含多測量單元的高壓三軸壓力室的製作方法

2024-01-25 15:43:15

專利名稱：含多測量單元的高壓三軸壓力室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓三軸壓力室，特別涉及一種含多測量單元的高壓三軸壓力室。
背景技術：
天然氣水合物沉積物一般含有巖土骨架、水合物、孔隙水、氣等多相介質，各相介質的含量大小和分布情況會導致水合物沉積物力學性質的變化。目前國內外已有的天然氣水合物沉積物合成與分解及力學性質實驗一體化設備都是在原有的巖土高壓三軸實驗儀上改裝而成，可以測試水合物生成和分解前後以及分解期間的靜剪切強度。最近兩年，美國的GCTS公司開發了一種天然氣水合物土動靜三軸儀，但整體設備價格昂貴且結構複雜。

發明內容
本發明要解決的技術問題就是克服現有技術的缺陷，提出一種高壓三軸壓力室，能夠可選地測量水合物沉積物樣品的超聲、時域反射(TDR)、溫度和電阻參數中的一種或多種。為了解決上述問題，本發明提供一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位於所述主腔體下部的下底盤和位於所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤和上頂蓋通過三根軸連接，所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測量單元中的一種或多種:超聲測量單元，所述超聲測量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞，所述超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞的內部均設置有超聲探頭，所述超聲探頭專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，樣品的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方；時域反射測量單元，所述時域反射測量單元包括時域反射專用下巖心塞，所述時域反射專用下巖心塞內部設置有時域反射探頭，所述時域反射專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方；電阻測量單元，所述電阻測量單元包括電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞，所述電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞為電阻率測量探頭，所述電阻率專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，樣品的上方；所述電阻率專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方；溫度測量單元，所述溫度測量單元包括溫度測量專用上巖心塞，所述溫度測量專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，其上設置有一個以上的溫度測量探頭。優選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點:當採用時域反射測量單元時，所述時域反射探頭上的探針向上伸出至樣品中部。優選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點:
當採用電阻測量單元時，所述下底盤由絕緣材料製成。優選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點:溫度測量專用巖心塞上設置有三個不同高度的溫度測量探頭，當採用溫度測量單元時，所述溫度測量探頭向下伸出至樣品中，用於分別測量樣品中三個位置的溫度。優選地，上述高壓三軸壓力室還具有以下特點:所述超聲探頭為外徑為30mm,長度為35mm。本發明將一套實時精細測量水合物物性參數的集超聲波、TDR和電阻測量系統，與現有的一套水合物合成分解與力學性質測量系統結合起來，使得原有的水合物合成分解及力學性質一體化設備，除了能測量應力應變、強度等宏觀參數外，還能同時測量水合物聲波、電磁波和電阻特性等參數，從而為深入研究水合物沉積物宏觀力學參數和各物性參數及聲波和電阻參數間的關係奠定堅實的實驗基礎，提供可靠的實驗手段。


