CN107356508A - 一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，包括高低温恒温加热系统、恒压恒流加压系统和野外采集装置，一样品室套入高低温恒温加热系统中的加热仓中，并向下插入水样收集系统，恒压恒流加压系统包括活动压力塞和具有插口的顶盖，顶盖盖设于样品室的上端，活动压力塞包括活塞体和指示杆，活塞体卡设于样品室内壁，指示杆穿过插口，顶盖上设有进气孔，恒压恒流加压系统的恒压恒流加压泵与固定于进气孔的进气头连接，野外采集装置包括样品容器、采样顶盖和采样底盖，样品容器与样品室完全一样，高低温恒温加热系统外设有CT扫描系统。本发明的有益效果：温压可控、精度高，能够较好的保存原沉积物样品和实现在线监测。

Description

一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置。

背景技术

松散沉积物是一种在静水或弱动水环境中沉积，经物理化学和生物化学作用形成，未固结的细粒或微粒沉积物，其组成复杂，具有很高的含水量与有机质含量、复杂的矿物组成、丰富的微生物和一定量的气体。

在埋藏演化过程中，泥质沉积物不断被新的沉积物覆盖，上覆载荷压力不断增大，孔隙不断被压缩，并释放出大量的孔隙水到相邻含水层中。同时，其孔隙水、矿物、微生物与气体在此过程中不断发生相互作用。此过程的研究，对于天然地下水成因、成岩反应和成矿作用具有重要的指示意义。

然而，虽目前有机质生烃模拟、成岩模拟和生物气模拟等方面的实验研究都已从不同角度对淤泥的埋藏进行了室内模拟，但功能单一，不能实现自动化控制与在线监测。且在野外采样过程中为防止外力变化对沉积物样品结构的影响，一般选择冷冻、真空密封包装等方法保存沉积物样品，但难免在沉积物样品转换容器的过程中产生不可避免的影响，导致沉积物样品内部结构受到破坏，如转换容器时造成沉积物样品受力不均、温度变化、装样容器的尺寸与样品不匹配等。经研究发现，深层沉积物样品在冷冻条件下转换容器仍会由于卸荷导致沉积物样品体积膨胀，进而影响样品原始孔隙结构的检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种温度压力可控、原沉积物样品保存较好、装拆方便、精度高且能够实现在线监测一体化的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置。

本发明的实施例提供一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，用来在线监测松散沉积物在不同温度、压力条件下的压实、固结、脱水和成岩过程中孔隙结构的变化，包括高低温恒温加热系统、恒压恒流加压系统和野外采集装置，一样品室套入所述高低温恒温加热系统中的加热仓中，并插入位于所述加热仓下方的水样收集系统，所述恒压恒流加压系统包括活动压力塞和中心具有插口的顶盖，所述顶盖盖设于所述样品室的上端，所述活动压力塞包括活塞体和设于所述活塞体上端中心处的指示杆，所述活塞体可上下滑动的卡设于所述样品室内壁，所述指示杆的上端向上穿出所述插口，所述顶盖上设有贯穿所述顶盖上、下表面的进气孔和卸压孔，所述恒压恒流加压系统的恒压恒流加压泵与固定于所述进气孔的进气头连接，所述野外采集装置包括样品容器、盖设于所述样品容器上端的采样顶盖和可拆卸的安装于所述样品容器下端的采样底盖，所述样品容器与所述样品室完全一样，可以相互替换，所述高低温恒温加热系统外设有用于对所述高低温恒温加热系统进行扫描的CT扫描系统。

进一步地，所述样品室包括盛放样品的压力仓、设于所述压力仓下端开口处的过滤网和设于所述过滤网上的内部过滤膜，所述压力仓上端具有向外延伸的配合部，所述配合部上具有若干密封螺孔和位于若干所述密封螺孔内侧的一密封圈凹槽，所述顶盖通过若干密封螺钉与若干所述密封螺孔的配合固定于所述配合部，一密封圈位于所述密封圈凹槽。

