【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及海洋天然氣水合物資源勘探開發工程，具體涉及一種含水合物沉積物環剪-電學特性聯合測試裝置及方法。
技術介紹
1、含水合物沉積物力學參數準確評價和預測是研究開發過程中儲層穩定性的基礎和前提，也是實現天然氣水合物安全高效開發的必要條件。天然氣水合物勘探開發與工程地質風險密切相關，例如井眼失穩、井漏井噴、出砂、地層沉降、海底滑坡等等。現階段研究人員主要通過三軸剪切實驗獲得含水合物沉積物的強度參數和變形特性，但是探明大變形條件下水合物沉積物行為和破壞機制，難以支撐后續水合物區海底滑坡相關研究。
2、為了研究地層大變形條件下破壞特征和長距離剪切滑移條件下變形規律，研究人員提出環剪測試技術探究地層邊坡穩定性和滑坡機制。但是，上述方法無法模擬天然氣水合物合成分解的溫壓環境以及水合物含量對滑坡的影響，限制了常規環剪測試在水合物領域的應用。
3、針對上述問題，公告號為cn114252351b的中國專利技術專利公布了一種適用于含水合物沉積物環剪測試裝置和方法，闡明了含水合物沉積物環剪測試與常規土體測試的差異。公布號為cn118746504a的中國專利技術專利申請也提出了一種水合物沉積物環剪實驗裝置及方法，為含水合物沉積物大變形下的力學特性提供了有效手段。上述兩種方法均采用上下剪切盒錯位轉動進行剪切，扭轉加載摩阻較大，影響含水合物沉積物力學測試精度。沉積物中水合物合成過程缺少有效監測手段，難以實現水合物飽和度準確測定。同時，單一的測試手段也不能有效表征含水合物沉積物破壞過程，限制后續破壞機理研究。
4、
5、綜上，當前含水合物沉積物環剪測試裝置如下2點不足：（1）沉積物中天然氣水合物合成過程缺乏有效的監測手段，無法評價制樣優劣；（2）剪切過程中探測手段單一，缺少能夠表征含水合物沉積物破壞過程的有效參數。
技術實現思路
1、基于上述技術問題，本專利技術提供一種含水合物沉積物環剪-電學特性聯合測試裝置及方法，借鑒現有三軸剪切聯合測試系統成功經驗，引入復電阻率測試和研究方法，重新設計并改進現有環剪裝置，形成測試準度高、監測手段多樣的環剪綜合測試系統。
2、本申請將復電阻率測試與環剪測試相結合提出一種電學輔助環剪測試系統，相較于常規電阻率測試，復電導率法能夠進行頻率域的高密度測量，同時獲取復電導率幅值、相角、實部和虛部等多個參數，通過復電導率頻譜或復介電常數頻譜能夠更好的反映水合物飽和度和沉積物微觀結構變化；創新性的提出了內外盒旋轉剪切的方式，滿足含水合物沉積物大變形條件下破壞特征和剪切滑移條件下變形規律測試的要求，引入非規則電極測試復電阻率能夠準確反映水合物飽和度以及沉積物電學性質變化規律，針對性解決現有含水合物沉積物環剪測試裝置測試手段單一、測試精度低的問題，為海域天然氣水合物區海底邊坡穩定性評價及滑坡機制分析提供新思路。
3、本專利技術所采用的技術解決方案是：
4、一種含水合物沉積物環剪-電學特性聯合測試裝置，包括高壓反應釜系統、剪切盒系統、復電阻率測試系統、軸向加載系統、旋轉系統、供氣系統、溫度控制系統和數據處理系統等，能夠提供含水合物沉積物試樣制備所需高壓低溫條件、應力作用下試樣內外旋轉剪切模擬以及復電阻率測試條件。