可燃冰沉積物合成及分解試驗規范本文件規定了可燃冰沉積物合成及分解試驗的技術要求方法原理、儀器設備、試驗步驟、數據處理、安全事項和試驗記錄。本文件適用于可燃冰沉積物合成及分解試驗。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應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土工試驗儀器三軸儀第1部分:應變控制式三軸儀GB/T50123土工試驗方法標準T/CAOE23天然氣可燃冰實驗測試技術規范T/CAOE51含可燃冰沉積物滲透率測定方法T/CAOE52含可燃冰沉積物三軸剪切試驗方法3術語與定義下列術語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：假設甲烷氣體在水中溶解度達到飽和，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粉砂并與一定量的去離子水混合后，通過過量氣法實現可燃冰沉積物試樣制備。可燃冰沉積物合成及分解試驗方法采用恒體積法，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算可燃冰合成后的飽和度，根據可燃冰分解產生甲烷氣體量計算殘余可燃冰飽和度，得到可燃冰分解程度。5儀器設備5.1儀器設備構成可燃冰沉積物合成及分解儀器設備應由高壓三軸壓力室、圍壓加載裝置、軸壓加載裝置、氣體注入系統、溫度控制系統、質量流量計、背壓調節系統、高精度柱塞泵（ISCO）泵、壓力傳感器、壓差傳感器、溫度傳感器、數據采集系統等組成，見圖1。圖1可燃冰沉積物合成及分解儀器儀器設備示意圖5.2主要技術參數應符合下列規定：a)可燃冰沉積物試樣宜為圓柱形，試樣高應為100mm，直徑應為50mm；b)甲烷氣體、氮氣氣體施加宜為0~15MPa，精度不應低于±0.01MPa。甲烷氣體檢測儀精度應為±3%，響應時間不應大于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，精度不應低于±0.1MPa；壓差傳感器量程應為0~500kPa，精度不應低于±0.5kPa；e)熱縮膠套拉伸強度不宜小于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為0~60MPa，圍壓泵穩壓波動應符合T/CAOE51的規定。5.3.2熱縮膠套加熱后應緊密包裹試樣，使用長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試樣上下端應均勻分布直徑1mm的圓孔墊片。5.3.5上壓頭和下壓頭應分別設置與圓孔墊片連接的通孔，上壓頭應用于向試樣內部注入氣體和液體，下壓頭應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5.4.1甲烷氣體純度不應低于99.99%。5.4.2甲烷氣瓶與高壓三軸壓力室中間宜設置氣體質量流量計，氣體質量流量計量程宜為0~100sccm，流量累積誤差應小于3%。5.4.3甲烷氣體監測儀應設置兩級報警，一級報警指標應為0.5%VOL，二級報警指標應為1.25%VOL。5.5溫度控制系統5.5.1溫度控制系統宜采用水浴，溫度控制宜為-20℃~30℃,精度不應低于±0.1℃。5.5.2低溫水浴箱內液體應采用防凍液，冷浴循環罩應將高壓三軸壓力室緊密包裹。6試驗步驟6.1原位生成法應按下列步驟執行：a）使用高壓氮氣瓶并配合質量流量計以10ml/min恒定體積流量向反應器中通入高純氮氣，持續10min，觀察壓力表讀數應一致，干燥管路應避免系統內水汽殘留。b）將氮氣壓力設置為10MPa，待系統壓力穩定后，關閉進出氣口，保持此狀態2h后觀察體系氣壓不應下降。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粉砂并與一定量的去離子水混合后，使用0.5kg擊實錘，落距為30cm，每層擊實15次分5層將試驗材料擊實，通過取土器將試樣取出置于高壓三軸壓力室內。d）將試樣放置于高壓三軸壓力室后，采用過量氣法制備可燃冰沉積物試樣。打開甲烷氣瓶閥門并設置甲烷氣體氣壓為1MPa，向試驗系統中持續輸出甲烷氣，此狀態保持6h，并使甲烷溶于孔隙水中。e）通過高精度伺服泵將圍壓提升至8.5MPa，甲烷氣壓提升至7MPa，關閉進出口閥門，記錄此時反應器溫度和孔隙壓力。