CN114965142B - 用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，旨在解决当前水合物沉积物的土水特征测试数据极为匮乏和测试结果准确性不足的问题。本发明包括恒温恒湿控制箱、压力室、气体收集器、蠕动泵、天平和储水杯；压力室、天平和储水杯设置于恒温恒湿控制箱内；压力室内设置有陶土板，陶土板将压力室内部分为上腔室和下腔室，测试样品放置于上腔室；气体收集器与下腔室、储水杯连通；蠕动泵一端与下腔室连接，另一端与气体收集器连接；储水杯设置于天平上。通过恒温恒湿控制箱维持测试系统处于恒低温环境，并通过气体收集器收集气泡、维持水位恒定，以保证水合物沉积物的水合物不分解，并提高测试准确度。

Description

用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置。

背景技术

水合物开采过程中会使得水合物分解为气体和水，在重力和基质吸力的作用下分布在孔隙空间中，影响气体和液体流动，进而影响气体开采速率。基质吸力同孔隙分布和水的含量有关，其相关性可由土水特征曲线描述。水合物的存在改变了孔隙空间的几何形状，影响了无水合物时沉积物的土水特征曲线（SWCC），探究水合物沉积物的SWCC对于模拟气体流动及预测水合物储层的天然气产量至关重要。

SWCC是非饱和多孔介质的一个关键参数。在非饱和土领域，采用压力板仪测试SWCC的轴平移技术已十分成熟，其原理是利用一定压力下只允许水通过的陶土板隔绝气体和液体，两者之间的压差可视为基质吸力，在此压差下水会自由通过陶土板直至平衡，此时即可获得该基质吸力对应的含水率。压力板仪有四个关键部分：带陶土板的压力室、控制气压的气阀、排气泡装置和试样出(进)水量测量装置。根据其测试原理，试验过程中温度必须大于0，保证水分不结冰；气体最大压力不能超高陶土板的进气值，如1.5MPa；需经常操作排气泡装置以排除溶解在水中的气体以使得测量结果准确。

天然气水合物只能在高压低温条件下存在，温度低于0℃时，水结冰无法进行测量；温度高于0℃时，天然气水合物维持稳定需要的气体压力至少为4MPa。而当前只允许水通过不允许气体通过的陶土板能承受的最大气体压力仅为1.5MPa，远不能满足测量天然气水合物沉积物SWCC的需求。基于此，当前水合物沉积物SWCC的测试数据极其匮乏，水合物开采过程的数值模拟采用的参数多为不含水合物沉积物的参数，模拟结果准确性存疑。

由于天然气水合物稳定赋存的条件较为苛刻，实验室内只能在高压低温压力室或反应釜内实现，多种物理力学性质的测试受限。四氢呋喃水合物沉积物的物理力学性质同甲烷水合物沉积物相近，且可在4℃以下的温度环境内存在，常用来代替天然气水合物进行试验。水合物沉积物土水特征曲线的测试样品亦可采用四氢呋喃水合物沉积物，其关键技术是如何维持长时测量时的恒低温环境以防止水合物分解。现有的温控压力板仪技术多在压力室内周壁上设置循环液夹套以控温，但陶土板底座的液体和处于常温环境的液体称量装置相连，并非处于恒温状态，影响试验结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，以解决当前水合物沉积物土水特征曲线测试数据极为匮乏及现有设备测试结果准确性不足的问题。

为了解决上述问题，本发明提供的技术方案在于：

一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置包括恒温恒湿控制箱、压力室、气体收集器、蠕动泵、天平和储水杯；压力室、天平和储水杯设置于恒温恒湿控制箱内；压力室内设置有陶土板，陶土板将压力室内部分为上腔室和下腔室，测试样品放置于上腔室；气体收集器与下腔室、储水杯连通，用于收集气泡；蠕动泵一端与下腔室连接，另一端与气体收集器连接；储水杯设置于天平上；天平用于称量储水杯内水的重量的变化。

进一步的，气体收集器包括水容器、开关和推杆活塞；开关安装于水容器，用于将水容器分割为可通断的上空间和下空间；推杆活塞插装于水容器并设置于开关的上方，配置为可沿竖直方向移动；下空间与压力室、蠕动泵、和储水杯连通；水容器上设置有水位参考线，水位参考线设置于开关下方。

