一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置

1.本实用新型涉及非常规油气勘探与开发基础物性测量技术领域，尤其涉及一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置。


背景技术：

2.随着世界煤、石油和天然气等常规能源的可开采量和采收成本的激增，越来越多的国家开始逐步重视对非常规能源的勘探与开发工作，其中天然气水合物能源储量极大，广泛分布于大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。
3.然而，制约天然气水合物商业化开采的因素有很多，其中由于水合物分解导致地层有效应力的变化，在水气运移的驱动下，地层砂颗粒产出，由此可能会产生地层坍塌、井眼破坏、钻具磨损等重大安全隐患。
4.目前，针对水合物颗粒之间作用力在出砂方面的研究重要性已经取得较为广泛的认识，但对砂颗粒运移的驱动机制以及储层颗粒间相互作用对出砂的影响刻画尚需完善，例如基于离散元的出砂仿真模型，虽已被用于水合物储层的出砂机制研究，但其细观建模参数如摩擦系数、内聚力等多通过经验或试算取值，对模拟结果影响较大。对水合物地层颗粒间几种不同形式的摩擦力测量，亟待设计一种水合物颗粒间的摩擦力测量装置，以用于研究水合物地层出砂和后续孔隙发展演变机制。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置，以用来克服现有技术中水合物地层参数缺失，数值模拟建模参数选取不同导致模拟结果偏差较大的技术问题。
6.为解决上述问题，本实用新型提供一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置，包括：
7.样品成型装置，包括高压腔室、位于所述高压腔室内的第一平面位移台滑机构和垂直于所述第一平面位移台滑机构的第二方向位移台滑机构、样品测试包以及设在所述高压腔室侧壁上的进样螺母，所述第一平面位移台滑机构和所述第二方向位移台滑机构适于沿笛卡尔坐标方向对所述样品测试包施加摩擦力，所述进样螺母适于向所述样品测试包内加注样品；
8.调压系统，与所述样品成型装置相连通，用于为所述样品成型装置提供稳定压力以及温度调节；
9.样品采集系统，用于记录所述样品测试包的颗粒作用过程；
10.控制器，所述控制器分别与所述第一平面位移台滑机构、所述第二方向位移台滑机构、所述调压系统和所述样品采集系统电性连接。
11.进一步的，所述第一平面位移台滑机构包括适于沿yz平面移动的第一台滑板和与所述第一台滑板连接的第一微步电机，所述第一微步电机与所述控制器电性连接，所述第
一微步电机为所述第一台滑板提供动力。
12.进一步的，所述第二方向位移台滑机构包括适于沿x轴方向移动的第二台滑板和与所述第二台滑板连接的第二微步电机，所述第二微步电机与所述控制器电性连接，所述第二微步电机为所述第二台滑板提供动力。
13.进一步的，所述样品测试包包括第一待测样品、第二待测样品、竖向力传感器、水平力传感器、斜面、光滑玻璃板第一平板和第二平板，所述竖向力传感器与所述水平力传感器均与所述控制器电性连接。
14.进一步的，所述竖向力传感器、所述第一待测样品、所述第二待测样品和所述水平力传感器组合形成固定滑动摩擦工况测试系统，所述第一待测样品和所述斜面组合形成自由滚动摩擦工况测试系统。
15.进一步的，所述第一待测样品、所述第二待测样品、所述水平力传感器、所述光滑玻璃和所述第一平板组合形成颗粒间自由滑动摩擦工况测试系统，所述竖向力传感器、所述第一待测样品、所述水平力传感器和所述第二平板组合形成颗粒平板滑动摩擦工况测试系统。
16.进一步的，所述调压系统包括分别与所述高压腔室连通的供气系统和抽真空系统，所述供气系统包括通过管道依次连接的气源、伺服增压装置温度调节装置和设置在所述高压腔室上的第一针阀，所述伺服增压装置、所述温度调节装置和所述第一针阀均与所述控制器电性连接。
17.进一步的，所述抽真空系统包括通过管道依次连接的真空泵和第二针阀，所述第二针阀的另一端通过调压阀与所述高压腔室内连通，所述真空泵和所述第二针阀与所述控制器电性连接。
18.进一步的，所述温度调节装置包括相互连接的冷却缓冲装置和循环浴装置，所述冷却缓冲装置的进气口通过第三针阀与所述伺服增压装置相连通，所述冷却缓冲装置的出气口通过调压阀与所述高压腔室的内部相连通。