剪切盒系統創新性采用內外轉動剪切模式，設置于高壓反應釜系統內部中間位置，與高壓反應釜系統配合形成扁平型圓環柱結構腔以放置含水合物沉積物試樣，減小了扭轉加載摩阻，測試結果更加準確；其下部與所述旋轉系統相連接，能夠實現對于所述試樣的旋轉剪切過程模擬；其上部設置有所述軸向加載系統，為所述試樣施加軸向載荷，能夠模擬不同深度儲層地應力對于旋轉剪切過程的影響程度；所述剪切盒系統和所述高壓反應釜系統上均安裝有電極，配合所屬的復電阻率測試系統能夠對含天然氣水合物合成過程及環剪過程中所述試樣的電阻率/電導率進行探測；所述高壓反應釜系統中反應釜腔與所述供氣系統相連接，能夠提供含水合物沉積物試樣所需的氣體和高壓環境；此外，所述高壓反應釜系統、剪切盒系統、復電阻率測試系統、軸向加載系統、旋轉系統整體置于所述溫度控制系統內部，為天然氣水合物合成提供合適的溫度環境并且抑制環剪過程中水合物分解；上述系統中設置的測試裝置和控制裝置均與所述數據處理系統相連接，為含天然氣水合物沉積物環剪及電學測試過程提供控制并對數據進行收集和處理。
5、進一步的，所述高壓反應釜系統包括試樣、反應釜體、反應釜腔、上法蘭、下法蘭、螺栓、流動通道等，用于實現含水合物沉積物試樣的合成、所述試樣旋轉剪切測試以及電學特性測試；系統主體為所述反應釜體，上、下端分別連接所述上法蘭和下法蘭，并通過所述螺栓固定，內部形成所述反應釜腔；其內側與所述剪切盒系統相配合，形成所述扁平型圓環柱結構腔以放置所述試樣；此外，所述上法蘭設置有所述流動通道，其下端與所述反應釜腔相連接，上端連接所述供氣系統，能夠輔助所述供氣系統中高壓氣體進入所述反應釜腔中并形成高壓環境。
6、進一步的，所述剪切盒系統能夠與所述高壓反應釜系統配合實現含水合物沉積物試樣合成以及旋轉剪切過模擬，包括內剪切盒、下絕緣層、密封圈、扶正器，其外部為所述高壓反應釜系統，上部為所述軸向加載系統，下部與所述旋轉系統相連接。其主體為所述內剪切盒，為一個可旋轉的柱狀體，其外側與所述反應釜體配合形成扁平型圓環柱結構腔以放置所述試樣，所述試樣下部與所述內剪切盒之間設置有所述下絕緣層，能夠提供絕緣環境輔助復電阻率測試；其下部穿過所述下法蘭中心與所述旋轉系統相連接，實現所述內剪切盒旋轉完成對于所述試樣的環剪測試；所述內剪切盒與所述下法蘭之間由上到下依次設置有所述密封圈和扶正器，能夠實現所述內剪切盒的正常旋轉并防止旋轉過程中發生高壓氣體泄漏。
7、進一步的，所述復電阻率測試系統主要包括電極、電極保護套、電阻測量組件、電阻率分析儀，能夠對水合物合成和旋轉剪切過程中所述試樣的電阻率/電導率進行實時監測。所述電極成對至于所述試樣兩側，分別通過所述電極保護套固定在所述內剪切盒系統上，經由所述電阻測量組件連接在所述電阻率分析儀上，所述電阻測量組件穿過所述內剪切盒和所述反應釜體進入所述反應釜腔里面，用以監測所述電極之間的所述試樣的電阻率/電導率變化情況。
8、為了適配環剪裝置，防止復電阻率測試系統影響含水合物沉積物環剪測試過程，該處根據所述內剪切盒和反應釜體的側面形狀創新設計了所述電極的形狀，使其異形電極更加貼合所述試樣，同時在所述試樣的上下側加裝了所述上絕緣層和下絕緣層，為復電阻率測試提供完備的絕緣環境本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.含水合物沉積物環剪-電學特性聯合測試裝置，包括高壓反應釜系統、剪切盒系統、軸向加載系統、旋轉系統、供氣系統、溫度控制系統和數據處理系統，其特征在于，還包括復電阻率測試系統；所述剪切盒系統采用內外轉動剪切模式，所述剪切盒系統設置于高壓反應釜系統內部中間位置，與高壓反應釜系統配合形成扁平型圓環柱結構腔放置含水合物沉積物的試樣（11），減小了扭轉加載摩阻；剪切盒系統下部與所述旋轉系統相連接，實現對于所述試樣（11）的旋轉剪切過程模擬；剪切盒系統上部設置有所述軸向加載系統，為所述試樣（11）施加軸向載荷，以模擬不同深度儲層地應力對于旋轉剪切過程的影響程度；所述剪切盒系統和所述高壓反應釜系統上均安裝有電極（61），以使所述復電阻率測試系統能夠對含天然氣水合物合成過程及環剪過程中所述試樣（11）的電阻率/電導率進行探測；所述高壓反應釜系統中的反應釜腔（13）與所述供氣系統相連接，以提供含水合物沉積物試樣（11）所需的氣體和高壓環境；
