一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，整体包括：样本土壤、温控系统、供气系统和围压系统。样本土壤将待测土壤分为多段测试，外加以绝热橡胶隔层，保证测试土壤不受外部影响；温控系统通过上端冷板和下端冷板实现样本土壤冻融循环的动态温度变化，通过冷却液管路将不同样本土壤测试段的下端冷板与上端冷板并联实现样本土壤温度连续，以对样本气体渗透系数动态连续测试；围压系统利用稳压泵将样本土壤的外侧压力维持在一定范围，还原真实环境在横向土壤相互作用力，有利于保持样本土壤在测试过程中的形态。本发明专利技术降低冻结深度大的土壤气体渗透系数测试难度，可实现沿冻结方向的正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试分析。动态连续测试分析。动态连续测试分析。

【技术实现步骤摘要】
一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统


[0001]本专利技术涉及冻融土壤流体渗透参数测试领域，尤其涉及正冻融土壤的气体渗透系数动态连续测试系统。

技术介绍

[0002]随着我国积极推进能源结构转型的形势下，提出了“碳达峰”和“碳中和”两大战略目标。煤炭、石油等化石能源价格不断攀升，化石能源对外依赖性过强国家能源结构成为一大挑战。清洁能源发展与推广迫在眉睫。天然气、氢能作为清洁能源的代表，具有清洁无污染、获取方式多等优点。
[0003]天然气和氢气作为气相流体，在运输过程中多考虑采用管道运输。我国的天然气主干管线长度已经到达11.6万千米。我国在建输氢管线约400千米，2030 年预计完工总里程超3000千米。其中，不乏有主干管路需要埋设于一些环境较为恶劣的地区，例如：冻融土壤地区。
[0004]我国幅员辽阔，地形和土壤类型繁多。我国多年冻土区覆盖16.6％，季节性冻土占国土面积58％。随着国家管网的不断发展，运输天然气和氢气的管道必将面临着冻融土壤的挑战。常规冻融土壤渗透参数多针对水和油，且存在测试土壤冻结深度较小，整段冻融土壤测试难度大等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统。
[0006]为实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，整体包括四部分部分：样本土壤、温控系统、供气系统和围压系统。测试土壤沿着冻结方向分为多段作为样本土壤，样本土壤外包裹绝热橡胶隔层减少外界温度等因素的影响；温控系统主要通过样本土壤上下端的冷板控制样本土壤的测试系统温度的动态变化，温控系统的冷源将冷却液通过冷却液管路输送至样本土壤的上端冷板和下端冷板，并且相邻的两段样本土壤通过冷却液管路并联实现温度一致，实现测试连续土壤分段后相邻段样本土壤温度的连续性。供气系统的渗透气源经过压力表后通过渗透气体管路进入样本土壤下端，渗透至样本土壤上端经过上端的气体流量计后排出，通过可压缩性气体在多孔介质中的气压分布函数及达西定律得到样本土壤的气体扩散系数。围压系统通过稳压泵维持围压隔层的压力，还原真实环境下相邻土壤的相互作用力，提高测试系统的可靠度。
[0008]优选地，所述样本土壤作为测试土壤中的其中两段，其外侧包裹绝热橡胶隔层降低外界环境因素影响，测试土壤可沿冻结方向分为多段测试，降低冻结深度大的正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试难度。
[0009]优选地，所述冷源将冷却液通过冷却液管路输送至样本土壤上端冷板和下端冷板
实现测试土壤冻融循环的动态温度变化。
[0010]优选地，冷源通过冷却液管路将样本土壤的下端冷板和相邻样本土壤的上端冷板并联实现温度一致，从而到达分段测试的土壤温度连续的目的，保证测试系统的可靠性，提高测试系统的可操作性。。
[0011]优选地，所述所述压力表测试渗透气体在样本土壤下端压力和，计算气体扩散压力差，从而可得到渗透气体的扩散系数。
[0012]优选地，稳压泵通过围压气体管路将围压气体输送至围压隔层，还原了样本土壤在真实环境下横向土壤的相互作用力，提高了测试系统的可靠性。
[0013]有益效果：
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0015]通过将待测土壤进行分段测试，降低了冻结深度大的正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试的难度。可控制各段样本土壤上下端的冷板温度实现样本土壤冻融循环的动态温度变化。相邻的两段样本土壤通过冷却液环路实现温度的连续性，提高了测试系统的准确性和可靠性。围压隔层的存在极大的还原了样本土壤在真实环境下横向土壤的相互作用，提升了测试系统的可靠性。
附图说明
[0016]图1是本专利技术示意图；
具体实施方式
[0017]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0018]实施例：