19.进一步的，所述样品采集系统包括高频摄像机、第二温度传感器和计算机，所述高频摄像机、所述第二温度传感器和所述计算机均与所述控制器电性连接，所述高频摄像机适于通过所述高压腔室上的高压可视窗口对所述样品测试包进行拍照，并上传至所述计算机。
20.本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
21.1、通过样品成型装置，可用于制作不同摩擦工况下的摩擦力水合物，并可以实现常见水合物的合成、稳定保存及测试；调压装置用于为样品成型装置制作成型样品提供稳定压力以及温度调节；样品采集系统用于记录样品测试包的颗粒作用过程。
22.2、通过用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置，可以提供xyz三个维度的动作，较为容易的实现模拟不同摩擦工况情况下摩擦力的测量，并且不同摩擦工况的各操作部件被分别打包，实现了各操作互不干扰测量，为后期实验系统功能拓展和优化提供了便利的操作。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例中用于水合物颗粒间的摩擦力测量的结构示意图；
24.图2是本实用新型实施例中用于四种摩擦测试工况的样品测试包的结构示意图；
25.图3是本实用新型实施例中自由滚动摩擦工况下水合物颗粒间的摩擦力受力分析示意图；
26.图4是本实用新型实施例中颗粒间自由滑动摩擦工况下第一待测样品和第二待测样品的受力分析示意图。
27.附图标记：
28.11-高压腔室，111-高压可视窗口，12-第一平面位移台滑机构，121-第一台滑板，122-第一微步电机，13-第二方向位移台滑机构，131-第二台滑板，132-第二微步电机，14-样品测试包，141-第一待测样品，142-第二待测样品，143-竖向力传感器，144-水平力传感器，145-斜面，146-光滑玻璃板，147-第一平板，148-第二平板，15-进样螺母；
29.21-供气系统，211-气源，212-伺服增压装置，213-温度调节装置，2131-冷却缓冲装置，21311-冷却箱，21312-缓冲罐，2132-循环浴装置，214-第一针阀，215-第三针阀，216-调压阀，22-抽真空系统，221-真空泵，222-第二针阀，23-压力传感器，24-第一温度传感器；
30.31-高频摄像机，32-第二温度传感器，33-计算机。
具体实施方式
31.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例根据，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.另外，在本文中所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用，不应限制本技术请求保护的范围。
34.请参阅图1-2所示，本实用新型实施例提供了一种用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置，包括样品成型装置、调压系统、样品采集系统和控制器，
35.其中，样品成型装置包括高压腔室11、第一平面位移台滑机构12、第二方向位移台滑机构13、样品测试包14和进样螺母15，第一平面位移台滑机构12和第二方向位移台滑机构13均位于高压腔室11内，第二方向位移台滑机构13沿垂直于第一平面位移台滑机构12的所在平面设置，进样螺母15设在高压腔室11侧壁上，第一平面位移台滑机构12和第二方向位移台滑机构13适于沿笛卡尔坐标方向对样品测试包14施加摩擦力，进样螺母15适于向样品测试包14内加注样品。
36.调压系统与样品成型装置相连通，用于为样品成型装置提供稳定压力以及温度调节；
37.样品采集系统用于记录样品测试包14的颗粒作用过程；
38.控制器，控制器分别与第一平面位移台滑机构12、第二方向位移台滑机构13、调压系统和样品采集系统电性连接。控制器可用于控制第一平面位移台滑机构12沿第一方向移动，控制器可用于控制第二方向位移台滑机构13沿第二方向移动，控制器还可用于控制调
压系统与样品采集系统的工作。
39.在此需要说明的是，控制器控制第一平面位移台滑机构12、第二方向位移台滑机构13、调压系统和样品采集系统的工作，所涉及的控制方法均属于现有技术，本实用新型并不涉及对控制方法的改进。
40.需要说明的是，高压腔室11可提供的压力设计范围为-0.1-20mpa,温度设计范围为-20-0℃，可以实现常见水合物(甲烷、乙烷、丙烷、四氢呋喃、环戊烷等)的合成和稳定保存及测试。
