本发明公开了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，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐的空腔内充满海水并安装一岩石样品，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，空腔内安装有第三温度传感器和压力传感器，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，第二耐压罐上安装有与空腔相连通的排泄阀。本发明还公开了一种深海高压条件下岩石热物性测试方法。本发明无需电加热“热源”、无需加压泵，其通过快速打开排泄阀来实现岩石样品瞬间加载，利用建立的有限元数值反演模型，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。
1.一种深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，所述岩石样品为圆柱状。
4.根据权利要求1所述的深海高压条件下岩石热物性测试系统，其特征在于，所述传压介质为海水。
5.一种深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，采用深海高压条件下岩石热物性测试系统，所述的测试系统包括二个耐压罐，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；所述的测试方法包括以下步骤：步骤1、将第一温度传感器和第二温度传感器安置在制备好的圆柱状岩石样品的中心和外表面，采用橡胶套将岩石样品进行水密封装，并在岩石样品的上下两端通过硬质硅胶密封，形成岩石样品组件；
步骤2、将岩石样品组件、第三温度传感器放入第二耐压罐中，第二耐压罐充满传压介质后再对第二耐压罐进行密封，然后通过水密电缆将第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器均连接至数据采集单元，从而组装形成岩石热物性测试系统；
开启数据采集单元的温度和压力数据采集模块，开始温度和围压监测；
步骤3、瞬间加载：利用水下机器人，将整套岩石热物性测试系统携带至深海预定深度，待整套岩石热物性测试系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手或者水下电机快速打开排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间升高至深海海水压力；
步骤4、根据数据采集单元实时监测的温度和围压变化，通过有限元数值模型，反演获得任意围压下岩石样品的热物性参数。
6.根据权利要求5所述的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，所述步骤
步骤41、以圆柱状岩石样品的中心为圆点，在以圆柱状岩石样品的径向和轴向形成的柱坐标系统内基于热传导微分方程建立有限元数值模型；
步骤42、设岩石样品的热导率和体积热容分别为λ和(ρc)，地壳常见岩石的热导率及体积热容的范围分别为0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.0×106J·m-3·K-1，对求解区域中的两参数中λ、(ρc)都进行m等份剖分，获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，…，m；
步骤43、将每个网格节点(λi，(ρc)j)输入已建立的有限元数值模型中，以快速加载过程中实时监测获取的岩石样品表面的温度变化T02(t)和传压介质温度变化T03(t)作为边界条件，模拟计算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)时，岩石样品中心处的温度变化，记为步骤44、利用最小二乘法，对所述有限元数值模型计算获得的 与岩石样品中心实测的温度变化T01(t)进行线性拟合：求解该拟合直线斜率Ki,j和相关系数Ri,j，其中相关系数计算表达式如下其中：n为采样总次数，tk为第k次采样的时刻，T01(tk)为瞬间加载后tk时刻第一温度传感器采集的温度变化，1≤k≤n；
F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2 (4)
并求解各网格点处的目标函数值F(λi,(ρc)j)；
ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值，则接受 为所需要求解
的岩石样品的热导率和体积热容(λ,(ρc))，否则，将以 为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤43，直到满足 为止，从而解算得到岩石样品的热导率和体积热容步骤47、最后根据热导率λ、体积热容(ρc)及热扩散率κ之间的关系式计算得到岩石样品的热扩散率。
7.根据权利要求6所述的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，所述步骤
T(r，z，0)＝0，r≤r0，|z|≤z02 (7)
边界条件由岩石热物性测试系统监测的样品表面温度变化T02(t)和传压介质温度变化T03(t)进行如下约束其中γ为各种介质的绝热应力变化的温度响应系数，A是由于围压变化 导致温度变化所对应的热源，r0为岩石样品的半径，z01为圆柱状岩石样品顶面或底面到岩石样品中心圆柱面的垂直距离，z02为封装后的圆柱状岩石样品组件顶面或底面到岩石样品中心圆柱面的垂直距离。
8.根据权利要求7所述的高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，所述岩石样品中心实测的温度变化T01(t)，岩石样品表面温度变化T02(t)和传压介质温度变化T03(t)为各时刻实测温度与瞬间加载时的温度差，即：T01(t)＝T1(t)-T1(0)
