CN111337379A - 一种海洋沉积物气体渗透性测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海洋沉积物气体渗透性测量装置及其使用方法,包括圆柱钢桶以及与其连通的钢瓶，圆柱钢桶下部为底座，圆柱钢桶中部为空腔并安装沉积物仓，圆柱钢桶上部为金属法兰盘，金属法兰盘上方安装圆桶盖，圆桶盖中心位置安装有出气管，出气管上安装有气体流量计，钢瓶内气体为氩气，钢瓶通过柔性压力管与圆柱钢桶的进气口连接，进气口设有进气压力表，柔性压力管上设有气瓶或气体流量控制器。通过本发明的技术方案，可以测定不同含水率的海洋沉积物的渗透系数，对于高渗透性和低渗透性的沉积物均适应；采用气体测试海洋沉积物的渗透系数，克服了传统土体渗透系数测量误差较大的缺点，用气体测量渗透系数与真实情况更加接近。

Description

一种海洋沉积物气体渗透性测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及海洋沉积物渗透性测试技术领域，具体而言，特别涉及一种海洋沉积物气体渗透性测量装置及其使用方法。

背景技术

海洋沉积物是人类进行海洋工程建设和海底化石能源开发的重要载体。海洋沉积物以下蕴含大量的气体。这些气体在受到自然因素或者人为因素扰动后会向海床面运移，气体向海床面运移进入海水以及大气中对生态环境和人类活动均会造成重要影响。

气体向海床面运移的过程受到海洋沉积物渗透性的影响。渗透性越大气体运移越快越容易，渗透性越小气体运移越慢甚至会导致超口隙水压力积累，诱发更大规模的地质灾害。海洋沉积物的渗透性受到多种因素的影响，例如：海洋沉积物类型、孔隙结构以及含水率等因素。因为海洋沉积物处于含水状态，因此研究含水率对其渗透性的影响具有很重要的意义，其中沉积物含水率越高气体渗透性越低。目前室内试验对土或者砂的渗透性多采用水头试验测量，通过记录一定时间内水头的降低来计算渗透系数。这种方法测量渗透系数误差较大，对于渗透性较低的试样无法进行测量，并且用气体测量渗透系数与现场真实情况更加接近。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种海洋沉积物气体渗透性测量装置及其使用方法，针对不同含水率的海洋沉积物均可以完成对其渗透系数的测量。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，包括圆柱钢桶以及与其连通的钢瓶，圆柱钢桶分为上中下三部分，圆柱钢桶下部为底座，底座中心位置设有进气管，底座侧壁上设有进气口，进气口与进气管连通；圆柱钢桶中部为空腔并安装沉积物仓，沉积物仓的上下两端安装有透气垫片；圆柱钢桶上部为金属法兰盘，金属法兰盘上表面设有一圈圆形凹槽，圆形凹槽内安装密封圈，金属法兰盘设有6个第一螺口，金属法兰盘上方安装圆桶盖，圆桶盖设有6个第二螺口，圆柱钢桶和圆桶盖之间通过6个螺栓将第一螺口和第二螺口连接固定，圆桶盖中心位置安装有出气管，出气管和圆桶盖通过第二锥形密封螺栓固定，出气管上安装有气体流量计；所述钢瓶内气体为氩气，钢瓶出口处设置降压阀门，降压阀门通过柔性压力管与进气口连接，进气口设有进气压力表，进气压力表通过第一锥形密封螺栓固定在进气口上，柔性压力管上设有气瓶或气体流量控制器。

作为优选方案，气瓶前端依次连接第一阀门和气瓶压力表，气瓶后端连接第二阀门。

作为优选方案，气体流量控制器后端连接第三阀门。作为优选方案，沉积物仓为圆柱状结构。

作为优选方案，圆柱钢桶材料为316钢材。

一种海洋沉积物气体渗透性测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤（1）：在圆柱钢桶中部的沉积物仓空腔内部均匀的涂抹一层凡士林，将第一个透气垫片放置在圆柱钢桶底部，根据试验需要配置一定含水量的海洋沉积物，分五层填入圆柱钢桶内，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样；