41.由此，该装置操作简单、测量数据直接、造价低、功能广、可改造性能强，能真实的测得地层存在的几种摩擦力工况对应的摩擦力及相关参数。
42.具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，第一平面位移台滑机构12包括第一台滑板121和第一微步电机122，且第一台滑板121适于沿yz平面移动，第一台滑板121与第一微步电机122连接，第一微步电机122与控制器电性连接，使得第一微步电机122为第一台滑板121提供动力。
43.由此，第一平面位移台滑机构12可以提供y、z两个维度的动作，可以较为容易的实现模拟不同摩擦工况情况下摩擦力的测量，并且为实验系统后期其他功能的拓展提供了便利的操作。
44.具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，第二方向位移台滑机构13包括第二台滑板131和第二微步电机132，且第二台滑板131适于沿x轴方向移动，第二台滑板131与第二微步电机132连接，第二微步电机132与控制器电性连接，使得第二微步电机132为第二台滑板131提供动力。
45.由此，第二方向位移台滑机构13可以提供x轴方向的动作，可以较为容易的实现模拟不同摩擦工况情况下摩擦力的测量，并且为实验系统后期其他功能的拓展提供了便利的操作。
46.具体地，请参阅图1、2所示，在本实用新型的实施例当中，样品测试包14包括第一待测样品141、第二待测样品142、竖向力传感器143、水平力传感器144、斜面145、光滑玻璃板146、第一平板147和第二平板148，其中竖向力传感器143与水平力传感器144均与控制器电性连接。
47.由此，样品测试包14通过以上不同组合实现不同种测试工况，为实验系统后期其他功能的拓展提供了便利的操作。
48.具体地，请参阅图2所示，在本实用新型的实施例当中，竖向力传感器143、第一待测样品141、第二待测样品142和水平力传感器144组合形成固定滑动摩擦工况测试系统，而第一待测样品141和斜面145组合形成自由滚动摩擦工况测试系统。
49.由此，通过组合形成固定滑动摩擦工况测试系统和自由滚动摩擦工况测试系统，以方便用于研究水合物颗粒间的固定摩擦和自由滚动摩擦。
50.具体地，请参阅图2所示，在本实用新型的实施例当中，第一待测样品141、第二待测样品142、水平力传感器144、光滑玻璃板146和第一平板147组合形成颗粒间自由滑动摩擦工况测试系统，竖向力传感器143、第一待测样品141、水平力传感器144和第二平板148组合形成颗粒平板滑动摩擦工况测试系统。
51.由此，通过组合形成颗粒间自由滑动摩擦工况测试系统和颗粒平板滑动摩擦工况
测试系统，以方便用于研究水合物颗粒间的自由滑动摩擦和颗粒平板滑动摩擦。
52.在本实施例当中，样品测试包14提供的四种摩擦工况各操作部件被分别打包形成固定滑动摩擦工况测试系统、自由滚动摩擦工况测试系统、颗粒间自由滑动摩擦工况测试系统和颗粒平板滑动摩擦工况测试系统，实现了各操作互不干扰肚子测量的优先，为后期实验系统的功能拓展和优化提供了平台。
53.具体地，请参阅图2所示，在本实用新型的实施例当中，调压系统包括分别与高压腔室11连通的供气系统21和抽真空系统22，其中，供气系统21包括通过管道依次连接的气源211、伺服增压装置212、温度调节装置213和设置在高压腔室11上的第一针阀214，伺服增压装置212、温度调节装置213和第一针阀214均与控制器电性连接，抽真空系统22包括通过管道依次连接的真空泵221和第二针阀222，，真空泵221和第二针阀222与控制器电性连接，第二针阀222的另一端与高压腔室11内连通。
54.由此，供气系统21用于检查高压腔室11的气密性，以实现常见水合物(甲烷、乙烷、丙烷、四氢呋喃、环戊烷等)的合成和稳定保存及测试的所需环境。
55.具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，温度调节装置213包括相互连接的冷却缓冲装置2131和循环浴装置2132，冷却缓冲装置2131的进气口通过第三针阀215与伺服增压装置212相连通，冷却缓冲装置2131的出气口通过调压阀216与高压腔室11的内部相连通。
56.在本实施例当中，冷却缓冲装置2131由冷却箱21311和缓冲罐21312组成，冷却箱21311用于对气源211供出的高压气体进行冷却，缓冲罐21312用于对高压气体冷却液进行存储，温度调节装置213用于对高压腔室11和样品测试包14的测试系统进行温度调节，方便制作所需样品。