其中，T1(t)、T2(t)、T3(t)分别是瞬间加载后t时刻时第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实测温度，通过步骤4测得，T1(0)、T2(0)、T3(0)分别是瞬间加载前第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实测温度，通过步骤2测得。
9.根据权利要求4所述的深海高压条件下岩石热物性测试方法，其特征在于，第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器测量的温度均达到稳定时，则整套岩石热物性测试系统温度达到平衡。
深海高压条件下岩石热物性测试系统与方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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”。
[0006] 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
[0007] 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。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 所述岩石样品为圆柱状。
[0012] 所述传压介质为海水。
[0013] 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。
[0014] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0015] 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：
[0016] 步骤1、将第一温度传感器和第二温度传感器安置在制备好的圆柱状岩石样品的中心和外表面，采用橡胶套将岩石样品进行水密封装，并在岩石样品的上下两端通过硬质硅胶密封，形成岩石样品组件；
[0017] 步骤2、将岩石样品组件、第三温度传感器放入第二耐压罐中，第二耐压罐充满传压介质后再对第二耐压罐进行密封，然后通过水密电缆将第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器均连接至数据采集单元，从而组装形成岩石热物性测试系统；开启数据采集单元的温度和压力数据采集模块，开始温度和围压监测；
[0018] 步骤3、瞬间加载：利用水下机器人，将整套岩石热物性测试系统携带至深海预定深度，待整套岩石热物性测试系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手或者水下电机快速打开排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间升高至深海海水压力；
[0019] 步骤4、根据数据采集单元实时监测的温度和围压变化，通过有限元数值模型，反演获得任意围压下岩石样品的热物性参数。
[0020] 所述步骤4包括以下步骤：
[0021] 步骤41、以圆柱状岩石样品的中心为圆点，在以圆柱状岩石样品的径向和轴向形成的柱坐标系统内基于热传导微分方程建立有限元数值模型；
[0022] 步骤42、设岩石样品的热导率和体积热容分别为λ和(ρc)，地壳常见岩石的热导率及体积热容的范围分别为0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.O×1O6J·m-3·K-1，对求解区域
[0023]
[0024] 中的两参数中λ、(ρc)都进行m等份剖分，获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，...，m；
[0025] 步骤43、将每个网格节点(λi，(ρc)j)输入已建立的有限元数值模型中，以快速加载过程中实时监测获取的岩石样品表面的温度变化TO2(t)和传压介质温度变化TO3(t)作为边界条件，模拟计算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)时，岩石样品中心处的温度变化，记为[0026] 步骤44、利用最小二乘法，对所述有限元数值模型计算获得的 与岩石样品中心实测的温度变化TO1(t)进行线性拟合：
[0027]
[0028] 求解该拟合直线斜率Ki,j和相关系数Ri,j，其中相关系数计算表达式如下[0029]
[0030] 其中：n为采样总次数，tk为第k次采样的时刻，T01(tk)为瞬间加载后tk时刻第一温度传感器采集的温度变化，1≤k≤n；
[0031] 步骤45、定义目标函数为
[0032] F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2 (4)
[0033] 并求解各网格点处的目标函数值F(λi,(ρc)j)；
[0034] 步骤46、找出目标函数值最小的网格点， 如果ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值，则接受 为所需要求解
的岩石样品的热导率和体积热容(λ,(ρc))，否则，将以 为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤43，直到满足 为止，从而解算得到岩石样品的热导
率和体积热容
[0035] 步骤47、最后根据热导率λ、体积热容(ρc)及热扩散率κ之间的关系式计算得到岩石样品的热扩散率。
[0036] 所述步骤41中，柱坐标系统下的热传导微分方程表达为
[0037]
[0038]
[0039] 其初始条件为
[0040] T(r，z，0)＝0，r≤r0，|z|≤z02) (7)
[0041] 边界条件由岩石热物性测试系统监测的样品表面温度变化TO2(t))和传压介质温度变化TO3(t)进行如下约束
