專利名稱：一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在低溫環境中，測量土體中水分結冰-融化、天然氣水合物生成和分解過程的溫度及電阻率值及分布的實驗裝置。
背景技術：
凍土是一種夾雜于土體中水分受溫度作用凍結-融化的多相物質，在相變過程中，一般發生水分遷移及凍漲-融沉變化，不同性質的土 -水相變溫度略有不同，未凍水含量的不同使電阻率發生極大變化。天然氣水合物是在高壓、低溫的環境條件下由氣體分子和水分子組成的類冰固態 物質，氣體分子主要是CH4、C2H6, C3H8等烴類同系物及C02、N2、H2S等。分子組成籠形類冰晶格架，氣體分子充填在格架空腔中，組成單一或者復合成分的天然氣水合物。在高壓低溫條件下天然氣水合物主要有sl、sll和sH型3種結構類型，廣泛分布于地球27%的陸地和90%的海域。在陸地上，適合天然氣水合物形成的地理環境是多年凍土區。由于多年凍土與天然氣水合物之間相互依存關系，多年凍土條件對天然氣水合物賦存條件起到了極為重要的控制作用。目前青藏高原多年凍土發育條件基本具備形成天然氣水合物的溫壓條件，但多年凍土發育條件對天然氣水合物的賦存和發育的控制關系如何，以及含水合物的凍結沉積物響應特征等，其研究可為多年凍土區凍土及天然氣水合物的電-熱探測提供一些基礎的試驗數據。
發明內容
鑒于上述，本發明目的是提供一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的裝置。利用該裝置測量凍土及天然氣水合物相變過程中的溫度-電阻率隨試驗條件的變化過程，為多年凍土區凍土及天然氣水合物探究提供一些基礎的試驗數據，并與實地物探參數進行對照研究。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的實驗裝置，包括氣瓶恒溫箱、冷浴裝置、數據采集儀、反應釜、玻璃容器、水槽和真空泵，反應釜由釜蓋和釜體的組合體和釜底座組成。反應釜放置在恒溫箱內，釜體內設有絕緣套筒，絕緣套筒通過管線與一臺冷浴裝置連接，絕緣套筒內熱敏電阻探頭、電極板通過管線與數據采集儀連接，釜底座的下端與另一臺冷浴裝置連接；絕緣套筒內逐層鋪放多孔介質樣品和雙層等面積電極板，每一層樣品中鋪設熱敏電阻探頭；氣瓶通過輸入管進入恒溫箱中反應釜內的絕緣套筒，輸入管上設置減壓閥、截止閥、截止閥和截止閥和流量計，與釜底座相連的輸出管道分二路，一路分支裝有截止閥和截止閥，并連接真空泵，截止閥和截止閥管道間連接壓力計和數據采集儀，數據采集儀通過管線又與天平連接；另一路進入集水槽，終端接有截止閥；輸出管道的兩分支管道間裝有玻璃容器，每個玻璃容器上下端分別設有截止閥和截止閥。本發明用于實驗室內研究不同含水量的凍土、含烴類水合物凍土在不同溫度梯度-壓力條件下相變過程中的電阻率變化范圍及變化特性。裝置的主要特點是按照設計條件裝樣，采用設定環境下雙端控溫，利用裝置完成降溫、升溫、控壓、氣體分解等多種操作，利用雙層電極板直接測量樣品中電阻率變化特性，測量樣品溫度及壓力變化，綜合分析樣品相變特性，分析凍土試驗中相變過程的水分遷移、計算相變飽和度等物理參數，為多年凍土區地質環境的電-熱探測提供基礎參數。