[發明專利]深海高壓條件下巖石熱物性測試系統與方法

有效

• 申請號: 201610130630.X
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105784755B
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 楊小秋;徐子英;施小斌;許鶴華
• 申請（專利權）人: 中國科學院南海海洋研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司44001
• 代理人: 孔德超,劉明星

技術領域

本發明涉及一種深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，屬于巖石熱物性測試技術領域。

背景技術

地球內部巖層熱物性，是地球內部熱結構、熱演化及地球動力學研究中最基礎的物性參數。而不同的溫、壓條件下，巖石熱物性存在差異。因此，深入開展不同圍壓條件下巖石熱物性測試研究具有非常重要的意義。

目前，已有的高壓條件下巖石熱物性測試方法和系統，是通過將熱物性測試探頭(包括加熱源和溫度傳感器)與巖石樣品事先組裝好，一同安置在耐壓罐內。啟動加壓泵，將耐壓罐內圍壓加到預定壓力后，維持一段時間，待整套系統的溫度達到平衡后，再開啟熱物性測試系統進行電加熱，同時監測巖石內部溫度變化，從而完成不同圍壓條件下的熱物性測試。

上述現有的測試方法與系統，必需主動進行電加熱(比如以恒定電流通過加熱絲)作為瞬態法熱物性測試所需的“熱源”。因此，加熱源和溫度傳感器必需同時安置在巖石內部，使得測試系統相對較為復雜。而且熱物性參數測試對環境溫度的恒溫性要求特別高，而實驗室條件下進行熱物性測試過程中，測試系統通常直接與空氣接觸，很難在一個相對恒溫的環境下進行測試。由于環境溫度的波動難以控制，導致測試結果往往受到較大影響。

這種測試方法與技術，必需主動進行電加熱(比如以恒定電流通過加熱絲)作為瞬態法熱物性測試所需的“熱源”。

而我們的實驗結果表明：地殼常見巖石的應力-溫度響應系數(ΔT/Δσ)比較小(只有2～6mK/MPa)，而傳壓介質(比如海水)的應力-溫度響應系數則高達17.67mK/MPa，比地殼常見巖石的高1個數量級。因此，圍壓瞬間升高后，巖石樣品與傳壓介質海水之間就存在溫差。因此，本發明通過實時監測耐壓罐圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水溫度變化，結合有限元數值反演方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數(熱導率/thermal conductivity、熱擴散率/thermal diffusivitiy、及體積熱容/volumetric heat capacity)。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種無需電加熱“熱源”、無需加壓泵的深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，其只在巖石樣品中心及表面各安置一個溫度傳感器，通過快速打開排泄閥來實現巖石樣品的瞬間加載，并監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水的溫度變化，利用建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱“熱源”的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。同時，1～3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恒溫環境，這恰恰是巖石熱物性測試最理想的條件，從而可獲得更高質量的熱物性測試結果，而實驗室通常難以實現。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，其包括二個耐壓罐，其中，第一耐壓罐中安裝有數據采集單元，第二耐壓罐內形成一充滿傳壓介質的空腔，在所述空腔內安裝一巖石樣品，所述巖石樣品的中心及外表面分別安裝有第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，所述空腔內安裝有第三溫度傳感器和壓力傳感器，所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和壓力傳感器的輸出端均通過水密電纜與數據采集單元的輸入端相連，所述第二耐壓罐上安裝有與空腔相連通的排泄閥。

所述巖石樣品的外表面設置有用于對巖石樣品進行水密封裝的橡膠套，所述巖石樣品的上、下兩端均通過硬質硅膠進行密封。

所述巖石樣品為圓柱狀。

所述傳壓介質為海水。

本發明的另一目的在于提供一種無需電加熱“熱源”、無需加壓泵的深海高壓條件下巖石熱物性測試方法，其只在巖石樣品中心及表面各安置一個溫度傳感器，通過快速打開排泄閥來實現巖石樣品的瞬間加載，并監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水的溫度變化，利用建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱“熱源”的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。同時，1～3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恒溫環境，這恰恰是巖石熱物性測試最理想的條件，從而可獲得更高質量的熱物性測試結果，而實驗室通常難以實現。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種深海高壓條件下巖石熱物性測試方法，其包括以下步驟：