【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及海洋天然氣水合物勘探測試，特別是一種水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置及方法。
技術介紹
1、天然氣水合物是一種重要的可替代性能源，受到世界各國的關注。海域天然氣水合物沉積物力學特性分析是評價儲層穩定性和工程地質風險防控的基礎和前提，也是實現天然氣水合物安全高效開發的關鍵。當前，國內外研究人員通過三軸剪切、直剪、循環加卸載等測試手段來研究含水合物沉積物的力學參數和變形特性，初步揭示了載荷作用下含水合物沉積物破壞機制并推測水合物開采過程中儲層穩定性控制機理。現有技術難以實現對于含水合物沉積物大變形條件下力學行為和破壞特征的準確評價，不能夠有效解決天然氣水合物區海底滑坡啟動和演化機制研究難題。
2、目前，研究人員為了研究含水合物沉積物大位移變形條件下的力學響應特征，提出了一些適用于含水合物沉積物的環剪測試系統和方法。具體的，專利cn114252351b公布了一種適用于含水合物沉積物環剪測試裝置和方法，為水合物地層破壞后長距離剪切滑移條件下的變形規律及滑坡特性探究提供了技術支撐。此外，專利cn118746504a提出了一種環剪裝置以及不排水狀態下環剪測試方法，豐富了含水合物沉積物大變形測試方法體系。但是，現有含水合物沉積物環剪測試裝置和技術相對較少，探測手段單一，只關注簡單的力學參數測試，無法滿足不同探測任務。因此，亟需按照不同測試需求發展多手段環剪測試方法。
3、現有含水合物沉積物力學特性測試裝置通常與聲學和電學聯合測試，實現變形條件下聲學和電學參數的獲取和分析。專利cn1105426
4、根據以上的現有技術可知，小變形條件下含水合物沉積物力學-聲學-電學參數聯測能夠實現，然而在大位移變形條件下含水合物沉積物多手段聯合測試相關裝置和技術尚未見報道，亟需技術攻關來填補這一空白。另外，現有的含水合物沉積物環剪裝置結構復雜，軸向加載系統穩定性差，從而影響環剪條件下沉積物的力學-聲學-電學參數測試精度。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提出了一種水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置及方法，能夠實現旋轉剪切條件下力學-聲學-電學參數聯合同步測試，滿足含水合物沉積物大位移變形破壞過程的監測和評價需求，為海域水合物沉積物力學行為預測及工程地質風險防控提供新思路。
2、本專利技術的技術方案是：一種水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，包括高壓反應釜模塊，其中，轉動剪切盒模塊設置在高壓反應釜模塊內，轉動剪切盒模塊與聲波-電阻測試模塊連接，轉動剪切盒模塊包括上轉動剪切盒和下轉動剪切盒，上轉動剪切盒與軸向加載模塊連接，下轉動剪切盒與旋轉驅動模塊連接；
3、軸向加載模塊包括壓板，壓板上設有數個壓頭，壓頭與上轉動剪切盒固定連接，壓板與高壓反應釜模塊之間通過豎向設置的支撐桿滑動連接。
4、本專利技術的轉動剪切盒模塊中，上轉動剪切盒的下表面與下轉動剪切盒的上表面接觸，且上轉動剪切盒的下表面、下轉動剪切盒的上表面分別設有環形凹槽，上轉動剪切盒的環形凹槽與下轉動剪切盒的環形凹槽組成環形的試樣腔體；
5、試樣腔體內的試樣和與其接觸的軸向加載模塊、上轉動剪切盒的側壁、下轉動剪切盒的側壁之間均設有絕緣層。
6、所述高壓反應釜模塊包括高壓反應釜體，高壓反應釜體、上部的上端蓋、下部的下端蓋之間形成密閉的反應釜腔，轉動剪切盒模塊設置在反應釜腔內；
7、下轉動剪切盒與下端蓋之間呈轉動連接，且下轉動剪切盒與下端蓋的接觸面處設有滑動密封圈；
8、上端蓋處設有流體通道，通過流體通道實現高壓反應釜模塊與供氣模塊的連接，對應的在上轉動剪切盒上設有數個氣孔。
9、所述聲波-電阻測試模塊包括數組間隔設置在試樣內部的聲波-電阻探頭，每組聲波-電阻探頭包括兩個呈上下對稱設置的聲波-電阻探頭，位于上方的聲波-電阻探頭為發射探頭，安裝在上轉動剪切盒內，位于下方的聲波-電阻探頭為接收探頭，安裝在下轉動剪切盒內；
10、聲波-電阻探頭的外側包裹有保護套，保護套通過絕緣卡套安裝在上轉動剪切盒或者下轉動剪切盒內。
11、軸向加載模塊還包括豎向設置的平衡軸，平衡軸位于反應釜腔外側的一端與加載單元連接，加載單元處設有位移計，平衡軸位于反應釜腔內部的一端與壓板固定連接，平衡軸穿過上端蓋，且平衡軸與上端蓋的接觸面上設有平衡腔和密封圈；
12、上轉動剪切盒上間隔設有數個通孔，壓頭對應的設置在通孔內，且壓頭與上轉動剪切盒固定連接；
13、壓板通過數個支撐桿與下端蓋連接，支撐桿的下端與下端蓋固定連接，支撐桿的上端與壓板滑動連接。
14、所述高壓反應釜模塊設置在溫度控制模塊內；
15、溫度控制模塊包括恒溫箱和溫度控制器。
16、還包括控制與數據采集模塊，數據采集模塊分別與軸向加載模塊、旋轉驅動模塊、供氣模塊、軸向加載模塊、溫度控制模塊連接。
17、本專利技術還公開了一種利用上述水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置進行的測試方法，該方法包括以下步驟：
18、s1、利用測試裝置制備試樣；
19、s2、軸向加載及預固結，并合成水合物；
20、s3、對含水合物沉積物試樣進行環剪測試；