[0019]下面结合实施例及附图，对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术的实施方案不限于此。
[0020]参照图1，说明本实施方式。本实施方式所述的一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，整体包括四部分，样本土壤、温控系统、供气系统和围压系统。测试土壤沿着冻结方向分为多段，样本土壤(1)及样本土壤(16)为其中相邻两段，样本土壤(1)及样本土壤(16)外包裹绝热橡胶隔层(2)；温控系统的冷源(3)将冷却液通过冷却液管路(4)输送至样本土壤(1)的上端冷板(5)和下端冷板(6)控制样本土壤(1)及(16)的动态温度变化，冷却液管路(4)通过将样本土壤(1)的下端冷板(6)和样本土壤(16)的上端冷板(5)并联实现温度一致。围压系统通过稳压泵(7)将气体经过围压气体管路泵送至绝热橡胶隔层(2)和透明围压膜(10)之间的围压隔层(9)内，保持样本土壤(1)及样本土壤(16)外侧的压力。供气系统的渗透气源(11) 经过压力表(12)后通过渗透气体管路(13)进入样本土壤(1)及样本土壤(16) 下端，扩散至样本土壤(1)及样本土壤(16)上端经过气体流量计(15)后排出，压力表(12)测试渗透气体在样本土壤(1)及样本土壤(16)进口端的压力P
in
,气体流量计(15)渗透气体出口端气体流量Q,渗透气体在垂直方向服从可压缩性气体在多孔介质中的气压分布函数：
[0021][0022]其中，样本土壤(1)和样本土壤(16)的高度h，P(0,t)为渗透气体进口端压力,P
in
为渗透气体出口端气体压力，由于出口端渗透气体直接与大气相通，则 P(h,t)为大气压力P0。
[0023]进一步根据达西定理，出口端渗透气体通过的平均流量为：
[0024][0025]其中，k为样本土壤(1)和样本土壤(16)的气体渗透系数，μ为动力粘度，A为气体出口端管段横截面积，为渗透气体沿着冻结方向的压力梯度。
[0026]进一步对可压缩气体在多孔介质中的分布函数求导得到：
[0027][0028]进一步将分布函数求导后的式子带入达西定理，计算得到样本土壤(1)及样本土壤(16)的气体扩散系数：
[0029][0030]以上所述，并非对本专利技术作任何形式上的限制，虽然本专利技术已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本专利技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案范围内，当可利用上述揭示的
技术实现思路
作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本专利技术技术方案的内容，依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本专利技术技术方案的范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，其特征在于：样本土壤(1)，样本土壤(16)，绝热隔层(2)，冷源(3)，稳压泵(7)，上端冷板(5)，下端冷板(6)，压力表(12)，气体流量计(15)其中：所述样本土壤(1)及(16)为测试土壤沿冻结方向分为多段后的其中两段，样本土壤(1)及(16)与绝热橡胶隔层(2)集成为一体，隔绝外界温度等因素的影响，提高测试的准确度；所述冷源(3)将冷却液经过冷却液管路(4)输送到样本土壤(1)及样本土壤(16)的上端冷板和下端冷板，实现样本土壤(1)及样本土壤(16)的在10℃到
‑
20℃冻融循环的动态过程，提高测试系统的可靠性；所述稳压泵(7)通过围压气体管路(8)将围压隔层(9)压力维持在一定范围，还原样本土壤(1)及样本土壤(16)横向土壤相互作用力，保持土壤形态，提高测试的准确度和可靠度；所述压力表(12)可调节渗透气源(11)的压力，将渗透气体通过渗透气体管路(13)输送至样本土壤(1)及样本土壤(16)下端，渗透气体渗透至样本土壤(1)及样本土壤(16)上端排出，再通过气体流量计(15)测量出口流量值。2.根据权利要求1所述的一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，其特征在于，所述样本土壤(1)及样本土壤(16)作为测试土壤中的其中两段，其外侧包裹绝热橡胶隔层(2)降低外界环境因素影响，测试土壤可沿冻结方向分为多段测试，降低冻结深度大的正冻融土壤气体渗透系数动态测试难度。3.根据权利要求1所述的一种正冻融土壤气体渗透系数动态连续测试系统，其特征在于，所述冷源(3)将冷却液通过冷却液管路(4)输送至样本土壤(1)及样本土壤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏波，石强强，张琼德，唐烁，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：