进一步地，所述过滤网为聚四氟乙烯滤网，所述压力仓采用非金属保温材料制成，且所述压力仓的内、外表面均标有刻度。

进一步地，所述加热仓的相对两侧的上端和下端分别与一出油管和一进油管连通，所述出油管与一硅油收集装置连接，所述进油管通过一油泵与一硅油缸连接，所述硅油缸上设有用于给硅油加热的高低温恒温加热装置。

进一步地，所述加热仓采用非金属保温材料制成。

进一步地，所述水样收集系统包括底座、用于支撑所述底座的支撑架和集液瓶，所述底座上端敞开以便所述样品室的下端插入，而其下端设有中间具有出液口的底壁，所述支撑架为镂空结构，所述集液瓶放置于所述支撑架的内部，并且通过一导液管与所述出液口连接。

进一步地，所述支撑架包括位于上端的与所述底座接触的小圆环、位于下端的大圆环和连接所述小圆环和所述大圆环且等间隔分布的的三连接件，所述小圆环的内径小于所述压力仓的内径，而其外径大于所述压力仓的内径。

进一步地，所述活塞体的下部设有压力传感器，所述加热仓中设有温度传感器，所述压力传感器、所述温度传感器和所述CT扫描系统均与起控制作用的PC机连接。

进一步地，所述活塞体的侧壁设有若干密封圈。

本发明的实施例提供了一种使用上述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：将在野外采集的样品放入所述野外采集装置中的所述样品容器中，盖上所述采样顶盖密封所述样品容器，然后将所述野外采集装置运至实验室；

步骤2：卸下所述野外采集装置中的所述采样底盖和所述采样顶盖，以所述样品容器取代所述样品室安装于所述高低温恒温加热系统和所述水样收集系统中；

步骤3：启动所述高低温恒温加热系统和所述恒压恒流加压系统，对所述样品容器进行加压和加温操作，启动所述CT扫描系统，对所述高低温恒温加热系统进行扫描以观测所述样品容器中的样品变化。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，(1)利用所述CT扫描系统对所述高低温恒温加热系统中的沉积物样品进行扫描，既不破坏样品结构，而且测量速度快、精度高，还能够在三维空间范围观察沉积物样品的孔隙结构，在多相介质研究中具有广阔前景；(2)直接用所述样品容器取代所述样品室安装于所述高低温恒温加热系统和所述水样收集系统中，即沉积物样品在测量前不需要转换容器，避免了其在转换容器过程中对原沉积物样品的各项参数的破坏，从而极大的提高了实验的测量准确性；(3)通过所述高低温恒温加热装置给硅油加热使其达到预设的温度，通过油泵使所述硅油进入所述加热仓，即对所述压力仓进行硅油浴加热，使用硅油浴加热，不仅热稳定性好，而且还能使所述压力仓受热均匀，且硅油还具有很好的防震性，对所述高低温恒温加热装置具有一定的保护作用。

附图说明

图1是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的高低温恒温加热系统和恒压恒流加压系统和样品室的示意图；

图2是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的高低温恒温加热系统和水样收集系统的示意图；

图3是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的高低温恒温加热系统、恒压恒流加压系统、样品室和水样收集系统的组合状态下的示意图；

图4是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的野外采集装置零散状态下的示意图；

图5是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的野外采集装置组合状态下的示意图；

图6是本发明模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的整体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图6，本发明的实施例提供了一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，用来在线监测松散沉积物在不同温度、压力条件下的压实、固结、脱水和成岩过程中孔隙结构的变化，包括高低温恒温加热系统12、恒压恒流加压系统11、野外采集装置2和CT扫描系统3。