21、旋轉驅動模塊驅動下轉動剪切盒旋轉，上轉動剪切盒的狀態保持不變，模擬上轉動剪切盒和下轉動剪切盒內的含水合沉積物試樣的旋轉剪切過程；
22、s4、對含水合物沉積物試樣進行聲波-電阻聯合測試；
23、s5、實驗結束后進行設備整理；
24、s6、實驗數據處理及力學-聲學-電學參數綜合分析。
25、步驟s1中，將沉積物和去離子水或蒸餾水混合攪拌后，分層置于轉動剪切盒模塊的試樣腔體內，并充分壓實；
26、步驟s2中，通過軸向加載模塊對試樣進行軸向加載，使試樣滿足含水合物沉積物合成的固結要求；
27、通過供氣模塊，向反應釜腔中注入水合物合成所需氣體，通過溫度控制模塊對高壓反應釜模塊和轉動剪切盒模塊進行制冷，對反應釜腔內的試樣進行降溫，使試樣所在的環境溫度和壓力條件滿足水合物合成相平衡條件，實現含水合物沉積物試樣合成過程。
28、步驟s3中，環剪測試過程中，通過驅動電機和扭矩傳感器，對扭矩和轉角參數進行實時監測和記錄，當轉角達到設定值時，關閉驅動電機，停止環剪實驗，計算環剪過程中所述試樣剪應力和剪應變的變化情況；
29、含水合物沉積物的縱波速度vp和橫波速度vs可通過如下公式計算：...
【技術保護點】
1.一種水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，包括高壓反應釜模塊，其特征在于，轉動剪切盒模塊設置在高壓反應釜模塊內，轉動剪切盒模塊與聲波-電阻測試模塊連接，轉動剪切盒模塊包括上轉動剪切盒和下轉動剪切盒，上轉動剪切盒與軸向加載模塊連接，下轉動剪切盒與旋轉驅動模塊連接；
2.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，轉動剪切盒模塊中，上轉動剪切盒的下表面與下轉動剪切盒的上表面接觸，且上轉動剪切盒的下表面、下轉動剪切盒的上表面分別設有環形凹槽，上轉動剪切盒的環形凹槽與下轉動剪切盒的環形凹槽組成環形的試樣腔體；
3.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，所述高壓反應釜模塊包括高壓反應釜體，高壓反應釜體、上部的上端蓋、下部的下端蓋之間形成密閉的反應釜腔，轉動剪切盒模塊設置在反應釜腔內；
4.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，所述聲波-電阻測試模塊包括數組間隔設置在試樣內部的聲波-電阻探頭，每組聲波-電阻探頭包括兩個呈上下對稱設置
5.根據權利要求3所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，軸向加載模塊還包括豎向設置的平衡軸，平衡軸位于反應釜腔外側的一端與加載單元連接，加載單元處設有位移計，平衡軸位于反應釜腔內部的一端與壓板固定連接，平衡軸穿過上端蓋，且平衡軸與上端蓋的接觸面上設有平衡腔和密封圈；
6.根據權利要求3所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，所述高壓反應釜模塊設置在溫度控制模塊內；
7.根據權利要求6所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，還包括控制與數據采集模塊，數據采集模塊分別與軸向加載模塊、旋轉驅動模塊、供氣模塊、軸向加載模塊、溫度控制模塊連接。
8.一種利用權利要求1-7任一所述水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置進行的測試方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
9.根據要求8所述的測試方法，其特征在于，
10.根據要求8所述的測試方法，其特征在于，
...【技術特征摘要】
1.一種水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，包括高壓反應釜模塊，其特征在于，轉動剪切盒模塊設置在高壓反應釜模塊內，轉動剪切盒模塊與聲波-電阻測試模塊連接，轉動剪切盒模塊包括上轉動剪切盒和下轉動剪切盒，上轉動剪切盒與軸向加載模塊連接，下轉動剪切盒與旋轉驅動模塊連接；
2.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，轉動剪切盒模塊中，上轉動剪切盒的下表面與下轉動剪切盒的上表面接觸，且上轉動剪切盒的下表面、下轉動剪切盒的上表面分別設有環形凹槽，上轉動剪切盒的環形凹槽與下轉動剪切盒的環形凹槽組成環形的試樣腔體；
3.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，所述高壓反應釜模塊包括高壓反應釜體，高壓反應釜體、上部的上端蓋、下部的下端蓋之間形成密閉的反應釜腔，轉動剪切盒模塊設置在反應釜腔內；
4.根據權利要求1所述的水合物沉積物大位移變形-聲-電一體化表征裝置，其特征在于，所述聲波-電阻測試模塊包括數組間隔設置在試樣內部的聲波-電阻探頭，每組聲波-電阻探頭包括兩個呈上下對稱設置的聲波-電阻探頭，位于上...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李彥龍，董林，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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