一种水合物微观力学参数测试装置和方法

本发明涉及水合物测试，尤其涉及一种水合物微观力学参数测试装置和方法。

背景技术：

1、天然气水合物诸多复杂的理化性质依旧不清楚，尤其涉及水合物开采过程中的水合物、含水合物沉积物的细观力学性质亟待探索。

2、水合物开采过程中由于水合物分解、水气产出，地层砂颗粒剥落、运移、产出，地层砂颗粒流入井筒的过程即为水合物出砂，水合物大量出砂会导致储层沉降、井壁失稳、井下工具损坏等一系列工程危害。水合物颗粒和含水合物沉积物的摩擦特性、水合物近表面的微米级力学特性直接关乎砂颗粒的剥落、运移和产出过程。同时在水合物技术中水合物-金属等材料的接触力学性质仍不明朗，微观尺度下机理研究较为欠缺。

3、现有的水合物微观力学参数测试装置由于无法对开展气体水合物颗粒间力学测试，尤其是无法实现气体水合物和含水合物沉积物的摩擦参数测试，及其抗拉和抗压测试，无法开展水合物颗粒与金属材料等的接触力学参数测试，无法同时记录电阻率和声波参数，以进一步分析水合物颗粒尺度破坏模式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种水合物微观力学参数测试装置和方法。

2、本发明的一种水合物微观力学参数测试装置，包括手套箱、冷却平台、液氮罐、液氮泵、压力罩、罐体、平台驱动组件、测试系统；

3、所述冷却平台设置在所述手套箱内；所述手套箱设有操作口，所述操作口设有打开或关闭其的盖板；

4、所述冷却平台内部中空，所述液氮罐通过液氮泵与所述冷却平台内部相连通；所述冷却平台内还设有热电偶和温度传感器；所述冷却平台上表面设有凹槽，所述压力罩可拆卸的盖设在所述凹槽上形成密闭腔室，所述罐体与所述密闭腔室相连通；所述罐体内储存有水合物形成的客体分子；

5、所述平台驱动组件与所述冷却平台传动连接，以驱动所述冷却平台沿x轴、y轴运动；

6、所述测试系统包括测试探头、探头驱动组件和x-y测力传感器；

7、所述手套箱顶部设有横梁，所述探头驱动组件设置在所述横梁上，所述探头驱动组件与所述测试探头传动连接，以驱动所述测试探头沿z轴、x轴运动，所述x-y测力传感器设置在所述测试探头与所述探头驱动组件的驱动端之间。

8、进一步的，还包括控制器，所述控制器与所述液氮泵、热电偶、温度传感器、平台驱动组件和探头驱动组件电连接。

9、进一步的，所述平台驱动组件包括x轴给进丝杆传动系统、y轴给进丝杆传动系统，所述冷却平台设置在所述x轴给进丝杆传动系统、y轴给进丝杆传动系统的螺母上。

10、进一步的，所述手套箱的顶部设置有横梁，所述探头驱动组件包括z轴齿条传动系统和x轴齿条传动系统，所述z轴齿条传动系统竖直设置在所述横梁上，所述x轴齿条传动系统的一端设置z轴齿条传动系统的行进块上，所述测试探头通过连接杆设置在所述x轴齿条传动系统的行进块上。

11、进一步的，所述测试系统还包括信号发射器和信号接收器，所述信号发射器或信号接收器设置在所述凹槽底部，所述信号接收器或所述信号发射器安装在所述测试探头上。

12、进一步的，所述测试系统还包括摄像头，所述摄像头设置在所述冷却平台的一侧。

13、进一步的，所述操作口设有过渡仓，所述过渡仓连通有真空泵；

14、所述手套箱还与氮源相连通；

15、装置还包括对手套箱进行循环除湿的除湿系统。

16、进一步的，所述手套箱内还设有减震台，所述冷却平台设置在所述减震台上。

17、一种水合物微观力学参数测试方法，使用上述的水合物微观力学参数测试装置，具体步骤如下：

18、s1：除湿：

19、设定手套箱湿度上限不大于50ppm，待手套箱湿度稳定；

20、s2：加样：

21、将纯净水滴加在凹槽底部，并盖上压力罩，通入罐体内的用于形成水合物的客体分子；

22、s3：样品形成：

23、使用液氮泵将液氮罐中液氮泵送至冷却平台内部，通过调整热电偶和液氮泵功率控制温度，并维持其稳定；

24、若形成的为气体水合物，等待压力罩内部压力稳定，即可认为水合物形成完毕；若形成的为非气体水合物，不用加压，待温度稳定即可认为水合物形成完毕；

25、s4：降温：

26、再次降温至水合物样品常压稳定存在温度，一般不高于-50℃，待温度稳定后降压并移除压力罩；

27、s5：测试：

28、调节z轴齿条传动系统和x轴齿条传动系统使测试探头下降接触水合物样品；通过调节x轴给进丝杆传动系统和y轴给进丝杆传动系统共同控制冷却平台动作，即可完成抗拉、抗压和剪切强度以及摩擦系数和粘附力测试。

