深海高壓條件下巖石熱物性測試系統與方法與流程

2023-05-31 09:28:11

本發明涉及一種深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，屬於巖石熱物性測試技術領域。

背景技術：
地球內部巖層熱物性，是地球內部熱結構、熱演化及地球動力學研究中最基礎的物性參數。而不同的溫、壓條件下，巖石熱物性存在差異。因此，深入開展不同圍壓條件下巖石熱物性測試研究具有非常重要的意義。目前，已有的高壓條件下巖石熱物性測試方法和系統，是通過將熱物性測試探頭(包括加熱源和溫度傳感器)與巖石樣品事先組裝好，一同安置在耐壓罐內。啟動加壓泵，將耐壓罐內圍壓加到預定壓力後，維持一段時間，待整套系統的溫度達到平衡後，再開啟熱物性測試系統進行電加熱，同時監測巖石內部溫度變化，從而完成不同圍壓條件下的熱物性測試。上述現有的測試方法與系統，必需主動進行電加熱(比如以恆定電流通過加熱絲)作為瞬態法熱物性測試所需的「熱源」。因此，加熱源和溫度傳感器必需同時安置在巖石內部，使得測試系統相對較為複雜。而且熱物性參數測試對環境溫度的恆溫性要求特別高，而實驗室條件下進行熱物性測試過程中，測試系統通常直接與空氣接觸，很難在一個相對恆溫的環境下進行測試。由於環境溫度的波動難以控制，導致測試結果往往受到較大影響。這種測試方法與技術，必需主動進行電加熱(比如以恆定電流通過加熱絲)作為瞬態法熱物性測試所需的「熱源」。而我們的實驗結果表明：地殼常見巖石的應力-溫度響應係數(ΔT/Δσ)比較小(只有2～6mK/MPa)，而傳壓介質(比如海水)的應力-溫度響應係數則高達17.67mK/MPa，比地殼常見巖石的高1個數量級。因此，圍壓瞬間升高後，巖石樣品與傳壓介質海水之間就存在溫差。因此，本發明通過實時監測耐壓罐圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水溫度變化，結合有限元數值反演方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數(熱導率/thermalconductivity、熱擴散率/thermaldiffusivitiy、及體積熱容/volumetricheatcapacity)。

技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明的目的之一在於提供一種無需電加熱「熱源」、無需加壓泵的深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，其只在巖石樣品中心及表面各安置一個溫度傳感器，通過快速打開排洩閥來實現巖石樣品的瞬間加載，並監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水的溫度變化，利用建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱「熱源」的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。同時，1～3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恆溫環境，這恰恰是巖石熱物性測試最理想的條件，從而可獲得更高質量的熱物性測試結果，而實驗室通常難以實現。為實現上述目的，本發明採取的技術方案是：一種深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，其包括二個耐壓罐，其中，第一耐壓罐中安裝有數據採集單元，第二耐壓罐內形成一充滿傳壓介質的空腔，在所述空腔內安裝一巖石樣品，所述巖石樣品的中心及外表面分別安裝有第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，所述空腔內安裝有第三溫度傳感器和壓力傳感器，所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和壓力傳感器的輸出端均通過水密電纜與數據採集單元的輸入端相連，所述第二耐壓罐上安裝有與空腔相連通的排洩閥。所述巖石樣品的外表面設置有用於對巖石樣品進行水密封裝的橡膠套，所述巖石樣品的上、下兩端均通過硬質矽膠進行密封。所述巖石樣品為圓柱狀。所述傳壓介質為海水。本發明的另一目的在於提供一種無需電加熱「熱源」、無需加壓泵的深海高壓條件下巖石熱物性測試方法，其只在巖石樣品中心及表面各安置一個溫度傳感器，通過快速打開排洩閥來實現巖石樣品的瞬間加載，並監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水的溫度變化，利用建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱「熱源」的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。