一种含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置的制作方法

本实用新型涉及海洋天然气水合物开采领域，尤其涉及一种含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置。

背景技术：

天然气水合物是指在一定的温压条件下，由甲烷气体与水结合形成的笼状化合物，通常分布在陆地永久冻土带或大陆边缘深海浅层沉积物中。在对水合物开采时，无论是对开采的储层稳定性评价及出砂分析，还是开采诱发地质灾害评估，都需要准确获取水合物储层的力学参数，定量解释这些参数对上覆压力、水合物饱和度和储层土特性的依赖。

原位试验和室内土工试验是获得水合物储层力学性质的主要手段。室内土工试验普遍采用人工制备试样，原因是现场钻孔样的保压保温难度极大，试样由保压舱低扰动地转移进室内试验仪器更困难。人工制备试样的状态与现场有一定差距，通过原位试验直接确定水合物储层参数是更可行的解决方案。

静力触探试验是海洋工程中获取沉积物力学特性最常用的原位试验方法。通过将圆锥形探头与相连的摩擦筒以恒定的速度贯入沉积物中，记录锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力随贯入深度的连续变化，进而推算土的抗剪强度、超固结比、灵敏度和固结系数等。

含水合物土可视为一种特殊土体，通过静力触探试验也能够高效合理地提供多个关键力学参数，从而避免保压保温取样的困难。但含水合物土的力学性质与水合物饱和度、水合物颗粒在土中的胶结和填充状态等因素密切相关，由于海底不同深度的土层的质密性存在差异，目前在含水合物沉积物工程静探参数模拟实验，无法获得不同深度土层中的含水合物土的力学参数，由此对含水合物沉积物性质的分析评价不准确。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置，以解决现有技术中存在的无法获得不同深度土层中的含水合物土的力学参数的技术问题。

如上构思，本实用新型所采用的技术方案是：

一种含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置，包括：

反应釜子系统，包括釜本体和设置于所述釜本体的顶端的端盖，所述釜本体的底端设置有进气口，所述端盖上设置有出气口；

上支撑部，与所述端盖连接；

固结子系统，包括第一动力机构、与所述第一动力机构连接的固结平台和与所述固结平台连接的加压板，所述固结平台与所述上支撑部滑动连接，所述加压板位于所述釜本体内；

静力触探子系统，包括第二动力机构、与所述第二动力机构连接的贯入平台、与所述贯入平台连接的探杆和与所述探杆连接的探头，所述贯入平台与所述上支撑部滑动连接，所述探杆贯穿所述加压板，所述探头位于所述釜本体内。

其中，所述固结子系统还包括加压杆，所述加压杆贯穿所述端盖，所述加压杆的一端与所述固结平台连接，所述加压杆的另一端与所述加压板连接。

其中，所述加压杆与所述端盖之间密封连接。

其中，所述加压杆上设置有压力传感器，所述固结平台上设置有位移传感器。

其中，所述釜本体上设置有排水口，所述加压板为镂空板，所述釜本体内于所述釜本体的底端铺设有透水板。

其中，所述釜本体的外壁上绕设有管路，所述釜本体的外侧以及所述端盖上均覆盖有保温层。

其中，所述上支撑部包括间隔设置的至少两根支撑杆，所述支撑杆的一端与所述端盖连接，所述固结平台和所述贯入平台均与所述支撑杆滑动连接。

其中，所述静力触探子系统还包括与所述探头连接的数据采集仪。

其中，所述第一动力机构和所述第二动力机构均包括电机和行星滚柱丝杠。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出的含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置，通过固结子系统能够对含水合物沉积物施加竖向固结压力，以模拟生成海洋中不同深度处的含水合物沉积物工况，能够施加近似海底的水合物储层应力水平，并开展工程静力触探模拟试验，从而为不同储层条件下水合物沉积物工程参数计算模型的建立提供基础数据，测量结果更准确。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置的示意图。

图中：

11、釜本体；12、端盖；13、管路；14、排水口；15、透水板；

21、支撑杆；22、支撑平台；

31、固结平台；32、加压板；33、加压杆；34、压力传感器；35、位移传感器；36、第一电机；37、第一丝杠；

41、贯入平台；42、探杆；43、数据采集仪；44、第二电机；45、第二丝杠；

51、支撑架。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

参见图1，本实用新型实施例提供一种含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置，主要包括反应釜子系统、上支撑部、下支撑部、固结子系统、静力触探子系统和温度控制子系统，下面分别进行详细介绍。

