CN114414618B - 基于温压效应的土体三相占比分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，进行三相占比分析时，引入热导率概念；热导率是土体的基本性质之一，也是岩土土材料导热规律及热环境变化规律的重要研究内容，可以很好的反映土体性质，同时相对稳定，便于测取，本方案引入热导率这个参数来进行理论计算，三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相得体积分数有关，进而得到固相含量和液相含量，更好的服务于土体的热特性研究，在海底石油、天然气管道预测设计与布放、地热勘探、资源勘探等领域具有广阔的应用前景。

Description

基于温压效应的土体三相占比分析计算方法

技术领域

本发明涉及土体中三相占比分析领域，具体涉及一种基于温压效应的土体三相占比分析计算方法。

背景技术

温度梯度广泛存在于自然界中，同时，埋设在地下的电缆长时间通电发热，对周围土体也会产生温度梯度作用。而温度的变化又会引起热源附近的土体中的吸力、含水量等发生变化，引起土体渗透特性、土水特性以及热-水-力耦合特性的改变。土体是由固相、气相、液相组成的复杂三相体系。在天然条件下，土体的固相与液相含量较稳定，温度作为自然界气体运动的主要驱动力，其梯度变化对三相土中气相存在形态有着重要的意义。

三相土中，在给定的有效应力下，气泡的热膨胀会显著改变超孔压，降低或增加土体的不排水抗剪强度等，土体中的孔隙结构变化会产生宏观变形，甚至会在局部产恶劣效应，从而影响土体的承载力和稳定性。

现有技术中，对于土体含气量的研究较少，大部分研究都是在实验室室内制备含气土之后，通过三轴实验等进行含气量的测量。通过相应的测量装置得到各相体积以后，如何通过理论计算方法获得三相比例也是研究重点，但是含气量在室内试验中一直难以界定，在室内基本就是通过CT扫描，但是由于CT机扫一次价格非常昂贵，且制备好含气土样之后的运输过程中会造成气体散失，不仅成本高昂，测量结果也不准确，对土体三相占比分析计算也会产生影响。

发明内容

本发明提出一种基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，实现对土体中固液气三相占比的理论分析，为土体的热特性研究提供理论指导。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，包括以下步骤：

步骤A、确定气相含量x_a；

其中，V_a表示测得的气相体积，V₁表示土体初始体积；

步骤B、确定固相和液相含量；

三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相的体积分数有关，进而得到固相含量x_s和液相含量x_w：

其中，Q_d为点热源的瞬时发热量；t₀为加热时间；r为测点与热源间距；c为土体比热容；ρ为土体密度；α为土体热扩散系数；λ_s、λ_w、λ_a分别表示固相、液相和气相组分热导率；由x_a：x_w：x_s即可算得三相比例。

