一种检测甲烷水合物声电力学特性的压力舱室及使用方法与流程

本发明属于海洋甲烷水合物开采实验设备领域，具体是一种甲烷水合物沉积物声电力学参数特性检测装置。

背景技术：

甲烷水合物是一种新型能源，这种新型能源储存含量十分丰富且是一种清洁型的无污染的能源。它的主要成分是甲烷分子与水分子，它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿，而且密切相关。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10％，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。

当前的水合物开采方法主要有：热激法、减压法、化学试剂法。

在水合物的开发和开采过程中，降压或升温等方法使得水合物不同程度的分解，水合物沉积物的强度和声电力学等性质会发生明显的变化，水合物强度降低会使地层平台、井口和管道失去稳定性，甚至发生大面积的海底滑坡现象，因此水合物沉积物的强度是基础稳定性分析和水合物开发评价最重要参数之一。

鉴于现场取芯和原位实验技术的局限，目前对水合物沉积物强度和声电力学特性的研究主要基于水合物沉积物合成样品的室内实验方面，尤其在水合物沉积物声电力学实验装置和测试技术方面远不够成熟，制约实验研究工作的深入,已有的实验结果也是对于水合物沉积物声电力学性质的初步认识。

本实验装置是在参考土力学的三轴压力室以及传统的水合物沉积物压力室后，采用国内外研制的水合物沉积物合成与分解和力学性质实验一体化装置的思路，将以往用反应釜制备的甲烷水合物试样和通过三轴压力室进行甲烷水合物声、电、力学特性参数记录过程合二为一，所设计的甲烷水合物声电力学装置压力室。一种甲烷水合物沉积物压力室优点在于降低成本，同时满足原位实验技术要求，使得测量的数据足够精确，投资成本低、运行费用少等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种甲烷水合物声电力学检测系统，可有效地避免传统实验过程中现场取芯和原位实验所带来的局限，从而较为准确记录甲烷水合物声电力学特性参数，为后续甲烷水合物海洋开采提供详细数据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种甲烷水合物沉积物声电力学参数特性检测装置，所述检测装置包括：一体化实验装置、轴向加压系统、体变测量装置、低温循环系统、压力室换热器、声电力学检测装置；

一体化实验装置部分包括：

甲烷水合物反应釜和甲烷水合物三轴压力室；甲烷水合物反应釜用于制备实验所用的甲烷水合物样品，甲烷水合物三轴压力室用于对制备的甲烷水合物进行加压，保证其高压的存在条件。一体化实验装置能保持甲烷水合物声电力学性质实验加载和测量系统不变，能够有效避免现场取芯和原位实验技术的局限。

轴向加压系统部分包括：

丝杠螺母副和加压垫片以及预留行程滑槽；丝杠螺母副上端部加装压力传感器对丝杠螺母副加压量进行精确监测，储存相应加压数据。加压垫片和预留加压行程之间加工相应的密封装置，所述密封方法为“o”型密封圈密封，“o”型密封圈的特点为：1、富有弹性和回弹性；2、适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等；3、性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应小；4、易加工成型，并能保持精密的尺寸；5、不腐蚀接触面，不污染介质等。

体变测量装置部分包括：

装置在试验中，平衡锤消除了由于轴向加压杆往复运动产生的压力室有效空间的变化，压力室与控制器之间水交换体积就是试样体变，通过围压控制器体积变化就能够直接获得试样的体变。

低温循环系统部分包括：

通过恒温液体在压力室局部不断进行循环从而保持压力室温度场恒定的方法。在压力室内部、试样周围安装制冷筒或热交换管，并与低温槽连接，使管内液体与压力室内液体充分热交换，通过控制低温槽液体的温度来实现压力室内液体的控温。

压力室换热器部分包括：

压力室换热器由螺旋式换热器和冷却液管道两部分组成，冷却液经冷却管道循环流过，进而起到交换热量效果，保证甲烷水合物低温存在条件。螺旋式换热器采用螺旋换热管道，相较常规换热器换热效果更加显著，且采集数据更加精确，换热器高度略高于一体化实验装置，做到充分换热，满足甲烷水合物生成条件。

声电力学检测装置部分包括：

声电力学检测装置成对使用，所述声电力学检测装置沿一体化实验装置周向均匀分布，同时一体化实验装置下端部安装有声电力学检测装置，使得检测装置呈异向分布，避免声电力学检测过程中实验数据相互交叉产生影响。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果:

本发明一种甲烷水合物沉积物首先压力室通过一体化实验装置和轴向加压系统生成实验所需的甲烷水合物试样，其次通过低温循环系统和压力室换热器保证甲烷水合物低温存在条件，最后通过体变测量装置和声电力学检测装置对甲烷水合物声电力学特性进行检测为后续海洋甲烷水合物的开采提供理论支持。相比于传统的甲烷水合物压力室，本装置无需进行现场取芯，从而降低成本；同时满足原位实验技术要求，使得测量的数据足够精确；具有投资成本低、运行费用少等优点。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实施甲烷水合物声电力学测量实验流程图；