57.具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，样品采集系统包括高频摄像机31、第二温度传感器32和计算机33，高频摄像机31、第二温度传感器32与计算机33电性连接，高频摄像机31适于通过高压腔室11上的高压可视窗口111对样品测试包14进行拍照，并上传至计算机33。
58.由此，样品采集系统通过搭配高频摄像机31，可精确记录每次实验的视频资料，由此精确描述样品的速度和运动轨迹，也可以辅助计算样品的形成大小和质量。
59.下面结合四种不同工况，详细介绍用于水合物颗粒间的摩擦力测量装置的具体工作过程：
60.a-固定滑动摩擦工况：
61.步骤一：首先打开高频摄像机31，开始记录视频资料；
62.步骤二：控制第一微步电机122和第二微步电机132，使第一微步电机122在第一台滑板121的yz平面上移动，使第二微步电机132在第二台滑板131的x轴方向上移动，将第一待测样品141和第二待测样品142调至上下正对位置；
63.步骤三：缓慢调节第一微步电机122使第一待测样品141和第二待测样品142刚好接触，使竖向力传感器143的力值显示小于0.05mn，记住此时z轴方向位移z1；
64.步骤四：调节第一微步电机122使第一待测样品141先后在z和y方向上远离第二待测样品142，然后将z方向上位移回调至z1；
65.步骤五：调节y方向位移，使第一待测样品141和第二待测样品142发生摩擦过程，
此时竖向力传感器143的力值显示为f1，水平力传感器144的力值显示为f2，则摩擦系数μ表达式为：
[0066][0067]
b-自由滚动摩擦工况：
[0068]
步骤一：打开高频摄像机31，开启高频记录模式；
[0069]
步骤二：使用控制第一微步电机122，使其在第一台滑板121的yz平面上移动，将第一待测样品141调至斜面145的偏上位置；
[0070]
步骤三：调节第一微步电机122，使第一待测样品141脱落于斜面145上，根据实验情况选取
△
t，记录连续相等时间间隔
△
t时的位移数据，分别记为s1、s2、s3、s4，用逐差法求物体运动的加速度，即：
[0071]
s4-s2＝s3-s1＝2aδt2ꢀꢀꢀ
(2)
[0072][0073]
如图3所示，根据受力分析得：
[0074]
mg sinθ-μmg cosθ＝ma
ꢀꢀꢀ
(4)
[0075]
联立得摩擦系数μ表达式为：
[0076][0077]
c-颗粒间自由滑动摩擦工况：
[0078]
步骤一：打开高频摄像机31，开始记录视频资料；
[0079]
步骤二：使用控制第一微步电机122，使其在第一台滑板121的yz平面上移动，将第一待测样品141调至第一平板147的上方，并将其脱落在第一平板147上，再形成第二待测样品142，重复上述过程，使第一平板147上有两个样品，并成行排列；
[0080]
步骤三：调节第二微步电机132，使其在第二台滑板131上滑动，使光滑玻璃板146接触第一待测样品141，如图4所示，以设定加速度a0向前推动，记录此时水平力传感器144的力值为f，并通过步骤一测得光滑玻璃板146与样品间的摩擦力f3，由于两样品粒径接近，其二者接触力视作水平力，对两样品分别进行受力分析得式：
[0081][0082][0083]
联立两式求解可得摩擦系数μ的表达式为：
[0084][0085]
d-颗粒平板滑动摩擦工况：
[0086]
步骤一：打开高频摄像机31，开始记录视频资料；
[0087]
步骤二：使用控制第一微步电机122，使其在第一台滑板121的yz平面上移动，将第一待测样品141调至第二平板148的正上方位置；
[0088]
步骤三：缓慢调节第一微步电机122，使第一待测样品141和第二平板148刚好接触，使竖向力传感器143的力值显示小于0.05mn，记住此时z轴方向位移z1；
[0089]
步骤四：调节第一微步电机122，使第一待测样品141先后在z方向上远离第二平板148，然后将z方向上位移回调至z1，调节第一微步电机122施加实验设定的正压力值；
[0090]
步骤五：调节y方向位移，使第一待测样品141和第二平板148发生摩擦过程，此时竖向力传感器143的力值显示为f1，水平力传感器144的力值显示为f2，摩擦系数μ表达式为：
[0091][0092]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。