CN111812267A - 多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置及其实验方法包括两套结构相同的反应设备，每套反应设备包括釜体，釜体外有釜体加热装置；釜体内有搅拌磁子、岩芯夹持器、高精度测温传感器；釜盖装有压力表、进气针阀、排气针阀和防爆阀；第一套反应设备底部通过第三号放液阀与四通接头连接；第一套反应设备上半部依次通过导管接头、溶液传输泵、第四号放液阀与四通接头连接；第二套反应设备底部通过第五号放液阀与四通接头连接，还与第一号放液阀连接；四通接头与集液瓶连接。本发明可模拟自然状态下应力场‑化学场‑温度场多场耦合的地质赋存条件，岩石周围环境热水与不同岩性岩体发生的动态联动热水‑岩化学作用的反应过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置及其实验方法，可模拟深部岩体处于应力场-化学场-温度场多场耦合的地质赋存条件下与岩体周围环境热水发生动态联动热水岩化学风化过程。
背景技术
自然界中存在着不同物理、力学与化学过程，如果这些过程间存在着相互影响，即一个过程的发生与发展将会受到或影响到另一个过程的发生和发展，那么称这些过程为耦合作用过程。水岩化学作用不仅是影响地表岩石风化过程非常重要的因素，在地下深部地区也存在着复杂的岩体化学风化，因其反应机理非常复杂、可显著改变岩体工程性质，近年来引起全球学者们高度重视。传统的水-岩作用模拟主要从常温常压的地质赋存环境角度出发，研究各种水-岩相互作用体系中水和矿物之间所发生的各种地球化学反应。然而在深部自然条件下，大量的地质事实反映水岩化学作用常常具有不同于地表岩石的复杂地质赋存条件，同时水岩化学反应的类型可分为很多种，如氧化、溶解、聚合等，不同的反应类型对于矿物的影响机制各不相同，如酸性条件下碳酸盐可通过分解反应迅速溶解，造成岩体力学结构弱化。同样在酸性条件下溶液与岩石作用也可能通过聚合反应，在岩体裂隙位置生成一些胶结物，反而造成岩体的力学强度提高。同时又有压力场-温度场的影响，使得深部岩体周围形成的化学场尤为复杂。
中国专利201110440668.4号公开了一种CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置。该装置具有可满足CO2-水-岩反应的温度、压力要求，使CO2-水-岩反应实验在恒定压力下有足量的水、岩、气样品相互反应。该实验装置主要包括以环封连接可拆卸的反应釜、CO2气瓶和排气阀，本发明结构合理，实用性强，具有操作简单和较为经济的特点。但该装置只能作为近地表常温状态下简单的水-岩反应装置，不能作为深部岩体在地下高温高压的地质赋存条件下动态联动的复杂热水-岩作用的真实反应类型。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可模拟岩体试样在应力场-温度场-化学场多场耦合下动态联动热水-岩化学作用试验装置及其实验方法，可调节的条件有反应釜内温度、压力和搅拌磁子转速。
本发明的具体技术方案是：
多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置，包括两套结构相同的反应设备，分别为第一套反应设备和第二套反应设备；每套反应设备包括釜体，釜体设有釜盖，釜盖设有翅型斧柄手柄装置；釜体外有釜体加热装置；釜体内，搅拌磁子安装在岩芯夹持器的下方，搅拌磁子由磁动力装置驱动；釜体内部设有密封栓；釜盖装有压力表、进气针阀、排气针阀和防爆阀，釜体内设有高精度测温传感器；
第一套反应设备底部通过第三号放液阀与四通接头连接；
第一套反应设备上半部依次通过导管接头、溶液传输泵、第四号放液阀与四通接头连接；
第二套反应设备底部通过第五号放液阀与四通接头连接；第二套反应设备与第一号放液阀连接；
四通接头还通过第二号放液阀与集液瓶连接；
还包括PID人工智能控制仪，两套反应设备的釜体加热装置、磁动力装置、高精度测温传感器均与PID人工智能控制仪相连。
两套结构相同的反应设备为岩石试件与水溶液发生水-岩作用反应的主要装置，实验可通过设定不同温度、不同气压，不同磁子搅拌速率来模拟温度场-应力场-化学场多场耦合作用下岩石动态联动热水-岩作用化学风化情况，在釜内形成高水压环境的所需气体可通过连接高压管道的进气针阀，导入热水-岩化学反应装置，再通过排气针阀调整反应装置内所需的气体压力。使用磁子搅拌器可模拟动水环境使得水溶液流动。岩芯夹持器被支架撑起在搅拌磁子的上方。当需要单釜反应时，扣紧内部密封栓可有封闭釜体的作用。
PID人工智能控制仪的调节按钮可设定并定时反应釜内恒定温度，通过转速旋钮可以调节釜体底部磁子转速来控制水环境溶液的流速。
该装置通过各个阀门的控制模拟水溶液在同一岩性地层或不同岩性地层内发生的水-岩作用的流向控制过程。当进行单釜流动循环水-岩反应时，打开密封栓以及十字型四通接头的左边两个放液阀和溶液传输泵。当进行多釜流动联动水-岩反应时，关闭溶液传输泵和十字型四通接头的上方、下方放液阀，利用气压把左边反应釜中水溶液压如右方反应釜内参加不同岩性的水-岩作用反应，来模拟热水流经不同岩性地层发生的多重水-岩作用反应。
