CN104359747B - 一种冻土样品的制备和测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻土样品的制备和测量装置,其能够在室内制备均匀冻土样品，又能够在原位无干扰条件下测量冻土样品的热学、渗透参数，为冻土区水合物成藏评价与水合物开采方案制定提供科学依据和技术支持。该装置包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元；冻土样品制备单元包括压力室、围压加载腔、橡皮筒、旋转台、控温室；渗透参数测量单元包括气体流量计、进气口、出气口、压力传感器；热学参数测量单元包括加热器、控温器、温度传感器、温压传感器。还提供了采用该装置的方法。

Description

一种冻土样品的制备和测量装置及其方法

技术领域

本发明属于冻土层研究利用备的技术领域，具体地涉及一种冻土样品的制备和测量装置，以及采用该装置的方法。

背景技术

天然气水合物成藏是水合物勘探的最关键目标，也是未来水合物商业化开采方案制定的最基本依据。冻土层的热学、渗透参数是评价冻土区天然气水合物成藏的关键参数。但现场直接取得样品并进行测量十分困难，费时费力，成本很高，而且保存困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种冻土样品的制备和测量装置,其能够在室内制备均匀冻土样品，又能够在原位无干扰条件下测量冻土样品的热学、渗透参数，为冻土区水合物成藏评价与水合物开采方案制定提供科学依据和技术支持。

本发明的技术解决方案是：这种冻土样品的制备和测量装置，该装置包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元；冻土样品制备单元包括压力室、围压加载腔、橡皮筒、旋转台、控温室，样品放入橡皮筒中，橡皮筒在压力室的中间处，橡皮筒和压力室之间构成围压加载腔，围压加载腔内充满防冻液体并与恒速恒压泵连接，旋转台与压力室连接并带动压力室旋转，控温室作为该冻土样品的制备和测量装置的外围并控制该装置的温度；渗透参数测量单元包括气体流量计、进气口、出气口、压力传感器，压力室的进口和出口均连接气体流量计，进气口、出气口分别连接进口和出口的气体流量计，进气口、出气口处还分别设有压力传感器；热学参数测量单元包括加热器、控温器、温度传感器、温压传感器，加热器连接控温器，温度传感器在样品的端部截面呈环状分布，温压传感器沿样品的长度分布。

还提供了采用这种冻土样品的制备和测量装置的方法，包括以下步骤：

(1)制备样品：将样品沿橡皮筒侧壁放置，并布置加热器、控温器、温度传感器，在围压加载腔内注入防冻液体，利用恒速恒压泵加载围压，然后开启控温室对样品进行降温，同时启动旋转台，保证水分在样品孔隙中的均匀分布，保持2-3天，并记录温度数据；

(2)测量渗透参数：将与步骤(1)温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口注入样品，记录进出气口压力和进出气口流量，同时观测温压传感器，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

(3)测量热学参数：停止围压加载并抽空防冻液体，使样品隔热，然后开启加热器、控温器，控制加热温度高于样品温度且低于0℃，保证样品中冰不受扰动，记录温度传感器的温度，同时观测温压传感器，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅立叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

本发明通过压力室、围压加载腔、橡皮筒、旋转台、控温室组合后来在室内制备均匀冻土样品，又通过渗透参数测量单元、热学参数测量单元在原位无干扰条件下测量冻土样品的热学、渗透参数，为冻土区水合物成藏评价与水合物开采方案制定提供科学依据和技术支持。

附图说明

图1示出了根据本发明的冻土样品的制备和测量装置的结构示意图。

具体实施方式

从图1中可以看出，这种冻土样品的制备和测量装置，该装置包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元；冻土样品制备单元包括压力室1(可承受最大压力20MPa，作为冻土样品合成的空间，可制备最大冻土样品的长度100cm、直径4cm，并可根据需要调整样品的长度)、围压加载腔2、橡皮筒4(可以采用一定隔热效果的橡胶材料制成，用于隔离围压液体与样品且有效加载围压)、旋转台5(通过旋转保证样品中水分的均匀分布)、控温室6(控温范围-30-100℃，用于保证恒定低温下冷冻样品)，样品3放入橡皮筒中，橡皮筒在压力室的中间处，橡皮筒和压力室之间构成围压加载腔，围压加载腔内充满防冻液体并与恒速恒压泵连接，旋转台与压力室连接并带动压力室旋转，控温室作为该冻土样品的制备和测量装置的外围并控制该装置的温度；渗透参数测量单元包括气体流量计9、进气口10、出气口11、压力传感器13，压力室的进口和出口均连接气体流量计(例如，量程500mL/min，用于测量进出口的气体流量)，进气口、出气口分别连接进口和出口的气体流量计，进气口、出气口处还分别设有压力传感器(分别用于供应指定压力的冷冻气体、用于收集从样品渗透出来的一定压力的气体)；热学参数测量单元包括加热器7、控温器、温度传感器8、温压传感器12(用于测量温度变化前锋的扩展数据)，加热器连接控温器，温度传感器在样品的端部截面呈环状分布，温压传感器沿样品的长度分布。