反应釜子系统包括釜本体11和设置于釜本体11的顶端的端盖12，端盖12与釜本体11之间可拆卸连接，釜本体11中能够盛放含水合物沉积物。上支撑部与端盖12连接，下支撑部与釜本体11连接。

端盖12与釜本体11之间设置有密封圈，具体为双层橡胶密封。端盖12与釜本体11之间通过卡箍连接，便于安装与拆卸，在此对卡箍的结构不再赘述，可参考现有技术。在本实施例中，釜本体11采用钛合金制成。

釜本体11的底端设置有进气口，端盖12上设置有出气口。进气口与气源连接，出气口处能够对气体进行回收，以保证安全性。在将饱和水沉积物置于釜本体11内之后，通过釜本体11上的进气口注入甲烷，模拟气体向上渗透过程并生成含水合物沉积物。

釜本体11的外壁上绕设有管路13，用于液浴控温，管路13内的流体为乙二醇水溶液。在向釜本体11中注入甲烷时，通过管路13中温度较低的流体与釜本体11进行换热，以降低釜本体11内部的温度。管路13的入口和出口均位于釜本体11的底端，便于进行流体的注入和回收。管路13与釜本体11的外壁局部焊接，使得管路13与釜本体11紧密接触，增大导热系数。在本实施例中，管路13为紫铜管。

釜本体11的外侧和端盖12上均覆盖有保温层，用以稳定釜本体11中的温度。保温层主要由岩棉构成，有阻燃、保温的特性。保温层岩棉厚度50mm。保温层的外部设置有外保护层，外保护层使用薄不锈钢板包裹，具有美观、防腐、防火等优点。

釜本体11的顶端和底盖各设置一个测温点，釜本体11中的含水合物沉积物内部设置两个测温点，内部测温点用于判断釜本体11内的含水合物沉积物温度是否与设定温度保持一致，共布设4个测温点，每个测温点设置一个温度传感器。端盖12上设有气压传感器和安全阀，当釜本体11内的气体压力异常高于设定值(30mpa)时，安全阀自动开启，继而全量排放，当压力降低到设定值时，安全阀自动关闭，保证设备的安全运行。

其中，甲烷的温度能够通过温度控制子系统进行控制。温度控制子系统包括气体热交换器，通过制冷系统将冷媒通入气体热交换器，利用冷却循环系统，将通入的甲烷气体温度由最高30℃降低到最低-10℃。实际使用过程中，根据釜本体11内部的温度传感器反馈的数据，自动控制并调节制冷系统的输出功率，将釜本体11内部的温度稳定在-10℃～20℃之间的某一个特定温度，模拟实际海域天然气水合物储层的温度条件。

当然，反应釜子系统中还包括状态监控模块，主要由温度监测、压强监测、电路监测、流量监测组成。温度监测主要监测冷媒出口温度、甲烷气体出口温度、釜本体11内部的4个测温点的温度。压强监测主要监测釜本体11内部的压强、气体热交换器出口的压强。电路监测主要监测温度控制子系统、数据采集系统的供电状态。流量监测主要监测甲烷气体出口流量。状态监控模块可根据实际需要设置，在此不再赘述。

固结子系统包括第一动力机构、与第一动力机构连接的固结平台31和与固结平台31连接的加压板32，固结平台31与上支撑部滑动连接，加压板32位于釜本体11内。通过第一动力机构能够驱动固结平台31沿上支撑部滑动，进而带动加压板32在釜本体11内做直线移动，对含水合物沉积物进行施加竖向压力。主要实现对釜本体11内的含水合物沉积物施加竖向荷载、排水固结并模拟实际海底储层深度处的有效应力水平。

固结子系统还包括加压杆33，加压杆33贯穿端盖12，加压杆33的一端与固结平台31连接，加压杆33的另一端与加压板32连接。加压杆33将固结平台31的运动传递至加压板32，加压板32可以在釜本体11内部的含水合物沉积物表面施加均布荷载。加压板32的形状根据釜本体11的内部空腔的截面形状设置。在本实施例中，加压板32为圆板，直径与釜本体11的内径相同。

加压杆33与端盖12之间密封连接。加压杆33与端盖12的配合处设置三层密封环，执行加压操作时，保证釜本体11的整体密封性，防止泄露导致压强下降。

加压杆33上设置有压力传感器34，压力传感器34的量程为20mpa，用于测量施加的竖向压力大小。固结平台31上设置有位移传感器35，位移传感器35测量固结过程中釜本体11内部土体的变形沉降量。在本实施例中，压力传感器34为荷载压力传感器，位移传感器35为激光位移传感器。

