[發明專利]一種凍土樣品的制備和測量裝置及其方法

有效

• 申請號: 201410581888.2
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104359747B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 王平康;張旭輝;黃霞;祝有海;魯曉兵
• 申請（專利權）人: 中國地質調查局油氣資源調查中心;中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01N1/42
• 分類號: G01N1/42;G01N15/08;G01N25/20
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明屬于凍土層研究利用備的技術領域，具體地涉及一種凍土樣品的制備和測量裝置，以及采用該裝置的方法。

背景技術

天然氣水合物成藏是水合物勘探的最關鍵目標，也是未來水合物商業化開采方案制定的最基本依據。凍土層的熱學、滲透參數是評價凍土區天然氣水合物成藏的關鍵參數。但現場直接取得樣品并進行測量十分困難，費時費力，成本很高，而且保存困難。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種凍土樣品的制備和測量裝置,其能夠在室內制備均勻凍土樣品，又能夠在原位無干擾條件下測量凍土樣品的熱學、滲透參數，為凍土區水合物成藏評價與水合物開采方案制定提供科學依據和技術支持。

本發明的技術解決方案是：這種凍土樣品的制備和測量裝置，該裝置包括凍土樣品制備單元、滲透參數測量單元、熱學參數測量單元；凍土樣品制備單元包括壓力室、圍壓加載腔、橡皮筒、旋轉臺、控溫室，樣品放入橡皮筒中，橡皮筒在壓力室的中間處，橡皮筒和壓力室之間構成圍壓加載腔，圍壓加載腔內充滿防凍液體并與恒速恒壓泵連接，旋轉臺與壓力室連接并帶動壓力室旋轉，控溫室作為該凍土樣品的制備和測量裝置的外圍并控制該裝置的溫度；滲透參數測量單元包括氣體流量計、進氣口、出氣口、壓力傳感器，壓力室的進口和出口均連接氣體流量計，進氣口、出氣口分別連接進口和出口的氣體流量計，進氣口、出氣口處還分別設有壓力傳感器；熱學參數測量單元包括加熱器、控溫器、溫度傳感器、溫壓傳感器，加熱器連接控溫器，溫度傳感器在樣品的端部截面呈環狀分布，溫壓傳感器沿樣品的長度分布。

還提供了采用這種凍土樣品的制備和測量裝置的方法，包括以下步驟：

(1)制備樣品：將樣品沿橡皮筒側壁放置，并布置加熱器、控溫器、溫度傳感器，在圍壓加載腔內注入防凍液體，利用恒速恒壓泵加載圍壓，然后開啟控溫室對樣品進行降溫，同時啟動旋轉臺，保證水分在樣品孔隙中的均勻分布，保持2-3天，并記錄溫度數據；

(2)測量滲透參數：將與步驟(1)溫度相等的冷凍氣體以指定壓力從進氣口注入樣品，記錄進出氣口壓力和進出氣口流量，同時觀測溫壓傳感器，獲得壓力擴展前鋒數據，從而根據達西定律計算滲透率；

(3)測量熱學參數：停止圍壓加載并抽空防凍液體，使樣品隔熱，然后開啟加熱器、控溫器，控制加熱溫度高于樣品溫度且低于0℃，保證樣品中冰不受擾動，記錄溫度傳感器的溫度，同時觀測溫壓傳感器，獲得溫度擴展前鋒數據，從而根據傅立葉熱傳導定律計算熱傳導系數和熱擴散系數。

本發明通過壓力室、圍壓加載腔、橡皮筒、旋轉臺、控溫室組合后來在室內制備均勻凍土樣品，又通過滲透參數測量單元、熱學參數測量單元在原位無干擾條件下測量凍土樣品的熱學、滲透參數，為凍土區水合物成藏評價與水合物開采方案制定提供科學依據和技術支持。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的凍土樣品的制備和測量裝置的結構示意圖。

具體實施方式

從圖1中可以看出，這種凍土樣品的制備和測量裝置，該裝置包括凍土樣品制備單元、滲透參數測量單元、熱學參數測量單元；凍土樣品制備單元包括壓力室1(可承受最大壓力20MPa，作為凍土樣品合成的空間，可制備最大凍土樣品的長度100cm、直徑4cm，并可根據需要調整樣品的長度)、圍壓加載腔2、橡皮筒4(可以采用一定隔熱效果的橡膠材料制成，用于隔離圍壓液體與樣品且有效加載圍壓)、旋轉臺5(通過旋轉保證樣品中水分的均勻分布)、控溫室6(控溫范圍-30-100℃，用于保證恒定低溫下冷凍樣品)，樣品3放入橡皮筒中，橡皮筒在壓力室的中間處，橡皮筒和壓力室之間構成圍壓加載腔，圍壓加載腔內充滿防凍液體并與恒速恒壓泵連接，旋轉臺與壓力室連接并帶動壓力室旋轉，控溫室作為該凍土樣品的制備和測量裝置的外圍并控制該裝置的溫度；滲透參數測量單元包括氣體流量計9、進氣口10、出氣口11、壓力傳感器13，壓力室的進口和出口均連接氣體流量計(例如，量程500mL/min，用于測量進出口的氣體流量)，進氣口、出氣口分別連接進口和出口的氣體流量計，進氣口、出氣口處還分別設有壓力傳感器(分別用于供應指定壓力的冷凍氣體、用于收集從樣品滲透出來的一定壓力的氣體)；熱學參數測量單元包括加熱器7、控溫器、溫度傳感器8、溫壓傳感器12(用于測量溫度變化前鋒的擴展數據)，加熱器連接控溫器，溫度傳感器在樣品的端部截面呈環狀分布，溫壓傳感器沿樣品的長度分布。