[发明专利]变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验技术领域，具体涉及一种变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用。

背景技术

海底浅层气通常指在海底面以下1000m之内沉积物中所聚集的气体。浅层气的组分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，普遍分布在湖泊、河谷、海湾、三角洲等水域以及含油气资源相对丰富的海域地层中。气体主要源自于有机质分解形成的生物成因气和深部油气、地幔及岩浆活动所产后经上部运移被封闭在浅部沉积层中的气体。气体常以游离气泡、溶解或水气化合物等赋存形态赋存于沉积物中，常将以水合物赋存的含气沉积物称为天然气水合物，而将以游离气、溶解气形态赋存的含气沉积物称为含气土。

含气土中富含的气体可作为能源加以利用，但又会因为土中含有气体而导致工程性状恶化，给工程带来灾害。如：海底含气土常引发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷、油气井喷、平台倾覆、井壁垮塌、管线断裂等灾害事故，给海洋油气勘探与开发、钻井平台、港口码头、跨海隧道、海底输油管线和通讯电缆等工程建设和近海岸基础设施构成严重威胁，是海洋工程中的重要安全隐患。

含气土被认为是土颗粒、孔隙水、气体、压力、温度及上覆层完美平衡的产物，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状迅速发生改变。人们虽然已认识到海底含气土的危害性问题，但开展的科学研究却十分有限，尤其缺乏对其土力学特性的研究，主要困难源于土中气体压力大，且易于逸散，难以获取现场原状含气土土样。即便采用特殊装备能够获得保压原状土样品，仍然受到对室内试验环境要求过高、难以二次加工、试样不均匀等问题的困扰，促使室内人工模拟技术成为研究该类土的基础技术。

人工模拟首先需要解决的就是含气土的制样问题。目前，有采用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，在适宜的环境中利用微生物发酵产生甲烷气体，来模拟含气土的天然形成过程，进而制成含气土样的方法。但该法费时、费力，更重要的是含气土中气体量无法实现人为定量控制，所制样品不均匀，且样品间不具备可重复性，只能用于特定的模型试验研究，而对于一般的室内三轴试验无法使用。也有采用非饱和土的制备方法，利用空气或氮气逐步驱替饱和土中水分的方法来制备含气土样的方法，但该方法只能制备饱和度小于85%，土中气相连续的土样，而实际的海底含气沉积土中气体以游离气泡形式存在，饱和度一般均大于85%，故该方法亦无法有效实现海底含气土样的人工模拟制备。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的一个目的在于提供了一种变压可控气体置换反应装置，利用该装置可以实现不同压力环境下土中气体含量的定量控制，进而制备出符合实验要求的含气土样。该发明目的通过下述技术方案实现：

一种变压可控气体置换反应装置，包括反应釜、量筒和底座，所述反应釜和量筒固定在底座上表面；

为便于外部观测反应釜内部的液面变化，所述反应釜的侧壁设有竖向观察窗，观察窗为透明材质，可选用透明耐压玻璃板，与反应釜体组装为一体，并保持整个反应釜的密闭性与耐压性。

所述反应釜和量筒上端开口，分别盖有反应釜密封盖和量筒密封盖，进一步，反应釜与反应釜密封盖、量筒与量筒密封盖均通过螺纹连接，保证反应釜和量筒的密闭；

所述反应釜由耐高压材料制备而成，其耐压极限不低于5MPa，反应釜的容积可根据需要确定；

所述反应釜密封盖的外表面为平面，内表面为内凹的圆锥形，在反应釜密封盖内形成一个内凹圆锥形空间，使得反应釜密封盖为边缘厚中间薄的盖体结构；

所述反应釜密封盖内表面内凹的圆锥形顶部开孔，开孔处设反应釜进排气口，所述反应釜进排气口的管道上设置有反应釜压力表，所述反应釜进排气口的开口处设置有反应釜进排气阀门，反应釜进排气阀门用于控制排出或充入反应釜内气体，反应釜压力表则用于量测反应釜内的压力；

所述反应釜密封盖上还设有一个进水口和两个排水口；

所述进水口设置于反应釜密封盖的一侧，所述进水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，内表面的孔口处安装有进水管，进水管从反应釜密封盖内的内凹圆锥形空间穿出并伸进反应釜内，开平孔的高度低于内凹圆锥形的锥顶，这样将反应釜内部与外部进水系统连通；反应釜密封盖外进水口处的管道上安装有进水口阀门，进水口阀门用于切断外部进水系统与反应釜内部的联系，所述反应釜内的进水管的耐压极限同反应釜，也不低于5MPa；

所述两个排水口分别为第一排水口和第二排水口；