專利名稱：含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對含硫化礦物巖層進(jìn)行氧化動力學(xué)反應(yīng)試驗的一套系統(tǒng)裝置，具體為用含多種氣體(主要為氧氣、氮氣)的水溶液與含硫化礦物巖層中的硫化礦物進(jìn)行化學(xué)作用，并對化學(xué)作用后的水溶液進(jìn)行測試分析的系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
由于含硫化礦物巖層中富含有機質(zhì)和分散狀硫化礦物(主要為黃鐵礦、白鐵礦)，而含硫化礦物巖層的黏土化過程即是由于含硫化礦物巖層中的硫化礦物的地球化學(xué)作用，其主要表現(xiàn)為硫化礦物的氧化作用。含硫化礦物巖層中硫化礦物在富氧液體作用下于巖體 內(nèi)部發(fā)生水巖化學(xué)作用而迅速發(fā)生氧化作用，并生成大量酸性水，形成含硫酸鹽的酸性地下水使巖層的膠結(jié)物發(fā)生溶解而腐蝕巖體結(jié)構(gòu)，增大巖體孔隙率與透水能力，弱化巖體顆粒間的連結(jié)力，同時生成具有膨脹性的硫酸鹽類礦物，從而使巖體的物理力學(xué)性質(zhì)變?nèi)酢Ｖ袊鴮＠?00510045186. 3號公開了一種熱液羽狀體擴散模擬實驗裝置，包括與截止閥相連通的圓筒形擴散反應(yīng)艙、壓力控制裝置和相應(yīng)的可同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的計算機控制裝置，其特征是它還包括與擴散反應(yīng)艙體底端相連的包括試樣容器、高壓輸液泵、三通閥、兩通閥和預(yù)熱裝置的液體試樣泵入裝置。且在擴散反應(yīng)艙的側(cè)壁開有至少一對正對的觀測窗口。在底端設(shè)置一個與擴散反應(yīng)艙相連的安全溢流閥。又考慮到實時取樣的需要，在擴散反應(yīng)艙的頂端設(shè)置一個經(jīng)由鈦管與擴散反應(yīng)艙相連的取樣閥。以及包括高壓輸液泵、兩通閥、三通閥和蓄能器的壓力控制裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，實用性強，可進(jìn)行現(xiàn)代海底熱液羽狀體擴散過程和水巖反應(yīng)等多種實驗研究。但該裝置主要用于熔融流體的研究試驗，無法針對固體巖體進(jìn)行試驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種可模擬含硫化礦物巖體試樣與氧化條件的溶解氧與非氧化條件的溶解氮的水巖相互作用的含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置。該裝置可實現(xiàn)用對比方法來研究含硫化礦物巖層的水巖化學(xué)作用下，巖體中硫化礦物的氧化動力學(xué)關(guān)系及巖體酸性弱化機制，主要為模擬在溶解氮(IOO^N2)的非氧化條件、溶解氧氮(50% 02+50% N2)與溶解氧(100% O2)的氧化條件下的液體與含硫化礦物巖體中硫化礦物氧化動力學(xué)機理。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置，其特征在于該裝置分為四大部分環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A、水巖化學(xué)作用裝置B、水質(zhì)測試裝置C、液體流量測試裝置D，其中環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A包括高壓氣瓶和蒸餾水瓶，高壓氣瓶與蒸餾水瓶之間通過高壓管路連接，蒸餾水瓶上設(shè)有水位計，蒸餾水瓶下面連接有水管，水管上連接有閥門；水巖化學(xué)作用裝置B包括圓柱形上殼體和圓柱形下殼體，上殼體內(nèi)開有帶臺階的圓柱形腔，其中圓柱形腔的頂部設(shè)計成倒喇叭形，倒喇叭頂部設(shè)有出水口，下殼體內(nèi)開有喇叭形腔，喇叭底部設(shè)有進(jìn)水口 ；上殼體下部內(nèi)徑略大于下殼體上部外徑；下殼體底部設(shè)有法蘭盤，上殼體下部設(shè)有與法蘭盤配合的螺栓孔，下殼體上部套裝在上殼體的圓柱形腔中，下殼體與上殼體之間通過法蘭連接，法蘭連接處裝有密閉墊圈；在下殼體頂部與上殼體內(nèi)的臺階之間放置有供套裝巖體試樣的巖體試樣膠圈，上殼體的倒喇叭口處裝有剛性多孔板，多孔板與巖體試樣膠圈之間裝有上滲透膜；下殼體的喇叭口處裝有下滲透膜；進(jìn)水口連接環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A的水管；
水質(zhì)測試裝置C包括帶進(jìn)水管和出水管的溶解氧測試容器、帶進(jìn)水管和出水管的導(dǎo)電率測試容器、帶進(jìn)水管和出水管的酸度測試容器；溶解氧測試容器中裝有溶解氧計，溶解氧測試容器的進(jìn)水管通過水管連接水巖化學(xué)作用裝置B的出水口；導(dǎo)電率測試容器中裝有導(dǎo)電率計，導(dǎo)電率測試容器的進(jìn)水管通過水管連接溶解氧測試容器的出水管；酸度測試容器中裝有酸度計，酸度測試容器的進(jìn)水管通過水管連接導(dǎo)電率測試容器的出水管；液體流量測試裝置D包括電子稱和放在電子稱上的量筒，酸度測試容器的出水管通過水管連接到量筒中。進(jìn)一步的方案是在水巖化學(xué)作用裝置B的出水口裝有三通閥門，三通閥門的一路出水口通過水管連接溶解氧測試容器的進(jìn)水管，三通閥門的另一路出水口通過水管連接水質(zhì)全分析收集器。本發(fā)明中環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A可以由三個高壓氣瓶通過閥門并聯(lián)連接組成三個高壓氣瓶中分別存儲100%的純氧氣(02)、50%氧氣(02)+50%氮氣(N2)、100%純氮氣(N2)，每次試驗連通其中一個高壓氣瓶，高壓氣瓶中的氣體由蒸餾水瓶頂部進(jìn)入瓶中后，在設(shè)置的壓力下(約為O. 3-0. 6MPa)氣體溶解于液體中并達(dá)到自然溶解平衡，從而形成溶解氧和/或氮的液體，分別模擬出氧化條件(100%純氧氣、50%氧氣+50%氮氣)、非氧化條件(100%純氮氣)的水巖相互作用的環(huán)境，同時可按連通器原理通過側(cè)面的水位計讀取蒸餾水瓶中剩余液體的體積。水巖化學(xué)作用裝置B為含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置中的核心裝置，主要是為了保證含溶解氧(氮)的液體與巖體充分的進(jìn)行化學(xué)作用。裝置要求具有良好的密閉性，以保證裝置中的液體不會泄漏而損失含溶解氧(氮)的液體和減小進(jìn)入裝置的水壓力。工作過程是試驗時，首先將巖體試樣膠圈套在圓形巖體試樣周邊并在放入裝置中 ’溶解氧(氮)液體從裝置下側(cè)進(jìn)水口進(jìn)入裝置；液體經(jīng)過下滲透膜過濾，除去摻雜于液體中的固體雜質(zhì)；液體與試樣巖體全面充分的接觸，發(fā)生化學(xué)作用；反應(yīng)后的液體經(jīng)上滲透膜過濾；液體從裝置出水口流出，進(jìn)入下一步驟的測試裝置。剛性多孔板的作用是使巖體試樣在試驗中均衡受力而不變形破損，多孔板需要具有一定的抗壓強度和耐化學(xué)腐蝕性能力，多孔板也可以裝在臺階上；上滲透膜、下滲透膜的作用是保證與巖體試樣反應(yīng)的水體不含有雜質(zhì)，也可以通過設(shè)于進(jìn)水口的過濾器代替下滲透膜，設(shè)于出水口的過濾器代替上滲透膜。進(jìn)水口、出水口的喇叭形設(shè)計有利于液體均衡滲透巖體試樣充分反應(yīng)，有利于克服裝置啟動等瞬間因壓力突變對部件及巖體試樣的損傷。上殼體和下殼體應(yīng)該有足夠大的強度。在出水口外側(cè)可設(shè)置多通閥門，以便控制水巖相互作用后水溶液進(jìn)行各種測試工作。