图3为本发明甲烷水合物压力室整体的主视图；

图4为本发明甲烷水合物压力室整体的俯视图；

图5为本发明甲烷水合物压力室腔体结构图；

图6为本发明丝杠螺母副下端螺纹连接部分结构图；

图7为本发明声电力学检测装置安装方式图。

符号说明：1-低温循环系统；2-轴向加压系统；3-螺旋式换热器；4-一体化实验装置；5-体变测量系统；6-声电力学检测装置；7-丝杠螺母副；8-密封装置；9-甲烷水合物压力室外壳；10-螺旋式换热器；11-甲烷水合物压力室底座；12-冷却液出口；13-预留行程滑槽；14-加压垫片；15-压力室腔体；16-底座u型槽；17-力学检测装置；18-冷却液入口；19-“o”型密封圈；20-声学检测装置；21-电学检测装置；22-压力室上端部u型槽；23-压力室通孔；24-外退刀槽；25-内退刀槽。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种甲烷水合物声电力学检测系统，可有效地避免传统实验过程中现场取芯和原位实验带来的局限，从而准确记录甲烷水合物声电力学特性参数，为后续甲烷水合物海洋开采提供详细数据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明一种甲烷水合物沉积物声电力学参数特性检测装置，所述装置包括：一体化实验装置4、轴向加压系统2、体变测量装置5、低温循环系统1、螺旋式换热器3、声电力学检测装置6、甲烷水合物压力室外壳9和压力室底座11；

如图3所示，所述一体化实验装置4包括甲烷水合物反应釜和甲烷水合物三轴压力室15，甲烷水合物反应釜将所产生的实验试样送入甲烷水合物三轴压力室15进行声电力学检测实验，与此同时在甲烷水合物压力室进行相应的三轴压力实验。甲烷水合物压力室腔体15沿前后左右下五个部分开有通孔，便于安装声电力学检测装置6。其中声电力学检测装置6与甲烷水合物压力室腔体15密封方式采用“o”型密封圈19，同时保证压力室腔体处于一个高压环境。

如图3所示，其中压力室腔体15与甲烷水合物压力室底座11，甲烷水合物压力室外壳9与甲烷水合物压力室底座11，密封装置8与甲烷水合物压力室外壳9均采用“o”型密封圈19，尽可能避免甲烷水合物实验试样在一个高压环境下。

如图3所示，其中冷却液入口18和冷却液出口12外接输送管线，输送管线又与螺旋式换热器3下端管线相连接，冷却液经冷却液入口18流入螺旋式换热器3再由冷却液出口12流出，保证甲烷水合物实验试样在一个低温环境下。

如图3和5所示，其中底座u型槽16和压力室上端部u型槽22有着不同的作用；加工底座u型槽16目的在于使声电力学检测装置6上的线路便于外接到相应的中控系统上。加工压力室上端部u型槽22目的在于，因甲烷水合物压力室外壳9和甲烷水合物压力室15上存在安装声电力学检测装置6的通孔，两者在安装时需要进行同轴校核，将t形木棍配合压力室上端部u型槽22带动甲烷水合物压力室腔体15旋转就可以做到同轴校核。

如图3所示，其中轴向加压系统2包括：丝杠螺母副7、密封装置8、预留行程13、压力室垫片14；采用丝杠螺母副7对甲烷水合物压力室腔体15进行轴向加压，在轴向加压过程中密封装置8存在预留行程13；在丝杠螺母副7下端与压力室垫片14采用螺旋连接。

如图4所示，声学检测装置20与电学检测装置21在甲烷水合物压力室外壳9和压力室腔体15中沿90°角度周向分布，同时在压力室腔体15和甲烷水合物压力室底座11轴向上安装力学检测装置17，声电力学检测装置6异项分布，避免在测量甲烷水合物特性参数之间产生相互影响。

如图5所示，其中压力室腔体15在周向方向上开有通孔，声电力学检测装置6穿过通孔安装在压力室腔体15上，两种之间的密封装置为“o”型密封圈19。

如图6所示，其中丝杠螺母副7下端部加工有外退刀槽24和内退刀槽，且丝杠螺母副7下端部加工为阶梯轴形式，便于进行轴向定位和周向定位。

如图7所示，其中声电力学检测装置6穿过甲烷水合物压力室外壳10和压力室腔体15壁面，在相互连接处开有矩形槽，并通过“o”型密封圈的方式进行密封。

本发明相比于传统的甲烷水合物压力室，本装置无需进行现场取芯，从而降低成本；同时满足原位实验技术要求，使得测量的数据足够精确；具有投资成本低、运行费用少、高效等优点。