含可燃冰沉积物合成及分解试验规范

可燃冰沉积物合成及分解试验规范

1范围

本文件规定了可燃冰沉积物合成及分解试验的技术要求方法原理、仪器设备、试验步

骤、数据处理、安全事项和试验记录。

本文件适用于可燃冰沉积物合成及分解试验。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日

期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本

（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T24107.1土工试验仪器三轴仪第1部分:应变控制式三轴仪

GB/T50123土工试验方法标准

T/CAOE23天然气可燃冰实验测试技术规范

T/CAOE51含可燃冰沉积物渗透率测定方法

T/CAOE52含可燃冰沉积物三轴剪切试验方法

3术语与定义

下列术语和定义适用于本文件

3.1

可燃冰饱和度saturation

在一定的水浴温度和甲烷气压条件下，可燃冰体积与沉积物孔隙体积之比。

注：假设甲烷气体在水中溶解度达到饱和，水和多孔介质不可压缩。

3.2

分解程度decompositiondegree

可燃冰分解一定程度后饱和度变化情况。

4方法原理

基于南海神狐海域可燃冰沉积物粒度成分和矿物成分配制黏质粉砂并与一定量的去离

子水混合后，通过过量气法实现可燃冰沉积物试样制备。可燃冰沉积物合成及分解试验方

法采用恒体积法，可燃冰生成及分解前后气水两相总体积保持不变。利用体积守恒方法计

算可燃冰合成后的饱和度，根据可燃冰分解产生甲烷气体量计算残余可燃冰饱和度，得到

可燃冰分解程度。

5仪器设备

5.1仪器设备构成

可燃冰沉积物合成及分解仪器设备应由高压三轴压力室、围压加载装置、轴压加载装

置、气体注入系统、温度控制系统、质量流量计、背压调节系统、高精度柱塞泵（ISCO）

泵、压力传感器、压差传感器、温度传感器、数据采集系统等组成，见图1。

图1可燃冰沉积物合成及分解仪器仪器设备示意图

5.2主要技术参数应符合下列规定：

a)可燃冰沉积物试样宜为圆柱形，试样高应为100mm，直径应为50mm；

b)甲烷气体、氮气气体施加宜为0~15MPa，精度不应低于±0.01MPa。甲烷气体检测

仪精度应为±3%，响应时间不应大于20s；

c)去离子水电阻率宜为10×106～16×106Ω·cm；

d)围压传感器量程不宜于低于20MPa，精度不应低于±0.1MPa；压差传感器量程应为

0~500kPa，精度不应低于±0.5kPa；

e)热缩胶套拉伸强度不宜小于10.4MPa，轴向变化率宜为-5%~+5%，耐温不宜低于

158℃。

5.3高压三轴压力室

5.3.1高压三轴压力室围压应为0~60MPa，围压泵稳压波动应符合T/CAOE51的规定。

5.3.2热缩胶套加热后应紧密包裹试样，使用长度与试样高度比宜为2：3。

5.3.3热缩胶套表面宜光滑。

5.3.4试样上下端应均匀分布直径1mm的圆孔垫片。

5.3.5上压头和下压头应分别设置与圆孔垫片连接的通孔，上压头应用于向试样内部注入气

体和液体，下压头应用于可燃冰分解后甲烷气体和去离子水的排出。

5.4甲烷气体注入系统

5.4.1甲烷气体纯度不应低于99.99%。

5.4.2甲烷气瓶与高压三轴压力室中间宜设置气体质量流量计，气体质量流量计量程宜为

0~100sccm，流量累积误差应小于3%。

5.4.3甲烷气体监测仪应设置两级报警，一级报警指标应为0.5%VOL，二级报警指标应为

1.25%VOL。

5.5温度控制系统

5.5.1温度控制系统宜采用水浴，温度控制宜为-20℃~30℃，精度不应低于±0.1℃。

5.5.2低温水浴箱内液体应采用防冻液，冷浴循环罩应将高压三轴压力室紧密包裹。

6试验步骤

6.1原位生成法应按下列步骤执行：

a）使用高压氮气瓶并配合质量流量计以10ml/min恒定体积流量向反应器中通入高纯

氮气，持续10min，观察压力表读数应一致，干燥管路应避免系统内水汽残留。

b）将氮气压力设置为10MPa，待系统压力稳定后，关闭进出气口，保持此状态2h后