[0042]
[0043] 其中γ为各种介质的绝热应力变化的温度响应系数，A是由于围压变化 导致温度变化所对应的热源，r0为岩石样品的半径，z01为圆柱状岩石样品顶面或底面到岩石样品中心圆柱面的垂直距离，z02为封装后的圆柱状岩石样品组件顶面或底面到岩石样品中心圆柱面的垂直距离。
[0044] 所述岩石样品中心实测的温度变化TO1(t),岩石样品表面温度变化TO2(t)和传压介质温度变化TO3(t)为各时刻实测温度与瞬间加载时的温度差，即：
[0045] TO1(t)＝T1(t)-T1(O)
[0046] TO2(t)＝T2(t)-T2(O)
[0047] TO3(t)＝T3(t)-T3(O)
[0048] 其中，T1(t)、T2(t)、T3(t)分别是瞬间加载后t时刻时第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实测温度，通过步骤4测得，T1(O)、T2(O)、T3(O)分别是瞬间加载前第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实测温度，通过步骤2测得。
[0049] 第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器测量的温度均达到稳定时，则整套岩石热物性测试系统温度达到平衡。
[0050] 而本发明专利所提供的测试方法与系统，是在圆柱状岩石样品中心及表面分别安置一个温度传感器，然后用橡胶套封装后在放在第二耐压罐中，利用水下机器人(Underwater Vehicle)将测试系统携带至深海预定深度(比如6000米，围压相当于60 MPa)，通过水下机器人快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载(或卸载)，其主要优势如下：
[0051] 1)无需电加热“热源”，只在岩石样品中心及表面各安置一个温度传感器，用于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，利用我们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。
[0052] 2)深海海水的压力非常巨大，是一个天然的“高压泵”，因此本测试系统中无需加载台或者加压泵；
[0053] 3)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，为热物性测试提供了一个最理想条件，从而可获得更高质量的热物性测试结果。
附图说明
[0054] 图1为本发明水下岩石绝热应力变化的温度响应测试系统的结构示意图；
[0055] 图2为二维柱坐标系统下的有限元数值模型；
[0056] 图3为龙门山断裂带砂岩L28瞬间加载过程中的温度响应曲线；
[0057] 图4为印度Rajasthan砂岩RJS瞬间加载过程中的温度响应曲线；
[0058] 图5为龙门山断裂带砂岩L28岩样中心温度的实测结果与有限元数值模型模拟结果对比图；
[0059] 图6为印度Rajasthan砂岩RJS岩样中心温度的实测结果与有限元数值模型模拟结果对比图。
[0060] 其中，1、第一耐压罐；2、第二耐压罐；21、排泄阀；22、水密电缆；3、数据采集单元；4、岩石样品；41、上硬质硅胶；42、下硬质硅胶；5、橡胶套；61、第一温度传感器；62、第二温度传感器；63、第三温度传感器；7、压力传感器；8、水下机器人；9、海水；10、海底。
具体实施方式
[0061] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
[0062] 实施例
[0063] 请参照图1所示，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，分别是第一耐压罐1和第二耐压罐2，其中，第一耐压罐1中安装有数据采集单元3，第二耐压罐2内形成一空腔并充满海水，在所述空腔内安装一岩石样品组件(圆柱状岩石样品组件包括圆柱状岩石样品4以及其中心及表面分别安置一个第一温度传感器61和第二温度传感器62，然后将圆柱状的上硬质硅胶41和下硬质硅胶42分别放置并压紧于圆柱状岩石样品4的上、下两侧，再由橡胶套5将硬质硅胶41、圆柱状岩石样品4以及下硬质硅胶42进行包裹，实现水密封装，封装后在放在设置于第二耐压罐2的第二空腔21内)，空腔内还安装有第三温度传感器63和压力传感器7，第一温度传感器61、第二温度传感器62、第三温度传感器63和压力传感器7的输出端均通过水密电缆22与数据采集单元3的输入端相连，第二耐压罐2上安装有与空腔相连通的排泄阀21。
[0064] 本发明涉及一种深海高压条件下岩石热物性测试方法与系统，利用水下机器人8，快速打开排泄阀21，对岩石样品4进行瞬间加载。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(比如硅油，填充于第二耐压罐2的空腔中)的应力-温度响应系数则高达138.74mK/MPa，比地壳常见岩石的高2个数量级。因此，围压瞬间升高后，岩石样品与传压介质之间产生温差。通过实时监测耐压罐围压(Confining pressure)、岩石样品中心、表面及传压介质的温度变化，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)。
[0065] 热物性参数反演的有限元数值模型与方法具体如下：
[0066] 1)热传导微分方程
[0067] 由于本测试系统中的岩石样品制备成圆柱状，为了方便计算，这里第一温度传感器61位于岩石样品的中心，并且第二温度传感器62与第一温度传感器61位于岩石样品同一径向圆上。因此，其对应的柱坐标系统(2drz)下的热传导微分方程可表达成
[0068]
[0069]
[0070] 其初始条件为
[0071] T(r，z，O)＝0，r≤25mm，|z|+≤65mm)， (11)