请参考图2，所述高低温恒温加热系统12包括圆筒状的加热仓121，所述加热仓121的相对两侧的上端和下端分别与一出油管123b和一进油管123a连通，所述出油管123b与一硅油收集装置124连接，所述进油管123a通过一油泵与一硅油缸125连接，所述硅油缸125上设有用于给硅油加热的高低温恒温加热装置122。通过所述油泵，所述硅油缸125中的热硅油会沿着所述进油管123a进入所述加热仓121中，随着进入所述加热仓121中的硅油的增加，硅油在所述加热仓121中的液面高度不断上升，直至到达所述出油管123b的出油口，然后从所述出油管123b溢出流入所述硅油收集装置124，因此，硅油可以重复利用，有助于节约成本，硅油无毒，对环境友好，而且具有抗震、减震作用，能够在一定程度上保护所述高低温恒温加热系统12，所述加热仓121采用非金属保温材料制成，具体的，该材料为聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)。

请参考图6，所述加热仓121包括仓壁和位于所述仓壁上、下开口处且向内水平延伸的止挡壁121-1。

请参考图1和图6，本发明所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置还包括样品室13，所述样品室13包括盛放沉积物样品的压力仓131、设于所述压力仓131内部下端开口处的过滤网133和设于所述过滤网133上的内部过滤膜132，所述过滤网133为聚四氟乙烯滤网，其作用是防止所述压力仓131的下端堵塞。所述压力仓131包括仓体和位于所述仓体上端的向外水平延伸的配合部，所述配合部上具有若干密封螺孔136和位于若干所述密封螺孔136内侧的一密封圈凹槽135，一密封圈134位于所述密封圈凹槽135。所述压力仓131采用非金属保温材料制成，具体的，该材料为聚醚醚酮。为了方便观察所述压力仓131中的沉积物样品量，所述压力仓131的内、外表面均标有刻度。

请参考图6，所述样品室13的所述仓体131外径等于或者略大于所述止挡壁121-1的内径，

请参考图1、图3和图6，所述恒压恒流加压系统11包括活动压力塞112、中心具有插口111-4的顶盖111和恒压恒流加压泵113，所述顶盖111盖设于所述样品室12的上端，且所述顶盖111通过若干密封螺钉111-1与若干所述密封螺孔136的配合固定于所述配合部。所述活动压力塞112包括活塞体112-1和设于所述活塞体112-1上端中心处的指示杆112-2，所述活塞体112-1卡设于所述样品室12内壁，且可沿所述样品室12内壁上下滑动，为了增加密封性，所述活塞体112-2的侧壁设有若干密封圈112-3。所述指示杆112-2的上端向上穿出所述插口111-4，所述顶盖111上设有贯穿所述顶盖111上、下表面的进气孔111-2和卸压孔111-3，所述恒压恒流加压泵113通过导管113-2与固定于所述进气孔111-2的进气头113-3连接。所述恒压恒流加压泵113用以向所述压力仓131注入气体以增大或者减小所述压力仓131中的气压，所述压力仓131中气压的变化将会导致所述活动压力塞112向上或者向下运动，根据所述指示杆112-2所处的位置，可以粗略的判断所述压力仓131中的气压的大小。

所述活塞体112-1的下部设有压力传感器112-4，所述压力传感器112-4用于精确的监测所述压力仓131中的气压的大小，所述加热仓中设有温度传感器，所述温度传感器用于精确的监测所述加热仓121中的温度的大小，所述压力传感器112-4和所述温度传感器均与起控制作用的PC机连接，从而所述压力传感器112-4和所述温度传感器监测的数据可以通过所述PC机直观的显示出来，同时根据这些实时监测的数据，通过所述PC机根据实验目的或者需要控制所述高低温恒温加热系统12和所述恒压恒流加压系统11，使本发明所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置按照预定运行。

请参考图2、图3和图6，所述水样收集系统14包括底座141、用于支撑所述底座141的支撑架143和集液瓶142，所述底座141上端敞开，而其下端设有中间具有出液口141-1的底壁，所述支撑架143包括位于上端的与所述底座141接触的小圆环、位于下端的大圆环和连接所述小圆环和所述大圆环且等间隔分布的的三连接件，所述小圆环的内径小于所述压力仓131的内径，而其外径大于所述压力仓131的内径。所述集液瓶142放置于所述支撑架143的内部，并且通过一导液管141-2与所述出液口141-1连接。

