含可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)規(guī)范-征求意見(jiàn)稿

可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)規(guī)范本文件規(guī)定了可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)的技術(shù)要求方法原理、儀器設(shè)備、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、安全事項(xiàng)和試驗(yàn)記錄。本文件適用于可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T24107.1土工試驗(yàn)儀器三軸儀第1部分:應(yīng)變控制式三軸儀GB/T50123土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)T/CAOE23天然氣可燃冰實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)規(guī)范T/CAOE51含可燃冰沉積物滲透率測(cè)定方法T/CAOE52含可燃冰沉積物三軸剪切試驗(yàn)方法3術(shù)語(yǔ)與定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件可燃冰飽和度saturation在一定的水浴溫度和甲烷氣壓條件下，可燃冰體積與沉積物孔隙體積之比。注：假設(shè)甲烷氣體在水中溶解度達(dá)到飽和，水和3.2分解程度decompositiondegree可燃冰分解一定程度后飽和度變化情況。4方法原理基于南海神狐海域可燃冰沉積物粒度成分和礦物成分配制黏質(zhì)粉砂并與一定量的去離子水混合后，通過(guò)過(guò)量氣法實(shí)現(xiàn)可燃冰沉積物試樣制備?？扇急练e物合成及分解試驗(yàn)方法采用恒體積法，可燃冰生成及分解前后氣水兩相總體積保持不變。利用體積守恒方法計(jì)算可燃冰合成后的飽和度，根據(jù)可燃冰分解產(chǎn)生甲烷氣體量計(jì)算殘余可燃冰飽和度，得到可燃冰分解程度。5儀器設(shè)備5.1儀器設(shè)備構(gòu)成可燃冰沉積物合成及分解儀器設(shè)備應(yīng)由高壓三軸壓力室、圍壓加載裝置、軸壓加載裝置、氣體注入系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、質(zhì)量流量計(jì)、背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、高精度柱塞泵（ISCO）泵、壓力傳感器、壓差傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，見(jiàn)圖1。圖1可燃冰沉積物合成及分解儀器儀器設(shè)備示意圖5.2主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定：a)可燃冰沉積物試樣宜為圓柱形，試樣高應(yīng)為100mm，直徑應(yīng)為50mm；b)甲烷氣體、氮?dú)鈿怏w施加宜為0~15MPa，精度不應(yīng)低于±0.01MPa。甲烷氣體檢測(cè)儀精度應(yīng)為±3%，響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于20s；c)去離子水電阻率宜為10×106～16×106Ω·cm；d)圍壓傳感器量程不宜于低于20MPa，精度不應(yīng)低于±0.1MPa；壓差傳感器量程應(yīng)為0~500kPa，精度不應(yīng)低于±0.5kPa；e)熱縮膠套拉伸強(qiáng)度不宜小于10.4MPa，軸向變化率宜為-5%~+5%，耐溫不宜低于5.3高壓三軸壓力室5.3.1高壓三軸壓力室圍壓應(yīng)為0~60MPa，圍壓泵穩(wěn)壓波動(dòng)應(yīng)符合T/CAOE51的規(guī)定。5.3.2熱縮膠套加熱后應(yīng)緊密包裹試樣，使用長(zhǎng)度與試樣高度比宜為2：3。5.3.3熱縮膠套表面宜光滑。5.3.4試樣上下端應(yīng)均勻分布直徑1mm的圓孔墊片。5.3.5上壓頭和下壓頭應(yīng)分別設(shè)置與圓孔墊片連接的通孔，上壓頭應(yīng)用于向試樣內(nèi)部注入氣體和液體，下壓頭應(yīng)用于可燃冰分解后甲烷氣體和去離子水的排出。5.4甲烷氣體注入系統(tǒng)5.4.1甲烷氣體純度不應(yīng)低于99.99%。