一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及方法
【专利摘要】一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及方法，属天然气水合物基础物性测量技术领域。该装置包括岩心转移装置、三轴装置主机、围压及孔压控制系统、计算机数据采集与控制系统。使用该装置首先，岩心由储样器转移到岩心转移装置；第二，岩心转移装置与三轴装置主机对接并锁定；第三保压岩心由岩心转移装置移入三轴压力室，脱除岩心原有的塑料套筒，岩心套穿橡皮膜。水合物保压岩心转移过程全程需要压力控制与动作控制。该装置系统实现了水合物保压岩心的转移并实现了水合物原有胶结结构条件及固结条件下沉积物强度测量，从而可以获得实际储层的力学特性，对揭示水合物储层破坏机理以及评价天然气水合物开采地质风险具有极其重要意义。
【专利说明】
一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及方法
技术领域
[0001]本发明属天然气水合物基础物性测量技术领域，涉及一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及方法。
【背景技术】
[0002]天然气水合物因其储量巨大以及燃烧时清洁无污染而被许多研究者认为能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源并广泛分布于大陆外边缘和永久冻土带，全球约有27%的陆地和90%的大洋水域是存在天然气水合物的潜在区域，据估计全球天然气水合物中甲烷的含量约为1.8 X 1016m3，相当于当前已探明化石燃料(煤、石油和天然气)总含碳量的两倍;此外，天然气是一种洁净能源，与煤和石油相比，燃烧产生的二氧化碳量更少，且不会产生如二氧化硫等有害气体，因此许多研究者认为天然气水合物能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源，有望缓解全球能源危机。在天然气水合物勘探与开采过程中，水合物分解会影响储层的结构稳定性，并且随着开采过程中分解区域的扩展，可能诱发地层变形、海底滑坡等地质灾害，进而造成钻探设备、海底管道等基础设施的损坏及生命财产损失。如何以高效、安全的方式从海底天然气水合物沉积层中开采天然气，既符合环保要求，又不会引起海底滑坡等地质灾害，需要深入研究天然气水合物沉积层的力学特性。
[0003]国内外学者通过现场测井数据解读以及实验室声波测量、三轴压缩、共振柱试验等手段获得了水合物沉积物相关的力学性质，发现水合物的形成能够改变沉积物的力学性质，同时改变的程度受到水合物饱和度、分布、沉积物性质、胶结特性等因素的影响。然而，目前国内现有的三轴仪仅能够在实验室对于天然气水合物人工岩心进行力学测试，且对于实验条件要求比较高；国内尚未有能够直接对天然气水合物保压岩心试样进行力学特性研究的试验装置，无法获得海洋天然气水合物原位状态岩心的剪切强度，体变，渗透率，蠕变强度等各项数据。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及方法。该装置能够在天然气水合物岩心原有储存状态下进行力学实验，对原有骨架结构条件及固结条件下沉积物强度测量。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置，包括岩心转移装置、三轴装置主机、围压及孔压控制系统、计算机数据采集与控制系统。
