深海高压条件下岩石热物性测试系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其包括二个耐压罐，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐的空腔内充满海水并安装一岩石样品，岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。本发明专利技术还公开了一种深海高压条件下岩石热物性测试方法。本发明专利技术无需电加热“热源”、无需加压泵，其通过快速打开排泄阀来实现岩石样品瞬间加载，利用建立的有限元数值反演模型，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。

【技术实现步骤摘要】
深海高压条件下岩石热物性测试系统与方法
本专利技术涉及一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，属于岩石热物性测试

技术介绍
地球内部岩层热物性，是地球内部热结构、热演化及地球动力学研究中最基础的物性参数。而不同的温、压条件下，岩石热物性存在差异。因此，深入开展不同围压条件下岩石热物性测试研究具有非常重要的意义。目前，已有的高压条件下岩石热物性测试方法和系统，是通过将热物性测试探头(包括加热源和温度传感器)与岩石样品事先组装好，一同安置在耐压罐内。启动加压泵，将耐压罐内围压加到预定压力后，维持一段时间，待整套系统的温度达到平衡后，再开启热物性测试系统进行电加热，同时监测岩石内部温度变化，从而完成不同围压条件下的热物性测试。上述现有的测试方法与系统，必需主动进行电加热(比如以恒定电流通过加热丝)作为瞬态法热物性测试所需的“热源”。因此，加热源和温度传感器必需同时安置在岩石内部，使得测试系统相对较为复杂。而且热物性参数测试对环境温度的恒温性要求特别高，而实验室条件下进行热物性测试过程中，测试系统通常直接与空气接触，很难在一个相对恒温的环境下进行测试。由于环境温度的波动难以控制，导致测试结果往往受到较大影响。这种测试方法与技术，必需主动进行电加热(比如以恒定电流通过加热丝)作为瞬态法热物性测试所需的“热源”。而我们的实验结果表明：地壳常见岩石的应力-温度响应系数(ΔT/Δσ)比较小(只有2～6mK/MPa)，而传压介质(比如海水)的应力-温度响应系数则高达17.67mK/MPa，比地壳常见岩石的高1个数量级。因此，围压瞬间升高后，岩石样品与传压介质海水之间就存在温差。因此，本专利技术通过实时监测耐压罐围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水温度变化，结合有限元数值反演方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数(热导率/thermalconductivity、热扩散率/thermaldiffusivitiy、及体积热容/volumetricheatcapacity)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种无需电加热“热源”、无需加压泵的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其只在岩石样品中心及表面各安置一个温度传感器，通过快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载，并监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水的温度变化，利用建立的有限元数值反演模型，结合全局优化方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。从而实现了无电加热“热源”的瞬态热物性测试，大大简化了高压条件下岩石热物性测试系统及其操作程序。同时，1～3个小时的时间尺度内，深海海水的温度波动非常小，是一个非常良好的恒温环境，这恰恰是岩石热物性测试最理想的条件，从而可获得更高质量的热物性测试结果，而实验室通常难以实现。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其包括二个耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐内形成一充满传压介质的空腔，在所述空腔内安装一岩石样品，所述岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，所述空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，所述第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。所述岩石样品的外表面设置有用于对岩石样品进行水密封装的橡胶套，所述岩石样品的上、下两端均通过硬质硅胶进行密封。所述岩石样品为圆柱状。所述传压介质为海水。本专利技术的另一目的在于提供一种无需电加热“热源”、无需加压泵的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其只在岩石样品中心及表面各安置一个温度传感器，通过快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载，并监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水的温度变化，利用建立的有限元数值反演模型，结合全局优化方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。从而实现了无电加热“热源”的瞬态热物性测试，大大简化了高压条件下岩石热物性测试系统及其操作程序。同时，1～3个小时的时间尺度内，深海海水的温度波动非常小，是一个非常良好的恒温环境，这恰恰是岩石热物性测试最理想的条件，从而可获得更高质量的热物性测试结果，而实验室通常难以实现。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种深海高压条件下岩石热物性测试方法，其包括以下步骤：步骤1、将第一温度传感器和第二温度传感器安置在制备好的圆柱状岩石样品的中心和外表面，采用橡胶套将岩石样品进行水密封装，并在岩石样品的上下两端通过硬质硅胶密封，形成岩石样品组件；步骤2、将岩石样品组件、第三温度传感器放入第二耐压罐中，第二耐压罐充满传压介质后再对第二耐压罐进行密封，然后通过水密电缆将第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器均连接至数据采集单元，从而组装形成岩石热物性测试系统；开启数据采集单元的温度和压力数据采集模块，开始温度和围压监测；步骤3、瞬间加载：利用水下机器人，将整套岩石热物性测试系统携带至深海预定深度，待整套岩石热物性测试系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手或者水下电机快速打开排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间升高至深海海水压力；步骤4、根据数据采集单元实时监测的温度和围压变化，通过有限元数值模型，反演获得任意围压下岩石样品的热物性参数。所述步骤4包括以下步骤：步骤41、以圆柱状岩石样品的中心为圆点，在以圆柱状岩石样品的径向和轴向形成的柱坐标系统内基于热传导微分方程建立有限元数值模型；步骤42、设岩石样品的热导率和体积热容分别为λ和(ρc)，地壳常见岩石的热导率及体积热容的范围分别为0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.O×1O6J·m-3·K-1，对求解区域中的两参数中λ、(ρc)都进行m等份剖分，获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，...，m；步骤43、将每个网格节点(λi，(ρc)j)输入已建立的有限元数值模型中，以快速加载过程中实时监测获取的岩石样品表面的温度变化TO2(t)和传压介质温度变化TO3(t)作为边界条件，模拟计算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)时，岩石样品中心处的温度变化，记为步骤44、利用最小二乘法，对所述有限元数值模型计算获得的与岩石样品中心实测的温度变化TO1(t)进行线性拟合：求解该拟合直线斜率Ki,j和相关系数Ri,j，其中相关系数计算表达式如下其中：n为采样总次数，tk为第k次采样的时刻，T01(tk)为瞬间加载后tk时刻第一温度传感器采集的温度变化，1≤k≤n；步骤45、定义目标函数为F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2(4)并求解各网格点处的目标函数值F(λi,(ρc)j)；步骤46、找出目标函数值最小的网格点，如果ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值，则接受为所需要求解的岩石样品的热导率和体积热容(λ,(ρc))，否则，将以为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤43，直到满足为止，从而解算得到岩石样品的热导率和体积热容步骤47、最后根据热导率λ、体积热容(ρc)及热扩散率κ之间的关系式计算得到岩石样品的热扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，其包括二个耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐内形成一充满传压介质的空腔，在所述空腔内安装一岩石样品，所述岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，所述空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，所述第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。

