CN102914635A - 含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置 - Google Patents

含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置 Download PDF

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一种含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置，其特征在于该装置分为四大部分：环境状态模拟装置A、水岩化学作用装置B、水质测试装置C、液体流量测试装置D，其中：环境状态模拟装置A包括高压气瓶(1)和蒸馏水瓶(2)；水岩化学作用装置B包括上壳体(16)和下壳体(3)，下壳体(3)上部套装在上壳体(16)的圆柱形腔中，下壳体(3)顶部与上壳体(16)内的台阶之间放置有供套装岩体试样(18)的岩体试样胶圈(20)、多孔板(17)、上渗透膜(19)、下渗透膜(21)；水质测试装置C包括溶解氧测试容器(26)、导电率测试容器(30)、酸度测试容器(31)；液体流量测试装置D包括电子称(8)和放在电子称(8)上的量筒(7)。

Description

含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置
技术领域
本发明涉及一种对含硫化矿物岩层进行氧化动力学反应试验的一套系统装置，具体为用含多种气体(主要为氧气、氮气)的水溶液与含硫化矿物岩层中的硫化矿物进行化学作用，并对化学作用后的水溶液进行测试分析的系统装置。
背景技术
由于含硫化矿物岩层中富含有机质和分散状硫化矿物(主要为黄铁矿、白铁矿)，而含硫化矿物岩层的黏土化过程即是由于含硫化矿物岩层中的硫化矿物的地球化学作用，其主要表现为硫化矿物的氧化作用。含硫化矿物岩层中硫化矿物在富氧液体作用下于岩体内部发生水岩化学作用而迅速发生氧化作用，并生成大量酸性水，形成含硫酸盐的酸性地下水使岩层的胶结物发生溶解而腐蚀岩体结构，增大岩体孔隙率与透水能力，弱化岩体颗粒间的连结力，同时生成具有膨胀性的硫酸盐类矿物，从而使岩体的物理力学性质变弱。
中国专利200510045186.3号公开了一种热液羽状体扩散模拟实验装置，包括与截止阀相连通的圆筒形扩散反应舱、压力控制装置和相应的可同时进行数据采集的计算机控制装置，其特征是它还包括与扩散反应舱体底端相连的包括试样容器、高压输液泵、三通阀、两通阀和预热装置的液体试样泵入装置。且在扩散反应舱的侧壁开有至少一对正对的观测窗口。在底端设置一个与扩散反应舱相连的安全溢流阀。又考虑到实时取样的需要，在扩散反应舱的顶端设置一个经由钛管与扩散反应舱相连的取样阀。以及包括高压输液泵、两通阀、三通阀和蓄能器的压力控制装置。本发明结构合理，实用性强，可进行现代海底热液羽状体扩散过程和水岩反应等多种实验研究。但该装置主要用于熔融流体的研究试验，无法针对固体岩体进行试验。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，设计一种可模拟含硫化矿物岩体试样与氧化条件的溶解氧与非氧化条件的溶解氮的水岩相互作用的含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置。该装置可实现用对比方法来研究含硫化矿物岩层的水岩化学作用下，岩体中硫化矿物的氧化动力学关系及岩体酸性弱化机制，主要为模拟在溶解氮(100％N2)的非氧化条件、溶解氧氮(50％O2+50％N2)与溶解氧(100％O2)的氧化条件下的液体与含硫化矿物岩体中硫化矿物氧化动力学机理。
本发明的具体技术方案是：一种含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置，其特征在于该装置分为四大部分：环境状态模拟装置A、水岩化学作用装置B、水质测试装置C、液体流量测试装置D，其中：
