[发明专利]一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置及方法

说明书

本发明公开一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置及方法；所述测试装置包括低温高压样品室、制冷控温模块、气体供给模块、抽真空模块、液体供给模块、反压阀门和数据测量模块；低温高压样品室内部设置含天然气水合物的土体样品，整体由制冷控温模块控制低温，其顶部与气体供给模块和抽真空模块相连，其底部与反压阀门和液体供给模块连接；反压阀门用以维持土水特征曲线测试过程中低温高压样品室内的压力水平；并通过数据测量模块获得实验过程中通过反压阀门的流体质量、低温高压样品室内的压力和温度数据等；配套的测试方法可在保证天然气水合物相态稳定的前提下，测量不同气体驱替压力条件下的样品排水量，进而获得含天然气水合物土的土水特征曲线。

技术领域

本发明属于岩土工程行业和非常规油气行业的土体样品土水特征曲线测试领域，具体涉及一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置及方法。

背景技术

土体样品的土水特征曲线又称土壤持水曲线、土壤保水曲线、以及土壤基质吸力与含水率的关系曲线，它反映了土体水分能量和数量之间的关系，是控制非饱和土体渗流特性和力学性状的关键参数，在科学研究和生产实践中具有重要的意义。

目前，在室内和现场测量土体的土水特征曲线所采用的方法可分为直接法和间接法两类。直接法主要有张力计法和压力陶土板法等，间接法主要有定量滤纸法、热电阻法、石膏探头法和中干湿记法等。压力陶土板法采用轴平移技术实现土体基质吸力的控制与测量，该技术不仅能够有效避免气蚀，还能够显著提高基质吸力的测控范围，在室内测量各种仪器设备中扮演着非常重要的角色。

天然气水合物是由天然气和水在较高的压力和较低的温度条件下形成的一种笼型结晶固体化合物，它广泛分布于自然界中的陆地冻土地层和近海陆坡储层中。在陆地冻土地层和近海陆坡储层的天然气水合物稳定带内，固态天然气水合物稳定赋存于陆相和海相土体孔隙内，形成含天然气水合物土，含天然气水合物土的渗流特性和力学性状很大程度上受固态天然气水合物的含量及其赋存形式的控制。特别地，含天然气水合物土的基质吸力与其含水率的关系，显著影响了天然气水合物开采过程中含天然气水合物土的水气输运特质与非饱和力学性状的变化，宏观上表现为复杂的天然气水合物开采过程储层响应特征。因此，在实验室内有效测量含天然气水合物土的土水特征曲线显得十分重要。

纵观现有土水特征曲线测试装置及其方法，主要是针对不含天然气水合物的常规土体的测试，比如一种测量土水特征曲线的双层压力板仪(申请号为【201310425541.4】)、一种可测体变的土水特征曲线测试装置(申请号为【201610378279.6】)以及快速测量土水特征曲线的压力板仪及其测量方法(申请号为【201910489701.9】)等。因为天然气水合物保持相态稳定所需要的高压和低温条件限制了现有测试装置及其方法的使用，大大增加了实验测试难度，而目前适用于含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置及其方法未见报道。

因此，研制一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置并形成配套的测试方法，对于有效测量不同含水率时含天然气水合物土的基质吸力具有重要意义，同时能够为天然气水合物开采过程中非饱和状态含天然气水合物土的水气渗流特性和力学变形性状研究提供可靠的基础性支撑数据。

发明内容

本发明针对现有的土水特征曲线测试装置及方法无法避免测试过程对天然气水合物相态影响的问题，为了在室内实现含天然气水合物土的土水特征曲线测量，提出一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置及方法，保证天然气水合物相态稳定的同时，测量不同含水率对应的含天然气水合物土基质吸力，得到含天然气水合物土的土水特征曲线。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种含天然气水合物土的土水特征曲线测试装置，包括低温高压样品室、制冷控温模块、气体供给模块、抽真空模块、液体供给模块、反压阀门和数据测量模块；