圖1為本發明實施例的採用超聲測量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖2為本發明實施例的採用TDR (時域反射)測量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖3為本發明實施例的採用電阻測量單元的高壓三軸壓力室示意圖；圖4為本發明實施例的採用溫度測量單元的高壓三軸壓力室示意圖。
具體實施例方式下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。本發明通過在壓力室內部和樣品上下兩端配備可選的超聲波、電阻和TDR(時域反射)測量單元，來達到測量水合物沉積物樣品的超聲、電磁和電壓等信號，然後可以通過理論和經驗關係推導樣品的水合物含量、水合物分布和分解程度等物性參數。相對來說，在水合物合成分解裝置，尤其是純水合物合成分解中進行物性測試容易一些。但在高壓三軸壓力室內實施這些物性參數測量難度特別大，其主要原因是現有的三軸壓力室內樣品兩端已有多條進出水管路、壓力和體變等傳感器接口及線纜引入和導出，因此要使現有的水合物沉積物合成分解及宏觀力學性質實驗的高壓三軸儀達到能同時測量上述物性參數的要求，關鍵在於對現有的高壓壓力室進行改造，即要重新設計和加工壓力室。本發明重新設計壓力室上下兩端結構，預留超聲、TDR、溫度和電阻等四種不同探頭的布置和安放空間，方便拆卸並保證壓力室的密封性，同時對探頭給予保護，最終實現超聲、電阻和TDR等參數測試。此外，預留和布置測試導線的引出孔，用於外部採集系統的連接，從而方便實驗操作。如圖1 圖4所示，高壓三軸壓力室，包括主腔體1、位於所述主腔體I下部的下底盤2和位於所述主腔體上部的上頂蓋3，所述下底盤2和上頂蓋3通過三根軸4連接。主腔體I為空心圓柱體，空腔內將容放水合物沉積物樣品5，並可容納在樣品周圍傳遞氣壓的液體6。所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測量單元中的一種或多種:
超聲測量單元,如圖1所示，所述超聲測量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞11和超聲探頭專用下巖心塞12，所述超聲探頭專用上巖心塞11和超聲探頭專用下巖心塞12的內部均設置有超聲探頭13，所述超聲探頭專用上巖心塞11位於上頂蓋3的下部，樣品5的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞12位於下底盤2的上部，樣品5的下方。在超聲探頭專用上巖心塞11的上部和超聲探頭專用下巖心塞12的下部設置有引出孔，可引出超聲探頭連接導線，接超聲測量儀器。時域反射測量單元，如圖2所示，所述時域反射測量單元包括時域反射專用下巖心塞21，所述時域反射專用下巖心塞22內部設置有時域反射探頭22，所述時域反射專用下巖心塞21位於下底盤2的上部，樣品5的下方；所述時域反射探頭22上的探針23向上伸出至樣品中部。時域反射專用下巖心塞22的下部設置有引出孔，可引出時域反射探頭連接導線，接時域反射測量儀器。電阻測量單元，如圖3所示，所述電阻測量單元包括電阻率專用上巖心塞31和電阻率專用下巖心塞32，所述電阻率專用上巖心塞31位於上頂蓋3的下部，樣品5的上方；所述電阻率專用下巖心塞32位於下底盤2的上部，樣品5的下方。當採用電阻測量單元時，所述下底盤2由絕緣材料製成。電阻率專用上巖心塞31和電阻率專用下巖心塞32均為導電的材料製成，作為電阻率測量探頭。可從電阻率專用上巖心塞31和電阻率專用下巖心塞32引出導線接電阻測量儀器。溫度測量單元，如圖4所示，所述溫度測量單元包括溫度測量專用上巖心塞41，所述溫度測量專用上巖心塞41位於上頂蓋3的下部，其上設置有一個以上的溫度測量探頭42。在本發明實施例中，溫度測量專用巖心塞41上設置有三個不同高度的溫度測量探頭42，當採用溫度測量單元時，所述溫度測量探頭42向下伸出至樣品5中，用於分別測量樣品5中三個位置(正中、四分之一、邊)的溫度。上述專用探頭均可更換，其中超聲探頭13及時域反射TDR探頭22可根據用戶自備的探頭進行安裝，超聲探頭13外徑尺寸30mm，長度35mm，時域反射TDR探頭22根據用戶要求。在進行試驗時，可單獨對上述測量單元進行更換，以便進行不同參數的測試。也可以將下底盤2、上頂蓋3、軸4和測量單元作為一個整體，進行試驗時，整體進行更換來進行各種參數的測試。高壓三軸壓力室可提供最大圍壓20MPa，進氣壓力18MPa，可承受溫度-20_20°C之間的環境條件。本發明實施例的壓力室的工作過程如下:1、裝好壓力室上頂蓋和下底盤上的測量單元(超聲測量單元、時域反射測量單元、電阻測量單元和溫度測量單元之一)，將相應的探頭固定並密封；2、裝上沉積物樣品或在壓力室底座上製備樣品，樣品位於下底盤和上頂蓋之間，接觸好兩端並以橡皮膜密封；3、把整個壓力室上蓋密封好，然後放置在高壓三軸儀上，就位後，對好量力環和位移傳感器。4、給壓力室注水並加圍壓，同時樣品內部的反壓和控制進氣壓力，給壓力室降溫，等待水合物合成。