2.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述高壓反應釜系統包括試樣（11）、反應釜體（12）、反應釜腔（13）、上法蘭（14）、下法蘭（1
3.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述剪切盒系統包括內剪切盒（21）、下絕緣層（22）、密封圈（38）和扶正器（24）；所述內剪切盒（21）為一個可旋轉的柱狀體，其內剪切盒（21）外側設置扁平型圓環柱結構腔以放置所述試樣（11），所述試樣（11）下部與所述內剪切盒（21）之間設置所述下絕緣層（22），用于提供絕緣環境輔助復電阻率測試；內剪切盒（21）下部穿過所述下法蘭（15）中心與所述旋轉系統相連接，實現所述內剪切盒（21）旋轉完成對于所述試樣（11）的環剪測試；所述內剪切盒（21）與所述下法蘭（15）之間由上到下依次設置有所述密封圈（38）和扶正器（24），以實現所述內剪切盒（21）的正常旋轉并防止旋轉過程中發生高壓氣體泄漏。
4.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述復電阻率測試系統包括電極（61）、電極保護套（62）、電阻測量組件（63）和電阻率分析儀（64），用于對水合物合成和旋轉剪切過程中所述試樣（11）的電阻率/電導率進行實時監測；所述電極（61）成對位于所述試樣（11）兩側，通過所述電極保護套（62）固定在所述內剪切盒系統上，經由所述電阻測量組件（63）連接在所述電阻率分析儀（64）上，所述電阻測量組件（63）穿過所述內剪切盒（21）和所述反應釜體（12）進入所述反應釜腔（13）里面，以監測所述電極（61）之間的所述試樣（11）的電阻率/電導率變化情況。
5.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述軸向加載系統位于所述高壓反應釜系統上部、與所述內剪切盒（21）系統相接觸，包括軸向加載裝置（31）、軸向位移計（32）、平衡軸（33）、上壓板（34）、上絕緣層（35）、扶正桿（36）、滑套（37）、密封圈（38）和扶正套（39），用于對所述試樣（11）施加軸向載荷；所述軸向加載裝置（31）的上部設置有所述軸向位移計（32），用于在軸向加載的同時記錄對應的位移，下端經由所述平衡軸（33）連接所述上壓板（34），用于壓縮所述試樣（11）并維持穩定；所述平衡軸（33）穿過所述上法蘭（14）中部，并設置有所述密封圈（38）和扶正套（39）輔助軸向加載過程；所述上壓板（34）下端設置有所述上絕緣層（35）、且與所述試樣（11）直接接觸，側面設置有所述扶正桿（36），并通過與所述滑套（37）配合，以輔助軸向加載過程中所述上壓板（34）的上下移動。
6.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述旋轉系統用于旋轉剪切過程提供動力和控制，包括伺服電機（41）、減速器（42）、連軸結（43）、扭矩傳感器（44）、傳動軸（45）、扶正軸承（46）和扶正套（47）；所述伺服電機（41）、所述減速器（42）、連軸結（43）、扭矩傳感器（44）、傳動軸（45）、所述內剪切盒（21）從下到上依次連接，使得下部旋轉系統在提供環剪動力過程中實時監...