进一步的，所述步骤B具体通过以下方式实现：

B1、设液相含量固相含量/>由步骤A可以求得气相含量，即x_a为已知数，因此可得：

其中，角标s、w、a分别代表土颗粒，孔隙水，孔隙气，x_s、x_w、x_a分别表示固相、液相和气相的含量，V_s、V_w、V_a分别表示固相、液相和气相的体积；

B2、将土体模型进行简化，假设土体组成为单一成分的土颗粒、孔隙气和孔隙水；

1)该土体单元的温度计算公式如下：

式中：

Q_d---点热源的瞬时发热量；

t₀---加热时间；

r---测点与热源间距；

c---土体比热容；

ρ---土体密度；

α---土体热扩散系数；

λ---土体热导率；

式中：

C_v---土体容积热容量；

2)土体容积热容量是土体各组成部分——固体颗粒、水、空气的热容量的加权平均：

C_v＝c_sρ_s+c_wθ_w+c_ax_a

式中：

c_s---土体颗粒比热容；

ρ_s---干密度；

c_w---水的容积热容量；

θ_w---体积含水率；

c_a---空气容积热容量；

x_a---空气含量；

因此，将热导率引入上式中，得

三相土表现出来的比热容、密度及热导率，实际均为气液固三相各自参数数值及比例确定的；

B3、由于空气的热容量远比土体颗粒和水的小，即c_ax_a非常小，因此，对于三相土来说，容积热容量为

C_v＝c_sρ_S+c_Wθ_w

对于三相土整体，比热容及密度由含水率可以求得；

B4、土体的热导率则看作是土体内部各个组分热导率的加权平均：

λ＝x_aλ_a+x_wλ_w+x_sλ_s

式中：

x——体积分数；

λ——热导率；

常规三相土中的气液固三相的比热容、密度及热导率均已知，其中三相土整体的含水率也可以测得，因此，三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相的体积分数有关，进而可以得到固相含量和液相含量。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案在进行三相占比分析时，引入热导率概念。热导率是土体的基本性质之一，也是岩土土材料导热规律及热环境变化规律的重要研究内容，可以很好的反映土体性质，同时相对稳定，便于测取，本方案引入热导率这个参数来进行理论计算，更好的服务于土体的热特性研究，在海底石油、天然气管道预测设计与布放、地热勘探、资源勘探等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例土体三相分离装置的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。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，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例，一种基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，通过理论分析获得固液气三相比例，所述气体主要指与甲烷气。如图1所示，为土体三相分离装置的结构示意图：包括密封罐、加热单元、气体收集单元和液体收集单元，所述密封罐由外壳1、密封盖2和底座3组成，密封罐内形成一盛放实验土体的样品腔，加热单元设置在样品腔的下方，样品腔的上方设有一顶板6，顶板6与实验土体直接接触，样品腔通过管道与气体收集单元和液体收集单元相连，管道的末端安装一吸气泵11，所述液体收集单元包括冷凝管12，用以将变为气体的液相冷凝收集，得出液相的体积V_w，所述气体收集单元包括收缩气囊13以及与收缩气囊13连接的微型吸气泵14，收缩气囊13用于收集冷凝后分离出的气相(甲烷)，微型吸气泵保证气相完全进入收缩气囊13，且收缩气囊13上装有位移传感器，可测量进入气相后气囊体积的变化。

所述管道内还设置有过滤网10，过滤网10的网粒径远小于土粒径，当装置温度升至一定数值，仅允许土中的气相和转化为气体的液相通过滤网，进入后续装置；

所述加热单元包括加热元件4以及温度扩散元件5，通过外部控制单元控制加热元件4进行发热升温，经温度扩散元件5实现温度的均匀扩散，以辅助加热元件，保证快速加热整个土体，同时可起到保温效果。

本实施例中，外壳1采用保温材料制作，或者是在外壳1的侧面设置保温材料，另外，为了保证实验的准确性，所述实验土体上还包裹有一层油膜。

另外，所述密封罐的侧壁上还设置有压力传感器16(压力表)以及以一定间距布设的多个纵向温度传感器15(温度计)，滑移顶板6上设置有多个横向温度传感器9，温度传感器分布至整块土体，以测量实验土体不同方位的温度，通过实时测取度数，保证土体温度分布均匀；压力传感器16用以实时测取密封罐内压力。

具体实施时，其操作方法如下：

步骤1、实验准备：

(1)根据实验需求制备实验土体，将实验土体配置重塑好以后，放入密封罐体内，以防土中气相逸失至设备外；

(2)打开吸气泵，将设备内土体外的气体吸出，抽真空；

(3)保持过滤网10一直关闭，打开冷凝管12及收缩气囊13，以将少量升温前透过过滤网10的实验土体中的气相收集；

步骤2、实验土体体积确定

实验前，在实验土体上部布设一层油膜保证土体总体积不变，且三相比例固定，获得三相总体体积V；

步骤3、对实验土体进行加热；

调节加热元件至150℃，油膜融化，并保持10h，以确保土体中的气相充分逸出，液相气化随之逸出，透过过滤网进入后续环节；

步骤4、确定液相体积；

打开吸气泵11，使得气相及气化的液相进入后续环节；调节冷凝管12，使气化的液相冷凝液化收集液相，在冷凝管中液相体积稳定5h小时后，获得液相体积V_w；

步骤5、确定气相体积；

打开微型吸气泵14保证气相完全进入收缩气囊13，收缩气囊13上装有位移传感器，以测量进入收缩气囊体积的变化，当数值稳定后，即得出气相的体积V_a；

本方案的研究对象：均匀的三相土中，在距离加热元件无限小的区域取一块无限小的单元土体，该单元土体的三相比例与整个土体比例相同。加热元件位于土体中央，在此处选取研究对象既可以保证与加热元件温度一致，也消除了边界效应，根据上述装置获得三相体积后，进而可以进行三相占比的分析计算，具体包括以下步骤：

步骤A、确定气相含量x_a；

其中，v_a表示通过装置测得的气相体积，v₁表示土体初始体积；

步骤B、确定固相和液相含量：

三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相得体积分数有关，进而得到固相含量x_s和液相含量x_w：

其中，Q_d为点热源的瞬时发热量；t₀为加热时间；r为测点与热源间距；c为土体比热容；ρ为土体密度；α为土体热扩散系数；λ_s、λ_w、λ_a分别表示固相、液相和气相组分热导率；