观察体系气压不应下降。

c）基于南海神狐海域可燃冰沉积物粒度成分和矿物成分配制黏质粉砂并与一定量的

去离子水混合后，使用0.5kg击实锤，落距为30cm，每层击实15次分5层将试验材料击

实，通过取土器将试样取出置于高压三轴压力室内。

d）将试样放置于高压三轴压力室后，采用过量气法制备可燃冰沉积物试样。打开甲烷

气瓶阀门并设置甲烷气体气压为1MPa，向试验系统中持续输出甲烷气，此状态保持6h，

并使甲烷溶于孔隙水中。

e）通过高精度伺服泵将围压提升至8.5MPa，甲烷气压提升至7MPa，关闭进出口阀

门，记录此时反应器温度和孔隙压力。利用低温水浴设备将围压室温度降低至1℃，此时

试样所处环境满足可燃冰赋存条件，可燃冰开始生成，待孔压数值维持稳定状态，认为此

时试样处于气饱和状态下甲烷与孔隙水充分反应，可燃冰生成完毕并记录此时反应器温度

和孔隙压力。

6.2混合制样法应按下列步骤执行：：

a）将去离子水置于可燃冰生成圆柱形反应器内部并密封，然后置于高压三轴压力室

内。

b）基于可燃冰赋存条件，以10ml/min流速通入甲烷气体，待反应器内压力达到预设

值并稳定30min后关闭进出气口阀门，记录此时反应器内温度和压力。

c）利用温度控制系统将高压三轴压力室温度降至1℃，随可燃冰的生成反应器内压

力逐渐降低，待压力稳定后认为纯可燃冰生成完成，记录可燃冰生成后反应器内温度和压

力，对纯可燃冰称重并碾碎成粉末。

d）制备与南海沉积物颗粒级配相同的土并与可燃冰粉末均匀混合置于制样模具中，

分5次将试验材料击实，随后通过取土器将试样取出并用热缩胶套包裹后置于高压三轴压

力室内。

注：混合制样法全程在低温冷库中进行。

6.3可燃冰沉积物分解试验应按下列步骤执行：

a）升温分解。将可燃冰沉积物试样置于高压三轴压力室后通过温度控制系统将高压

三轴压力室温度由1℃缓慢升高至20℃，升温时间持续18min，可燃冰逐渐分解。待可燃

冰分解至目标饱和度后，将注水泵压力调整为比此时容器压力高10kPa，向反应器加注去

离子水，流速为2ml/min。在注水过程中，分解体被注入水置换到ISCO泵中并采集此时

ISCO泵中温度、压力等参数。

b）降压分解。将可燃冰沉积物试样置于高压三轴压力室后保持围压和温度恒定，以

可燃冰生成后出口段孔隙压力作为降压初始压力，调整背压阀压力至预设值，可燃冰开始

逐渐分解，待可燃冰分解一定程度后，将注水泵压力调整为比此时容器压力高10kpa，向

反应器加注去离子水，流速为2ml/min。在注水过程中，解离气体被注入水置换到ISCO

泵中并采集此时ISCO泵中温度、压力等参数。

7数据处理

7.1可燃冰合成后饱和度应采用恒体积法，按下列公式计算：

a）反应器空腔体积应按下式计算：

VwVgVhVsVr(1)

式中：—可燃冰生成后残余水的体积，单位（3）；

Vwcm

注：原位生成法和混合制样法均无残余水，即。

Vw=0

—可燃冰生成后残余气体体积，单位（3）；

Vgcm

注：混合制样法无残余气体，即。

Vg=0

—可燃冰体积，单位（3）；

Vhcm

—沉积物体积，单位（3）；

Vscm

—反应器空腔体积，单位（3）；

Vrcm

b）各相体积应由气体状态方程，按下列公式计算：

P0Vg0

ng0(2)

Z0RT0

P1Vg1

ng1(3)

Z1RT1

式中：n、n—可燃冰生成前后甲烷气体物质的量，单位（mol）；

g0g1

、—可燃冰生成前、后反应器压力，单位（）；

P0P1MPa

—甲烷气体注入体积，单位（3）；

Vg0cm

—可燃冰生成后残余甲烷气体体积，单位（3）；

Vg1cm

、—可燃冰生成前、后反应器温度，单位（）；

T0T1℃

、—对应、温度下的甲烷气体压缩系数；

Z0Z1T0T1

c）可燃冰生成量应根据甲烷气体消耗量，按下列公式计算：

16108

(nn)()16

g0g116

Vh(4)

h

ms

Vs(5)

s

结合式(2)—(4)得：

16108

nZRT(ng0ng1)()16

g11116ms

Vr(6)