水質(zhì)測試裝置C包括將試樣巖體與溶解氧(氮)反應(yīng)后的液體進(jìn)行收集，并運用各種儀器對水質(zhì)進(jìn)行測試。考慮到水巖反應(yīng)后液體中含有溶解氧，而溶解氧易受到空氣影響，且酸度計(PH計)在水中工作時間久了之后會釋放出鉀離子而影響到導(dǎo)電率計Ec的測試等，因此為了減小各項測試中影響因素的干擾，在本裝置中的測試順序為①溶解氧計(Do計)、②導(dǎo)電率計(Ec計)、③酸度計(pH計)，而水質(zhì)的全分析設(shè)計在三通閥門的另一端水質(zhì)全分析收集器。液體流量測試裝置D主要由高精度電子稱與量筒組成，量筒的進(jìn)水口處最好有量筒蓋，以減少水的蒸發(fā)，通過讀取一定時間內(nèi)的水的流量來計算含硫化礦物巖體試樣的滲 透系數(shù)與水巖化學(xué)作用后液體質(zhì)量(或密度)的變化等。本發(fā)明的優(yōu)點是本裝置具有模擬在氧化條件與非氧化條件下的水巖化學(xué)作用，通過對水巖作用后的化學(xué)成分、PH值、溶解氧Do、電導(dǎo)率Ec、滲透系數(shù)等的變化測試，從而為研究含硫化礦物巖層中的硫化礦物的氧化動力學(xué)關(guān)系及巖體酸性弱化機理提供重要的試驗依據(jù)。


圖I為本發(fā)明的含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置實施例的系統(tǒng)流程示意圖。圖2為本發(fā)明中的水巖化學(xué)作用裝置B的剖面示意圖。圖3為本發(fā)明中的水質(zhì)測試裝置C的裝配示意圖。圖中A-環(huán)境狀態(tài)模擬裝置，B-水巖化學(xué)作用裝置，C-水質(zhì)測試裝置，D-液體流量測試裝置；I-高壓氣瓶，2-蒸餾水瓶，3-下殼體，4-溶解氧計(Do計)，5-導(dǎo)電率計(Ec計)，
6-酸度計(pH計)，7-量筒，8-電子稱，9-水質(zhì)全分析收集器，10-壓力表，11-閥門，12-連通口，13-水位計，14-三通閥門，15-水管，16-上殼體，17-多孔板，18-巖體試樣，19-上滲透膜，20-巖體試樣膠圈，21-下滲透膜，22-螺栓孔，23-密閉墊圈，24-進(jìn)水口，25-出水口，26-溶解氧測試容器，27-固定座，28-電線，29-螺栓孔，30-導(dǎo)電率測試容器，31-酸度測試容器。
具體實施例方式為進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采用的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對具體實施例說明如下。如圖I、圖2和圖3，一種含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置，其特征在于該裝置分為四大部分環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A、水巖化學(xué)作用裝置B、水質(zhì)測試裝置C、液體流量測試裝置D，其中環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A包括高壓氣瓶I和蒸餾水瓶2，高壓氣瓶I與蒸餾水瓶2之間通過高壓管路連接，蒸懼水瓶2上設(shè)有水位計13,蒸懼水瓶2下面連接有水管15,水管15上連接有閥門11;水巖化學(xué)作用裝置B包括圓柱形上殼體16和圓柱形下殼體3,上殼體16內(nèi)開有帶臺階的圓柱形腔,其中圓柱形腔的頂部設(shè)計成倒喇叭形，倒喇叭頂部設(shè)有出水口 25，下殼體3內(nèi)開有喇叭形腔，喇叭底部設(shè)有進(jìn)水口 24 ；上殼體16下部內(nèi)徑略大于下殼體3上部外徑；下殼體3底部設(shè)有法蘭盤，上殼體16下部設(shè)有與法蘭盤配合的螺栓孔22，下殼體3上部套裝在上殼體16的圓柱形腔中，下殼體3與上殼體16之間通過法蘭連接，法蘭連接處裝有密閉墊圈23 ；在下殼體3頂部與上殼體16內(nèi)的臺階之間放置有供套裝巖體試樣18的巖體試樣膠圈20，上殼體16的倒喇叭口處裝有剛性多孔板17，多孔板17與巖體試樣膠圈20之間裝有上滲透膜19 ；