环境状态模拟装置A包括高压气瓶和蒸馏水瓶，高压气瓶与蒸馏水瓶之间通过高压管路连接，蒸馏水瓶上设有水位计，蒸馏水瓶下面连接有水管，水管上连接有阀门；
水岩化学作用装置B包括：
圆柱形上壳体和圆柱形下壳体，上壳体内开有带台阶的圆柱形腔，其中圆柱形腔的顶部设计成倒喇叭形，倒喇叭顶部设有出水口，下壳体内开有喇叭形腔，喇叭底部设有进水口；
上壳体下部内径略大于下壳体上部外径；
下壳体底部设有法兰盘，上壳体下部设有与法兰盘配合的螺栓孔，下壳体上部套装在上壳体的圆柱形腔中，下壳体与上壳体之间通过法兰连接，法兰连接处装有密闭垫圈；
在下壳体顶部与上壳体内的台阶之间放置有供套装岩体试样的岩体试样胶圈，上壳体的倒喇叭口处装有刚性多孔板，多孔板与岩体试样胶圈之间装有上渗透膜；
下壳体的喇叭口处装有下渗透膜；
进水口连接环境状态模拟装置A的水管；
水质测试装置C包括带进水管和出水管的溶解氧测试容器、带进水管和出水管的导电率测试容器、带进水管和出水管的酸度测试容器；
溶解氧测试容器中装有溶解氧计，溶解氧测试容器的进水管通过水管连接水岩化学作用装置B的出水口；
导电率测试容器中装有导电率计，导电率测试容器的进水管通过水管连接溶解氧测试容器的出水管；
酸度测试容器中装有酸度计，酸度测试容器的进水管通过水管连接导电率测试容器的出水管；
液体流量测试装置D包括电子称和放在电子称上的量筒，酸度测试容器的出水管通过水管连接到量筒中。
进一步的方案是：在水岩化学作用装置B的出水口装有三通阀门，三通阀门的一路出水口通过水管连接溶解氧测试容器的进水管，三通阀门的另一路出水口通过水管连接水质全分析收集器。
本发明中：
环境状态模拟装置A可以由三个高压气瓶通过阀门并联连接组成：三个高压气瓶中分别存储100％的纯氧气(O2)、50％氧气(O2)+50％氮气(N2)、100％纯氮气(N2)，每次试验连通其中一个高压气瓶，高压气瓶中的气体由蒸馏水瓶顶部进入瓶中后，在设置的压力下(约为0.3-0.6MPa)气体溶解于液体中并达到自然溶解平衡，从而形成溶解氧和/或氮的液体，分别模拟出氧化条件(100％纯氧气、50％氧气+50％氮气)、非氧化条件(100％纯氮气)的水岩相互作用的环境，同时可按连通器原理通过侧面的水位计读取蒸馏水瓶中剩余液体的体积。
水岩化学作用装置B为含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置中的核心装置，主要是为了保证含溶解氧(氮)的液体与岩体充分的进行化学作用。装置要求具有良好的密闭性，以保证装置中的液体不会泄漏而损失含溶解氧(氮)的液体和减小进入装置的水压力。工作过程是：试验时，首先将岩体试样胶圈套在圆形岩体试样周边并在放入装置中；溶解氧(氮)液体从装置下侧进水口进入装置；液体经过下渗透膜过滤，除去掺杂于液体中的固体杂质；液体与试样岩体全面充分的接触，发生化学作用；反应后的液体经上渗透膜过滤；液体从装置出水口流出，进入下一步骤的测试装置。刚性多孔板的作用是使岩体试样在试验中均衡受力而不变形破损，多孔板需要具有一定的抗压强度和耐化学腐蚀性能力，多孔板也可以装在台阶上；上渗透膜、下渗透膜的作用是保证与岩体试样反应的水体不含有杂质，也可以通过设于进水口的过滤器代替下渗透膜，设于出水口的过滤器代替上渗透膜。进水口、出水口的喇叭形设计有利于液体均衡渗透岩体试样充分反应，有利于克服装置启动等瞬间因压力突变对部件及岩体试样的损伤。上壳体和下壳体应该有足够大的强度。在出水口外侧可设置多通阀门，以便控制水岩相互作用后水溶液进行各种测试工作。
水质测试装置C包括将试样岩体与溶解氧(氮)反应后的液体进行收集，并运用各种仪器对水质进行测试。考虑到水岩反应后液体中含有溶解氧，而溶解氧易受到空气影响，且酸度计(pH计)在水中工作时间久了之后会释放出钾离子而影响到导电率计Ec的测试等，因此为了减小各项测试中影响因素的干扰，在本装置中的测试顺序为：①溶解氧计(Do计)、②导电率计(Ec计)、③酸度计(pH计)，而水质的全分析设计在三通阀门的另一端水质全分析收集器。