同時，1～3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恆溫環境，這恰恰是巖石熱物性測試最理想的條件，從而可獲得更高質量的熱物性測試結果，而實驗室通常難以實現。為實現上述目的，本發明採取的技術方案是：一種深海高壓條件下巖石熱物性測試方法，其包括以下步驟：步驟1、將第一溫度傳感器和第二溫度傳感器安置在製備好的圓柱狀巖石樣品的中心和外表面，採用橡膠套將巖石樣品進行水密封裝，並在巖石樣品的上下兩端通過硬質矽膠密封，形成巖石樣品組件；步驟2、將巖石樣品組件、第三溫度傳感器放入第二耐壓罐中，第二耐壓罐充滿傳壓介質後再對第二耐壓罐進行密封，然後通過水密電纜將第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和壓力傳感器均連接至數據採集單元，從而組裝形成巖石熱物性測試系統；開啟數據採集單元的溫度和壓力數據採集模塊，開始溫度和圍壓監測；步驟3、瞬間加載：利用水下機器人，將整套巖石熱物性測試系統攜帶至深海預定深度，待整套巖石熱物性測試系統溫度達到平衡後，再利用水下機器人的機械手或者水下電機快速打開排洩閥，使得第二耐壓罐內的圍壓瞬間升高至深海海水壓力；步驟4、根據數據採集單元實時監測的溫度和圍壓變化，通過有限元數值模型，反演獲得任意圍壓下巖石樣品的熱物性參數。所述步驟4包括以下步驟：步驟41、以圓柱狀巖石樣品的中心為圓點，在以圓柱狀巖石樣品的徑向和軸向形成的柱坐標系統內基於熱傳導微分方程建立有限元數值模型；步驟42、設巖石樣品的熱導率和體積熱容分別為λ和(ρc)，地殼常見巖石的熱導率及體積熱容的範圍分別為0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.O×1O6J·m-3·K-1，對求解區域中的兩參數中λ、(ρc)都進行m等份剖分，獲得初始的(m+1)×(m+1)個網格節點(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，...，m；步驟43、將每個網格節點(λi，(ρc)j)輸入已建立的有限元數值模型中，以快速加載過程中實時監測獲取的巖石樣品表面的溫度變化TO2(t)和傳壓介質溫度變化TO3(t)作為邊界條件，模擬計算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)時，巖石樣品中心處的溫度變化，記為步驟44、利用最小二乘法，對所述有限元數值模型計算獲得的與巖石樣品中心實測的溫度變化TO1(t)進行線性擬合：求解該擬合直線斜率Ki,j和相關係數Ri,j，其中相關係數計算表達式如下其中：n為採樣總次數，tk為第k次採樣的時刻，T01(tk)為瞬間加載後tk時刻第一溫度傳感器採集的溫度變化，1≤k≤n；步驟45、定義目標函數為F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2(4)並求解各網格點處的目標函數值F(λi,(ρc)j)；步驟46、找出目標函數值最小的網格點，如果ε為判斷是否滿足求解要求而設定的閾值，則接受為所需要求解的巖石樣品的熱導率和體積熱容(λ,(ρc))，否則，將以為中心的鄰域為求解區域，將網格加密，返回到步驟43，直到滿足為止，從而解算得到巖石樣品的熱導率和體積熱容步驟47、最後根據熱導率λ、體積熱容(ρc)及熱擴散率κ之間的關係式計算得到巖石樣品的熱擴散率。所述步驟41中，柱坐標系統下的熱傳導微分方程表達為其初始條件為T(r，z，0)＝0，r≤r0，|z|≤z02)(7)邊界條件由巖石熱物性測試系統監測的樣品表面溫度變化TO2(t))和傳壓介質溫度變化TO3(t)進行如下約束其中γ為各種介質的絕熱應力變化的溫度響應係數，A是由於圍壓變化導致溫度變化所對應的熱源，r0為巖石樣品的半徑，z01為圓柱狀巖石樣品頂面或底面到巖石樣品中心圓柱面的垂直距離，z02為封裝後的圓柱狀巖石樣品組件頂面或底面到巖石樣品中心圓柱面的垂直距離。所述巖石樣品中心實測的溫度變化TO1(t),巖石樣品表面溫度變化TO2(t)和傳壓介質溫度變化TO3(t)為各時刻實測溫度與瞬間加載時的溫度差，即：TO1(t)＝T1(t)-T1(O)TO2(t)＝T2(t)-T2(O)TO3(t)＝T3(t)-T3(O)其中，T1(t)、T2(t)、T3(t)分別是瞬間加載後t時刻時第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器的實測溫度，通過步驟4測得，T1(O)、T2(O)、T3(O)分別是瞬間加載前第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器的實測溫度，通過步驟2測得。第一溫度傳感器、第二溫度傳感器以及第三溫度傳感器測量的溫度均達到穩定時，則整套巖石熱物性測試系統溫度達到平衡。