P1hs

VsiVrVs(7)

式中：—含可燃冰沉积物孔隙体积，单位（3）。

Vsicm

d）可燃冰饱和度应按下式计算：

Vh

Sh(8)

Vsi

式中：可燃冰饱和度。

Sh

7.2可燃冰分解后饱和度应采用恒体积法，按下列公式计算：

a）分解后残余可燃冰体积应按下列公式计算：

16108

ng()16

16

Vh(9)

h

VhVhVh(10)

式中：—分解后残余可燃冰体积，单位（3）；

Vhcm

—可燃冰的分解体积，单位（3）；

Vhcm

b）可燃冰分解产生的甲烷气体物质量应按下式计算：

PV

g

ng(11)

ZRT

式中：—可燃冰分解产生的甲烷气体物质量，单位（）；

ngmol

）、、分解产生的甲烷气体在泵中的压力、温度、体积应按下列公式计

cPTVgISCO

算：

VwVgVhVsVr(12)

nZRT

Vg(13)

gP

式中：—可燃冰分解后产生水的体积，单位（3）；

Vwcm

—可燃冰分解后产生气体体积，单位（3）；

Vgcm

注：ISCO泵中收集的甲烷气体换算成此时压力室甲烷气体体积，对应的温度、压力为此时压力室的

温度、压力，且物质量不变。

—分解后剩余可燃冰体积，单位（3）；

Vhcm

—沉积物体积且一直不变，单位（3）；

Vs=Vscm

—分解后高压三轴压力室反应器空腔体积，单位（3）；

Vr=Vrcm

d）可燃冰分解后可燃冰沉积物孔隙体积应按下式计算：

VsiVrVs(14)

e）分解后剩余可燃冰饱和度应按下式计算：

V

Sh(15)