利用低溫水浴設備將圍壓室溫度降低至1℃,此時試樣所處環境滿足可燃冰賦存條件，可燃冰開始生成，待孔壓數值維持穩定狀態，認為此時試樣處于氣飽和狀態下甲烷與孔隙水充分反應，可燃冰生成完畢并記錄此時反應器溫度和孔隙壓力。6.2混合制樣法應按下列步驟執行a）將去離子水置于可燃冰生成圓柱形反應器內部并密封，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，待反應器內壓力達到預設值并穩定30min后關閉進出氣口閥門，記錄此時反應器內溫度和壓力。c）利用溫度控制系統將高壓三軸壓力室溫度降至1℃,隨可燃冰的生成反應器內壓力逐漸降低，待壓力穩定后認為純可燃冰生成完成，記錄可燃冰生成后反應器內溫度和壓力，對純可燃冰稱重并碾碎成粉末。d）制備與南海沉積物顆粒級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次將試驗材料擊實，隨后通過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。6.3可燃冰沉積物分解試驗應按下列步驟執行：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溫度控制系統將高壓三軸壓力室溫度由1℃緩慢升高至20℃,升溫時間持續18min，可燃冰逐漸分解。待可燃冰分解至目標飽和度后，將注水泵壓力調整為比此時容器壓力高10kPa，向反應器加注去離子水，流速為2ml/min。在注水過程中，分解體被注入水置換到ISCO泵中并采集此時ISCO泵中溫度、壓力等參數。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壓力，調整背壓閥壓力至預設值，可燃冰開始逐漸分解，待可燃冰分解一定程度后，將注水泵壓力調整為比此時容器壓力高10kpa，向反應器加注去離子水，流速為2ml/min。在注水過程中，解離氣體被注入水置換到ISCO泵中并采集此時ISCO泵中溫度、壓力等參數。7數據處理7.1可燃冰合成后飽和度應采用恒體積法，按下列公式計算：a）反應器空腔體積應按下式計算：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—反應器空腔體積，單位（cm3b）各相體積應由氣體狀態方程，按下列公式計算：式中：n、n—可燃冰生成前后甲烷氣體物質的量，單位（molg0g1P1—可燃冰生成前、后反應器壓力，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、后反應器溫度，單位(℃);Z0、Z1—對應T0、T1溫度下的甲烷氣體壓縮系數；c）可燃冰生成量應根據甲烷氣體消耗量，按下列公式計算：(5)結合式(2)—(4)得：V式中：Vsi—含可燃冰沉積物孔隙體積，單位（cm3）。d）可燃冰飽和度應按下式計算：(8)式中：Sh可燃冰飽和度。7.2可燃冰分解后飽和度應采用恒體積法，按下列公式計算：a）分解后殘余可燃冰體積應按下列公式計算：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）可燃冰分解產生的甲烷氣體物質量應按下式計算：式中：ng/—可燃冰分解產生的甲烷氣體物質量，單位（molc）P/、T/、Vg/分解產生的甲烷氣體在ISCO泵中的壓力、溫度、體積應按下列公式計V+V+V+Vs式中：Vw—可燃冰分解后產生水的體積，單位（cm3V/—可燃冰分解后產生氣體體積，單位（cm3注：ISCO泵中收集的甲烷氣體換算成此時壓力室甲烷氣體體積，對應的溫度、壓力為此時壓力室的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按下式計算：Ve）分解后剩余可燃冰飽和度應按下式計算：siVsi8安全事項試驗應在低溫高壓下進行，實驗室安全應符合下列規定：a)實驗室操作人員個體防護裝備應符合GB/T11651的規定；b)試驗人員應熟練掌握試驗步驟，試驗儀器使用應按廠家規定的安全操作步驟進行；c)實驗室內氣瓶的搬運、裝卸、儲存和使用安全應符合GB/T34525的規定，并記錄每次使用氣體前后壓力值，氣瓶應放置于陰涼處的氣瓶儲存區域中并牢固固定；d)甲烷等易燃易爆氣體安全應符合GB/T29304的規定。9試驗記錄可燃冰沉積物合成及分解試驗記錄格式見附錄A。（資料性）可燃冰沉積物合成及分解試驗記錄表格式A.1可燃冰沉積物合成及分解試驗條件可按表A.1記錄。表A.1可燃冰沉積物合成及分解試驗條件記錄表項目參數項目參數項目參數A.2