步骤（2）：将第二个透气垫片放置在试样顶部，并将密封圈放置在圆柱钢桶上部的圆形凹槽内，盖上圆桶盖，扭紧螺栓将圆桶盖和圆柱钢桶固定；

步骤（3）：对于含水量较高的低渗透性海洋沉积物（渗透系数<10^-15m²），向气瓶内充入一定气压的氩气，并将气瓶和钢瓶之间的阀门关闭，等待气瓶内气压稳定后，打开气瓶和圆柱钢桶之间的阀门，让气体在压差的作用下逐渐渗透海洋沉积物，并通过出气管排出圆柱钢桶。当出气管上的气体流量计测得的流量稳定后，记录圆柱钢桶的进气压力表上的气压值；

对于含水量较低的高渗透性海洋沉积物（渗透系数>10^-15m²），打开钢瓶的阀门，并设定好降压阀门的降压值，使其不超过气体流量控制器的量程，根据实验需求设定气体流量控制器的流量，当圆柱钢桶的进气压力表测得的压力值稳定后，记录该压力值。

步骤（4）：根据测得的气体流量和气压值，通过达西定律计算该状态下海洋沉积物的气体渗透系数。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：

1、本实验装置可以测定不同含水率的海洋沉积物的渗透系数，对于高渗透性和低渗透性的沉积物均适应。

2、采用气体测试海洋沉积物的渗透系数，克服了传统土体渗透系数测量误差较大的缺点，用气体测量渗透系数与真实情况更加接近。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为圆柱钢桶的俯视结构示意图；

图4为圆柱钢桶的剖面结构示意图；

图5为圆桶盖的俯视结构示意图；

图6为圆桶盖的剖面结构示意图，

其中，图1至图6中附图标记与部件之间的对应关系为：

1钢瓶，2降压阀门，3第一阀门,4气瓶压力表,5气瓶，6第二阀门，7柔性压力管，8气体流量控制器，9第三阀门,10进气压力表,10-1第一锥形密封螺栓，11圆柱钢桶，12底座，13进气管，14进气口，15沉积物仓，16透气垫片，17金属法兰盘，18圆形凹槽，18-1密封圈，19第一螺口，20圆桶盖，21第二螺口，22螺栓，23出气管，24第二锥形密封螺栓,25气体流量计。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图6对本发明的实施例的海洋沉积物气体渗透性测量装置及其方法进行具体说明。

实施例1

如图1所示，一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，对于含水量较高的低渗透性海洋沉积物（渗透系数<10^-15m²），包括圆柱钢桶11以及与其连通的钢瓶1。如图3和图4所示，圆柱钢桶11分为上中下三部分，圆柱钢桶11材料为316钢材，圆柱钢桶11下部为底座12，底座12中心位置设有进气管13，底座12侧壁上设有进气口14，进气口14与进气管13连通。圆柱钢桶11中部为空腔并安装沉积物仓15，沉积物仓15为圆柱状结构，沉积物仓15内分五层填入海洋沉积物，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样，沉积物仓15的上下两端安装有透气垫片16，用于气体的通过并阻挡沉积物。圆柱钢桶11上部为金属法兰盘17，金属法兰盘17上表面设有一圈圆形凹槽18，圆形凹槽18内安装密封圈18-1，金属法兰盘17设有6个第一螺口19，金属法兰盘17上方安装圆桶盖20。如图5和图6所示，圆桶盖20设有6个第二螺口21，圆柱钢桶11和圆桶盖20之间通过6个螺栓22将第一螺口19和第二螺口21连接固定，再通过密封圈18-1进一步将圆柱钢桶11和圆桶盖20，圆桶盖20中心位置安装有出气管23，出气管23和圆桶盖20通过第二锥形密封螺栓24固定，出气管23上安装有气体流量计25，用于测量出气管23处的气体流量。如图1所示，钢瓶1内气体为氩气，钢瓶出口处设置降压阀门2，用于调整装置内的降压值，降压阀门2通过柔性压力管7与进气口14连接，进气口14设有进气压力表10，压力表10用于记录气压值；进气压力表10通过第一锥形密封螺栓10-1固定在进气口14上，柔性压力管7上设有气瓶5，可向气瓶5内充入一定气压的氩气，气瓶5前端依次连接第一阀门3和气瓶压力表4，气瓶5后端连接第二阀门6，通过控制阀门可让气体在压差的作用下逐渐渗透海洋沉积物。