进一步的，水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括低温箱，气体收集器设置于低温箱内。

进一步的，陶土板下方设置有储水槽，储水槽用于收集通过陶土板的水分；储水槽一端与蠕动泵连接，另一端与下空间连接。

进一步的，储水槽内设置有隔板，隔板与储水槽的内壁形成连续弯曲的流道。

进一步的，用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括空气压缩机，空气压缩机与上腔室连通。

进一步的，用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括涡流管；涡流管设置于空气压缩机与上腔室之间。

进一步的，储水杯设置有密封盖。

进一步的，天平设置为可自动采集数据的高精度电子天平。

进一步的，用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括计算机，计算机与天平连接。

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

本发明提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置包括恒温恒湿控制箱、压力室、气体收集器、蠕动泵、天平和储水杯；压力室、天平和储水杯设置于恒温恒湿控制箱内；压力室内设置有陶土板，陶土板将压力室内部分为上腔室和下腔室，测试样品放置于上腔室；气体收集器与下腔室、储水杯连通，用于收集并排出气泡；蠕动泵一端与下腔室连接，另一端与气体收集器连接；储水杯设置于天平上；天平用于称量储水杯内水的重量的变化。

本发明提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置通过恒温恒湿控制箱、涡流管、和低温箱最大可能的维持整个测试系统的恒低温环境，保证水合物不发生分解，减小温度和湿度的变化对测量精度的影响，提高测试结果的准确性，从而有利于丰富测试数据。测试过程中测试样品中的水分在不同气压的作用下从测试样品中析出并通过陶土板进入下腔室，随后经过气体收集器进入储水杯，随着测试样品水分析出的变化，储水杯中的水量随之变化，进而测得土水特征曲线。此外通过蠕动泵使陶土板下方的水流动，进而使溶解在水中的气泡析出并进入水分收集器，降低溶于水中的气泡对测试结果的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置的结构示意图；

图2为气体收集器的结构示意图；

图3为压力室的结构示意图；

图4为储水槽的俯视图。

图标：100-恒温恒湿控制箱；200-压力室；300-气体收集器；400-蠕动泵；500-天平；600-储水杯；700-低温箱；800-空气压缩机；900-涡流管；1000-计算机；1100-气阀；210-陶土板；220-储水槽；310-水容器；320-开关；330-推杆活塞；221-隔板；a-上腔室；b-下腔室；c-上空间；d-下空间；e-水位参考线；f-第一水管；g-第二水管；h-第三水管；j-第四水管；k-进气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有的温控压力板仪技术多在压力室200内周壁上设置循环液夹套以控温，但陶土板210底座的液体和处于常温环境的液体称量装置相连，并非处于恒温状态。水合物沉积物中的水合物稳定存在对温度有极高的要求，非恒温环境可能诱发水合物分解，造成测试结果不可用。

有鉴于此，本发明提供了一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，包括恒温恒湿控制箱100、压力室200、气体收集器300、蠕动泵400、天平500和储水杯600；压力室200、天平500和储水杯600设置于恒温恒湿控制箱100内；压力室200内设置有陶土板210，陶土板210将压力室200内部分为上腔室a和下腔室b，测试样品放置于上腔室a；气体收集器300与下腔室b、储水杯600连通，用于收集气泡；蠕动泵400一端与下腔室b连接，另一端与气体收集器300连接；储水杯600设置于天平500上；天平500用于称量储水杯600内水的重量的变化。

本发明提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置通过恒温恒湿控制箱100以维持整个测试系统的恒低温环境，保证水合物不发生分解，减小温度和湿度的变化对测量精度的影响，提高测试结果的准确性，从而有利于丰富测试数据。测试过程中测试样品中的水分在不同气压的作用下从测试样品中析出并通过陶土板210进入下腔室b，随后经过气体收集器300进入储水杯600，随着测试样品水分析出的变化，储水杯600中的水量随之变化，进而测得土水特征曲线。此外通过蠕动泵400使陶土板210下方的水流动，进而使溶解在水中的气泡析出并进入水分收集器，降低溶于水中的气泡对测试结果的影响。

以下结合图1-图4对本实施例提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置的结构和形状进行详细说明：

