[發明專利]變壓可控氣體置換反應裝置及其在含氣土樣制備中的應用

有效

• 申請號: 201310752757.1
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103698186A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 王勇;孔令偉;楊愛武;王艷麗;許鵬程
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 余曉雪;王敏鋒

技術領域

本發明涉及巖土工程海底含氣沉積物的人工模擬制樣試驗技術領域，具體涉及一種變壓可控氣體置換反應裝置及其在含氣土樣制備中的應用。

背景技術

海底淺層氣通常指在海底面以下1000m之內沉積物中所聚集的氣體。淺層氣的組分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氫、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，普遍分布在湖泊、河谷、海灣、三角洲等水域以及含油氣資源相對豐富的海域地層中。氣體主要源自于有機質分解形成的生物成因氣和深部油氣、地幔及巖漿活動所產后經上部運移被封閉在淺部沉積層中的氣體。氣體常以游離氣泡、溶解或水氣化合物等賦存形態賦存于沉積物中，常將以水合物賦存的含氣沉積物稱為天然氣水合物，而將以游離氣、溶解氣形態賦存的含氣沉積物稱為含氣土。

含氣土中富含的氣體可作為能源加以利用，但又會因為土中含有氣體而導致工程性狀惡化，給工程帶來災害。如：海底含氣土常引發海岸滑坡、土體液化、基礎沉陷、油氣井噴、平臺傾覆、井壁垮塌、管線斷裂等災害事故，給海洋油氣勘探與開發、鉆井平臺、港口碼頭、跨海隧道、海底輸油管線和通訊電纜等工程建設和近海岸基礎設施構成嚴重威脅，是海洋工程中的重要安全隱患。

含氣土被認為是土顆粒、孔隙水、氣體、壓力、溫度及上覆層完美平衡的產物，一旦平衡被打破，就會導致其工程性狀迅速發生改變。人們雖然已認識到海底含氣土的危害性問題，但開展的科學研究卻十分有限，尤其缺乏對其土力學特性的研究，主要困難源于土中氣體壓力大，且易于逸散，難以獲取現場原狀含氣土土樣。即便采用特殊裝備能夠獲得保壓原狀土樣品，仍然受到對室內試驗環境要求過高、難以二次加工、試樣不均勻等問題的困擾，促使室內人工模擬技術成為研究該類土的基礎技術。

人工模擬首先需要解決的就是含氣土的制樣問題。目前，有采用厭氧發酵微生物與土顆粒混合，在適宜的環境中利用微生物發酵產生甲烷氣體，來模擬含氣土的天然形成過程，進而制成含氣土樣的方法。但該法費時、費力，更重要的是含氣土中氣體量無法實現人為定量控制，所制樣品不均勻，且樣品間不具備可重復性，只能用于特定的模型試驗研究，而對于一般的室內三軸試驗無法使用。也有采用非飽和土的制備方法，利用空氣或氮氣逐步驅替飽和土中水分的方法來制備含氣土樣的方法，但該方法只能制備飽和度小于85%，土中氣相連續的土樣，而實際的海底含氣沉積土中氣體以游離氣泡形式存在，飽和度一般均大于85%，故該方法亦無法有效實現海底含氣土樣的人工模擬制備。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的一個目的在于提供了一種變壓可控氣體置換反應裝置，利用該裝置可以實現不同壓力環境下土中氣體含量的定量控制，進而制備出符合實驗要求的含氣土樣。該發明目的通過下述技術方案實現：

一種變壓可控氣體置換反應裝置，包括反應釜、量筒和底座，所述反應釜和量筒固定在底座上表面；

為便于外部觀測反應釜內部的液面變化，所述反應釜的側壁設有豎向觀察窗，觀察窗為透明材質，可選用透明耐壓玻璃板，與反應釜體組裝為一體，并保持整個反應釜的密閉性與耐壓性。

所述反應釜和量筒上端開口，分別蓋有反應釜密封蓋和量筒密封蓋，進一步，反應釜與反應釜密封蓋、量筒與量筒密封蓋均通過螺紋連接，保證反應釜和量筒的密閉；

所述反應釜由耐高壓材料制備而成，其耐壓極限不低于5MPa，反應釜的容積可根據需要確定；

所述反應釜密封蓋的外表面為平面，內表面為內凹的圓錐形，在反應釜密封蓋內形成一個內凹圓錐形空間，使得反應釜密封蓋為邊緣厚中間薄的蓋體結構；

所述反應釜密封蓋內表面內凹的圓錐形頂部開孔，開孔處設反應釜進排氣口，所述反應釜進排氣口的管道上設置有反應釜壓力表，所述反應釜進排氣口的開口處設置有反應釜進排氣閥門，反應釜進排氣閥門用于控制排出或充入反應釜內氣體，反應釜壓力表則用于量測反應釜內的壓力；

所述反應釜密封蓋上還設有一個進水口和兩個排水口；

所述進水口設置于反應釜密封蓋的一側，所述進水口處開平孔貫穿至反應釜密封蓋內表面，內表面的孔口處安裝有進水管，進水管從反應釜密封蓋內的內凹圓錐形空間穿出并伸進反應釜內，開平孔的高度低于內凹圓錐形的錐頂，這樣將反應釜內部與外部進水系統連通；反應釜密封蓋外進水口處的管道上安裝有進水口閥門，進水口閥門用于切斷外部進水系統與反應釜內部的聯系，所述反應釜內的進水管的耐壓極限同反應釜，也不低于5MPa；

所述兩個排水口分別為第一排水口和第二排水口；