5.4.2甲烷氣瓶與高壓三軸壓力室中間宜設(shè)置氣體質(zhì)量流量計(jì)，氣體質(zhì)量流量計(jì)量程宜為0~100sccm，流量累積誤差應(yīng)小于3%。5.4.3甲烷氣體監(jiān)測(cè)儀應(yīng)設(shè)置兩級(jí)報(bào)警，一級(jí)報(bào)警指標(biāo)應(yīng)為0.5%VOL，二級(jí)報(bào)警指標(biāo)應(yīng)為1.25%VOL。5.5溫度控制系統(tǒng)5.5.1溫度控制系統(tǒng)宜采用水浴，溫度控制宜為-20℃~30℃,精度不應(yīng)低于±0.1℃。5.5.2低溫水浴箱內(nèi)液體應(yīng)采用防凍液，冷浴循環(huán)罩應(yīng)將高壓三軸壓力室緊密包裹。6試驗(yàn)步驟6.1原位生成法應(yīng)按下列步驟執(zhí)行：a）使用高壓氮?dú)馄坎⑴浜腺|(zhì)量流量計(jì)以10ml/min恒定體積流量向反應(yīng)器中通入高純氮?dú)?，持續(xù)10min，觀察壓力表讀數(shù)應(yīng)一致，干燥管路應(yīng)避免系統(tǒng)內(nèi)水汽殘留。b）將氮?dú)鈮毫υO(shè)置為10MPa，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉進(jìn)出氣口，保持此狀態(tài)2h后觀察體系氣壓不應(yīng)下降。c）基于南海神狐海域可燃冰沉積物粒度成分和礦物成分配制黏質(zhì)粉砂并與一定量的去離子水混合后，使用0.5kg擊實(shí)錘，落距為30cm，每層擊實(shí)15次分5層將試驗(yàn)材料擊實(shí)，通過(guò)取土器將試樣取出置于高壓三軸壓力室內(nèi)。d）將試樣放置于高壓三軸壓力室后，采用過(guò)量氣法制備可燃冰沉積物試樣。打開(kāi)甲烷氣瓶閥門(mén)并設(shè)置甲烷氣體氣壓為1MPa，向試驗(yàn)系統(tǒng)中持續(xù)輸出甲烷氣，此狀態(tài)保持6h，并使甲烷溶于孔隙水中。e）通過(guò)高精度伺服泵將圍壓提升至8.5MPa，甲烷氣壓提升至7MPa，關(guān)閉進(jìn)出口閥門(mén)，記錄此時(shí)反應(yīng)器溫度和孔隙壓力。利用低溫水浴設(shè)備將圍壓室溫度降低至1℃,此時(shí)試樣所處環(huán)境滿足可燃冰賦存條件，可燃冰開(kāi)始生成，待孔壓數(shù)值維持穩(wěn)定狀態(tài)，認(rèn)為此時(shí)試樣處于氣飽和狀態(tài)下甲烷與孔隙水充分反應(yīng)，可燃冰生成完畢并記錄此時(shí)反應(yīng)器溫度和孔隙壓力。6.2混合制樣法應(yīng)按下列步驟執(zhí)行a）將去離子水置于可燃冰生成圓柱形反應(yīng)器內(nèi)部并密封，然后置于高壓三軸壓力室b）基于可燃冰賦存條件，以10ml/min流速通入甲烷氣體，待反應(yīng)器內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定30min后關(guān)閉進(jìn)出氣口閥門(mén)，記錄此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)溫度和壓力。c）利用溫度控制系統(tǒng)將高壓三軸壓力室溫度降至1℃,隨可燃冰的生成反應(yīng)器內(nèi)壓力逐漸降低，待壓力穩(wěn)定后認(rèn)為純可燃冰生成完成，記錄可燃冰生成后反應(yīng)器內(nèi)溫度和壓力，對(duì)純可燃冰稱(chēng)重并碾碎成粉末。d）制備與南海沉積物顆粒級(jí)配相同的土并與可燃冰粉末均勻混合置于制樣模具中，分5次將試驗(yàn)材料擊實(shí)，隨后通過(guò)取土器將試樣取出并用熱縮膠套包裹后置于高壓三軸壓力室內(nèi)。6.3可燃冰沉積物分解試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟執(zhí)行：a）升溫分解。將可燃冰沉積物試樣置于高壓三軸壓力室后通過(guò)溫度控制系統(tǒng)將高壓三軸壓力室溫度由1℃緩慢升高至20℃,升溫時(shí)間持續(xù)18min，可燃冰逐漸分解。待可燃冰分解至目標(biāo)飽和度后，將注水泵壓力調(diào)整為比此時(shí)容器壓力高10kPa，向反應(yīng)器加注去離子水，流速為2ml/min。在注水過(guò)程中，分解體被注入水置換到ISCO泵中并采集此時(shí)ISCO泵中溫度、壓力等參數(shù)。b）降壓分解。將可燃冰沉積物試樣置于高壓三軸壓力室后保持圍壓和溫度恒定，以可燃冰生成后出口段孔隙壓力作為降壓初始?jí)毫?