基于温压效应的土体三相分离装置及分离方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于温压效应的土体三相分离装置及分离方法，所述分离装置包括密封罐、加热单元、气体收集单元和液体收集单元，密封罐内形成一盛放实验土体的样品腔，加热单元设置在样品腔的下方，样品腔的上方设有一与实验土体直接接触的顶板，样品腔通过管道与气体收集单元和液体收集单元相连，管道的末端安装一吸气泵，通过对实验土体进行加热，利用冷凝管、气囊进行气相液相收集，并结合油膜的使用，保证土体在试验加热前不会有气相的损失，而且设计与密封罐连通的U型水头管以及可滑移顶板，还可以实现对冻土中固相、液相、冰箱、气相的测量，本方案结构设计原理简单，操作方便，应用更加广泛，对于结构平台的安全性与稳定性研究具有重要的指导意义。究具有重要的指导意义。究具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
基于温压效应的土体三相分离装置及分离方法


[0001]本专利技术属于土体含气量测量领域，具体涉及一种基于温压效应的土体三相分离装置及分离方法。

技术介绍

[0002]近海石油、风电在我国能源供给及能源升级具有举足轻重的作用，油气的勘探、开采完全依赖于海上钻井平台，风电等工程的桩基稳定性也很重要。而这些稳定性都依赖于海床的力学特性，尤其是强度、刚度特性。然而，海洋含气沉积物广泛分布在海工建设频繁的海域，在极端海况下海洋含气沉积物气体突然释放会剧烈改变海底沉积物的稳定性，影响钻井平台、海上风电等海上结构物服役安全。
[0003]海洋含气沉积物中所指的气体类型指甲烷，现有技术中，对于土体含气量(含甲烷)的研究较少，大部分研究都是在实验室室内制备含气土之后，通过三轴实验等进行含气量的测量。但是含气量在室内试验中一直难以界定，在室内基本就是通过CT扫描，但是由于CT机扫一次价格非常昂贵，且制备好含气土样之后的运输过程中会造成气体散失，不仅成本高昂，测量结果也不准确。针对目前室内研究含气土含气量价格高、结果不准确的弊端，亟待提出一种结构简单、操作方便，成本低且测量准确的气相占比测量装置及测量方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决现有技术中土体含气量(含甲烷)存在的缺陷，提出一种基于温压效应的土体三相分离装置及分离方法，，通过将温度梯度与温度变化引起的孔压变化耦合，测定三相土中气相占比，实现气相占比界定。
[0005]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：本专利技术提出一种基于温压效应的土体三相分离装置，包括密封罐、加热单元、气体收集单元和液体收集单元；
[0006]所述密封罐包括外壳和设置在外壳上下两端的密封盖和底座，密封罐内形成一盛放实验土体的样品腔；加热单元设置在样品腔的下方，样品腔的上方设有一顶板，顶板与实验土体直接接触；样品腔通过管道与气体收集单元和液体收集单元相连，管道的末端安装一吸气泵；
[0007]所述液体收集单元包括与管道连接的冷凝管，用以将变为气体的液相冷凝收集，得出液相的体积；
[0008]所述气体收集单元包括设置在液体收集单元的后方，包括收缩气囊以及与收缩气囊13连接的微型吸气泵。
[0009]进一步的，所述加热单元包括加热元件以及温度扩散元件，通过外部控制单元控制加热元件进行发热升温，经温度扩散元件实现温度的均匀扩散，以辅助加热元件，保证快速加热整个土体，同时可起到保温效果。
[0010]进一步的，所述分离装置还包括与密封罐连通的U型水头管，且水头高度比实验土体的上界面高；
[0011]所述顶板为可滑移的顶板，可滑移的顶板上设置有一活塞，可滑移的顶板在活塞驱动下沿样品腔内壁的滑移轨道上下滑动。
[0012]进一步的，所述管道内靠近密封罐的一端还设置有过滤网，过滤网的网粒径小于土粒径，当装置温度升至一定数值，仅允许土中的气相和转化为气体的液相通过滤网，进入后续装置。
[0013]进一步的，所述样品腔内的实验土体表面还包裹有一层油膜，以保证实验的准确性。
[0014]进一步的，所述微型吸气泵用以使气相完全进入收缩气囊，且收缩气囊上装有位移传感器，以测量进入气相后气囊体积的变化。
[0015]进一步的，所述外壳采用保温材料制作或在外壳的表面设置保温层。
[0016]进一步的，所述密封罐的侧壁上还设置有压力传感器以及以一定间距布设的多个纵向温度传感器，顶板上设置有多个横向温度传感器，温度传感器分布至整块实验土体，以测量实验土体不同方位的温度；压力传感器用以实时测取密封罐内压力。
[0017]本专利技术另外还提出一种基于温压效应的土体三相分离装置的分离方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1、实验准备：
[0019](1)根据实验需求制备实验土体，将实验土体配置重塑好以后，放入密封罐体内，以防土中气相逸失至设备外；
[0020](2)打开吸气泵，将密封罐内土体外的气体吸出，抽真空；
[0021](3)打开冷凝管及收缩气囊，以将少量升温前实验土体中的气相收集；
[0022]步骤2、实验土体体积确定：
[0023]实验前，在实验土体上部布设一层油膜以保证土体总体积不变，且三相比例固定，获得三相总体体积V；
[0024]步骤3、对实验土体进行加热；
[0025]调节加热元件至一定温度，油膜融化，并保持一定时间，以确保土体中的气相充分逸出，液相气化随之逸出；
[0026]步骤4、确定液相体积；
[0027]打开吸气泵，使得气相及气化的液相进入后续环节；调节冷凝管，使气化的液相冷凝液化收集液相，在冷凝管中液相体积稳定不变一定时间后，获得液相体积V
w
；
[0028]步骤5、确定气相体积；