h

Vsi

8安全事项

试验应在低温高压下进行，实验室安全应符合下列规定：

a)实验室操作人员个体防护装备应符合GB/T11651的规定；

b)试验人员应熟练掌握试验步骤，试验仪器使用应按厂家规定的安全操作步骤进行；

c)实验室内气瓶的搬运、装卸、储存和使用安全应符合GB/T34525的规定，并记录每

次使用气体前后压力值，气瓶应放置于阴凉处的气瓶储存区域中并牢固固定；

d)甲烷等易燃易爆气体安全应符合GB/T29304的规定。

9试验记录

可燃冰沉积物合成及分解试验记录格式见附录A。

附录A

（资料性）

可燃冰沉积物合成及分解试验记录表格式

A.1可燃冰沉积物合成及分解试验条件可按表A.1记录。

表A.1可燃冰沉积物合成及分解试验条件记录表

项目参数项目参数项目参数

试样编号试样高度/mm沉积物土粒径/μm

试验日期试样体积/mm3去离子水量/cm3

试验操作者反应器空腔体积/cm3可燃冰合成时间/h

数据处理者沉积物土颗粒质量/g试验日期

A.2可燃冰沉积物合成前后试验条件可按表A.2记录。

表A.2可燃冰沉积物合成前后试验条件记录表

气体注入体积合成前反应器合成前反应器

压缩系数

Z0

压力温度

Vg0/LP0/MPaT0/℃

残余气体体积合成后反应器合成后反应器压缩系数可燃冰饱和度

Z1

压力温度

Vg1/LP1/MPaT1/℃Sh/%

A.3可燃冰沉积物分解试验条件可按表A.3记录。

表A.3可燃冰沉积物分解试验条件记录表

分解产生气体体分解后ISCO泵分解后ISCO泵可燃冰残余饱和

压缩系数Z

积中压力中温度度

Vg/LP/MPaT/℃Sh/%

团体标准编制说明

《含可燃冰沉积物合成及分解试验方法》

一、工作概况

1、任务来源

为加强绿色矿山标准体系建设，提升引领高质量发展的能力，促进绿色矿山

技术进步、工艺水平提高，推动矿业领域绿色低碳发展，《含可燃冰沉积物合成

及分解试验方法》团体标准编制任务来源于中关村绿色矿山产业联盟（简称“中

绿盟”），并已列入团体标准制修订工作计划。本标准由东北大学深部金属矿山安

全开采教育部重点实验室组织实施，中国石油大学（华东）、山东科技大学、中

国科学院地质与地球物理研究所、青岛海洋地质研究所联合起草。

2、起草单位、参编单位

本标准主导起草单位：东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室。

本标准参编单位：中国石油大学（华东）、山东科技大学、中国科学院地质

与地球物理研究所、青岛海洋地质研究所。

3、主要起草人

本标准主要起草人：张玉、孙宝江、李建威、刘造保、李昊、陶子卓、李守

定、李彦龙、张玉龙、崔光磊、丁敬琪

本标准主要起草人所作主要工作为：张玉、孙宝江、刘造保主要完成团体标

准的立项背景调研、项目可行性研判、数据分析与整理，制定团体标准草案；李

建威、李昊、陶子卓、李守定、李彦龙主要完成标准各阶段材料的形式审查、标

准制定计划的监督等工作；张玉龙、崔光磊、丁敬琪主要完成试验验证等工作。

二、制定（修订）标准的必要性和意义

含可燃冰储层力学参数是评估可燃冰开采过程中工程地质风险演化的关键

参数之一，其测定目前仍以实验室内模拟制备的含可燃冰沉积物样品为主要对象。

然而现有的标准方法均不适用，急需建立相应的合成和分解标准，为后续准确开

展实验室岩心尺度含可燃冰沉积物的相关研究提供依据，填补含可燃冰沉积物合

成及分解的标准空白。

实际海域可燃冰藏样品不易获取，其资源化开采仍需大量室内含可燃冰沉积

物合成试验作为支撑。由于可燃冰赋存于沉积物孔隙结构之中，其分解会破坏原

本的孔隙结构，揭示可燃冰分解过程含可燃冰沉积物物性参数变化规律对开采理

论创新及技术突破有重要意义。

三、主要起草过程

标准起草过程中，经历了资料收集、调研、拟稿、试验论证、征求意见、处

理意见、审查、批准发布等多个环节。具体时间节点如下：

2024年1月-3月，牵头单位东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实

验室在前期工作的基础上开展含可燃冰沉积物合成及分解试验调研，广泛查阅国

内外文献，按照国家标准的起草要求确定了标准文本和编制说明的框架内容，并

进行可行性评估，公开征集起草单位，开展标准起草准备工作。

2024年6月24日于线上组织召开2024年团体标准集中立项评审会，会议

邀请中国地质大学（武汉）、北京科技大学、中国矿业大学（北京）、武汉工程大

学、太原理工大学等单位的专家学者对标准初稿内容进行充分讨论，肯定本标准

的制定对于可燃冰开采发展具有重要意义，准予立项，并提出起草工作建议。

2024年6月-2024年8月，整理汇总各参与单位意见，意见主要集中于“含

可燃冰沉积物在样品制备过程中如何保证原位”、“确认标准适合的水合物赋存类

型”等。征询专家建议，逐条商讨并答复参与单位意见，进一步完善了标准文本

及编制说明。

征求意见稿形成时间：2024年9月

送审稿形成时间：2025年4月

报批稿形成时间：2025年6月

征求意见过程中，共收集了30多家单位的反馈意见，这些单位涵盖了高校、

研究所、企业和政府部门。

四、制定（修订）标准的原则和依据

1、标准编制原则

坚持严格要求与适用性、可操作性相结合的原则。严格要求即标准的编制应

严格遵循《团体标准管理规定》、GBT1.1-2020《标准化工作导则第1部分:标准

化文件的结构和起草规则》及相关法规的要求进行，适宜性既要充分考虑到本行

业的发展现状与特点及对试验项目的设置与限量指标的控制，又要有一个适宜的

范围与程度,从而提高标准贯彻实施的可操作性。本标准是在充分研究与实际试

验验证的基础上进行编制的，标准编制过程中，充分考虑了当前可燃冰合成及分

解试验现状，重点对常用的及基本的要求作了规定，也考虑到将来的发展需要，

使标准在较长时间内，具有一定的先进性和前瞻性。

2、标准编制依据

本标准在编制过程中主要参考了T/CAOE51-2023《含可燃冰沉积物渗透率

测定方法》、T/CAOE52-2023《含可燃冰沉积物三轴剪切试验方法》、T/CAOE

23-2020、《天然气可燃冰实验测试技术规范》以及其他相关国家或行业标准。

五、与现行有关法律、法规和标准的关系

本标准符合《中华人民共和国标准化法》、《团体标准管理规定》等法律、法

规和强制性标准的相关规定与其他法律、法规和强制性标准无关。没有发现与本

标准相关的知识产权及专利。

六、标准主要内容说明

1.主要技术指标、参数、公式、性能要求、试