下殼體3的喇叭口處裝有下滲透膜21 ；進(jìn)水口 24連接環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A的水管15 ；水質(zhì)測試裝置C包括帶進(jìn)水管和出水管的溶解氧測試容器26、帶進(jìn)水管和出水管的導(dǎo)電率測試容器30、帶進(jìn)水管和出水管的酸度測試容器31 ；溶解氧測試容器26中裝有溶解氧計4，溶解氧測試容器26的進(jìn)水管通過水管15連接水巖化學(xué)作用裝置B的出水口 25 ;導(dǎo)電率測試容器30中裝有導(dǎo)電率計5，導(dǎo)電率測試容器30的進(jìn)水管通過水管15連接溶解氧測試容器26的出水管；酸度測試容器31中裝有酸度計6，酸度測試容器31的進(jìn)水管通過水管15連接導(dǎo)電率測試容器30的出水管；液體流量測試裝置D包括電子稱8和放在電子稱8上的量筒7，酸度測試容器31的出水管通過水管15連接到量筒7中。在水巖化學(xué)作用裝置B的出水口 25裝有三通閥門14，三通閥門14的一路出水口通過水管15連接溶解氧測試容器26的進(jìn)水管，三通閥門14的另一路出水口通過水管15連接水質(zhì)全分析收集器9。具體實施參見圖1，將各個裝置進(jìn)行組裝或相互連接，首先將高壓氣瓶I中的氧(氮)氣體壓進(jìn)氣液混合瓶2中，氣體由蒸餾水瓶2頂部進(jìn)入瓶中，并控制蒸餾水瓶2中壓力的范圍約為O. 3-0. 6MPa，使氣體在該壓力作用下與蒸餾水達(dá)到溶解平衡，充分混合后形成系統(tǒng)中的環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A。將連通口 12和透明膠管水位計13與出水口相互連接形成連通器，便于讀取蒸餾水瓶2中剩余液體的體積，然后將水管15和閥門11與水巖化學(xué)作用裝置B連接，從而將模擬環(huán)境狀態(tài)裝置A和水巖化學(xué)作用裝置B連接，將閥門11打開使溶解氧(氮)液體進(jìn)入水巖化學(xué)作用裝置B中。在水巖化學(xué)作用裝置B中，液體首先經(jīng)過下滲透膜21過濾以減少固體雜質(zhì)，然后液體與巖體試樣18進(jìn)行充分的接觸而發(fā)生水巖化學(xué)作用，最后水巖作用之后的水溶液經(jīng)過上滲透膜19過濾后流出水巖化學(xué)作用裝置B，而流向水質(zhì)測試裝置C、液體流量測試裝置D或水質(zhì)全分析收集器9。在水質(zhì)測試裝置C中，利用Do計4、Ec計5、pH計6來對水巖化學(xué)作用后的水溶液進(jìn)行測試得到關(guān)于水巖化學(xué)作用的相關(guān)指標(biāo)。在液體流量測試裝置D中，運用量筒7測量液體在一定時間內(nèi)的流量而計算出巖體試樣18的滲透系數(shù)，運用高精度電子秤8測量水溶液的質(zhì)量以計算出與蒸餾水相比的質(zhì)量增量(或密度變化)。在水質(zhì)全分析收集器9中的水溶液，可運用水質(zhì)全分析儀對水巖化學(xué)作用后的水溶液進(jìn)行全面的化學(xué)成分測試?！ぁ?br> 權(quán)利要求