具体的采用上述的实验装置，进行的实验方法为：
一、单釜动态循环水-岩作用反应过程：
步骤1、关闭第二号放液阀和第五号放液阀，打开第一套反应设备的密封栓，启用第一套反应设备，在第一套反应设备内放入岩石试件，倒入参与水-岩作用的水溶液，盖上釜盖，对角拧紧6个高压螺栓采用法兰式紧固；
步骤2、关闭第一套反应设备的排气针阀，打开第一套反应设备进气针阀，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备的釜体内；
步骤3、观察第一套反应设备的压力表，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备的进气针阀；
步骤4、用PID人工智能控制仪将第一套反应设备的釜体内温度加热调至设定值并保温定时；
步骤5、第一套反应设备的搅拌磁子启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀和第四号放液阀，开启溶液传输泵；
步骤7、反应完成后停止加热和搅拌；打开第一套反应设备的排气针阀，排净釜内高压气体；
步骤8、打开第二号放液阀，使得反应水溶液流入集液瓶，待反应水溶液排出；
步骤9、打开第一套反应设备取出岩石试件。
二、多釜动态联动水-岩作用反应过程：
步骤1、关闭第二号放液阀和第五号放液阀，打开第一套反应设备和第二套反应设备的密封栓，在第一套反应设备和第二套反应设备内均放入岩石试件，倒入参与热水-岩作用的水溶液，盖上釜盖，启用第一套反应设备；
步骤2、关闭第一套反应设备的排气针阀，打开第一套反应设备进气针阀，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备的釜体内；
步骤3、观察第一套反应设备的压力表，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备的进气针阀；
步骤4、用PID人工智能控制仪将温度第一套反应设备的釜体内温度加热调至设定值并保温定时；
步骤5、第一套反应设备的搅拌磁子启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀和第四号放液阀，开启溶液传输泵；
步骤7、反应完成后，关闭溶液传输泵和第四号放液阀，第一号放液阀；
打开第五号放液阀，在气体压力的作用下使得溶液进入第二套反应设备的釜体中；
步骤8、待水溶液完全进入第二套反应设备的釜体时，关闭第五号放液阀；
步骤9、关闭第二套反应设备的排气针阀，打开第二套反应设备的进气针阀，使高压气瓶中的气体进入第二套反应设备的釜体内；
步骤10、观察第二套反应设备的压力表，待达到实验设定压力，关闭第二套反应设备的进气针阀；
步骤11、反应完成后打开第一号放液阀，水溶液排出。
步骤12、打开第一套反应设备、第二套反应设备取出岩石试件。
本发明的优点是：本装置具有真实还原模拟自然状态下应力场-化学场-温度场多场耦合的地质赋存条件下，岩石周围环境热水溶液与不同岩性岩体发生的动态联动水岩化学风化过程，为研究各种岩石热水-岩化学作用动力学关系及深部岩体的化学风化过程和机理提供重要试验依据。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1，多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置，该装置分为三个部分：
热水-岩化学作用部分：包括两套结构相同的反应设备，分别为第一套反应设备100和第二套反应设备200；每套反应设备包括釜体15，釜体15设有釜盖2，釜盖2设有翅型斧柄手柄装置4；釜体15外有釜体加热装置5；釜体15内，搅拌磁子13安装在岩芯夹持器14的下方，搅拌磁子13由磁动力装置8驱动；釜体15内部设有密封栓7，釜盖2装有压力表19、进气针阀17、排气针阀3和防爆阀1，釜体15内设有高精度测温传感器18；
控制水溶液流动部分：包括第一号放液阀6、第二号放液阀9、第三号放液阀11、第四号放液阀22、第五号放液阀24、导管接头20、溶液传输泵21和十字型不锈钢的四通接头23，各部分均通过PVC金属钢丝透明软管12相连。
第一套反应设备100底部通过第三号放液阀11与四通接头23连接；
第一套反应设备100上半部依次通过导管接头20、溶液传输泵21、第四号放液阀22与四通接头23连接；
第二套反应设备200底部通过第五号放液阀24与四通接头23连接；第二套反应设备200与第一号放液阀6连接；
四通接头23还通过第二号放液阀9与集液瓶10连接；集液瓶10来接收反应水溶液用来取样检测。