本实施例提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括空气压缩机800、气阀1100和涡流管900，如图1所示，空气压缩机800、气阀1100和涡流管900依次连接，涡流管900通过进气管k与上腔室a连接。空气压缩机800用于向上腔室a内充入压缩空气；气阀1100用于控制气压，从而调节进入上腔室a的压力；涡流管900用于对进入上腔室a的空气进行降温，以维持压力室200恒低温环境，防止水合物分解。此外，涡流管900和恒温恒湿控制箱100之间的进气管k需要用保温棉包裹好，以降低室温的干扰。

本实施例提供的可选方案中，用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括计算机1000，通过计算机1000实时记录测量数据。具体的，天平500设置为高精度电子天平，并与计算机1000连接，从而实现实时记录数据。高精度电子天平的测量精度为0.001g，并通过将天平500和储水杯600设置于恒温恒湿控制箱100内以减少蒸发对测试结果的影响。

本实施例的可选方案中，如图2所示，气体收集器300包括水容器310、开关320和推杆活塞330。开关320安装于水容器310，用于将水容器310分割为可通断的上空间c和下空间d；推杆活塞330插装于水容器310并设置于开关320的上方，配置为可沿竖直方向移动，以调整下空间d的水位；下空间d与压力室200、蠕动泵400、和储水杯600连通；水容器310上设置有水位参考线e，水位参考线e设置于开关320下方，通过推动推杆活塞330来调整水容器310内的水位，使得每次排气泡操作后水容器310内的水位与水位参考线e平齐，通过水位参考线e来保证水容器310内的水量恒定。

进一步的，为减少室温的影响，用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置还包括低温箱700，气体收集器300设置于低温箱700内，通过低温箱700使水温维持在恒低温状态，将温度控制在0°—4℃范围内。

本实施例的可选方案中，陶土板210下方设置有储水槽220，用于收集通过陶土板210进入下腔室b的水分，储水槽220上端开口并与陶土板210形成封闭空间以容纳水分；储水槽220一端与蠕动泵400连接，另一端与气体收集器300的下空间d连接。

具体的，如图1、图3所示，储水槽220的一端通过第一水管f与蠕动泵400连接，蠕动泵400通过第二水管g与下空间d连接，通过蠕动泵400使得储水槽220中的水流动，进而使得溶解在水中的气泡析出；储水槽220另一端通过第三水管h与下空间d连接，下空间d通过第四水管j与储水杯600连接，从而形成下腔室b、下空间d、储水杯600之间的液体的连通。

需要注意的是，第四水管j与储水杯600连接的一端需置于液面以下，以保证液体连通，即在初始状态下，储水杯中需放置一定量的水。

进一步的，储水槽220内设置有隔板221，隔板221与储水槽220的内壁形成连续弯曲的流道，以便于水的流动，如图4所示。

本实施例可选方案中，储水杯600设置有密封盖，使储水杯600、下空间d和下腔室b形成密闭的空间，从而减少水分蒸发对测试精度的影响。

进一步的，设置于压力室200和气体收集器300之间且未在恒温恒湿控制箱100内的水管用保温棉包裹好，以降低室温的干扰。

本实施例提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置的工作过程如下：

制备测试样品：将一定质量的四氢呋喃溶液和纯净水按特定的比例混合。将该混合溶液同土颗粒搅拌均匀后，实验室内根据《土工实验方法标准GB/T 50123-2019》静压至一定的干密度。将此测试样品放置于恒温恒湿控制箱100中，设置温度为-8℃，维持18小时，生成四氢呋喃水合物沉积物测试样品。

调试装置：设置恒温恒湿控制箱100的空气湿度为50%，温度为1℃，将装置管路中充满水，包括储水槽220、第一水管f、第二水管g、第三水管h和第四水管j，且储水杯600中的水面高于第四水管j插入储水杯600的一端；随后调整推杆活塞330，使水容器310中的水位与水位参考线e平齐，随后关闭开关320。

开始测试：启动空气压缩机800，由于陶土板210只允许水流动，不允许气体流动，当增大上室内的气体压力时，测试样品中的水会经陶土板210流入储水槽220，随后经过水容器310，最终进入储水杯600中，同时由计算机1000自动记录测试数据。测试过程中，需使用气体收集器300每天排一次气泡。每次测试持续时间1-3个月，测试过程中需要维持压力室200、水流和气流恒低温，温度控制在0℃以上，4℃以下，优选1℃，在保证水不结冰的同时，确保四氢呋喃水合物不发生分解。