本發明的優點是I、選用可耐受低溫高壓專用反應釜，釜中設有絕緣套管，自由布置11層雙層與樣品等面積電極片，電極片鉆有數十個氣液流通的微孔，每電極片上層并聯接地，避免其他層樣品的電流串擾，通過幾何物理關系直接測量兩個相鄰獨立電極片間試驗樣品的電阻率值準確可靠；2、每一層樣品內鋪設測量試驗樣品的溫度的熱敏電阻探頭，便于分析樣品溫度梯度及熱傳導特性；通過各層溫度與電阻率數值關聯，研究物質相變的電阻率特性； 3、在溫度-壓力控制情況下進行氣體分解或液體釋放試驗，采用排水法及電子天平精確測量快速或緩慢的分解或融化過程；4、輸入和輸出氣體壓力值通過數據采集系統傳輸；絕緣套筒內熱敏電阻探頭、電極板通過管線與數據采集儀連接，所有采集數據可通過數據采集儀輸入計算機，得到有效的分析數據。
圖I為本發明的結構示意圖。圖2為未凍結含水粗砂樣含水量與電阻率測試圖。圖3為粗砂介質中甲烷水合物形成和分解過程溫度與時間的變化關系圖。圖4為粗砂介質中甲烷水合物形成和分解過程電阻率與時間的變化關系圖。圖5為粗砂介質中的天然氣水合物分解速率與時間的變化關系圖。
具體實施例方式本發明采用的恒溫箱為新飛電冰柜。采用的冷浴控溫范圍-50 80°C，精度±0. 02°C;壓力傳感器測量范圍O 16MPa，輸出為4 20mA電流，精度O. 5%;輸入管道連接有質量流量計，最大流量50LPM，輸出為4 20mA電流，精度O. 25%。熱敏電阻溫度探頭測溫范圍-30 30°C，測量精度±0. 1°C。下面結合附圖和具體實施例對本發明再作進一步說明，本發明并不限于以下實施例。一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的裝置，包括氣瓶I、恒溫箱2、冷浴裝置3、數據采集儀4、不銹鋼反應釜可承受最高壓力為lOMPa、玻璃容器12、水槽13和真空泵15。反應釜5由釜蓋和釜體的組合體和釜底座組成。絕緣套筒7通過管線與一臺冷浴裝置3連接，絕緣套筒7內熱敏電阻探頭9、電極板10通過管線與數據采集儀4連接，釜底座的下端與另一臺冷浴裝置6連接，兩臺高精度控溫冷浴裝置3和溫冷浴裝置6通過保溫管道分別可以從上到下控制一個遞增或者遞減的溫度梯度。反應釜5放置在恒溫箱2內。釜底座上放置絕緣套筒7，絕緣套筒7的內徑為80mm，厚度20mm，高度為300mm，絕緣套筒7內鋪設11層多孔介質樣品8，同時逐層放置雙層等面積電極板10，每個電極板10下層并聯接地，每一層樣品中鋪設熱敏電阻探頭9，可以測量每一層樣品的溫度值。樣品8每層厚為20mm、截面積為5024mm2。氣瓶I通過輸入管進入恒溫箱2中反應釜內的絕緣套筒7，輸入管上設置減壓閥16、截止閥17、截止閥20、截止閥21和流量計19，截止閥20到21之間的輸入管道在補壓過程中有預冷的作用；與釜底座相連的輸出管道分二路，一路裝有截止閥22和截止閥23，并連接真空泵15，截止閥22和截止閥23管道間連接壓力計13和數據采集儀4，數據采集儀4通過管線又與天平18連接；另一路進入集水槽11，終端接有截止閥25 ;輸出管道的兩分支管道間裝有可抽氣注水的玻璃容器12，每個玻璃容器12上下端分別設有截止閥24和截止閥26。集水槽11的水經過排水口 14流出收集，由天平18稱量氣體分解產生的排水量。本發明裝置在使用時，以甲烷水合物在飽和粗砂內形成和分解過程為實例，具體實驗步驟如下·a、釜底座上放置絕緣套筒7，在絕緣套筒7內由下而上裝好11層多孔介質試樣8，同時逐層放置電極片10和溫度探頭9并壓實。多孔介質試樣為含水的粗砂樣。粗砂粒徑為I 2mm，裝樣體積是1087. 2cm3，粗砂1368g，水574. 7g，干密度I. 275g/cm3，平均濕密度