另外，加热器是环状绕丝，温度传感器是铂电阻丝。加热器采用环状绕丝形式，保证圆片截面的温度相等。温度传感器采用铂电阻丝，例如直径1mm，并在样品端部截面环状分布，以检测截面温度分布的不均匀性。

另外，样品是若干个不同含水饱和度的土体样品。

还提供了采用这种冻土样品的制备和测量装置的方法，包括以下步骤：

(1)制备样品：将样品沿橡皮筒侧壁放置，并布置加热器、控温器、温度传感器，在围压加载腔内注入防冻液体，利用恒速恒压泵加载围压(根据实际工况而定)，然后开启控温室对样品进行降温(温度可以在-30-0℃内可调)，同时启动旋转台，保证水分在样品孔隙中的均匀分布，保持2-3天，并记录温度数据；

(2)测量渗透参数：将与步骤(1)温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口注入样品，记录进出气口压力和进出气口流量，同时观测温压传感器，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

(3)测量热学参数：停止围压加载并抽空防冻液体，使样品隔热，然后开启加热器、控温器，控制加热温度高于样品温度且低于0℃，保证样品中冰不受扰动，记录温度传感器的温度，同时观测温压传感器，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅立叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

另外，步骤(2)中的指定压力小于等于围压。这样防止造成橡皮筒膨胀。

本发明通过压力室、围压加载腔、橡皮筒、旋转台、控温室组合后来在室内制备均匀冻土样品，又通过渗透参数测量单元、热学参数测量单元在原位无干扰条件下测量冻土样品的热学、渗透参数，为冻土区水合物成藏评价与水合物开采方案制定提供科学依据和技术支持。本发明在水合物成藏评价所需的冻土热力学参数获取提供新的实验系统和测试技术，在传热传质、冻土相关研究等工程与技术领域也具有潜在的应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种冻土样品的制备和测量装置，其特征在于：该装置包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元；冻土样品制备单元包括压力室(1)、围压加载腔(2)、橡皮筒(4)、旋转台(5)、控温室(6)，样品(3)放入橡皮筒中，橡皮筒在压力室的中间处，橡皮筒和压力室之间构成围压加载腔，围压加载腔内充满防冻液体并与恒速恒压泵连接，旋转台与压力室连接并带动压力室旋转，控温室作为该冻土样品的制备和测量装置的外围并控制该装置的温度；渗透参数测量单元包括气体流量计(9)、进气口(10)、出气口(11)、压力传感器，压力室的进口和出口均连接气体流量计，进气口、出气口分别连接进口和出口的气体流量计，进气口、出气口处还分别设有压力传感器(13)；热学参数测量单元包括加热器(7)、控温器、温度传感器(8)、温压传感器(12)，加热器连接控温器，温度传感器在样品的端部截面呈环状分布，温压传感器沿样品的长度分布。

2.根据权利要求1所述的冻土样品的制备和测量装置，其特征在于：所述加热器是环状绕丝，所述温度传感器是铂电阻丝。

3.根据权利要求1所述的冻土样品的制备和测量装置，其特征在于：所述样品是若干个不同含水饱和度的土体样品。

4.一种采用根据权利要求1所述的冻土样品的制备和测量装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)制备样品：将样品沿橡皮筒侧壁放置，并布置加热器、控温器、温度传感器，在围压加载腔内注入防冻液体，利用恒速恒压泵加载围压，然后开启控温室对样品进行降温，同时启动旋转台，保证水分在样品孔隙中的均匀分布，保持2-3天，并记录温度数据；

(2)测量渗透参数：将与步骤(1)温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口注入样品，记录进出气口压力和进出气口流量，同时观测压力传感器，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

(3)测量热学参数：停止围压加载并抽空防冻液体，使样品隔热，然后开启加热器、控温器，控制加热温度高于样品温度且低于0℃，保证样品中冰不受扰动，记录温度传感器的温度，同时观测温压传感器，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅立叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(2)中的指定压力小于等于围压。