排气泡过程如下：

打开蠕动泵400，持续2-3分钟时间，使得陶土板210底部的水流动，进而使得溶解在水中的气泡析出并进入气体收集器300，且气泡上升聚集在开关320以下和水位以上的空间内，因气泡聚集，气压增大，水位会低于水位参考线e。

随后打开低温箱700的门，再打开开关320，调整推杆活塞330，使水容器310内的水位稳定在水位参考线e，随即关闭开关320，并关闭低温箱700的门。此过程需尽快完成，避免气体收集器300中的水温受到影响，降低测试的准确性。即实际上，气泡储存于水容器310的上部，并未排出装置外，只需保证气泡不影响测试结果即可。

需要说明的是，排气泡以前，由于水容器310内的气体逐渐增多，气压将水位压到低于水位参考线e，因而在排气泡以后，储水杯600内的水会经第四水管j进入水容器310，出现水量突然减少的情况，试验数据处理时需要考虑此部分误差。

本实施例提供的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置通过恒温恒湿控制箱100、低温箱700和涡流管400以维持整个测试系统的恒低温环境，保证水合物不发生分解，并减小温度和湿度的变化对测量精度的影响。

同时通过气体收集器300维持水位恒定，使从测试样品中流出的水全部进入储水杯600，保证测试样品中的水量变化可以被准确测定。具体而言，装置中的水流方向为从储水槽220经第一水管f和第二水管g进入水容器310，由水容器310经第三水管h返回储水槽220，由水容器310经第四水管j进入储水杯600。由于储水槽220的初始状态为充满水，水容器310中的水位在气压作用下保持在水位参考线e，且管路中充满水，因此当测试样品中的水经过陶土板210进入储水槽220后，增加的水量最终只能进入储水杯600，因而通过测量储水杯600的质量变化即可测定测试样品中的水量变化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，其特征在于，包括恒温恒湿控制箱（100）、压力室（200）、气体收集器（300）、蠕动泵（400）、天平（500）、储水杯（600）、低温箱（700）、空气压缩机（800）和涡流管（900）；

所述压力室（200）、所述天平（500）和所述储水杯（600）设置于所述恒温恒湿控制箱（100）内；

所述压力室（200）内设置有陶土板（210），所述陶土板（210）将所述压力室（200）内部分为上腔室（a）和下腔室（b），测试样品放置于所述上腔室（a）；

所述气体收集器（300）与所述下腔室（b）、所述储水杯（600）连通，用于收集气泡；

所述蠕动泵（400）一端与所述下腔室（b）连接，另一端与所述气体收集器（300）连接；

所述储水杯（600）设置于所述天平（500）上；

所述天平（500）用于称量所述储水杯（600）内水的重量的变化；

所述气体收集器（300）包括水容器（310）、开关（320）和推杆活塞（330）；

所述开关（320）安装于所述水容器（310），用于将所述水容器（310）分割为可通断的上空间（c）和下空间（d）；

所述推杆活塞（330）插装于所述水容器（310）并设置于所述开关（320）的上方，配置为可沿竖直方向移动；

所述下空间（d）与所述压力室（200）、所述蠕动泵（400）、和所述储水杯（600）连通；

所述水容器（310）上设置有水位参考线（e），所述水位参考线（e）设置于所述开关（320）下方；

所述气体收集器（300）设置于所述低温箱（700）内；

所述陶土板（210）下方设置有储水槽（220），所述储水槽（220）用于收集通过所述陶土板（210）的水分；

所述储水槽（220）一端与所述蠕动泵（400）连接，另一端与所述下空间（d）连接；

所述储水槽（220）内设置有隔板（221），所述隔板（221）与所述储水槽（220）的内壁形成连续弯曲的流道；

所述空气压缩机（800）与所述上腔室（a）连通；

所述涡流管（900）设置于所述空气压缩机（800）与所述上腔室（a）之间。

2.根据权利要求1所述的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，其特征在于，所述储水杯（600）设置有密封盖。

3.根据权利要求2所述的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，其特征在于，所述天平（500）设置为可自动采集数据的高精度电子天平。

4.根据权利要求3所述的用于水合物沉积物土水特征曲线测试的装置，其特征在于，还包括计算机（1000），所述计算机（1000）与所述天平（500）连接。

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