[0007]所述岩心转移装置包括内腔29、螺纹丝杠、外围立柱、滑轮21;其中，内腔29内部为圆柱形结构，由连接口 12、球阀15、密封装置17、管路接口 D组成，内腔29与三轴装置主机的底座31通过连接口 12相连;球阀15用于密封内腔29上端，密封装置17用于密封内腔29下端与丝杠16的连接口；管路接口D用于与柱塞栗相连，用于提供内腔29压力；螺纹丝杠由丝杠16、丝杠伺服驱动系统19、支撑装置30与下压头22组成，丝杠伺服驱动系统19提供丝杠16前后的动力实现岩心10的转移;支撑装置30实现丝杠16前后运动的平衡；下压头22上部设置下压头透水石凹槽用于放置透水石7，下压头22内部设置T型管路9，T型管路用于与底座31内部管路相连提供岩心底部孔隙压力；外围立柱与下部支架24相连;滑轮21用于整个岩心转移装置的移动；
[0008]所述三轴装置主机包括主机框架、半封闭式压力室、轴压装置;主机框架由上部支架3和下部支架24组成，上、下部支架采用螺栓固定连接;所述上部支架3的上端中心设有通孔，直径与活塞4对应;下部支架24由长方体立柱与转移装置固定螺钉18组成，转移装置固定螺钉18与长方体支柱底部滑道20用来固定岩心转移装置;半封闭式压力室包括压力室提升装置13、压力室筒5、底座31;压力室筒5上端设置管路接口 Ε，接口 E与柱塞栗连接提供压力室筒5围压;压力室筒5上部与活塞4通过压力室密封圈2密封;压力室提升装置13提供压力室筒5运动所需动力；底座31分为三段:底座上段为环状且外侧面设有凹槽23，固定于上压头侧面凹槽与底座上段外侧面凹槽23上的橡皮膜8用于包裹岩心；底座中段设置圆柱形通道，通道下端内径与球阀15上端出口内径相同，底座中段脱套筒节点11处，通道内径为小于岩心外圈塑料套筒外径而大于岩心外径，用于脱除岩心外圈塑料套筒;底座中段侧部设置管路接口 A连接管路接口 B和柱塞栗，底座中段的底部设置相互连通的管路接口 C和工艺孔;上压头底部透水石7与岩心10接触时，管路接口 C与下压头的T型管道9对齐，通过工艺孔的管路密封螺钉14与下压头T型管道9对接连通并密封，用于维持岩心下部孔隙压力;底座下段与岩心转移装置的连接口 12相连，将半封闭式压力室与岩心转移装置的内腔组成一个密封完整的压力室腔体；
[0009]所述轴压装置包括小型液压油缸1、活塞4、上压头6，小型液压油缸I驱动活塞4向下运动产生轴向加载力；上压头6内部设置管路接口 B与管路接口 A相连从而维持岩心上端孔隙压力；上压头6下部设置上压头透水石凹槽，用于放置透水石7。
[0010]所述围压及孔压控制系统包括柱塞栗、柔性管道和针阀，柱塞栗通过柔性管道和针阀分别与管路接口 A、B、C、D、E相连，提供整个试验过程中所需的液压水以维持围压与孔压。
[0011]所述计算机数据采集系统由计算机、信号线、温度传感器、压力变送器、位移传感器组成，所述计算机处理数据及信号，所述温度、压力、位移传感器将相应信号转换为电信号传送至计算机。
[0012]使用上述的天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置，采用的步骤如下:
[0013]第一步，将岩心从储样器转移到岩心转移装置；
[0014]球阀15与储样器球阀密封对接，通过调节柱塞栗、针阀、球阀15与储样器球阀来维持岩心10的孔隙压力；通过控制岩心顶部及底部的压力结合调节丝杠16实现岩心10的转移;
[0015]第二步，三轴装置主机预处理；
[0016]将橡皮膜8两端分别固定在底座上端侧面凹槽23及上压头侧面凹槽内，由橡皮膜围成柱形空间；
[0017]第三步，将岩心转移装置与三轴装置主机固定连接；
[0018]岩心转移装置通过底部的滑轮21进入三轴装置主机下部支架24的滑道20，沿滑道20移动岩心转移装置，用下部支架两侧螺钉18定位并锁定岩心转移装置；
[0019]第四步，将岩心从岩心转移装置转移到三轴装置主机；
[0020]岩心转移装置连接口12与三轴装置主机底座31密封对接，通过调节柱塞栗、针阀、球阀15来维持岩心10的孔隙压力及围压;通过控制丝杠16向上运动实现岩心10的转移；[0021 ]第五步，将岩心外套筒脱出；
[0022]控制丝杠16向上运动带动岩心缓慢通过底座31的脱套筒节点11，脱除塑料套筒；
