[发明专利]深海高压条件下岩石热物性测试系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，属于岩石热物性测试技术领域。

背景技术

地球内部岩层热物性，是地球内部热结构、热演化及地球动力学研究中最基础的物性参数。而不同的温、压条件下，岩石热物性存在差异。因此，深入开展不同围压条件下岩石热物性测试研究具有非常重要的意义。

目前，已有的高压条件下岩石热物性测试方法和系统，是通过将热物性测试探头(包括加热源和温度传感器)与岩石样品事先组装好，一同安置在耐压罐内。启动加压泵，将耐压罐内围压加到预定压力后，维持一段时间，待整套系统的温度达到平衡后，再开启热物性测试系统进行电加热，同时监测岩石内部温度变化，从而完成不同围压条件下的热物性测试。

上述现有的测试方法与系统，必需主动进行电加热(比如以恒定电流通过加热丝)作为瞬态法热物性测试所需的“热源”。因此，加热源和温度传感器必需同时安置在岩石内部，使得测试系统相对较为复杂。而且热物性参数测试对环境温度的恒温性要求特别高，而实验室条件下进行热物性测试过程中，测试系统通常直接与空气接触，很难在一个相对恒温的环境下进行测试。由于环境温度的波动难以控制，导致测试结果往往受到较大影响。

这种测试方法与技术，必需主动进行电加热(比如以恒定电流通过加热丝)作为瞬态法热物性测试所需的“热源”。

而我们的实验结果表明：地壳常见岩石的应力-温度响应系数(ΔT/Δσ)比较小(只有2～6mK/MPa)，而传压介质(比如海水)的应力-温度响应系数则高达17.67mK/MPa，比地壳常见岩石的高1个数量级。因此，围压瞬间升高后，岩石样品与传压介质海水之间就存在温差。因此，本发明通过实时监测耐压罐围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水温度变化，结合有限元数值反演方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数(热导率/thermal conductivity、热扩散率/thermal diffusivitiy、及体积热容/volumetric heat capacity)。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种无需电加热“热源”、无需加压泵的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其只在岩石样品中心及表面各安置一个温度传感器，通过快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载，并监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水的温度变化，利用建立的有限元数值反演模型，结合全局优化方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。从而实现了无电加热“热源”的瞬态热物性测试，大大简化了高压条件下岩石热物性测试系统及其操作程序。同时，1～3个小时的时间尺度内，深海海水的温度波动非常小，是一个非常良好的恒温环境，这恰恰是岩石热物性测试最理想的条件，从而可获得更高质量的热物性测试结果，而实验室通常难以实现。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其包括二个耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐内形成一充满传压介质的空腔，在所述空腔内安装一岩石样品，所述岩石样品的中心及外表面分别安装有第一温度传感器和第二温度传感器，所述空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器的输出端均通过水密电缆与数据采集单元的输入端相连，所述第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。

所述岩石样品的外表面设置有用于对岩石样品进行水密封装的橡胶套，所述岩石样品的上、下两端均通过硬质硅胶进行密封。

所述岩石样品为圆柱状。

所述传压介质为海水。

本发明的另一目的在于提供一种无需电加热“热源”、无需加压泵的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其只在岩石样品中心及表面各安置一个温度传感器，通过快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载，并监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面及传压介质海水的温度变化，利用建立的有限元数值反演模型，结合全局优化方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。从而实现了无电加热“热源”的瞬态热物性测试，大大简化了高压条件下岩石热物性测试系统及其操作程序。同时，1～3个小时的时间尺度内，深海海水的温度波动非常小，是一个非常良好的恒温环境，这恰恰是岩石热物性测试最理想的条件，从而可获得更高质量的热物性测试结果，而实验室通常难以实现。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种深海高压条件下岩石热物性测试方法，其包括以下步骤：