[0029]打开微型吸气泵保证气相完全进入收缩气囊，收缩气囊上装有位移传感器，以测量进入收缩气囊体积的变化，当数值稳定后，即得出气相的体积V
a
；
[0030]步骤6、固液气三相比确定；
[0031]通过计算，获得固相体积V
s
＝V
‑
V
a
‑
V
w
,根据体积比例即可求得三相占比。
[0032]本专利技术另外还提出一种基于温压效应的土体三相分离装置的冻土四相分离方法，用以实现冻土四相分离，具体包括以下步骤：
[0033]步骤1、实验准备；
[0034](1)将冻土实验土体配置重塑好后，放置进入样品腔内，密封罐体，以防土中气相逸失至设备外；
[0035](2)密封活塞，固定顶板，打开吸气泵，将设备内土体外的气体吸出，抽真空；
[0036](3)打开冷凝管及收集气囊，以将少量升温前透过过滤网的土中气相收集；
[0037]步骤2、实验土体体积确定；
[0038]固定活塞，实验前在实验土体上部布设一层油膜，保证土体气相及气化的液相不逸出，四相比例固定，获得四相总体体积V0；同时记录密封罐初始压力P0；
[0039]步骤3、对实验土体进行加热；
[0040]调节加热元件至一定温度，油膜融化，并保持一定时间，以确保冻土实验土体中的气相充分逸出，液相气化随之逸出，冰融化液相并随之气化，所有气相透过过滤网进入后续环节；
[0041]步骤4、确定液相及冰相体积；
[0042]打开吸气泵，使得气相、气化的液相及气化的冰相进入后续环节；调节冷凝管，使气化的液相及气化的冰相冷凝液化，冷凝管中的液体体积稳定不变一定时间后，获得液相及冰相体积V
w，i
’
；
[0043]步骤5、确定气相体积；
[0044]打开微型吸气泵保证气相完全进入收缩气囊，收缩气囊上装有位移传感器，以测量进入收缩气囊体积的变化，当数值稳定后，即得出气相的体积V
a
’
；
[0045]步骤6、确定冻土中冰的体积；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于，包括密封罐、加热单元、气体收集单元和液体收集单元；所述密封罐包括外壳(1)和设置在外壳(1)上下两端的密封盖(2)和底座(3)，密封罐内形成一盛放实验土体的样品腔；加热单元设置在样品腔的下方，样品腔的上方设有一顶板(6)，顶板(6)与实验土体直接接触；样品腔通过管道与气体收集单元和液体收集单元相连，管道的末端安装一吸气泵(11)；所述液体收集单元包括与管道连接的冷凝管(12)，用以将变为气体的液相冷凝收集，得出液相的体积；所述气体收集单元包括设置在液体收集单元的后方，包括收缩气囊(13)以及与收缩气囊(13)连接的微型吸气泵(14)。2.根据权利要求1所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述加热单元包括加热元件(4)以及温度扩散元件(5)，通过外部控制单元控制加热元件(4)进行发热升温，经温度扩散元件(5)实现温度的均匀扩散。3.根据权利要求1所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述分离装置还包括与密封罐连通的U型水头管，且水头高度比实验土体的上界面高；所述顶板(6)为可滑移的顶板，可滑移的顶板(6)上设置有一活塞(8)，可滑移的顶板(6)在活塞驱动下沿样品腔内壁的滑移轨道(7)上下滑动。4.根据权利要求2或3所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述管道内靠近密封罐的一端还设置有过滤网(10)，过滤网(10)的网粒径小于土粒径。5.根据权利要求2或3所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述样品腔内的实验土体表面还包裹有一层油膜。6.根据权利要求2或3所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述微型吸气泵用以使气相完全进入收缩气囊(13)，且收缩气囊(13)上装有位移传感器，以测量进入气相后气囊体积的变化。7.根据权利要求2或3所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述外壳(1)采用保温材料制作或在外壳(1)的表面设置保温层。8.根据权利要求2或3所述的基于温压效应的土体三相分离装置，其特征在于：所述密封罐的侧壁上还设置有压力传感器(16)以及以一定间距布设的多个纵向温度传感器(15)，顶板(6)上设置有多个横向温度传感器(9)，温度传感器分布至整块实验土体，以测量实验土体不同方位的温度；压力传感器(16)用以实时测取密封罐内压力。9.基于权利要求1所述的基于温压效应的土体三相分离装置的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、实验准备：(1)根据实验需求制备实验土体，将实验土体配置重塑好以后，放入密封罐体内，以防土中气相逸失至设备外；(2)打开吸气泵，将密封罐内土体外的气体吸出，抽真空；(3)打开冷凝管(12)及收缩气囊(13)，以将少量升温前实验土体中的气相收集；步骤2、实验土体体积确定：实验前，在实验土体上部布设一层油膜以保证土体总体积不变，且三相比例固定，获得
三相总体体积V；步骤3、对实验土体进行加热；调节加热元件至一定温度，油膜融化，并保持一定时间，以确保土体中的气相充分逸出，液相气化随之逸出；步骤4、确定液相体积；打开吸气泵(11)，使得气相及气化的液相进入后续环节；调节冷凝管(12)，使气化的液相冷凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：林国庆，刘语诺，刘涛，郭磊，张艳，杨秀卿，刘小丽，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：