[实用新型]高压溶气饱和试验装置

说明书

技术领域

本实用新型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，具体涉及一种高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用。

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。此外，还有借助沸石特殊的晶体结构和强亲水性，且沸石比重与土颗粒比重相近，将吸附饱和甲烷气体的沸石颗粒与土颗粒混合，而后加入水，用水置换出沸石颗粒中吸附的甲烷，从而形成含气泡土体的方法。该方法制备的含气土样虽然均匀，但压力条件受到一定的限制，当环境压力大于吸附压力后，沸石中的气体无法置换出来。因此，只适用于浅海压力环境，而对于模拟深海压力环境中的含气土则无法进行室内人工制备。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的第一个目的在于提供了一种高压溶气饱和试验装置，利用该装置可以实现各种环境压力下的含气土样人工制备。

该发明目的通过下述技术方案得以实现：

一种高压溶气饱和试验装置，包括气源罐、反应釜、升降装置、土工三轴试验系统、连接管路、阀门和压力表，连接管路将反应釜和气源罐连通。

所述土工三轴试验系统选用室内常规土工三轴试验系统即可，包括土工三轴试验仪、控制系统和数据采集系统设备。

所述连接管路为高压软管，其耐压极限与反应釜一致，管内径不宜过大，宜选择高压软管可自由变形，不漏气，可选用如钢丝增强型、纤维增强型等材料制成的高压软管。

所述反应釜有两个，分别为固定反应釜和自由升降反应釜，两个反应釜完全相同；

其中，固定反应釜的位置固定，固定反应釜的釜底高度应与土工三轴试验仪的压力室底座高度相齐平；

自由升降反应釜与升降装置相连，通过升降装置实现升降，自由升降反应釜高于固定反应釜，并可在高于固定反应釜H≤3m的区间范围内自由升降，以确保自由升降反应釜与固定反应釜间的水头差保持在合理的范围。

所述升降装置用于调整和控制两个反应釜间的高差，使得两个反应釜中液面间形成势差，促进反应釜内液体在管路中循环流动。

进一步，所述升降装置可采用电机控制，亦可采用机械式控制方式，满足操作安全、方便适用的基本要求即可，无其他特殊要求。

更进一步，所述升降装置由电机和升降器组成，升降器可采用螺杆爬升式、悬吊式滑轮等不同方式，用于自由调整两个反应釜间的高差；