温度和磁子转速控制部分：包括PID人工智能控制仪29，设有转速旋钮25、温度开关26、调节按钮27以及LCD液晶显示屏28。两套反应设备的釜体加热装置5、磁动力装置8、高精度测温传感器18均与PID人工智能控制仪29相连。
通过转速旋钮25可以通过磁动力装置8调节搅拌磁子13的转速。通过调节按钮27可以控制釜体加热装置5设定反应釜内温度。
釜盖2与釜体15使用六根高压螺栓采用法兰式紧固结构，密封方式采用软密封和硬密封结构。釜体15采用优质锻造316L不锈钢材质，可与釜体加热装置5可完全分离，内部装有密封栓7防止反应液体外流。
釜盖2设有翅型斧柄手柄装置4方便反应釜的拆卸工作。
釜体加热装置5，采用全封闭式不锈钢加热器，快速导热嵌入式加热模块，PID人工智能控制仪29双路控温使得加热均匀稳定，有效防止冲温。
搅拌装置的磁动力装置8采用钐钴强磁动力装置，磁悬浮搅拌的方式，无噪声，寿命长，转速/方向自由设定，搅拌速度在0-1000rpm。
监测装置包括，压力表19为指针式不锈钢压力表，实时监测釜内压力，压力范围在-0.1—10Mpa；高精度测温传感器18采用K型热电偶深入釜体15内部，实时监测反应釜内反应温度。
压力装置，进气针阀17和排气针阀3为耐高温高压进排气针阀，接口3mm(八分之一)卡套。
压力防爆装置，装有防爆阀1，采用哈氏合金防爆膜。
控制装置，采用先进PID人工智能控制，PID人工智能控制仪29具有定时恒温功能，温度范围在0-200℃，控温精度在±1℃，定时范围在0-999min。当反应温度或时间超过设定值后均会触发报警，与反应釜通过导线相连接的LCD液晶显示屏28界面上会有提示，并伴有声音警报。
实验过程如下：
单釜动态循环水-岩作用反应过程：
步骤1、关闭第二号放液阀9和第五号放液阀24，打开第一套反应设备100和第二套反应设备200的密封栓7，在第一套反应设备100内放入岩石试件，倒入参与热水-岩作用的水溶液，盖上釜盖2，对角拧紧六个高压螺栓16采用法兰式紧固；
步骤2、关闭第一套反应设备100的排气针阀3，打开第一套反应设备100进气针阀17，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备100的釜体15内；
步骤3、观察第一套反应设备100的压力表19，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备100的进气针阀17；
步骤4、用PID人工智能控制仪29将温度第一套反应设备100的釜体15内温度加热调至设定值并保温；
步骤5、第一套反应设备100的搅拌磁子13启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀11和第四号放液阀22，开启溶液传输泵21；
步骤7、反应完成后停止加热和搅拌；打开第一套反应设备100的排气针阀3，排净釜内高压气体；
步骤8、打开第二号放液阀9，使得反应水溶液流入集液瓶10，待反应水溶液排出；
步骤9、打开第一套反应设备100取出岩石试件。
多釜动态联动水-岩作用反应过程：
步骤1、关闭第二号放液阀9和第五号放液阀24，打开第一套反应设备100的密封栓7，启用第一套反应设备100；在第一套反应设备100和第二套反应设备200内均放入岩石试件，倒入参与热水-岩作用的水溶液，盖上釜盖2；
步骤2、关闭第一套反应设备100的排气针阀3，打开第一套反应设备100进气针阀17，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备100的釜体15内；
步骤3、观察第一套反应设备100的压力表19，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备100的进气针阀17；
步骤4、用PID人工智能控制仪29将温度第一套反应设备100的釜体15内温度加热调至设定值并保温定时；
步骤5、第一套反应设备100的搅拌磁子13启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀11和第四号放液阀22，开启溶液传输泵21；
步骤7、反应完成后，关闭溶液传输泵21和第四号放液阀22，第一号放液阀6；
打开第五号放液阀24，在气体压力的作用下使得溶液进入第二套反应设备200的釜体15中；
步骤8、待水溶液完全进入第二套反应设备200的釜体15时，关闭第五号放液阀24；
步骤9、关闭第二套反应设备200的排气针阀3，打开第二套反应设备200的进气针阀17，使高压气瓶中的气体进入第二套反应设备200的釜体15内；
步骤10、观察第二套反应设备200的压力表19，待达到实验设定压力，关闭第二套反应设备200的进气针阀17；
步骤11、反应完成后打开第一号放液阀6，水溶液排出。
步骤12、打开第一套反应设备100、第二套反应设备200取出岩石试件。
Claims (3)
1.多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置，其特征在于：