液体流量测试装置D主要由高精度电子称与量筒组成，量筒的进水口处最好有量筒盖，以减少水的蒸发，通过读取一定时间内的水的流量来计算含硫化矿物岩体试样的渗透系数与水岩化学作用后液体质量(或密度)的变化等。
本发明的优点是：本装置具有模拟在氧化条件与非氧化条件下的水岩化学作用，通过对水岩作用后的化学成分、pH值、溶解氧Do、电导率Ec、渗透系数等的变化测试，从而为研究含硫化矿物岩层中的硫化矿物的氧化动力学关系及岩体酸性弱化机理提供重要的试验依据。
附图说明
图1为本发明的含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置实施例的系统流程示意图。
图2为本发明中的水岩化学作用装置B的剖面示意图。
图3为本发明中的水质测试装置C的装配示意图。
图中：A-环境状态模拟装置，B-水岩化学作用装置，C-水质测试装置，D-液体流量测试装置；1-高压气瓶，2-蒸馏水瓶，3-下壳体，4-溶解氧计(Do计)，5-导电率计(Ec计)，6-酸度计(pH计)，7-量筒，8-电子称，9-水质全分析收集器，10-压力表，11-阀门，12-连通口，13-水位计，14-三通阀门，15-水管，16-上壳体，17-多孔板，18-岩体试样，19-上渗透膜，20-岩体试样胶圈，21-下渗透膜，22-螺栓孔，23-密闭垫圈，24-进水口，25-出水口，26-溶解氧测试容器，27-固定座，28-电线，29-螺栓孔，30-导电率测试容器，31-酸度测试容器。
具体实施方式：
为进一步阐述本发明所采用的技术手段，下面结合附图对具体实施例说明如下。
如图1、图2和图3，一种含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置，其特征在于该装置分为四大部分：环境状态模拟装置A、水岩化学作用装置B、水质测试装置C、液体流量测试装置D，其中：
环境状态模拟装置A包括高压气瓶1和蒸馏水瓶2，高压气瓶1与蒸馏水瓶2之间通过高压管路连接，蒸馏水瓶2上设有水位计13，蒸馏水瓶2下面连接有水管15，水管15上连接有阀门11；
水岩化学作用装置B包括：
圆柱形上壳体16和圆柱形下壳体3，上壳体16内开有带台阶的圆柱形腔，其中圆柱形腔的顶部设计成倒喇叭形，倒喇叭顶部设有出水口25，下壳体3内开有喇叭形腔，喇叭底部设有进水口24；
上壳体16下部内径略大于下壳体3上部外径；
下壳体3底部设有法兰盘，上壳体16下部设有与法兰盘配合的螺栓孔22，下壳体3上部套装在上壳体16的圆柱形腔中，下壳体3与上壳体16之间通过法兰连接，法兰连接处装有密闭垫圈23；
在下壳体3顶部与上壳体16内的台阶之间放置有供套装岩体试样18的岩体试样胶圈20，上壳体16的倒喇叭口处装有刚性多孔板17，多孔板17与岩体试样胶圈20之间装有上渗透膜19；
下壳体3的喇叭口处装有下渗透膜21；
进水口24连接环境状态模拟装置A的水管15；
水质测试装置C包括带进水管和出水管的溶解氧测试容器26、带进水管和出水管的导电率测试容器30、带进水管和出水管的酸度测试容器31；
溶解氧测试容器26中装有溶解氧计4，溶解氧测试容器26的进水管通过水管15连接水岩化学作用装置B的出水口25；
导电率测试容器30中装有导电率计5，导电率测试容器30的进水管通过水管15连接溶解氧测试容器26的出水管；
酸度测试容器31中装有酸度计6，酸度测试容器31的进水管通过水管15连接导电率测试容器30的出水管；
液体流量测试装置D包括电子称8和放在电子称8上的量筒7，酸度测试容器31的出水管通过水管15连接到量筒7中。
在水岩化学作用装置B的出水口25装有三通阀门14，三通阀门14的一路出水口通过水管15连接溶解氧测试容器26的进水管，三通阀门14的另一路出水口通过水管15连接水质全分析收集器9。