[0023]第六步，将岩心孔隙水、气连通及密封；
[0024]控制丝杠16带动岩心10向上运动，进入所述的由橡皮膜8围成的柱形空间，橡皮膜8套在岩心10周围;将管路密封螺钉14与T型管路9密封连接。
[0025]本发明的有益效果是:
[0026]本发明涉及一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置及操作方法实现了岩心转移装置的快速定位与锁定，活塞及丝杠的精确控制，岩心外套筒的脱除，岩心转移过程中橡皮膜的套入，岩心孔隙水、气的连通及密封，达到了天然气水合物岩心在原有储存状态下进行力学实验的目的。
[0027]I)实现了天然气水合物三轴仪与岩心保真储样器的直接对接，并将岩心保压转移到三轴仪压力室;三轴仪压力室内的水合物岩心保持了原有储存状态下的胶结状态，并在此状态下进行三轴试验，所得三轴试验结果能真实地反映天然气水合物储层强度与变形，对揭示水合物储层破坏机理以及评价天然气水合物开采地质风险具有重要意义。
[0028]2)采用高强度材料及轻量化设计，使天然气水合物三轴仪主机及岩心转移装置整体质量减小，便于移动及船载;可实现现场试验，减小保真试样远距离运输成本。
【附图说明】
[0029]图1是一种开采现场海底天然气水合物岩心力学特性试验装置系统图。
[0030]图2是岩心转移装置与储样器的系统图。(储样器为虚线所示，不属于本装置，只用来演示实验过程)
[0031 ]图3是半封闭式压力室及岩心连接装置系统图。
[0032]图中:I小型液压油缸；2压力室密封圈；3上部支架;4活塞；5压力室筒;6上压头；7透水石;8橡皮膜;9T型管路；10岩心；11脱套桶节点；12连接口； 13压力室提升装置；14管路密封螺钉；15球阀；16丝杠；17密封装置；18转移装置固定螺钉；19丝杠伺服驱动系统;20滑道;21滑轮;22下压头;23底座上端凹槽;24下部支架;25第一柱塞栗;26第二柱塞栗;27第三柱塞栗；28a针阀a; 28b针阀b; 28c针阀c; 28d针阀d; 29内腔;30支撑装置;31底座；32管路接口 A; 33管路接口 B; 34管路接口 C; 35管路接口 D; 36管路接口 E。
【具体实施方式】
[0033]一种开采现场海底天然气水合物岩心力学特性试验装置系统，如图1、2、3所示，其工作过程为:在保证岩心在维持孔隙压力的状态下，岩心转移装置通过球阀的开闭和丝杠的上下运动，从储样器转移到三轴仪压力室中；三轴装置主机提供整体三轴仪构架并在压力室内实现岩心的剪切;围压及孔压控制系统主要用于岩心转移和三轴压缩过程中的围压及孔压控制;计算机数据采集与控制系统用于采集温度、压力及位移等检测数据。
[0034]下面对天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置的操作过程具体描述:
[0035]I)岩心转移工作过程I (岩心从储样器转移到岩心转移装置):首先将透水石7安装在下压头顶部的下压头透水石凹槽中，然后关闭球阀15，移动岩心转移装置，通过连接口 12将岩心转移装置连接到储样器，待连接与密封完成后，打开球阀15与针阀a，利用第一柱塞栗25通过管路接口 D将液压水注入岩心转移装置内部来提供压力；等到岩心转移装置内部压力与储样器内部压力一致时，打开储样器球阀，利用丝杠伺服驱动系统19提供丝杠16动力，控制丝杠16(丝杠直径与岩心直径一般大小)缓慢前进，丝杠顶部下压头接触岩心10并将岩心10带回到岩心转移装置内部，然后关闭岩心转移装置的球阀15与储样器的球阀，关闭管路接口D与针阀a，同时断开管路接口D与针阀a的连接管路;经过上述步骤岩心就被保压转移到岩心转移装置内部。
[0036]2)岩心转移工作过程2(三轴装置主机预先控制):控制小型液压油缸I带动活塞4由压力室密封圈2向下运动，通过位移传感器的精确控制控制活塞4到达指定位置，将透水石7放入活塞4下部的上压头底部的上压头透水石凹槽内，同时将橡皮膜8固定在在上压头两侧凹槽与底座上端两侧凹槽23上，上述过程完成后降落压力室并与底座连接密封。