29、进一步的，信号发射器或信号接收器设置在所述凹槽底部，所述信号接收器或所述信号发射器安装在所述测试探头上，通过这对测试头测试同时可以记录电阻率和声波参数；

30、所述测试系统还包括摄像头，记录样品测试的情况。

31、本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

32、(1)通过手套箱加液氮降温技术可实现水合物样品的形成及常压稳定保存，使气体水合物颗粒间复杂力学测试成为可能。

33、(2)测试参数更全面：通过采用x-y测力传感器和上部z轴/x轴位移控制、下部x轴/y轴控制相结合，实验可以对样品开展对三维力学测试，包括拉压、剪切和摩擦等其他复杂参数测试。

34、(3)记录信息更丰富：通过采用可更换信号发射器和信号接收器，可以测试试样作用过程中的声波、电阻率等参数，配合摄像头可以同时记录视频资料，测试过程信息更加丰富。

技术特征：

1.一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：包括手套箱(1)、冷却平台(2)、液氮罐(3)、液氮泵(4)、压力罩(5)、罐体(6)、平台驱动组件(7)、测试系统(8)；

2.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：还包括控制器(9)，所述控制器(9)与所述液氮泵(4)、热电偶、温度传感器、平台驱动组件(7)和探头驱动组件(82)电连接。

3.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述平台驱动组件(7)包括x轴给进丝杆传动系统(71)、y轴给进丝杆传动系统(72)，所述冷却平台(2)设置在所述x轴给进丝杆传动系统(71)、y轴给进丝杆传动系统(72)的螺母上。

4.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述探头驱动组件(82)包括z轴齿条传动系统(821)和x轴齿条传动系统(822)，所述z轴齿条传动系统(821)竖直设置在所述横梁(88)上，所述x轴齿条传动系统(822)的一端设置z轴齿条传动系统(821)的行进块上，所述测试探头(81)通过连接杆(87)设置在所述x轴齿条传动系统(822)的行进块上。

5.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述测试系统(8)还包括信号发射器(84)和信号接收器(85)，所述信号发射器(84)或信号接收器(85)设置在所述凹槽(21)底部，所述信号接收器(85)或所述信号发射器(84)安装在所述测试探头(81)上。

6.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述测试系统(8)还包括摄像头(86)，所述摄像头(86)设置在所述冷却平台(2)的一侧。

7.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述操作口设有过渡仓(11)，所述过渡仓(11)连通有真空泵(12)；

8.如权利要求1所述的一种水合物微观力学参数测试装置，其特征在于：所述手套箱(1)内还设有减震台(14)，所述冷却平台(2)设置在所述减震台(14)上。

9.一种水合物微观力学参数测试方法，其特征在于：使用权利要求1-8任一项所述的水合物微观力学参数测试装置，具体步骤如下：

10.如权利要求9所述的一种水合物微观力学参数测试方法，其特征在于：信号发射器(84)或信号接收器(85)设置在所述凹槽(21)底部，所述信号接收器(85)或所述信号发射器(84)安装在所述测试探头(81)上，通过这对测试头测试同时可以记录电阻率和声波参数；

技术总结本发明公开了一种水合物微观力学参数测试装置和方法。装置的冷却平台设置在手套箱内；冷却平台内部中空，液氮罐通过液氮泵与冷却平台内部相连通；冷却平台内还设有热电偶和温度传感器；冷却平台上表面设有凹槽，压力罩可拆卸的盖设在凹槽上形成密闭腔室，罐体与密闭腔室相连通；平台驱动组件与冷却平台传动连接；测试系统包括测试探头、探头驱动组件和X‑Y测力传感器。本发明通过手套箱加液氮降温技术实现水合物样品的形成及常压稳定保存，使水合物颗粒间复杂力学测试成为可能。通过采用X‑Y测力传感器和上部z轴/x轴位移控制、下部x轴/y轴控制相结合，实验可以对样品开展对三维力学测试，包括拉压、剪切和摩擦等其他复杂参数测试。技术研发人员：宁伏龙,刘志辉,刘志超,史芳玉,孙雨轩,罗强,张凌,欧文佳受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）技术研发日：技术公布日：2024/11/14