I.8034g/cm3,由于重力作用，絕緣套筒7內下層試樣體積含水量為O. 54g/cm3，上層試樣體積含水量O. 27g/cm3,把組合體5與釜底座6合并，保持密封不漏氣。打開真空泵15開始對釜內抽真空。b、打開截止閥17，從輸出管道抽真空30min后，關閉截止閥17 ;抽真空結束后，打開氣瓶1，氣體從氣瓶I中經過減壓閥16、截止閥17和流量計19通過輸入管道進入反應釜內的絕緣套筒7內，氣體壓力值通過壓力計13進入數據采集儀4。調節減壓閥16壓力，打開輸入管道的截止閥17、截止閥20和截止閥21，緩慢的向反應釜5內加氣，反應釜5內壓力范圍為O 15MPa，壓力計13顯示達到實驗預定的壓力值9MPa時，依次關閉截止閥17、截止閥20和截止閥21。實驗初始狀態測得電阻率、溫度值如表I中所列，表I粗砂介質實驗初始狀態電阻率及溫度的值
權利要求
1. 一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的實驗裝置，包括氣瓶(I)、恒溫箱(2)、冷浴裝置(3)、數據采集儀(4)、反應釜(5)、玻璃容器(12)、水槽(11)和真空泵(15)，反應釜(5)由釜蓋和釜體的組合體和釜底座組成，其特征是反應釜(5)放置在恒溫箱(2)內，釜體內設有絕緣套筒(7)，絕緣套筒(7)通過管線與一臺冷浴裝置(3)連接，絕緣套筒(7)內熱敏電阻探頭(9)、電極板(10)通過管線與數據采集儀⑷連接，釜底座的下端與另一臺冷浴裝置(6)連接；絕緣套筒(7)內逐層鋪放多孔介質樣品(8)和雙層等面積電極板(10)，每ー層樣品中鋪設熱敏電阻探頭(9);氣瓶(I)通過輸入管進入恒溫箱(2)中反應釜內的絕緣套筒(7)，輸入管上設置減壓閥(16)、截止閥(17)、截止閥(20)、截止閥(21)和流量計(19)，與釜底座相連的輸出管線分ニ路，一路裝有截止閥(22)和截止閥(23)，并連接真空泵(15)，截止閥(22)和截止閥(23)管線間連接壓カ計(13)和數據采集儀(4)，數據采集儀(4)通過管線與天平(18)連接；另一路進入集水槽(11)，終端接有截止閥(25)；輸出管道的兩分支管道間裝有玻璃容器(12)，每個玻璃容器(12)上下端分別設有截止閥(24)和截止閥(26)。
全文摘要
本發明公開了一種測量凍土試驗中相變過程溫度和電阻率分布的裝置。其結構特征是反應釜放置在恒溫箱內；反應釜內設置一絕緣套筒；反應釜兩端的冷浴裝置控制遞增或者遞減的溫度梯度；連接反應釜的輸入和輸出管道裝有截止閥；輸出氣體管道一端與反應釜底端連接一端與排水收集氣體裝置連接，同時輸入和輸出氣體壓力值通過數據采集系統傳輸；利用本裝置開展了各種溫壓條件下凍土結冰-融化、多孔介質中甲烷水合物生成-分解過程的溫度和電阻率值及其分布的測試實驗。具有直接測量凍土中物質相變過程溫度及電阻率值及其分布的特點，直接與凍土物探參數對照，具有研究及使用價值。
文檔編號G01K7/22GK102854384SQ20111018545
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者展靜, 吳青柏, 蒲毅彬, 邢莉莉, 王英梅, 蔣觀利, 張鵬 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所