一种海洋沉积物气体渗透性测量装置的使用方法，对于含水量较高的低渗透性海洋沉积物（渗透系数<10^-15m²），包括以下步骤：

步骤（1）：在圆柱钢桶11中部的沉积物仓15空腔内部均匀的涂抹一层凡士林，将第一个透气垫片16放置在沉积物仓15底部，根据试验需要配置一定含水量的海洋沉积物，分五层填入沉积物仓15内，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样；

步骤（2）：将第二个透气垫片16放置在试样顶部，并将密封圈18-1放置在圆柱钢桶11上部的圆形凹槽18内，盖上圆桶盖20，扭紧螺栓22将圆桶盖20和圆柱钢桶11固定；

步骤（3）：对于含水量较高的低渗透性海洋沉积物（渗透系数<10^-15m²），向气瓶5内充入一定气压的氩气，并将气瓶5和钢瓶1之间的阀门关闭，等待气瓶内气压稳定后，打开气瓶5和圆柱钢桶11之间的阀门，让气体在压差的作用下逐渐渗透海洋沉积物，并通过出气管23排出圆柱钢桶11。当出气管23上的气体流量计25测得的流量稳定后，记录圆柱钢桶11的进气压力表10上的气压值；

步骤（4）：根据测得的气体流量和气压值，通过达西定律计算该状态下海洋沉积物的气体渗透系数。

实施例2

如图2所示，一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，对于含水量较低的高渗透性海洋沉积物（渗透系数>10^-15m²），包括圆柱钢桶11以及与其连通的钢瓶1。如图3和图4所示，圆柱钢桶11分为上中下三部分，圆柱钢桶11材料为316钢材，圆柱钢桶11下部为底座12，底座12中心位置设有进气管13，底座12侧壁上设有进气口14，进气口14与进气管13连通。圆柱钢桶11中部为空腔并安装沉积物仓15，沉积物仓15为圆柱状结构，沉积物仓15内分五层填入海洋沉积物，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样，沉积物仓15的上下两端安装有透气垫片16，用于气体的通过并阻挡沉积物。圆柱钢桶11上部为金属法兰盘17，金属法兰盘17上表面设有一圈圆形凹槽18，圆形凹槽18内安装密封圈18-1，金属法兰盘17设有6个第一螺口19，金属法兰盘17上方安装圆桶盖20。如图5和图6所示，圆桶盖20设有6个第二螺口21，圆柱钢桶11和圆桶盖20之间通过6个螺栓22将第一螺口19和第二螺口21连接固定，再通过密封圈18-1进一步将圆柱钢桶11和圆桶盖20，圆桶盖20中心位置安装有出气管23，出气管23和圆桶盖20通过第二锥形密封螺栓24固定。如图1所示，钢瓶1内气体为氩气，钢瓶出口处设置降压阀门2，用于调整装置内的降压值，使其不超过气体流量控制器8的量程，降压阀门2通过柔性压力管7与进气口14连接，进气口14设有进气压力表10，压力表10用于记录气压值；进气压力表10通过第一锥形密封螺栓10-1固定在进气口14上，柔性压力管7上设有气体流量控制器8，可以根据实验需求设定气体流量控制器8的气体流量，气体流量控制器8后端连接第三阀门9。

一种海洋沉积物气体渗透性测量装置的使用方法，对于含水量较低的高渗透性海洋沉积物（渗透系数>10^-15m²），包括以下步骤：

步骤（1）：在圆柱钢桶11中部的沉积物仓15空腔内部均匀的涂抹一层凡士林，将第一个透气垫片16放置在圆柱钢桶11底部，根据试验需要配置一定含水量的海洋沉积物，分五层填入圆柱钢桶11内，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样；

步骤（2）：将第二个透气垫片16放置在试样顶部，并将密封圈18-1放置在圆柱钢桶11上部的圆形凹槽18内，盖上圆桶盖20，扭紧螺栓22将圆桶盖20和圆柱钢桶11固定；

步骤（3）：对于含水量较低的高渗透性海洋沉积物（渗透系数>10^-15m²），打开钢瓶1的阀门，并设定好降压阀门2的降压值，使其不超过气体流量控制器8的量程，根据实验需求设定气体流量控制器8的流量，当圆柱钢桶11的进气压力表10测得的压力值稳定后，记录该压力值；