具体实施参见图1，将各个装置进行组装或相互连接，首先将高压气瓶1中的氧(氮)气体压进气液混合瓶2中，气体由蒸馏水瓶2顶部进入瓶中，并控制蒸馏水瓶2中压力的范围约为0.3-0.6MPa，使气体在该压力作用下与蒸馏水达到溶解平衡，充分混合后形成系统中的环境状态模拟装置A。将连通口12和透明胶管水位计13与出水口相互连接形成连通器，便于读取蒸馏水瓶2中剩余液体的体积，然后将水管15和阀门11与水岩化学作用装置B连接，从而将模拟环境状态装置A和水岩化学作用装置B连接，将阀门11打开使溶解氧(氮)液体进入水岩化学作用装置B中。在水岩化学作用装置B中，液体首先经过下渗透膜21过滤以减少固体杂质，然后液体与岩体试样18进行充分的接触而发生水岩化学作用，最后水岩作用之后的水溶液经过上渗透膜19过滤后流出水岩化学作用装置B，而流向水质测试装置C、液体流量测试装置D或水质全分析收集器9。在水质测试装置C中，利用Do计4、Ec计5、pH计6来对水岩化学作用后的水溶液进行测试得到关于水岩化学作用的相关指标。在液体流量测试装置D中，运用量筒7测量液体在一定时间内的流量而计算出岩体试样18的渗透系数，运用高精度电子秤8测量水溶液的质量以计算出与蒸馏水相比的质量增量(或密度变化)。在水质全分析收集器9中的水溶液，可运用水质全分析仪对水岩化学作用后的水溶液进行全面的化学成分测试。

Claims (2)

1.一种含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置，其特征在于该装置分为四大部分：环境状态模拟装置A、水岩化学作用装置B、水质测试装置C、液体流量测试装置D，其中：
环境状态模拟装置A包括高压气瓶(1)和蒸馏水瓶(2)，高压气瓶(1)与蒸馏水瓶(2)之间通过高压管路连接，蒸馏水瓶(2)上设有水位计(13)，蒸馏水瓶(2)下面连接有水管(15)，水管(15)上连接有阀门(11)；
水岩化学作用装置B包括：
圆柱形上壳体(16)和圆柱形下壳体(3)，上壳体(16)内开有带台阶的圆柱形腔，其中圆柱形腔的顶部设计成倒喇叭形，倒喇叭顶部设有出水口(25)；
下壳体(3)内开有喇叭形腔，喇叭底部设有进水口(24)；
上壳体(16)下部内径略大于下壳体(3)上部外径；
下壳体(3)底部设有法兰盘，上壳体(16)下部设有与法兰盘配合的螺栓孔(22)，下壳体(3)上部套装在上壳体(16)的圆柱形腔中，下壳体(3)与上壳体(16)之间通过法兰连接，法兰连接处装有密闭垫圈(23)；
在下壳体(3)顶部与上壳体(16)内的台阶之间放置有供套装岩体试样(18)的岩体试样胶圈(20)，上壳体(16)的倒喇叭口处装有刚性多孔板(17)，多孔板(17)与岩体试样胶圈(20)之间装有上渗透膜(19)，下壳体(3)的喇叭口处装有下渗透膜(21)；
进水口(24)连接环境状态模拟装置A的水管(15)；
水质测试装置C包括带进水管和出水管的溶解氧测试容器(26)、带进水管和出水管的导电率测试容器(30)、带进水管和出水管的酸度测试容器(31)；
溶解氧测试容器(26)中装有溶解氧计(4)，溶解氧测试容器(26)的进水管通过水管(15)连接水岩化学作用装置B的出水口(25)；
导电率测试容器(30)中装有导电率计(5)，导电率测试容器(30)的进水管通过水管(15)连接溶解氧测试容器(26)的出水管；
酸度测试容器(31)中装有酸度计(6)，酸度测试容器(31)的进水管通过水管(15)连接导电率测试容器(30)的出水管；
液体流量测试装置D包括电子称(8)和放在电子称(8)上的量筒(7)，酸度测试容器(31)的出水管通过水管(15)连接到量筒(7)中。
2.根据权利要求1所述的含硫化矿物岩层氧化动力反应试验装置，其特征在于在水岩化学作用装置B的出水口(25)装有三通阀门(14)，三通阀门(14)的一路出水口通过水管(15)连接溶解氧测试容器(26)的进水管，三通阀门(14)的另一路出水口通过水管(15)连接水质全分析收集器(9)。
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