含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法与流程

本发明涉及水合物，特别是一种含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法。

背景技术：

1、极地和永久冻土区地层中广泛存在冰和水合物共存的现象。天然气水合物是一种由甲烷分子和水分子在高压低温条件下形成的结晶物质。近年来，随着全球气候变暖，极地和永久冻土区的冻土层发生退化。当冻土层退化时，地表以下的温度也随之升高，这直接影响到埋藏在地下的天然气水合物的稳定性。水合物在升温条件下分解，释放出大量的甲烷气体，进一步加剧了全球变暖的进程。冻土退化和水合物分解不但会造成环境效应，还会引发地层沉降、地层滑坡、地表“天坑”等一系列自然灾害，给极地和永久冻土区的工程建设带来挑战。

2、地层沉降、滑坡等现象的出现是由于地层中冰融化和水合物分解后地层沉积物颗粒之间胶结作用变弱、力学结构变得松散引起的。在广泛的极地和冻土地层中，有明显分布的冻土层和水合物层，也存在同一地层段内水合物和冰共存的现象。冰和水合物的相态平衡条件并不相同，相同赋存形态的冰和水合物的力学性质也可能存在差异。因而在针对冰和水合物共存的地层研究中，需要确定一定温压梯度下冰和水合物发生相态转化的程度，进一步明确冰和水合物的含量和分布，从而对地层整体的力学性质进行分析。为了实现这一目的，开发一种实验室条件下的含水合物冻土样品制备技术尤为重要。该技术将为后续针对含水合物冻土样品的力学性质测试、渗流性质测试、传热性质测试、以及声电测试等提供基础条件。

3、现有研究中尚没有含水合物冻土样品的制备方法，也缺少定量控制沉积物中水合物和冰含量的手段，阻碍了针对含水合物冻土的相关物性研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，能够在沉积物中合成同时含有水合物和冰的样品，且能够合成预设组分比例的含水合物冻土样品。

2、本发明的技术方案是：一种含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其中，包括以下步骤：

3、s1、在反应釜内充填沉积物样品，装样过程中对沉积物进行压实并逐步加水，使反应釜中的沉积物和水分布均匀；

4、s2、反应釜内水合物生成，使沉积物中的孔隙水完全转化为水合物；

5、s3、反应釜降压至相平衡压力；

6、s4、使沉积物中的w比例的水合物分解；

7、s5、将反应釜的温度降低为t2以下，使水合物分解产生的水转化为冰，得到水合物和冰的体积比例为n的含水合物冻土样品。

8、本发明中，

9、步骤s1中，在对反应釜内填充沉积物样品之前，记录反应釜内的初始温度t0、以及初始压力p0；

10、反应釜内充填沉积物样品后，沉积物孔隙水的体积vw为：

11、vw＝vsφsw，

12、其中，vs为反应釜中沉积物样品的体积；φ为沉积物的孔隙度，sw为含水饱和度，根据物质平衡法确定φ和sw。

13、步骤s2通过以下具体的操作步骤完成：

14、s2.1、将装有沉积物样品的反应釜的温度降至t1，并静置24小时；

15、s2.2、将反应釜内注入合成水合物所需的气体，使反应釜内的气体压力达到p1；

16、s2.3、反应釜封闭并静置，反应釜内的压力降低并逐渐平稳至p2时，沉积物中的孔隙水完全转化为水合物；

17、步骤s2.2中，向反应釜内注入气体的物质的量为：

18、

19、其中，vc为反应釜体积；r为气体常数，取8.314j/(mol·k)；

20、不考虑温度和压力对水、水合物、冰的密度影响，水-水合物体积转化系数cwater-hydrate和水-冰体积转化系数cwater-ice分别为：

21、

22、其中，ρwater为水的密度；ρice为冰的密度；ρhydrate为水合物的密度；mgas为气体分子的摩尔质量；mwater为水分子的摩尔质量；dhi为水合物水合指数；

23、步骤s2.3中，p2为：

24、

25、沉积物内的孔隙水完全转化为水合物的过程中，所需要的气体的物质的量为：

26、

27、孔隙水完全转化为水合物后，反应釜内剩余气体的物质的量为：

28、n2-gas＝n1-gas-nhydarte。

29、步骤s3中，打开反应釜的放气阀门，将反应釜内的气体压力从p2降低至peq，降压过程中实时监测反应釜压力表的显示读数，放出气体在初始温度和压力条件下的体积达到vreleased-1时，认为该步骤完成。

30、通过放气使反应釜内的压力从p2降到peq，释放的气体的物质的量为：

31、

32、这部分气体在初始温度和压力条件下的体积为：

33、

34、需确保步骤s2中的p2大于步骤s3中的peq，若计算所得p2小于peq，则需要重新设定为更高的生成压力p1，直至满足p2大于peq。

35、步骤s4中，待反应釜内的气体压力在peq稳定后，数次开闭反应釜放气阀门，使沉积物中的w比例的水合物分解；

36、w比例的水合物分解后产生水和气体，步骤s3和步骤s4中反应釜释放的气体在初始温度和压力条件下的总体积达到vreleased时，认为步骤s4完成。

37、根据最终生成冰和水合物的比例n，得到水合物的分解体积比例w：

38、

39、w比例的水合物分解产生的气体的物质的量为：

40、

41、产生的气体在初始温度和压力下的总体积vreleased-2为：

42、

43、水合物分解过程中，反应釜释放的气体的总物质的量为：

44、nreleased＝nreleased-1+nreleased-2，

45、这些气体在初始温度和压力条件下的体积为：

46、

47、步骤s5中，关闭反应釜放气阀门，将反应釜的温度降低为t2以下，静置24小时，使水合物分解产生的水转化为冰，从而得到水合物和冰的体积比例为n的含水合物冻土样品，转化为冰的体积为：

48、vice＝wvwcwater-ice。

49、本发明的有益效果是：

50、(1)能够在沉积物中合成同时含有水合物和冰的样品；

51、(2)能够通过控制样品合成过程中的温压条件，合成预设组分比例的含水合物冻土样品；

52、(3)方法容易操作、简便，能够在不增加额外设备的前提下与常规岩土测试设备相结合。

技术特征：

1.一种含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，步骤s2通过以下具体的操作步骤完成：

4.根据权利要求3所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法，其特征在于，

技术总结本发明涉及水合物技术领域，特别是一种含水合物冻土样品制备及其组分含量控制方法。包括以下步骤：S1、在反应釜内充填沉积物样品，装样过程中对沉积物进行压实并逐步加水，使反应釜中的沉积物和水分布均匀；S2、反应釜内水合物生成，使沉积物中的孔隙水完全转化为水合物；S3、反应釜降压至相平衡压力；S4、使沉积物中的W比例的水合物分解；S5、将反应釜的温度降低为T<subgt;2</subgt;以下，使水合物分解产生的水转化为冰，得到水合物和冰的体积比例为N的含水合物冻土样品。能够在沉积物中合成同时含有水合物和冰的样品，且能够合成预设组分比例的含水合物冻土样品。技术研发人员：柯珂,张永超,李莅临,李彦龙,王磊,李承峰受保护的技术使用者：青岛海洋地质研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4