1.一種含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置，其特征在于該裝置分為四大部分環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A、水巖化學(xué)作用裝置B、水質(zhì)測試裝置C、液體流量測試裝置D，其中 環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A包括高壓氣瓶(I)和蒸餾水瓶(2)，高壓氣瓶(I)與蒸餾水瓶(2)之間通過高壓管路連接，蒸餾水瓶(2)上設(shè)有水位計(13)，蒸餾水瓶(2)下面連接有水管(15)，水管(15)上連接有閥門(11)； 水巖化學(xué)作用裝置B包括 圓柱形上殼體(16)和圓柱形下殼體(3)，上殼體(16)內(nèi)開有帶臺階的圓柱形腔，其中圓柱形腔的頂部設(shè)計成倒喇叭形，倒喇叭頂部設(shè)有出水口(25)； 下殼體(3)內(nèi)開有喇叭形腔，喇叭底部設(shè)有進(jìn)水口(24)； 上殼體(16)下部內(nèi)徑略大于下殼體(3)上部外徑； 下殼體(3)底部設(shè)有法蘭盤，上殼體(16)下部設(shè)有與法蘭盤配合的螺栓孔(22)，下殼體(3)上部套裝在上殼體(16)的圓柱形腔中，下殼體(3)與上殼體(16)之間通過法蘭連接，法蘭連接處裝有密閉墊圈(23)； 在下殼體(3)頂部與上殼體(16)內(nèi)的臺階之間放置有供套裝巖體試樣(18)的巖體試樣膠圈(20)，上殼體(16)的倒喇叭口處裝有剛性多孔板(17)，多孔板(17)與巖體試樣膠圈(20)之間裝有上滲透膜(19)，下殼體(3)的喇叭口處裝有下滲透膜(21)； 進(jìn)水口(24)連接環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A的水管(15)； 水質(zhì)測試裝置C包括帶進(jìn)水管和出水管的溶解氧測試容器(26)、帶進(jìn)水管和出水管的導(dǎo)電率測試容器(30)、帶進(jìn)水管和出水管的酸度測試容器(31)； 溶解氧測試容器(26)中裝有溶解氧計(4)，溶解氧測試容器(26)的進(jìn)水管通過水管(15)連接水巖化學(xué)作用裝置B的出水口(25)； 導(dǎo)電率測試容器(30)中裝有導(dǎo)電率計(5)，導(dǎo)電率測試容器(30)的進(jìn)水管通過水管(15)連接溶解氧測試容器(26)的出水管； 酸度測試容器(31)中裝有酸度計(6)，酸度測試容器(31)的進(jìn)水管通過水管(15)連接導(dǎo)電率測試容器(30)的出水管； 液體流量測試裝置D包括電子稱(8)和放在電子稱(8)上的量筒(7)，酸度測試容器(31)的出水管通過水管(15)連接到量筒(7)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置，其特征在于在水巖化學(xué)作用裝置B的出水口(25)裝有三通閥門(14)，三通閥門(14)的一路出水口通過水管(15)連接溶解氧測試容器(26)的進(jìn)水管，三通閥門(14)的另一路出水口通過水管(15)連接水質(zhì)全分析收集器(9)。
全文摘要
一種含硫化礦物巖層氧化動力反應(yīng)試驗裝置，其特征在于該裝置分為四大部分環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A、水巖化學(xué)作用裝置B、水質(zhì)測試裝置C、液體流量測試裝置D，其中環(huán)境狀態(tài)模擬裝置A包括高壓氣瓶(1)和蒸餾水瓶(2)；水巖化學(xué)作用裝置B包括上殼體(16)和下殼體(3)，下殼體(3)上部套裝在上殼體(16)的圓柱形腔中，下殼體(3)頂部與上殼體(16)內(nèi)的臺階之間放置有供套裝巖體試樣(18)的巖體試樣膠圈(20)、多孔板(17)、上滲透膜(19)、下滲透膜(21)；水質(zhì)測試裝置C包括溶解氧測試容器(26)、導(dǎo)電率測試容器(30)、酸度測試容器(31)；液體流量測試裝置D包括電子稱(8)和放在電子稱(8)上的量筒(7)。
文檔編號G01N33/24GK102914635SQ20121045768
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者巫錫勇, 朱寶龍, 廖昕, 凌斯祥 申請人:西南交通大學(xué), 西南科技大學(xué)