，調(diào)整背壓閥壓力至預(yù)設(shè)值，可燃冰開(kāi)始逐漸分解，待可燃冰分解一定程度后，將注水泵壓力調(diào)整為比此時(shí)容器壓力高10kpa，向反應(yīng)器加注去離子水，流速為2ml/min。在注水過(guò)程中，解離氣體被注入水置換到ISCO泵中并采集此時(shí)ISCO泵中溫度、壓力等參數(shù)。7數(shù)據(jù)處理7.1可燃冰合成后飽和度應(yīng)采用恒體積法，按下列公式計(jì)算：a）反應(yīng)器空腔體積應(yīng)按下式計(jì)算：式中：Vw—可燃冰生成后殘余水的體積，單位（cm3g—可燃冰生成后殘余氣體體積，單位（cm3Vh—可燃冰體積，單位（cm3Vs—沉積物體積，單位（cm3Vr—反應(yīng)器空腔體積，單位（cm3b）各相體積應(yīng)由氣體狀態(tài)方程，按下列公式計(jì)算：式中：n、n—可燃冰生成前后甲烷氣體物質(zhì)的量，單位（molg0g1P1—可燃冰生成前、后反應(yīng)器壓力，單位（MPaVg0—甲烷氣體注入體積，單位（cm3Vg1—可燃冰生成后殘余甲烷氣體體積，單位（cm3T、T1—可燃冰生成前、后反應(yīng)器溫度，單位(℃);Z0、Z1—對(duì)應(yīng)T0、T1溫度下的甲烷氣體壓縮系數(shù)；c）可燃冰生成量應(yīng)根據(jù)甲烷氣體消耗量，按下列公式計(jì)算：(5)結(jié)合式(2)—(4)得：V式中：Vsi—含可燃冰沉積物孔隙體積，單位（cm3）。d）可燃冰飽和度應(yīng)按下式計(jì)算：(8)式中：Sh可燃冰飽和度。7.2可燃冰分解后飽和度應(yīng)采用恒體積法，按下列公式計(jì)算：a）分解后殘余可燃冰體積應(yīng)按下列公式計(jì)算：V式中：Vh—分解后殘余可燃冰體積，單位（cm3h—可燃冰的分解體積，單位（cm3b）可燃冰分解產(chǎn)生的甲烷氣體物質(zhì)量應(yīng)按下式計(jì)算：式中：ng/—可燃冰分解產(chǎn)生的甲烷氣體物質(zhì)量，單位（molc）P/、T/、Vg/分解產(chǎn)生的甲烷氣體在ISCO泵中的壓力、溫度、體積應(yīng)按下列公式計(jì)V+V+V+Vs式中：Vw—可燃冰分解后產(chǎn)生水的體積，單位（cm3V/—可燃冰分解后產(chǎn)生氣體體積，單位（cm3注：ISCO泵中收集的甲烷氣體換算成此時(shí)壓力室甲烷氣體體積，對(duì)應(yīng)的溫度、壓力為此時(shí)壓力室的h—分解后剩余可燃冰體積，單位（cm3s—沉積物體積且一直不變，單位（cm3r—分解后高壓三軸壓力室反應(yīng)器空腔體積，單位（cm3d）可燃冰分解后可燃冰沉積物孔隙體積應(yīng)按下式計(jì)算：Ve）分解后剩余可燃冰飽和度應(yīng)按下式計(jì)算：siVsi8安全事項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)在低溫高壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室安全應(yīng)符合下列規(guī)定：a)實(shí)驗(yàn)室操作人員個(gè)體防護(hù)裝備應(yīng)符合GB/T11651的規(guī)定；b)試驗(yàn)人員應(yīng)熟練掌握試驗(yàn)步驟，試驗(yàn)儀器使用應(yīng)按廠家規(guī)定的安全操作步驟進(jìn)行；c)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣瓶的搬運(yùn)、裝卸、儲(chǔ)存和使用安全應(yīng)符合GB/T34525的規(guī)定，并記錄每次使用氣體前后壓力值，氣瓶應(yīng)放置于陰涼處的氣瓶?jī)?chǔ)存區(qū)域中并牢固固定；d)甲烷等易燃易爆氣體安全應(yīng)符合GB/T29304的規(guī)定。9試驗(yàn)記錄可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)記錄格式見(jiàn)附錄A。（資料性）可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)記錄表格式A.1可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)條件可按表A.1記錄。表A.1可燃冰沉積物合成及分解試驗(yàn)條件記錄表項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)A.2