请参考图3和图6，所述样品室13套入所述高低温恒温加热系统12中的所述加热仓121中，并插入位于所述加热仓121下方的所述底座141上端的开口。

请参考图4和图5，所述野外采集装置2包括样品容器13′、盖设于所述样品容器13′上端的采样顶盖21和可拆卸的安装于所述样品容器13′下端的采样底盖23，所述样品容器13′与所述样品室13完全一样。所述样品容器13′包括盛放沉积物样品的压力仓131′、设于所述压力仓131′内部下端开口处的过滤网133′和设于所述过滤网133′上的内部过滤膜132′，所述过滤网133′为聚四氟乙烯滤网，其作用是防止所述压力仓131′的下端堵塞。所述压力仓131′包括仓体和位于所述仓体上端的向外水平延伸的配合部，所述配合部上具有若干密封螺孔136′和位于若干所述密封螺孔136′内侧的一密封圈凹槽135′，一密封圈134′位于所述密封圈凹槽135′。所述压力仓131′采用非金属保温材料制成，具体的，该材料为聚醚醚酮。为了方便观察所述压力仓131′中的沉积物样品量，所述压力仓131′的内、外表面均标有刻度。

请参考图6，所述高低温恒温加热系统12外设有用于对所述高低温恒温加热系统12进行扫描的CT扫描系统3。

所述CT扫描系统3与起控制作用的所述PC机连接，在所述PC机的控制下，所述CT扫描系统3的扫描范围覆盖所述样品室13的全部，所述CT扫描系统3用于实时监测沉积物样品内部的结构变化，并能够进行相应的数据和图像处理，然后将这些数据和图像传至所述PC机，由所述PC机直观的显示出来，实现在线一体化检测。

本发明的实施例提供了一种使用上述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：将在野外采集的沉积物样品放入所述野外采集装置2中的所述样品容器13′中，盖上所述采样顶盖21，通过所述采样顶盖21上的螺钉212穿过所述采样顶盖21上的螺孔211，和所述样品容器13′上的密封螺孔136′配合密封所述样品容器13′，然后将所述野外采集装置2运至实验室；

步骤2：卸下所述野外采集装置2中的所述采样底盖21和所述采样顶盖23，以所述样品容器13′取代所述样品室13安装于所述高低温恒温加热系统12和所述水样收集系统14中；

步骤3：启动所述高低温恒温加热系统12和所述恒压恒流加压系统11，对所述样品容器13′进行加压和加温操作，启动所述CT扫描系统3，对所述高低温恒温加热系统12进行扫描以观测所述样品容器13′中的样品变化。

整个过程中都不需要将采集到的沉积物样品从一个容器转换至另一个容器，从而避免了在转换容器的过程中发生的不可控因素而导致实验结果不准确的后果。被所述样品容器13′替换下来的所述样品室13和所述采样顶盖21及所述采样底盖23又能组合成新的野外采集装置，使所述样品容器13′和所述样品室13得到了充分的利用。

