01mm。7)供氣裝置70供氣裝置70包括前後依次連通的儲氣瓶71、調節閥72、體壓力顯示錶73和安全 閥74。由儲氣瓶71提供氣體，由壓力調節閥72調節壓力，由氣體壓力顯示錶73顯示氣 體壓力值(精度0. 5% F · S)，由安全閥74超壓保護。8)恆溫裝置80恆溫裝置80為常用設備，選用浙江寧波THX2020。溫度範圍-20 20°C，溫度控制精度士0. 2°C，內置循環泵。9)數據採集器90數據採集器90選用Campbell公司的數據採集器，型號CR1000。10)高壓不鏽鋼管線100普通型，管徑Φ6πιπι，耐壓50MPa，採用不鏽鋼製成。11)壓縮固結儀加載裝置110壓縮固結儀加載裝置110選用海科儀HBS-JZ3。採用不鏽鋼製成，利用槓桿原理製成，採用砝碼加載，能提供穩定的固結壓力。12) Vl V8-第 1 8 閥門第1 8閥門Vl V8是普通高壓閥門，兩端管徑Φ6mm，採用不鏽鋼製成，耐壓 50MPa。3、使用方法①試樣的安裝將土樣按設定密度(模擬海底水合物穩定層土幹密度1. 5g/cm3 2. 5g/cm3)、含 水率(2% 40% )均勻裝入壓縮固結儀土樣室中，向氣水混合容器中加入適量的蒸餾除離 子水(大約為氣水混合容器體積的3/4)，連接裝置。[0095]②檢查氣密性往裝置中衝入氮氣至6 8Mpa，若裝置能維持壓力3 4小時不變，則說明裝置氣 密性完好。③抽真空抽真空15min 30min，排出裝置中的雜異氣。④注水飽和抽氣完成後，打開閥門使氣水混合容器中的水進入到土樣室中使土樣飽和。⑤施加氣體打開閥門，調節壓力閥將壓力調至設定壓力值(設定值必須保證試驗土樣中形成 水合物並且維持水合物的穩定壓力，如二氧化碳為2 4MPa，甲烷為6 IOMPa)後關閉閥 門。⑥啟動恆流泵，降溫制樣啟動恆流泵，啟動恆溫水浴系統，降低溫度值至設定值(溫度值設定必須保證在 上面壓力的條件下，裝置溫壓條件在相平衡邊界以內合成氣體水合物，一般設定為_2 4°C )，利用低溫冷液(利用酒精作為冷凍液，凝固點為_114°C )在水浴夾套中循環降低土 樣溫度至設定值並保持恆定。⑦判斷水合物合成完成如果氣水混合容器的氣體壓力保持穩定不變時，則可判定在相應的溫度壓力條件 下(溫度即天然氣水合物的合成溫度，壓力即最後的穩定壓力，一般溫度為_2°C 4°C，壓 力為0. 5Mpa 4MPa)，土樣室中的水合物合成完成，即樣本製備完成。⑧加載保持裝置中的溫度和壓力不變，按照實驗相應要求對含天然氣水合物土樣加上相 應荷載(根據不同要求，一般範圍為12. 5 12800kPa)。⑨數據採集和處理利用數據採集器對實驗過程進行溫度、壓力和土樣豎直變形自動採集、傳輸和記錄。⑩數據採集後經過分析可以得到含天然氣水合物土樣的壓縮係數、壓縮模量、體 積壓縮模量、壓縮指數、回彈指數、垂直固結係數和水平固結係數等。
權利要求一種含天然氣水合物土壓縮係數測試裝置，其特徵在於包括壓縮固結儀(10)、氣水混合容器(20)、磁力攪拌裝置(30)、恆流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供氣裝置(70)、恆溫裝置(80)、數據採集器(90)、管線(100)、加載裝置(110)、氣體壓力傳感器(P)、第一、二溫度傳感器(T1、T2)和第1～7閥門(V1～V7)；所述的壓縮固結儀(10)包括由不鏽鋼材料製成的上蓋(11)、底座(12)、T形活塞(13)、水浴夾套(14)和螺栓(15)，其內自下而上形成有土樣室(K1)、下平衡壓力室(K3)和上平衡壓力室(K2)；土樣室(K1)的下部和氣水混合容器(20)下部分別通過第6、7閥門(V6、V7)和恆流泵(40)相連，固結壓縮儀(10)上部和氣水混合容器(20)上部通過T形活塞(13)管道、第4、5閥門(V4、V5)相連，上平衡壓力室(K2)通過管線(100)與氣水混合容器(20)相連；加載裝置(110)的荷載施加於T形活塞(13)上，百分表(60)置於T形活塞(13)和上蓋(11)之上測量土樣的位移；磁力攪拌裝置(30)置於氣水混合容器(20)下面；氣源(71)依次通過高壓調節閥(72)、第4閥門(V4)和高壓氣體壓力表(73)後與氣水混合容器(20)相連，安全閥(74)與氣水混合容器(20)相連；真空泵(50)依次通過第3、4閥門(V3、V4)與氣水混合容器(20)相連，對整個裝置實行抽真空排雜氣處理，還可以進行土樣的抽真空飽和處理；整個裝置通過第2閥門(V2)與大氣相通；恆溫裝置(80)通過軟管與壓縮固結儀(10)的水浴夾套(14)相連；第1溫度傳感器(T1)與氣水混合容器(20)相連，測量氣水混合容器(20)中的溫度，第2溫度傳感器(T2)與壓縮固結儀(10)的水浴夾套(14)相連，測量控制土樣室(K1)中的試樣溫度；氣體壓力傳感器(P)與汽水混合容器(20)相連；數據採集器(90)通過數據線分別與百分表(60)、各個溫度和壓力傳感器相連。
專利摘要本實用新型公開了一種含天然氣水合物土壓縮係數測試裝置，涉及一種天然氣水合物土的測試技術。本裝置包括壓縮固結儀(10)、氣水混合容器(20)、磁力攪拌裝置(30)、恆流泵(40)、真空泵(50)、百分表(60)、供氣裝置(70)、恆溫裝置(80)、數據採集器(90)、管線(100)、加載裝置(110)、氣體壓力傳感器(P)、第一、二溫度傳感器(T1、T2)和第1～7閥門(V1～V7)。本實用新型能真實模擬海底含天然氣水合物土的形成並制樣；能簡便準確地測得不同條件下含天然氣水合物土的壓縮係數；適用於模擬不同工況與條件下含天然氣水合物土壓縮性狀變化規律。
文檔編號G01N1/38GK201662512SQ201020137618
公開日2010年12月1日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者吳二林, 韋昌富, 顏榮濤, 魏厚振 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所