包括两套结构相同的反应设备，分别为第一套反应设备(100)和第二套反应设备(200)；每套反应设备包括釜体(15)，釜体(15)设有釜盖(2)，釜盖(2)设有翅型斧柄手柄装置(4)；釜体(15)外有釜体加热装置(5)；釜体(15)内，搅拌磁子(13)安装在岩芯夹持器(14)的下方，搅拌磁子(13)由磁动力装置(8)驱动；釜体(15)内部设有密封栓(7)；釜盖(2)装有压力表(19)、进气针阀(17)、排气针阀(3)和防爆阀(1)，釜体(15)内设有高精度测温传感器(18)；
第一套反应设备(100)底部通过第三号放液阀(11)与四通接头(23)连接
第一套反应设备(100)上半部依次通过导管接头(20)、溶液传输泵(21)、第四号放液阀(22)与四通接头(23)连接；
第二套反应设备(200)底部通过第五号放液阀(24)与四通接头(23)连接；
四通接头(23)还通过第二号放液阀(9)与集液瓶(10)连接；第二套反应设备(200)与第一号放液阀(6)连接；
还包括PID人工智能控制仪(29)，两套反应设备的釜体加热装置(5)、磁动力装置(8)、高精度测温传感器(18)均与PID人工智能控制仪(29)相连。
2.采用权利要求1所述的多场耦合作用动态联动水岩作用实验装置进行的多场耦合作用动态联动水岩作用实验方法，其特征在于，包括单釜动态循环水-岩作用反应过程，步骤为：
步骤1、关闭第二号放液阀(9)和第五号放液阀(24)，打开第一套反应设备(100)的密封栓(7)，启用第一套反应设备(100)，在第一套反应设备(100)内放入岩石试件，倒入参与热水-岩作用的水溶液，盖上釜盖(2)，对角拧紧六个高压螺栓(16)采用法兰式紧固；
步骤2、关闭第一套反应设备(100)的排气针阀(3)，打开第一套反应设备(100)进气针阀(17)，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备(100)的釜体(15)内；
步骤3、观察第一套反应设备(100)的压力表(19)，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备(100)的进气针阀(17)；
步骤4、用PID人工智能控制仪(29)将第一套反应设备(100)的釜体(15)内温度加热调至设定值并保温定时；
步骤5、第一套反应设备(100)的搅拌磁子(13)启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀(11)和第四号放液阀(22)，开启溶液传输泵(21)；
步骤7、反应完成后停止加热和搅拌；打开第一套反应设备(100)的排气针阀(3)，排净釜内高压气体；
步骤8、打开第二号放液阀(9)，使得反应水溶液流入集液瓶(10)，待反应水溶液排出；
步骤9、打开第一套反应设备(100)取出岩石试件。
3.根据权利要求2所述的多场耦合作用动态联动水岩作用实验方法，其特征在于，还包括多釜动态联动水-岩作用反应过程，步骤为：
步骤1、关闭第二号放液阀(9)和第五号放液阀(24)，打开第一套反应设备(100)和第二套反应设备(200)的密封栓(7)；在第一套反应设备(100)和第二套反应设备(200)内均放入岩石试件，倒入参与水-岩作用的水溶液，盖上釜盖(2)；首先启用第一套反应设备(100)；
步骤2、关闭第一套反应设备(100)的排气针阀(3)，打开第一套反应设备(100)进气针阀(17)，使高压气瓶中的气体进入第一套反应设备(100)的釜体(15)内；
步骤3、观察第一套反应设备(100)的压力表(19)，待达到实验设定压力，关闭第一套反应设备(100)的进气针阀(17)；
步骤4、用PID人工智能控制仪(29)将温度第一套反应设备(100)的釜体(15)内温度加热调至设定值并保温定时；
步骤5、第一套反应设备(100)的搅拌磁子(13)启动搅拌；
步骤6、打开第三号放液阀(11)和第四号放液阀(22)，开启溶液传输泵(21)；
步骤7、反应完成后，关闭溶液传输泵(21)和第四号放液阀(22)，第一号放液阀(6)；
打开第五号放液阀(24)，在气体压力的作用下使得溶液进入第二套反应设备(200)的釜体(15)中；
步骤8、待水溶液完全进入第二套反应设备(200)的釜体(15)时，关闭第五号放液阀(24)；
步骤9、关闭第二套反应设备(200)的排气针阀(3)，打开第二套反应设备(200)的进气针阀(17)，使高压气瓶中的气体进入第二套反应设备(200)的釜体(15)内；
步骤10、观察第二套反应设备(200)的压力表(19)，待达到实验设定压力，关闭第二套反应设备(200)的进气针阀(17)；
步骤11、反应完成后打开第一号放液阀(6)，水溶液排出。
步骤12、打开第一套反应设备(100)、第二套反应设备(200)取出岩石试件。
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