釜本体11上设置有排水口14。加压板32为镂空板，用于在竖向加压后含水合物沉积物上层排水至排水口14。釜本体11内于釜本体11的底端铺设有透水板15，用于在竖向加压后含水合物沉积物下层排水至排水口14。加压过程中含水合物沉积物能够上下同时排水。具体地，加压板32为镂空钛合金圆板。

静力触探子系统包括第二动力机构、与第二动力机构连接的贯入平台41、与贯入平台41连接的探杆42和与探杆42连接的探头，贯入平台41与上支撑部滑动连接，探杆42贯穿加压板32，探头位于釜本体11内。通过第二动力机构驱动贯入平台41沿上支撑部滑动，进而带动探杆42在釜本体11内做直线移动，使得探头贯入含水合物沉积物中。主要实现对釜本体11内的含水合物沉积物的静探参数进行测量，包括锥尖阻力(测量范围0～10mpa，测试精度0.5％)、侧摩阻力(0～1mpa，测试精度0.5％)、孔隙水压力(0～20mpa，测试精度0.5％)、电阻率(量程0～5000ωm，测试精度0.5％)和贯入路径的图像(100w像素)资料。

探杆42穿过端盖12伸入釜本体11内部，端盖12上开设有中心孔，中心孔与探杆42的配合处设置三层密封环，执行贯入操作时，保证釜本体11的整体密封性，防止泄露导致压强下降。探杆42由表面经过特殊处理的双相不锈钢管制成，与端盖12之间密封性良好，可以在30mpa的压强状态下保持良好的密封效果。加压板32的中心预留与探杆42相同直径的圆孔，便于探杆42穿过。

静力触探子系统还包括与探头连接的数据采集仪43，主要指静力触探采集软件，可以在主界面监控静探过程中的锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙压力、电阻率值等参数的采集并在后台自动记录。所采集的数据可导出、能够实时采集、能够在软件界面实时显示，提供人工修正接口。数据采集仪43设置于贯入平台41上。

上支撑部包括间隔设置的至少两根支撑杆21，支撑杆21的一端与端盖12连接。固结平台31和贯入平台41均与支撑杆21滑动连接，支撑杆21起到限位和导向作用。上支撑部还包括设置于支撑杆21远离釜本体11的一端的支撑平台22，支撑平台22上设置有吊环，便于运输。下支撑部包括间隔设置的两根支撑架51，支撑架51的一端与釜本体11连接，支撑架51起到定位和支撑作用。

在本实施例中，第一动力机构和第二动力机构均包括电机和行星滚柱丝杠。具体地，第一动力机构包括第一电机36和第一丝杠37，第一电机36直接驱动第一丝杠37转动或者第一电机36通过传动机构间接驱动第一丝杠37转动。第一电机36设置于支撑杆21上或者第一电机36设置于固结平台31上，第一丝杠37的一端与端盖12转动连接，第一丝杠37的另一端穿过固结平台31且与固结平台31之间螺纹连接，由于固结平台31被支撑杆21限位，当第一丝杠37转动时带动固结平台31沿支撑杆21做直线运动。第二动力机构包括第二电机44和第二丝杠45，第二电机44设置于支撑平台22上，第二丝杠45的一端与支撑平台22转动连接，第二丝杠45的另一端穿过固结平台31与端盖12转动连接。贯入平台41位于固结平台31与支撑平台22之间，第二丝杠45与贯入平台41之间螺纹连接，由于贯入平台41被支撑杆21限位，当第二丝杠45转动时带动贯入平台41沿支撑杆21做直线运动。

第一电机36和第二电机44均为力矩电机，力矩电机具有卷绕特性，可以实现恒张力转动，有效的施加恒定荷载。行星滚柱丝杠使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高的抗冲能力。第二电机44的参数：在10mpa时贯入力5kn，贯入功率为750w电机。

静力触探子系统还包括拉线编码器，拉线编码器安装在第二电机44上，拉线编码器通过金属丝线连接探杆42的下端，当探头在探杆42作用下在釜本体11中移动时，带动金属丝线同步移动，从而获取探头的贯入深度，并可间接获得探头的贯入速度。拉线编码深度是静力触探自动记录的基础，也是调整贯入速度的依据。

