[發明專利]凍土地層融化沉降試驗模擬裝置及方法

在審

• 申請號: 202010630011.3
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111679061A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 楊進;王歡歡;李蒞臨;張東昱甫;汪文星;趙新;洪佳瑤
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N25/02;G09B25/06
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 陳偉;陳燁

1.一種凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，包括：

反應容器，具有用于生成凍土層和模擬凍土層沉降的反應腔，設有用于供用戶觀察所述反應腔內部情況的可視化窗口；所述反應容器包括：上端開口的容器體、可拆卸蓋合在所述容器體上端的上蓋；所述反應腔的底部設有濾網；

加壓組件，與所述反應容器連接，用于調節所述反應腔內部的壓力；

溫控組件，與所述反應容器連接，用于調節所述反應腔內部的溫度；

圍壓組件，環繞所述反應容器的側壁，用于調節所述反應腔內部的圍壓；

模擬導管系統，包括：設在所述反應腔中并插入凍土層中的多個導管、對應穿設在多個所述導管中的多個鉆桿；所述導管的側壁上設有開孔，對應的所述鉆桿與所述導管之間形成環空；所述導管的底部與所述濾網間隔設置；

鉆井液循環系統，包括：鉆井液儲罐、連通所述鉆井液儲罐與多個所述鉆桿上端的進液管線、連通所述鉆井液儲罐與多個所述環空的回液管線、設在所述進液管線上的加熱裝置、增壓泵、開關閥和注入流量計、設在所述回液管線上的過濾裝置和流出流量計；

采集測量裝置，與所述反應腔的底部連通，用于收集和測量凍土層融化后的液體量；

控制模塊，與所述加壓組件、溫控組件、開關閥、注入流量計、流出流量計和采集測量裝置連接，用于控制所述加壓組件、溫控組件和開關閥的開閉，以及獲取所述注入流量計、流出流量計、采集測量裝置的流量。

2.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述加壓組件包括：氣瓶、連通所述氣瓶與所述反應容器的進氣管路、設在所述進氣管路上的調壓裝置；所述調壓裝置包括沿所述進氣管路中氣體的流動方向從上游到下游依次設在所述進氣管路上的增壓泵、調壓閥；

所述反應容器內設有與所述控制模塊連接的壓力傳感器，所述控制模塊基于所述壓力傳感器檢測到所述反應容器內的壓力控制所述調壓裝置操作。

3.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述溫控組件包括：制冷機組、環繞在所述反應容器側壁的水浴夾套、連接所述制冷機組和水浴夾套的循環管路、設在所述循環管路上的第一控制閥；

所述反應容器內設有與所述控制模塊連接的溫度傳感器，所述控制模塊基于所述溫度傳感器檢測到所述反應容器內的溫度控制所述制冷機組和/或第一控制閥操作。

4.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述圍壓組件包括：液壓泵、驅動所述液壓泵的電機、鋪設在所述反應容器內的可變形膠套、連接所述液壓泵和所述可變形膠套的液壓管路、設在所述液壓管路上的第二控制閥；

所述電機、第二控制閥與所述控制模塊連接，所述控制模塊控制所述電機、第二控制閥操作。

5.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述加熱裝置位于所述鉆井液儲罐與所述增壓泵之間，所述注入流量計位于所述增壓泵與所述開關閥之間，所述流出流量計位于所述環空與所述過濾裝置之間。

6.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述控制模塊可選擇的控制多個所述開關閥中的一個或若干個閉合，以使多個所述鉆桿中的一個或若干個進行鉆井液循環操作。

7.如權利要求1所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置，其特征在于，所述采集測量裝置包括：氣液固分離器、與所述氣液固分離器的出口端連接的儲罐；所述氣液固分離器的進口端通過采集管路與所述反應腔的底部連通，所述采集管路上設有采集流量計，所述采集流量計與所述控制模塊連接。

8.一種利用如權利要求1至7任意一項所述的凍土地層融化沉降試驗模擬裝置的方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟S1：將所述上蓋從所述容器體上端拆卸下來，將模擬砂土層均勻鋪設在所述反應容器的底部，將所述導管插入模擬砂土層中，再在所述導管的四周敷設含水砂層，隨后將所述上蓋連接在所述容器體上端；

步驟S2：控制所述加壓組件和溫控組件操作，調節所述反應容器內的壓力和溫度，進行凍土層的生成；

步驟S3：通過所述可視化窗口觀察到凍土層生成完成后，打開所述上蓋，在凍土層上部敷設土層蓋層，反復壓實靜止直至密實，靜置預定時間；

步驟S4：控制全部開關閥、增壓泵和加熱裝置開啟，向所有導管中注入加熱后的鉆井液，模擬鉆遇凍土層過程中地層受熱，實時收集凍土層融化產生的液體，觀察和記錄地層沉降情況和沉降量；

步驟S5：在凍土層的融水量逐漸降低至無融化水產出后，打開所述上蓋，重復上述步驟S1至S3，改變所述開關閥的開啟數量和/或所述加熱裝置的加熱溫度，模擬不同加熱范圍和/或不同加熱溫度條件下凍土層受熱情況，實時收集凍土層分解產生的液量，觀察和記錄地層沉降情況和沉降量。