所述高低温恒温加热装置122中也具有温度传感器，该温度传感器与所述PC机连接，根据所述加热仓121中的温度传感器和所述高低温恒温加热装置122中的温度传感器之间的温差，所述PC机可以通过控制所述高低温恒温加热装置122来对温差进行补偿，以减小温差。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，(1)利用所述CT扫描系统对所述高低温恒温加热系统中的沉积物样品进行扫描，既不破坏样品结构，而且测量速度快、精度高，还能够在三维空间范围观察沉积物样品的孔隙结构，在多相介质研究中具有广阔前景；(2)直接用所述样品容器取代所述样品室安装于所述高低温恒温加热系统和所述水样收集系统中，即沉积物样品在测量前不需要转换容器，避免了其在转换容器过程中对原沉积物样品的各项参数的破坏，从而极大的提高了实验的测量准确性；(3)通过所述高低温恒温加热装置给硅油加热使其达到预设的温度，通过油泵使所述硅油进入所述加热仓，即对所述压力仓进行硅油浴加热，使用硅油浴加热，不仅热稳定性好，而且还能使所述压力仓受热均匀，且硅油还具有很好的防震性，对所述高低温恒温加热装置具有一定的保护作用。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，用来在线监测松散沉积物在不同温度、压力条件下的压实、固结、脱水和成岩过程中孔隙结构的变化，其特征在于：包括高低温恒温加热系统、恒压恒流加压系统和野外采集装置，一样品室套入所述高低温恒温加热系统中的加热仓中，并插入位于所述加热仓下方的水样收集系统，所述恒压恒流加压系统包括活动压力塞和中心具有插口的顶盖，所述顶盖盖设于所述样品室的上端，所述活动压力塞包括活塞体和设于所述活塞体上端中心处的指示杆，所述活塞体可上下滑动的卡设于所述样品室内壁，所述指示杆的上端向上穿出所述插口，所述顶盖上设有贯穿所述顶盖上、下表面的进气孔和卸压孔，所述恒压恒流加压系统的恒压恒流加压泵与固定于所述进气孔的进气头连接，所述野外采集装置包括样品容器、盖设于所述样品容器上端的采样顶盖和可拆卸的安装于所述样品容器下端的采样底盖，所述样品容器与所述样品室完全一样，可以相互替换，所述高低温恒温加热系统外设有用于对所述高低温恒温加热系统进行扫描的CT扫描系统。

2.如权利要求1所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述样品室包括盛放样品的压力仓、设于所述压力仓下端开口处的过滤网和设于所述过滤网上的内部过滤膜，所述压力仓上端具有向外延伸的配合部，所述配合部上具有若干密封螺孔和位于若干所述密封螺孔内侧的一密封圈凹槽，所述顶盖通过若干密封螺钉与若干所述密封螺孔的配合固定于所述配合部，一密封圈位于所述密封圈凹槽。

3.如权利要求2所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述过滤网为聚四氟乙烯滤网，所述压力仓采用非金属保温材料制成，且所述压力仓的内、外表面均标有刻度。

4.如权利要求1所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述加热仓相对两侧的上端和下端分别与一出油管和一进油管连通，所述出油管与一硅油收集装置连接，所述进油管通过一油泵与一硅油缸连接，所述硅油缸上设有用于给硅油加热的高低温恒温加热装置。

5.如权利要求4所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述加热仓采用非金属保温材料制成。

6.如权利要求1所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述水样收集系统包括底座、用于支撑所述底座的支撑架和集液瓶，所述底座上端敞开以便所述样品室的下端插入，而其下端设有中间具有出液口的底壁，所述支撑架为镂空结构，所述集液瓶放置于所述支撑架的内部，并且通过一导液管与所述出液口连接。

7.如权利要求6所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述支撑架包括位于上端的与所述底座接触的小圆环、位于下端的大圆环和连接所述小圆环和所述大圆环且等间隔分布的的三连接件，所述小圆环的内径小于所述压力仓的内径，而其外径大于所述压力仓的内径。

8.如权利要求1所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述活塞体的下部设有压力传感器，所述加热仓中设有温度传感器，所述压力传感器、所述温度传感器和所述CT扫描系统均与起控制作用的PC机连接。

9.如权利要求8所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置，其特征在于：所述活塞体的侧壁设有若干密封圈。

10.如权利要求1至10任一项所述的模拟天然地质沉积环境下泥样沉积物变化的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将在野外采集的样品放入所述野外采集装置中的所述样品容器中，盖上所述采样顶盖密封所述样品容器，然后将所述野外采集装置运至实验室；

步骤2：卸下所述野外采集装置中的所述采样底盖和所述采样顶盖，以所述样品容器取代所述样品室安装于所述高低温恒温加热系统和所述水样收集系统中；

步骤3：启动所述高低温恒温加热系统和所述恒压恒流加压系统，对所述样品容器进行加压和加温操作，启动所述CT扫描系统，对所述高低温恒温加热系统进行扫描以观测所述样品容器中的样品变化。