本发明属于天然气水合物，特别涉及一种用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩。
背景技术：
1、在深海油气开发系统中的浮体系泊桩基、水下井口系统、海底管汇等结构物主要依靠浅层土体承载力服役于深海海底区域。深海浅表层中水合物分布广泛，而水合物在环境变化时易发生分解，受到地层构造运动、海平面升降、地层温度等因素的影响，水合物的分解会在一定程度上降低土体承载力，甚至造成海底结构物失稳破坏，引发工程风险和经济损失。桩基等结构物受到拖曳、碰撞、振动所造成的水合物结构破坏、相态变化及扰动范围尚不明确，不易于准确地描述扰动作用下的桩基-水合物荷载传递机制。同时在水合物开发工程中，水下井口作为深水水合物开采的第一道关口，其安装和后续开发过程中的稳定性关乎作业的成败与安全。由于水合物不断分解，地层的承载力大幅下降，可能导致水下井口在井口载荷作用下失稳下沉，造成井眼报废、海底滑坡等重大事故的发生。目前通用的海洋桩基设计标准主要基于经典极限平衡承载力理论，也未考虑水合物分解和桩基扰动影响，因此，进行深水浅层沉积物地层水合物在温度、压力、振动扰动过程中的承载力实验具有现实性意义。
2、通过含水合物地层桩基模拟实验装置进行水合物分解全过程中海底土承载力演化研究实验，模拟桩基在不同水合物含量的海洋土中拖曳、振动过程物理模拟，开展水合物分解过程力学特性及承载力变化测试，通过调控反应釜温度和压力使水合物分解，测试力学特性和承载力的动态变化规律。目前的桩基温度上升主要依靠钻井液温度进行调节，温度稳定性较差且不易控制。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明公开了一种用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，包括：外壳系统、振动系统、加热系统、变直径系统和数据传输采集系统；
2、多个所述振动系统设置于外壳系统内；
3、多个所述加热系统设置于外壳系统内；
4、所述振动系统与加热系统间隔设置；
5、所述变直径系统套设于外壳系统外围；
6、所述数据传输采集系统分别与振动系统和加热系统连接。
7、更进一步地，所述外壳系统包括密封端盖和外壳体；
8、所述外壳体呈上端开口且内部中空的筒状；外壳体内壁顶端设置有内螺纹；
9、所述外壳体内壁上设置有线槽；
10、所述外壳体外壁上设置有多条纵向的线槽，且线槽间隔设置；线槽上间隔设置有多个凹槽；
11、所述密封端盖上设置有通孔，外壁设置有外螺纹；密封端盖设置于外壳体顶部，与外壳体通过螺纹连接。
12、更进一步地，所述数据传输采集系统包括控制线束、加速度传感器和温度传感器；
13、多个所述加速度传感器从上至下依次设置在外壳体外壁的凹槽内；
14、多个所述温度传感器从上至下依次设置在外壳体外壁的凹槽内；
15、所述加速度传感器和温度传感器一一对称设置；
16、所述控制线束分别与加速度传感器和温度传感器电性连接。
17、更进一步地，所述振动系统包括转子保护盖、振动电机和偏心块；
18、所述振动电机为双出轴电机，两个电机轴上均固定连接有偏心块；
19、所述转子保护盖呈瓶盖状，设置在偏心块外围；
20、所述振动电机与数据传输采集系统连接。
21、更进一步地，所述加热系统包括陶瓷安装体、线圈保护筒、电热线和卷板弹簧；
22、所述陶瓷安装体呈线轴状；陶瓷安装体两端均与振动系统抵接；
23、所述卷板弹簧安装在陶瓷安装体中部细轴外围；
24、所述电热线缠绕在卷板弹簧外表面，且与卷板弹簧外表面紧密贴合；
25、所述线圈保护筒安装在陶瓷安装体中部细轴外围，且位于电热线外围；
26、所述电热线与数据传输采集系统连接。
27、更进一步地，所述变直径系统包括外桩壳密封盖和外桩壳；
28、所述外桩壳呈上端开口且内部中空的筒状；外桩壳内壁顶端设置有内螺纹；
29、所述外桩壳套设于外壳系统外围；
30、所述外桩壳密封盖上设置有通孔，外壁上设置有外螺纹；
31、所述外桩壳密封盖设置于外桩壳顶部，与外桩壳通过螺纹连接。
32、更进一步地，还包括：限位器；
33、所述限位器安装在振动系统顶端。
34、更进一步地，还包括：橡胶环；
35、所述橡胶环固定安装在限位器上；橡胶环顶部与外壳系统的密封端盖抵接。
36、更进一步地，还包括：垫板；
37、所述垫板安装于外壳体内部底端，且一表面与振动系统抵接。
38、更进一步地，所述加热系统的温度调节范围为0～25℃。
39、与现有技术相比，本发明的实施例至少具有以下优点：本发明的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，将桩身振动、桩身加热和多尺度桩径的功能集合为一体，利用优化后的实验桩基保证在水合物分解桩基承载力模拟实验中对水合物分解的影响因素进行灵活的控制，同时多种外径的尺寸的外桩壳组装方案的设计可实现该装置用于不同外径桩基的承载力试验，且采用温度和振动信号的反馈调节方式保证桩基振动，温度可控，确保试验精度和可行性；该桩基既可用于一般桩基承载力实验也可应用于高压含水合物土体的承载力实验，应用实验场景范围广泛且实验流程更加系统高效。
40、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
1.一种用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，包括：外壳系统、振动系统、加热系统、变直径系统和数据传输采集系统；
2.根据权利要求1所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述外壳系统包括密封端盖(2)和外壳体(3)；
3.根据权利要求2所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述数据传输采集系统包括控制线束(1)、加速度传感器(7)和温度传感器(16)；
4.根据权利要求1所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述振动系统包括转子保护盖(6)、振动电机(8)和偏心块(9)；
5.根据权利要求1所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述加热系统包括陶瓷安装体(10)、线圈保护筒(11)、电热线(12)和卷板弹簧(13)；
6.根据权利要求1所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述变直径系统包括外桩壳密封盖(17)和外桩壳(14)；
7.根据权利要求2所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，还包括：限位器(5)；
8.根据权利要求7所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，还包括：橡胶环(4)；
9.根据权利要求8所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，还包括：垫板(15)；
10.根据权利要求1所述的用于天然气水合物地层的具有加热功能的振动实验桩，其特征在于，所述加热系统的温度调节范围为0～25℃。