[0037]3)岩心转移工作过程3 (岩心从岩心转移装置转移到三轴装置主机):将岩心转移装置通过滑道20进入主机下部支架24轨道，并通过连接口 12与底座进行对接与密封，此时通过转移装置固定螺钉18固定，然后连接管路接口D与针阀a，同时打开针阀d，利用液压栗第一柱塞栗25通过管路接口 E向三轴装置压力室内注入液压水来提供与岩心转移装置内部的等值围压;待压力室内部围压稳定后打开管路接口 D与针阀a，通过第一柱塞栗25维持三轴装置压力室内部及岩心转移装置压力;然后打开球阀15，控制丝杠16向上缓慢运动，当岩心通过脱套桶节点11时，由于丝杠外部空间径向尺寸变小，岩心10外部套筒会被脱除;控制丝杠16继续带动岩心1向上运动，穿过底座31下端时速度变慢，利用位移传感器精确控制丝杠16运动，缓慢的将岩心10套入预先固定的橡皮膜8中，随着岩心向上运动的橡皮膜8被拉直并紧紧地套在岩心10周围，丝杠16运动到指定位置时，上压头底部透水石7刚好与岩心10接触，同时管路接口 C正好与下压头T型管道9对齐;管路密封螺钉14控制管路接口正好与下压头T型管道9对接连通并密封，同时打开针阀b，针阀C，管路接口A，B，C，利用第二柱塞栗26与第三柱塞栗27控制岩心孔隙压力;进过以上步骤岩心就被成功保压得从岩心转移装置转移到三轴装置压力室内部。
[0038]4)岩心剪切过程:利用小型液压油缸I带动活塞4向下运动剪切岩心1，通过第一柱塞栗25的运动保持压力室内部压力与岩心转移装置内部压力恒定，同时利用第二柱塞栗26与第三柱塞栗27的运动控制岩心10孔隙压力。
[0039]5)计算机数据采集系统工作过程:温度传感器，压力变送器采集得到恒温槽温度及各管路压力信号，位移传感器采集丝杠及活塞4运动位移信息，同时所有信息传送到计算机中记录并保存。
【主权项】
1.一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置，其特征在于:包括岩心转移装置、三轴装置主机、围压及孔压控制系统、计算机数据采集与控制系统； 所述岩心转移装置包括内腔(29)、螺纹丝杠、外围立柱、滑轮(21);其中，内腔(29)内部为圆柱形结构，由连接口(I2)、球阀(I5)、密封装置(17)、管路接口D组成，内腔(29)与三轴装置主机的底座(31)通过连接口(12)相连；球阀(15)用于密封内腔(29)上端，密封装置(17)用于密封内腔(29)下端与丝杠(16)的连接口；管路接口 D用于与柱塞栗相连，用于提供内腔(29)压力；螺纹丝杠由丝杠(16)、丝杠伺服驱动系统(19)、支撑装置(30)与下压头(22)组成，丝杠伺服驱动系统(19)提供丝杠(16)前后的动力实现岩心(10)的转移；支撑装置(30)实现丝杠(16)前后运动的平衡;下压头(22)上部设置下压头透水石凹槽用于放置透水石(7)，下压头(22)内部设置T型管路(9)，T型管路用于与底座(31)内部管路相连提供岩心底部孔隙压力;外围立柱与下部支架(24)相连;滑轮(21)用于整个岩心转移装置的移动； 所述三轴装置主机包括主机框架、半封闭式压力室、轴压装置；主机框架由上部支架(3)和下部支架(24)组成，上、下部支架采用螺栓固定连接;所述上部支架(3)的上端中心设有通孔，直径与活塞(4)对应;下部支架(24)由长方体立柱与转移装置固定螺钉(18)组成，转移装置固定螺钉(18)与长方体支柱底部滑道(20)用来固定岩心转移装置;半封闭式压力室包括压力室提升装置(13)、压力室筒(5)、底座(31);压力室筒(5)上端设置管路接口 Ε，接口 