而本發明專利所提供的測試方法與系統，是在圓柱狀巖石樣品中心及表面分別安置一個溫度傳感器，然後用橡膠套封裝後在放在第二耐壓罐中，利用水下機器人(UnderwaterVehicle)將測試系統攜帶至深海預定深度(比如6000米，圍壓相當於60MPa)，通過水下機器人快速打開排洩閥來實現巖石樣品的瞬間加載(或卸載)，其主要優勢如下：1)無需電加熱「熱源」，只在巖石樣品中心及表面各安置一個溫度傳感器，用於監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心、表面及傳壓介質海水的溫度變化，利用我們建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱「熱源」的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。2)深海海水的壓力非常巨大，是一個天然的「高壓泵」，因此本測試系統中無需加載臺或者加壓泵；3)1～3個小時的時間尺度內，深海海水的溫度波動非常小，是一個非常良好的恆溫環境，為熱物性測試提供了一個最理想條件，從而可獲得更高質量的熱物性測試結果。附圖說明圖1為本發明水下巖石絕熱應力變化的溫度響應測試系統的結構示意圖；圖2為二維柱坐標系統下的有限元數值模型；圖3為龍門山斷裂帶砂巖L28瞬間加載過程中的溫度響應曲線；圖4為印度Rajasthan砂巖RJS瞬間加載過程中的溫度響應曲線；圖5為龍門山斷裂帶砂巖L28巖樣中心溫度的實測結果與有限元數值模型模擬結果對比圖；圖6為印度Rajasthan砂巖RJS巖樣中心溫度的實測結果與有限元數值模型模擬結果對比圖。其中，1、第一耐壓罐；2、第二耐壓罐；21、排洩閥；22、水密電纜；3、數據採集單元；4、巖石樣品；41、上硬質矽膠；42、下硬質矽膠；5、橡膠套；61、第一溫度傳感器；62、第二溫度傳感器；63、第三溫度傳感器；7、壓力傳感器；8、水下機器人；9、海水；10、海底。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明的內容做進一步詳細說明。實施例請參照圖1所示，一種深海高壓條件下巖石熱物性測試系統，其包括二個耐壓罐，分別是第一耐壓罐1和第二耐壓罐2，其中，第一耐壓罐1中安裝有數據採集單元3，第二耐壓罐2內形成一空腔並充滿海水，在所述空腔內安裝一巖石樣品組件(圓柱狀巖石樣品組件包括圓柱狀巖石樣品4以及其中心及表面分別安置一個第一溫度傳感器61和第二溫度傳感器62，然後將圓柱狀的上硬質矽膠41和下硬質矽膠42分別放置並壓緊於圓柱狀巖石樣品4的上、下兩側，再由橡膠套5將硬質矽膠41、圓柱狀巖石樣品4以及下硬質矽膠42進行包裹，實現水密封裝，封裝後在放在設置於第二耐壓罐2的第二空腔21內)，空腔內還安裝有第三溫度傳感器63和壓力傳感器7，第一溫度傳感器61、第二溫度傳感器62、第三溫度傳感器63和壓力傳感器7的輸出端均通過水密電纜22與數據採集單元3的輸入端相連，第二耐壓罐2上安裝有與空腔相連通的排洩閥21。本發明涉及一種深海高壓條件下巖石熱物性測試方法與系統，利用水下機器人8，快速打開排洩閥21，對巖石樣品4進行瞬間加載。我們的實驗結果表明：地殼常見巖石的應力-溫度響應係數(ΔT/Δσ)比較小(只有2～6mK/MPa)，而傳壓介質(比如矽油，填充於第二耐壓罐2的空腔中)的應力-溫度響應係數則高達138.74mK/MPa，比地殼常見巖石的高2個數量級。因此，圍壓瞬間升高後，巖石樣品與傳壓介質之間產生溫差。通過實時監測耐壓罐圍壓(Confiningpressure)、巖石樣品中心、表面及傳壓介質的溫度變化，結合有限元數值反演方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數(熱導率/thermalconductivity、熱擴散率/thermaldiffusivitiy、及體積熱容/volumetricheatcapacity)。熱物性參數反演的有限元數值模型與方法具體如下：1)熱傳導微分方程由於本測試系統中的巖石樣品製備成圓柱狀，為了方便計算，這裡第一溫度傳感器61位於巖石樣品的中心，並且第二溫度傳感器62與第一溫度傳感器61位於巖石樣品同一徑向圓上。因此，其對應的柱坐標系統(2drz)下的熱傳導微分方程可表達成其初始條件為T(r，z，O)＝0，r≤25mm，|z|+≤65mm)，(11)邊界條件由測試系統監測的樣品表面溫度變化T02(t)和傳壓介質溫度變化T03(t)進行如下約束，其中λ，ρc分別是各種介質的熱導率(thermalconductivity)和體積熱容(volumetricheatcapacity)，γ為各種介質的絕熱應力變化的溫度響應係數(adiabaticpressurederivativeoftemperature)，A是由於圍壓變化導致溫度變化所對應的「熱源」(heatsourcetermdrivenbychangerateofconfiningpressure)。依此熱傳導微分方程在柱坐標系統(2drz)建立有限元數值模型，如圖2所示。