[0072] 边界条件由测试系统监测的样品表面温度变化T02(t)和传压介质温度变化T03(t)进行如下约束，
[0073]
[0074] 其中λ，ρc分别是各种介质的热导率(thermal conductivity)和体积热容(volumetric heat capacity)，γ为各种介质的绝热应力变化的温度响应系数(adiabatic pressure derivative of temperature)，A是由于围压变化导致温度变化所对应的“热源”(heat source term driven by change rate of confining pressure )。
[0075] 依此热传导微分方程在柱坐标系统(2drz)建立有限元数值模型，如图2所示。
[0076] 步骤2、设岩石样品的热导率和体积热容分别为λ，(ρc)，地壳常见岩石的热导率及体积热容的大致范围分别在0.5～6.0W·m-1·K-1、0.5×106～5.O×1O6J·m-3·K-1，为了拓宽本反演方法的适应性，可再次适当增大岩石热物性参数的求解区域
[0077]
[0078] 其中入，(ρc)两参数都进行m等份剖分，获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点(λi，(ρc)j)，其中i，j＝1，2，3，...，m；
[0079] 步骤3、并将每个网格节点(λi，(ρc)j)输入已建立的PT-FE有限元数值模型，以快加载过程中实时监测获取的岩石样品表面的温度变化TO2(t)和传压介质(如硅油)温度变化TO3(t)作为边界条件(图2)，模拟计算(λ，(ρc))＝(λi，(ρc)j)时，岩石样品中心处的温度变化，记为
[0080] 步骤4、利用最小二乘法，对上述有限元数值模型计算获得的 与岩石样品中心实测的温度变化T01进行线性拟合：
[0081]
[0082] 求解该拟合直线斜率Ki,j和相关系数Ri,j，其中相关系数计算表达式如下[0083]
[0084] 步骤5、定义目标函数为
[0085] F(λi,(ρc)j)＝1.0-(Ri,j)2(16)
[0086] 并求解各网格点处的目标函数值F(λi,(ρc)j)，i,j＝1,2,3,...,m；
[0087] 步骤6、找出目标函数值最小的网格点， 如果(ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值)，则接受 为所需要求
解的岩石样品的热导率和体积热容(λ,(ρc))，否则，将以 为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤3，直到满足 为止，从而解算得到岩石样品的热
导率和体积热容
[0088] 步骤7、最后根据热导率、体积热容及热扩散率之间的关系式κ＝λ/(ρc)，可计算得到岩石样品的热扩散率。至此，某围压下岩石热物性参数求解完毕。
[0089] 实际测试过程中，利用水下机器人(Underwater Vehicle)，将整套系统携带至深海预定深度(比如6000米，对应水压约60MPa)，待整个系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手快速打开排泄阀，使得1～2s内，第二耐压罐2内的围压瞬间升高至深海水压(比如60MPa)。由于岩石样品与传压介质(比如海水)的应力变化温度响应系数相差一个数量级，因此岩石样品与传压介质之间就存在温差。通过监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心及表面的温度变化，利用我们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。
[0090] 本发明深海高压条件下岩石热物性测试方法步骤如下：
[0091] 第一步：将第一温度传感器61和第二温度传感器62安置在制备好的圆柱状岩石样品4的中心和外表面，并用橡胶套5将岩石样品4进行水密封装，形成岩石样品组件。
[0092] 第二步：将上述岩石样品组件、压力传感器7及第三温度传感器63，放入第二耐压罐2中，并进行密封。然后用水密电缆22按图1所示将第一温度传感器61、第二温度传感器62、第三温度传感器63和压力传感器7的输出端分别连接到数据采集单元3的相应的输入端。开启温度和压力数据采集模块，开始温度和围压监测。
[0093] 第三步：整套系统组装好后，利用水下机器人8，将整套系统携带至深海海水9预定深度(比如6000米，对应水压约60Mpa，海水9的底部标记为海底10)，待整个系统温度达到平衡后，再利用水下机器人的机械手快速打开排泄阀21，使得1～2s内，第二耐压罐2内的围压瞬间升高至深海水压力(比如60MPa)。
[0094] 通过上述操作，实现岩石样品瞬间加载，且这个过程中的温度和围压变化，都被实时监测并记录，再利用上述已建立的热物性参数反演的有限元数值模型与方法，即反演获得某围压下岩石样品的热物性参数。
[0095] 本发明已经过实验测试，实验测试所用到的系统与本发明专利提供的系统基本一致，稍有不同的是用高压泵实现将一个大的耐压罐围压升高(比如130MPa，以模拟深海高压环境)，以便在打开排泄阀之后，可使得另外一个内置有岩石样品组件的耐压罐围压瞬间升高。
[0096] 图3和图4是龙门山断裂带砂岩L28与印度Rajasthan砂岩RJS瞬间加载过程中的温度响应曲线。表1为对L28与RJS两个砂岩样品分别在15.31MPa、13.61MPa围压下测试获得的热物性参数结果：
[0097] 表1龙门山断裂带砂岩(L28)与印度Rajasthan砂岩(RJS)的热物性反演结果[0098]
[0099] 对比L28和RJS岩石样品中心温度的实测结果与有限元数值模拟结果如图5和图6所示：本发明提供的方法和系统，不仅可用于深海高压条件下岩石热物性参数测试，而且大大简化了原有测试系统及其操作程序。
[0100] 虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