【技术特征摘要】
1.一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，其包括二个耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐内形成一充满传压介质的空腔，在所述空腔内安装一岩石样品，所述岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，所述空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，所述第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。2.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，所述岩石样品的外表面设置有用于对岩石样品进行水密封装的橡胶套，所述岩石样品的上、下两端均通过硬质硅胶进行密封。3.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，所述岩石样品为圆柱状。4.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，所述传压介质为海水。5.一种深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，采用深海高压条件下岩石热物性测试系统，所述的测试系统包括二个耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐内形成一充满传压介质的空腔，在所述空腔内安装一岩石样品，所述岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，所述空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，所述第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀；所述的测试方法包括以下步骤：步骤1、将第一温度传感器和第二温度传感器安置在制备好的圆柱状岩石样品的中心和外表面，采用橡胶套将岩石样品进行水密封装，并在岩石样品的上下两端通过硬质硅胶密封，形成岩石样品组件；步骤2、将岩石样品组件、第三温度传感器放入第二耐压罐中，第二耐压罐充满传压介质后再对第二耐压罐进行密封，然后通过水密电缆将第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器均连接至数据采集单元，从而组装形成岩石热物性测试系统；开启数据采集单元的温度和压力数据采集模块，开始温度和围压监测；步骤3、瞬间加载：利用水下机器人，将整套岩石热物性测试系统携带至深海预定深度，待整套岩石热物性测试系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手或者水下电机快速打开排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间升高至深海海水压力；步骤4、根据数据采集单元实时监测的温度和围压变化，通过有限元数值模型，反演获得任意围压下岩石样品的热物性参数。6.根据权利要求5所述的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：步骤41、以圆柱状岩石样品的中心为圆点，在以圆柱状岩石样品的径向和轴向形成的柱坐标系统内基于热传导微分方程建立有限元数值模型；步骤42、设岩石样品的热导率和体积热容分别为λ和(ρc)，地壳常见岩石的热导率及体积热容的范围分别为0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.0×106J·m-3·K-1，对求解区域中的两参数中λ、(ρc)都进行m等份剖分，获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，…，m；步骤43、将每个网格节点(λi，(ρc)j)输入已建立的有限元数值模型中，以快速加载过程中实时监测获取的岩石样品表面的温度变化T02(t)和传压介质温...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小秋，徐子英，施小斌，许鹤华，
申请(专利权)人：中国科学院南海海洋研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44