上述的含水合物沉积物固结静探贯入模拟装置，在使用时，包括以下步骤：

将饱和水沉积物置于釜本体11内，使得饱和水沉积物与端盖12之间留有设定距离；

通过釜本体11上的进气口注入甲烷，模拟气体向上渗透过程并生成含水合物沉积物；

通过第一动力机构驱动固结平台31沿上支撑部滑动，进而带动加压板32在釜本体11内做直线移动，对含水合物沉积物进行施加竖向压力；

通过第二动力机构驱动贯入平台41沿上支撑部滑动，进而带动探杆42在釜本体11内做直线移动，使得探头贯入含水合物沉积物中。

具体地，饱和水沉积物与端盖12之间留存20mm～30mm的空间，保证饱和水沉积物在釜本体11内部的高度小于釜本体11的实际有效高度。此空间的存在对于模拟真实海底含水合物沉积物环境至关重要：饱和水沉积物在气体向上渗漏过程中会排出一部分水，这部分水沉积在含水合物沉积物与端盖12内壁之间的空间，多余的水被排出釜本体11。如此，即可以用这部分水膜对含水合物沉积物上端施加的应力，以模拟实际海水对海底沉积物的压力，克服常规力学实验中采用硬质金属直接对沉积物端面加压时，无法准确模拟海水对沉积物应力施加情况的缺陷。

进行固结时，可以通过第一电机36控制固结平台31的移动速度，进而控制加压板32的移动速度，并实时检测压力传感器34和位移传感器35的测量值，获得施加的竖向压力大小和釜本体11内部土体的变形沉降量。根据实际需要，在压力传感器34的测量值达到设定值时，停止加压。

探头在使用前，需要插入探头真空饱和仪抽真空，在孔压测量孔中饱和蒸馏水。主要是对探头的孔隙水压力传导舱进行真空除气，并以导压液体填充饱和，从而降低空气对孔隙水压力检测的影响。其中探头真空饱和仪的具体参数为，最大真空度：-0.1mpa；适配探头类型：2cm²、5cm²、10cm²、15cm²孔压探头；额定功率：80w。

进行静力触探时，设置探头的贯入速率，一般设置为2mm/s，启动第二电机44，逐步向含水合物沉积物中压入探头并实时记录此过程中探头的锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙压力、电阻率及视频影像数据，通过拉线编码器实时记录探头的贯入深度。当探头贯入深度距离釜本体11的底端42cm时，停止贯入，反转第二电机44，上提探头。

根据锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙压力估算含水合物沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、应力路径等参数的纵向分布规律，用测量得到的电阻率计算所处层位中的含水合物饱和度，建立锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力等工程静力触探数据随水合物饱和度的变化规律，进而建立沉积物不排水抗剪强度、渗透系数、应力路径等工程参数随水合物饱和度的变化曲线。利用静力触探过程中的视频影像数据识别静力触探过程中含水合物沉积物的破坏形态。

与常规土力学静力触探装置相比，本实用新型的主要特色在于：

(1)能够完全模拟实际海底含水合物沉积物所处的温度场，并能够还原储层的初始应力状态，借助甲烷气源压强，在沉积物内生成含天然气水合物沉积物。这一功能与静力触探装置的配合使用是目前的所有装置中均未涉及的。

(2)从室内模拟实验与现场深海现场施工一致的角度出发，首次采用在一个探头上集合5个试验参数：锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、电阻率和孔隙摄像。不仅提高了实验效率，而且对于同时获取含水合物沉积物纵向力学参数非均质性、饱和度非均质性有非常重要的意义。其中测量得到的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙压力能够实现与现场施工1:1的工程强度参数计算，测量得到的电阻率参数能够获取实际含水合物沉积物的饱和度纵向非均质特性，因此能够实现含水合物沉积物工程强度参数与储层饱和度非均质性的对应研究。

(3)采用行星滚柱丝杠的主要优势是：行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触；而普通的滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。因此行星滚柱丝杠有众多的接触点来支撑负载。由于试验中合成天然气水合物存在分布的不确定性，所以导致土层分层的不确定性，局部强度可能相差较大，所以需选择抗冲击性能较好的线接触机构。当探头锥进到超过安全上限的土层中、或因操作延迟等原因，导致探头的锥尖顶到釜本体11的底端时，第二电机44会发生保护性停转，停止推进，防止损坏探头。

以上实施方式只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述实施方式限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。