步骤（4）：根据测得的气体流量和气压值，通过达西定律计算该状态下海洋沉积物的气体渗透系数。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，包括圆柱钢桶（11）以及与其连通的钢瓶（1），其特征在于,所述圆柱钢桶（11）分为上中下三部分，圆柱钢桶（11）下部为底座（12），底座（12）中心位置设有进气管（13），底座（12）侧壁上设有进气口（14），进气口（14）与进气管（13）连通；圆柱钢桶（11）中部为空腔并安装沉积物仓（15），沉积物仓（15）的上下两端安装有透气垫片（16）；圆柱钢桶（11）上部为金属法兰盘（17），金属法兰盘（17）上表面设有一圈圆形凹槽（18），圆形凹槽（18）内安装密封圈（18-1），金属法兰盘（17）设有6个第一螺口（19），金属法兰盘（17）上方安装圆桶盖（20），圆桶盖（20）设有6个第二螺口（21），圆柱钢桶（11）和圆桶盖（20）之间通过6个螺栓（22）将第一螺口（19）和第二螺口（21）连接固定，圆桶盖（20）中心位置安装有出气管（23），出气管（23）和圆桶盖（20）通过第二锥形密封螺栓（24）固定，出气管（23）上安装有气体流量计（25）；

所述钢瓶（1）内气体为氩气，钢瓶出口处设置降压阀门（2），降压阀门（2）通过柔性压力管（7）与进气口（14）连接，进气口（14）设有进气压力表（10），进气压力表（10）通过第一锥形密封螺栓（10-1）固定在进气口（14）上，柔性压力管（7）上设有气瓶（5）或气体流量控制器（8）。

2.根据权利要求1所述的一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，其特征在于,所述气瓶（5）前端依次连接第一阀门（3）和气瓶压力表（4），气瓶（5）后端连接第二阀门（6）。

3.根据权利要求1所述的一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，其特征在于,所述气体流量控制器（8）后端连接第三阀门（9）。

4.根据权利要求1所述的一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，其特征在于,所述沉积物仓（15）为圆柱状结构。

5.根据权利要求1所述的一种海洋沉积物气体渗透性测量装置，其特征在于,所述圆柱钢桶（11）材料为316钢材。

6.如权利要求1-5所述的一种海洋沉积物气体渗透性测量装置的使用方法，其特征在于, 包括以下步骤：

步骤（1）：在圆柱钢桶（11）中部的沉积物仓（15）空腔内部均匀的涂抹一层凡士林，将第一个透气垫片（16）放置在圆柱钢桶（11）底部，根据试验需要配置一定含水量的海洋沉积物，分五层填入圆柱钢桶（11）内，每填一层均进行夯实，制成直径4cm，高度8cm的圆柱形试样；

步骤（2）：将第二个透气垫片（16）放置在试样顶部，并将密封圈（18-1）放置在圆柱钢桶（11）上部的圆形凹槽（18）内，盖上圆桶盖（20），扭紧螺栓（22）将圆桶盖（20）和圆柱钢桶（11）固定；

步骤（3）：对于含水量较高的低渗透性海洋沉积物（渗透系数<10^-15m²），向气瓶（5）内充入一定气压的氩气，并将气瓶（5）和钢瓶（1）之间的阀门关闭，等待气瓶内气压稳定后，打开气瓶（5）和圆柱钢桶（11）之间的阀门，让气体在压差的作用下逐渐渗透海洋沉积物，并通过出气管（23）排出圆柱钢桶（11），当出气管（23）上的气体流量计（25）测得的流量稳定后，记录圆柱钢桶（11）的进气压力表（10）上的气压值；对于含水量较低的高渗透性海洋沉积物（渗透系数>10^-15m²），打开钢瓶（1）的阀门，并设定好降压阀门（2）的降压值，使其不超过气体流量控制器（8）的量程，根据实验需求设定气体流量控制器（8）的流量，当圆柱钢桶（11）的进气压力表（10）测得的压力值稳定后，记录该压力值；

步骤（4）：根据测得的气体流量和气压值，通过达西定律计算该状态下海洋沉积物的气体渗透系数。

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