由x_a：x_w：x_s即可算得三相比例。

具体的，下面对本发明分析计算方法进行详细的说明：

其中，步骤A中，在恒压条件下，升温使得气相产生压力膨胀，带来的体积变化，使得土体整体体积由V₁变为V₂，根据理想气体状态方程：

pV＝nRT

式中：

p---土体气相的压强；

V---土体气相的体积；

n---气体物质的量；

T---理想气体的热力学温度；

R---理想气体常数；

可以确定：

△V＝V₂-V₁

即可求得三相土的气相含量

_a表示通过装置测得的气相体积，₁表示土体初始体积。

步骤B中，在确定固相含量和液相含量时，具体包括以下步骤：

B1、设液相含量固相含量/>由步骤A可以求得气相含量，即x_a为已知数，因此可得式(1)：

其中，角标s、w、a分别代表土颗粒，孔隙水，孔隙气，x_s、x_w、x_a分别表示固相、液相和气相的含量，V_s、V_w、V_a分别表示固相、液相和气相的体积；

B2、将土体模型进行简化，假设土体组成为单一成分的土颗粒、孔隙气和孔隙水；

1)该土体单元的温度计算公式如下：

式中：

Q_d---点热源的瞬时发热量(J)；

t₀---加热时间(s)；

r---测点与热源间距(mm)；

c---土体比热容(J/kg·℃)；

ρ---土体密度(kg/m³)；

α---土体热扩散系数(m²/s)；

λ---土体热导率(W/(m·K))；

式中：

C_v---土体容积热容量

2)土体容积热容量是土体各组成部分——固体颗粒、水、空气的热容量的加权平均：

C_v＝c×ρ＝c_sρ_s+c_wθ_w+c_ax_a

式中：

c_s---土体颗粒比热容；

ρ_s---干密度；

c_w---水的容积热容量；

θ_w---体积含水率；

c_a---空气容积热容量；

x_a---空气含量；

因此，将热导率引入上式中，得

三相土表现出来的比热容、密度及热导率，实际均为气液固三相各自参数数值及比例确定的；

B3、由于空气的热容量远比土体颗粒和水的小，即c_ax_a非常小，因此，对于三相土来说，容积热容量为

C_v＝c×ρ＝c_sρ_s+c_Wθ_w

式中：

ω---土体含水率；因此，对于三相土整体，比热容及密度由含水率可以求得；

B4、土体的热导率则看作是土体内部各个组分热导率的加权平均：

λ＝x_aλ_a+x_wλ_w+x_sλ_s (3)

式中：

x——体积分数，％

λ——热导率，W/(m·K)。

常规三相土中的气液固三相的比热容、密度及热导率均已知，其中三相土整体的含水率也可以测得。因此，三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相得体积分数有关。

B5、将公式(1)、(2)、(3)联立，可得

由x_a：x_w：x_s即可算得三相比例。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、确定气相含量x_a；

其中，V_a表示测得的气相体积，V₁表示土体初始体积；

步骤B、确定固相和液相含量；

三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相的体积分数有关，进而得到固相含量x_s和液相含量x_w：

其中，Q_d为点热源的瞬时发热量；t₀为加热时间；r为测点与热源间距；c为土体比热容；ρ为土体密度；λ_s、λ_w、λ_a分别表示固相、液相和气相组分热导率；

由x_a：x_w：x_s即可算得三相比例，θ表示土体单元的温度。

2.根据权利要求1所述的基于温压效应的土体三相占比分析计算方法，其特征在于：所述步骤B具体通过以下方式实现：

B1、设液相含量固相含量/>由步骤A可以求得气相含量，即x_a为已知数，因此可得：

其中，角标s、w、a分别代表土颗粒，孔隙水，孔隙气，x_s、x_w、x_a分别表示固相、液相和气相的含量，V_s、V_w、V_a分别表示固相、液相和气相的体积；

B2、将土体模型进行简化，假设土体组成为单一成分的土颗粒、孔隙气和孔隙水；

1)该土体单元的温度计算公式如下：

式中：

Q_d---点热源的瞬时发热量；

t₀---加热时间；

r---测点与热源间距；

c---土体比热容；

ρ---土体密度；

α---土体热扩散系数；

λ---土体热导率；

式中：

C_v---土体容积热容量；

2)土体容积热容量是土体各组成部分——固体颗粒、水、空气的热容量的加权平均：

C_v＝c_sρ_s+c_wθ_w+c_ax_a

式中：

c_s---土体颗粒比热容；

ρ_s---干密度；

c_w---水的容积热容量；

θ_w---体积含水率；

c_a---空气容积热容量；

x_a---空气含量；

因此，将热导率引入上式中，得

B3、由于空气的热容量远比土体颗粒和水的小，即c_ax_a非常小，因此，对于三相土来说，容积热容量为

C_v＝c_sρ_S+c_Wθ_w

B4、土体的热导率则看作是土体内部各个组分热导率的加权平均：

λ＝x_aλ_a+x_wλ_w+x_sλ_s

式中：

x——体积分数；

λ——热导率；

常规三相土中的气液固三相的比热容、密度及热导率均已知，其中三相土整体的含水率也可以测得，因此，三相土中的热导率仅与三相土中的气液固三相的体积分数有关。