E与柱塞栗连接提供压力室筒(5)围压;压力室筒(5)上部与活塞(4)通过压力室密封圈(2)密封;压力室提升装置(13)提供压力室筒(5)运动所需动力;底座(31)分为三段:底座上段为环状且外侧面设有凹槽(23)，固定于上压头侧面凹槽与底座上段外侧面凹槽(23)上的橡皮膜(8)用于包裹岩心;底座中段设置圆柱形通道，通道下端内径与球阀(15)上端出口内径相同，底座中段脱套筒节点(11)处，通道内径为小于岩心外圈塑料套筒外径而大于岩心外径，用于脱除岩心外圈塑料套筒;底座中段侧部设置管路接口 A连接管路接口 B和柱塞栗，底座中段的底部设置相互连通的管路接口 C和工艺孔;上压头底部透水石(7)与岩心(10)接触时，管路接口 C与下压头的T型管道(9)对齐，通过工艺孔的管路密封螺钉(14)与下压头T型管道(9)对接连通并密封，用于维持岩心下部孔隙压力;底座下段与岩心转移装置的连接口(12)相连，将半封闭式压力室与岩心转移装置的内腔组成一个密封完整的压力室腔体； 所述轴压装置包括小型液压油缸(I)、活塞(4)、上压头(6)，小型液压油缸(I)驱动活塞(4)向下运动产生轴向加载力;上压头(6)内部设置管路接口B与管路接口A相连从而维持岩心上端孔隙压力；上压头(6)下部设置上压头透水石凹槽，用于放置透水石(7); 所述围压及孔压控制系统包括柱塞栗、柔性管道和针阀，柱塞栗通过柔性管道和针阀分别与管路接口 A、B、C、D、E相连，提供整个试验过程中所需的液压水以维持围压与孔压； 所述计算机数据采集系统由计算机、信号线、温度传感器、压力变送器、位移传感器组成，所述计算机处理数据及信号，所述温度、压力、位移传感器将相应信号转换为电信号传送至计算机。2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置，其特征在于，丝杠(16)底端安装位移传感器。3.根据权利要求1或2所述的一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置，其特征在于，所述的围压及孔压控制系统采用至少三个柱塞栗。4.权利要求1、2或3所述的一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置的操作方法，其特征在于如下步骤: 第一步，将岩心从储样器转移到岩心转移装置； 球阀(15)与储样器球阀密封对接，通过调节柱塞栗、针阀、球阀(15)与储样器球阀来维持岩心(10)的孔隙压力;通过控制岩心顶部及底部的压力结合调节丝杠(16)实现岩心(10)的转移； 第二步，三轴装置主机预处理； 将橡皮膜(8)两端分别固定在底座上端侧面凹槽(23)及上压头侧面凹槽内，由橡皮膜围成柱形空间； 第三步，将岩心转移装置与三轴装置主机固定连接； 岩心转移装置通过底部的滑轮(21)进入三轴装置主机下部支架(24)的滑道(20)，沿滑道(20)移动岩心转移装置，用下部支架两侧螺钉(18)定位并锁定岩心转移装置； 第四步，将岩心从岩心转移装置转移到三轴装置主机； 岩心转移装置连接口(I2)与三轴装置主机底座(31)密封对接，通过调节柱塞栗、针阀、球阀(15)来维持岩心(10)的孔隙压力及围压;通过控制丝杠(16)向上运动实现岩心(10)的转移； 第五步，将岩心外套筒脱出； 控制丝杠(16)向上运动带动岩心缓慢通过底座(31)的脱套筒节点(11)，脱除塑料套筒; 第六步，将岩心孔隙水、气连通及密封； 控制丝杠(16)带动岩心(10)向上运动，进入所述的由橡皮膜(8)围成的柱形空间，橡皮膜(8)套在岩心(1)周围;将管路密封螺钉(14)与T型管路(9)密封连接。5.据权利要求4所述的一种天然气水合物岩心试样保压转移式三轴装置的操作方法，其特征在于，通过丝杠底端的位移传感器和计算机系统控制活塞及丝杠的运动。
【文档编号】G01N3/24GK106092772SQ201610402927
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】宋永臣, 骆汀汀, 李洋辉, 赵佳飞, 刘瑜, 凌铮, 杨明军, 刘卫国
【申请人】大连理工大学