【技術特征摘要】
1.含水合物沉積物環剪-電學特性聯合測試裝置，包括高壓反應釜系統、剪切盒系統、軸向加載系統、旋轉系統、供氣系統、溫度控制系統和數據處理系統，其特征在于，還包括復電阻率測試系統；所述剪切盒系統采用內外轉動剪切模式，所述剪切盒系統設置于高壓反應釜系統內部中間位置，與高壓反應釜系統配合形成扁平型圓環柱結構腔放置含水合物沉積物的試樣（11），減小了扭轉加載摩阻；剪切盒系統下部與所述旋轉系統相連接，實現對于所述試樣（11）的旋轉剪切過程模擬；剪切盒系統上部設置有所述軸向加載系統，為所述試樣（11）施加軸向載荷，以模擬不同深度儲層地應力對于旋轉剪切過程的影響程度；所述剪切盒系統和所述高壓反應釜系統上均安裝有電極（61），以使所述復電阻率測試系統能夠對含天然氣水合物合成過程及環剪過程中所述試樣（11）的電阻率/電導率進行探測；所述高壓反應釜系統中的反應釜腔（13）與所述供氣系統相連接，以提供含水合物沉積物試樣（11）所需的氣體和高壓環境；
2.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述高壓反應釜系統包括試樣（11）、反應釜體（12）、反應釜腔（13）、上法蘭（14）、下法蘭（15）、螺栓（16）和流動通道（17），用于實現含水合物沉積物試樣（11）的合成、所述試樣（11）旋轉剪切測試以及電學特性測試；所述反應釜體（12）的上、下端分別連接所述上法蘭（14）和所述下法蘭（15），并通過所述螺栓（16）固定，內部形成所述反應釜腔（13）；所述反應釜腔（13）內還設置有內側與所述剪切盒系統相配合的扁平型圓環柱結構腔以放置所述試樣（11）；所述上法蘭（14）設置有所述流動通道（17），所述流動通道（17）的下端與所述反應釜腔（13）相連接，上端連接所述供氣系統，以輔助所述供氣系統中高壓氣體進入所述反應釜腔（13）中并形成高壓環境。
3.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述剪切盒系統包括內剪切盒（21）、下絕緣層（22）、密封圈（38）和扶正器（24）；所述內剪切盒（21）為一個可旋轉的柱狀體，其內剪切盒（21）外側設置扁平型圓環柱結構腔以放置所述試樣（11），所述試樣（11）下部與所述內剪切盒（21）之間設置所述下絕緣層（22），用于提供絕緣環境輔助復電阻率測試；內剪切盒（21）下部穿過所述下法蘭（15）中心與所述旋轉系統相連接，實現所述內剪切盒（21）旋轉完成對于所述試樣（11）的環剪測試；所述內剪切盒（21）與所述下法蘭（15）之間由上到下依次設置有所述密封圈（38）和扶正器（24），以實現所述內剪切盒（21）的正常旋轉并防止旋轉過程中發生高壓氣體泄漏。
4.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述復電阻率測試系統包括電極（61）、電極保護套（62）、電阻測量組件（63）和電阻率分析儀（64），用于對水合物合成和旋轉剪切過程中所述試樣（11）的電阻率/電導率進行實時監測；所述電極（61）成對位于所述試樣（11）兩側，通過所述電極...
【專利技術屬性】
技術研發人員：董林，李彥龍，吳能友，綦民輝，周遠，
申請(專利權)人：嶗山國家實驗室，
類型：發明
國別省市：
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