步驟2、設巖石樣品的熱導率和體積熱容分別為λ，(ρc)，地殼常見巖石的熱導率及體積熱容的大致範圍分別在0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.O×1O6J·m-3·K-1，為了拓寬本反演方法的適應性，可再次適當增大巖石熱物性參數的求解區域其中入，(ρc)兩參數都進行m等份剖分，獲得初始的(m+1)×(m+1)個網格節點(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，...，m；步驟3、並將每個網格節點(λi，(ρc)j)輸入已建立的PT-FE有限元數值模型，以快加載過程中實時監測獲取的巖石樣品表面的溫度變化TO2(t)和傳壓介質(如矽油)溫度變化TO3(t)作為邊界條件(圖2)，模擬計算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)時，巖石樣品中心處的溫度變化，記為步驟4、利用最小二乘法，對上述有限元數值模型計算獲得的與巖石樣品中心實測的溫度變化T01進行線性擬合：求解該擬合直線斜率Ki,j和相關係數Ri,j，其中相關係數計算表達式如下步驟5、定義目標函數為F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2(16)並求解各網格點處的目標函數值F(λi,(ρc)j)，i,j＝1,2,3,...,m；步驟6、找出目標函數值最小的網格點，如果(ε為判斷是否滿足求解要求而設定的閾值)，則接受為所需要求解的巖石樣品的熱導率和體積熱容(λ,(ρc))，否則，將以為中心的鄰域為求解區域，將網格加密，返回到步驟3，直到滿足為止，從而解算得到巖石樣品的熱導率和體積熱容步驟7、最後根據熱導率、體積熱容及熱擴散率之間的關係式κ＝λ/(ρc)，可計算得到巖石樣品的熱擴散率。至此，某圍壓下巖石熱物性參數求解完畢。實際測試過程中，利用水下機器人(UnderwaterVehicle)，將整套系統攜帶至深海預定深度(比如6000米，對應水壓約60MPa)，待整個系統溫度達到平衡後，再利用水下機器人的機械手快速打開排洩閥，使得1～2s內，第二耐壓罐2內的圍壓瞬間升高至深海水壓(比如60MPa)。由於巖石樣品與傳壓介質(比如海水)的應力變化溫度響應係數相差一個數量級，因此巖石樣品與傳壓介質之間就存在溫差。通過監測圍壓瞬間升高過程中巖石樣品中心及表面的溫度變化，利用我們建立的有限元數值反演模型，結合全局優化方法，即可獲得高壓條件下巖石樣品的熱物性參數。從而實現了無電加熱「熱源」的瞬態熱物性測試，大大簡化了高壓條件下巖石熱物性測試系統及其操作程序。本發明深海高壓條件下巖石熱物性測試方法步驟如下：第一步：將第一溫度傳感器61和第二溫度傳感器62安置在製備好的圓柱狀巖石樣品4的中心和外表面，並用橡膠套5將巖石樣品4進行水密封裝，形成巖石樣品組件。第二步：將上述巖石樣品組件、壓力傳感器7及第三溫度傳感器63，放入第二耐壓罐2中，並進行密封。然後用水密電纜22按圖1所示將第一溫度傳感器61、第二溫度傳感器62、第三溫度傳感器63和壓力傳感器7的輸出端分別連接到數據採集單元3的相應的輸入端。開啟溫度和壓力數據採集模塊，開始溫度和圍壓監測。第三步：整套系統組裝好後，利用水下機器人8，將整套系統攜帶至深海海水9預定深度(比如6000米，對應水壓約60Mpa，海水9的底部標記為海底10)，待整個系統溫度達到平衡後，再利用水下機器人的機械手快速打開排洩閥21，使得1～2s內，第二耐壓罐2內的圍壓瞬間升高至深海水壓力(比如60MPa)。通過上述操作，實現巖石樣品瞬間加載，且這個過程中的溫度和圍壓變化，都被實時監測並記錄，再利用上述已建立的熱物性參數反演的有限元數值模型與方法，即反演獲得某圍壓下巖石樣品的熱物性參數。本發明已經過實驗測試，實驗測試所用到的系統與本發明專利提供的系統基本一致，稍有不同的是用高壓泵實現將一個大的耐壓罐圍壓升高(比如130MPa，以模擬深海高壓環境)，以便在打開排洩閥之後，可使得另外一個內置有巖石樣品組件的耐壓罐圍壓瞬間升高。圖3和圖4是龍門山斷裂帶砂巖L28與印度Rajasthan砂巖RJS瞬間加載過程中的溫度響應曲線。表1為對L28與RJS兩個砂巖樣品分別在15.31MPa、13.61MPa圍壓下測試獲得的熱物性參數結果：表1龍門山斷裂帶砂巖(L28)與印度Rajasthan砂巖(RJS)的熱物性反演結果對比L28和RJS巖石樣品中心溫度的實測結果與有限元數值模擬結果如圖5和圖6所示：本發明提供的方法和系統，不僅可用於深海高壓條件下巖石熱物性參數測試，而且大大簡化了原有測試系統及其操作程序。雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。另外，針對特定情形或應用，可以對本發明做各種修改，而不脫離本發明的範圍。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明權利要求範圍內的全部實施方式。