5、水合物沉積物合成完畢後，對樣品進行三軸剪切實驗，同時可開啟超聲、電阻、溫度或TDR的測量。6、剪切完成後，慢慢給壓力室撤壓至0，放掉壓力室內冷凍液，卸下壓力室，結束實驗。壓力室在整個工作過程中，始終保證密封並承受和保持給定的圍壓和反壓，壓力室內部和樣品內部的進出管路控制和測量能一直保持正常工作狀態。在本發明中，上述專用探頭巖心塞均可以在流體注入時進行檢測。更換巖心時，可以將壓力室內整體安裝部分取出，在壓力室外更換，方便快捷。這些專用的巖心塞和各種探頭的更換和裝入完畢後，均不影響天然氣水合物沉積物樣品的稍後合成和分解或三軸壓縮剪切過程，也不影響樣品的進水排水，以及水合物分解時的出氣，壓力室的注液等管路的正常開關和運轉。總之，本發明既滿足超聲、TDR、溫度和電阻的單元測試，又可以實現水合物合成分解及三軸壓縮剪切過程，以及實驗前後所需的飽和固結過程的管路開閉。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位於所述主腔體下部的下底盤和位於所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤和上頂蓋通過三根軸連接，其特徵在於，所述高壓三軸壓力室還包括如下可替換使用的測量單元中的一種或多種: 超聲測量單元，所述超聲測量單元包括:超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞，所述超聲探頭專用上巖心塞和超聲探頭專用下巖心塞的內部均設置有超聲探頭，所述超聲探頭專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，樣品的上方；所述超聲探頭專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方； 時域反射測量單元，所述時域反射測量單元包括時域反射專用下巖心塞，所述時域反射專用下巖心塞內部設置有時域反射探頭，所述時域反射專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方； 電阻測量單元，所述電阻測量單元包括電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞，所述電阻率專用上巖心塞和電阻率專用下巖心塞為電阻率測量探頭，所述電阻率專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，樣品的上方；所述電阻率專用下巖心塞位於下底盤的上部，樣品的下方； 溫度測量單元，所述溫度測量單元包括溫度測量專用上巖心塞，所述溫度測量專用上巖心塞位於上頂蓋的下部，其上設置有一個以上的溫度測量探頭。
2.如權利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特徵在於， 當採用時域反射測量單元時，所述時域反射探頭上的探針向上伸出至樣品中部。
3.如權利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特徵在於， 當採用電阻測量單元時，所述下底盤由絕緣材料製成。
4.如權利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特徵在於， 溫度測量專用巖心塞上設置有三個不同高度的溫度測量探頭，當採用溫度測量單元時，所述溫度測量探頭向下伸出至樣品中，用於分別測量樣品中三個位置的溫度。
5.如權利要求1所述的高壓三軸壓力室，其特徵在於， 所述超聲探頭為外徑為30mm,長度為35mm。
全文摘要
本發明公開一種高壓三軸壓力室，包括主腔體、位於所述主腔體下部的下底盤和位於所述主腔體上部的上頂蓋，所述下底盤和上頂蓋通過三根軸連接，所述高壓三軸壓力室還包括可替換使用的超聲測量單元、時域反射測量單元、電阻測量單元和溫度測量單元中的一種或多種。本發明將多種測量單元與現有的一套水合物合成分解與力學性質測量系統結合起來，使得原有的水合物合成分解及力學性質一體化設備，除了能測量應力應變、強度等宏觀參數外，還能同時測量水合物聲波、電磁波和電阻特性等參數，從而為深入研究水合物沉積物宏觀力學參數和各物性參數及聲波和電阻參數間的關係奠定堅實的實驗基礎，提供可靠的實驗手段。
文檔編號G01D21/02GK103196490SQ201310087448
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者王淑雲, 魯曉兵, 張旭輝, 趙京, 王愛蘭 申請人:中國科學院力學研究所