專利名稱：一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置及方法，特別是關(guān)于一種模擬天然氣水合物生成并測量 其物性參數(shù)的裝置及方法。
背景技術(shù)：
天然氣水合物廣泛分布于大陸島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、 極低大陸架海洋和深水環(huán)境中等。每立方米的天然氣水合物可儲存160 180m3的天然 氣，被譽(yù)為21世紀(jì)重要的后續(xù)能源。天然氣水合物作為一種能源資源，對其的勘探開發(fā)受 到了世界各國政府和研究機(jī)構(gòu)的高度重視，并且對天然氣水合物的研究也成為近年來的研 究熱點(diǎn)。了解天然氣水合物在地層的資源量及其基本分布特征，對天然氣資源的勘探開發(fā) 具有重要的指導(dǎo)意義。由于天然氣水合物的資源量與水合物層的面積、儲層厚度、孔隙度， 以及水合物的飽和度、水合物指數(shù)等參數(shù)密切相關(guān)；并且在自然條件下，天然氣水合物因賦 存環(huán)境的不同，這些參數(shù)常受到沉積物的物質(zhì)組成、有機(jī)質(zhì)豐度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地溫場、地?zé)崽?度、海洋溫度壓力隨深度的變化等諸多因素的影響，因此，目前對天然氣水合物資源量的評 價(jià)方法尚未完善，對其資源量的估算多具有推測性，且估算的差異較大。模擬天然氣水合物的生成并對其生產(chǎn)過程中各項(xiàng)物性參數(shù)的測量是天然氣水合 物勘探開發(fā)的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，其中對天然氣水合物各項(xiàng)物性參數(shù)的測量成為有效性研究的 關(guān)鍵。在模擬天然氣水合物生成的實(shí)驗(yàn)中，常用的對天然氣水合物各項(xiàng)物性參數(shù)進(jìn)行檢測 的方法有光學(xué)法、聲學(xué)法和電學(xué)法等。但是，目前采用上述方法進(jìn)行測量的實(shí)驗(yàn)裝置比較 少。其中美國地質(zhì)調(diào)查局的實(shí)驗(yàn)裝置GHASTLI探測手段較多，包括超聲探測技術(shù)，但只能 用于巖心樣品，不能用于松散的沉積物中；青島海洋地質(zhì)研究所的實(shí)驗(yàn)裝置安裝有超聲探 測技術(shù)，并有光通過率的檢測系統(tǒng)，但光通過率檢測系統(tǒng)不能用于沉積物中水合物的檢測； 中國石油大學(xué)(華東)石工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)裝置也裝有聲速測量，其應(yīng)用于傳感器的電壓為 1000V,脈沖頻率為2MPa，其電壓和脈沖頻率較高，跟地震測井的脈沖頻率差別較大，雖然可 以測量沉積物中水合物的聲速，但合成的沉積物樣品中水合物分布的均勻性未知。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種模擬天然水合物生成并測量其物性參數(shù) 的裝置及方法，該裝置及方法可對松散沉積物中天然氣水合物在生成/分解過程中的物性 參數(shù)變化進(jìn)行測量，進(jìn)而為天然氣水合物資源的勘探及資源量估算提供準(zhǔn)確的物性參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種模擬天然氣水合物生成并測量 其物性參數(shù)的裝置，其特征在于它包括一其內(nèi)填充實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的高壓反應(yīng)釜，所述高壓反應(yīng) 釜分別連接一高壓天然氣配氣系統(tǒng)、一溫度測量系統(tǒng)、一壓力測量系統(tǒng)和一超聲波聲速測 量系統(tǒng)，所述高壓反應(yīng)釜設(shè)置于一冷浴槽內(nèi)，所述冷浴槽連接一制冷壓縮機(jī)；所述高壓反應(yīng) 釜頂部設(shè)置有一釜蓋，所述釜蓋上滑動(dòng)插設(shè)有一手柄滑桿；所述超聲波聲速測量系統(tǒng)包括分別設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)所述手柄滑桿底部和所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)底部的一超聲波探 頭，兩個(gè)所述超聲波探頭分別與一聲電換能器連接，其中一所述聲電換能器通過導(dǎo)線連接 到一超聲波信號發(fā)射接受儀的發(fā)射端，另一個(gè)所述聲電換能器通過導(dǎo)線連接到所述超聲波 信號發(fā)射接受儀的接收端，所述超聲波信號發(fā)射接受儀通過導(dǎo)線連接一示波器，所述示波 器的輸出端通過導(dǎo)線連接一計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置有氣體水合物聲 波采集分析模塊。所述高壓反應(yīng)釜的釜壁上部設(shè)置有一上進(jìn)氣口，底部設(shè)置有一下進(jìn)氣口和一排水 口，所述排水口通過一其上設(shè)置有截止閥的排水管路連接到所述冷浴槽外部。所述高壓天然氣配氣系統(tǒng)包括一高壓天然氣配氣瓶，所述高壓天然氣配氣瓶的輸 出管路依次通過一截止閥和一減壓閥并列連接一氣體流量計(jì)和一六通閥，所述六通閥和所 述輸出管路之間還設(shè)置有一截止閥；所述氣體流量計(jì)的輸出端通過一截止閥連接所述六通 閥；所述六通閥有三個(gè)輸出端，其中一輸出端通過一截止閥連接一真空泵，一輸出端通過一 截止閥連接大氣，還有一輸出端并列連接兩截止閥，其中一所述截止閥的輸出端連接到所 述高壓反應(yīng)釜的所述上進(jìn)氣口，另一所述截止閥的輸出端連接到所述高壓反應(yīng)釜的所述氣所述溫度測量系統(tǒng)包括設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)壁上的熱電偶，所述熱電偶的輸 出端通過一溫度傳感器連接一溫度顯示儀。所述壓力測量系統(tǒng)包括設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)頂壁上的壓力傳感器，所述壓力 傳感器的輸出端連接一壓力顯示儀。上述裝置的模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的方法，其包括以下步驟 1)根據(jù)需要，按照任意比例將沉積物與水溶液混合均勻后，裝入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，安裝上釜 蓋，將高壓反應(yīng)釜放入冷浴槽內(nèi)，連接高壓天然氣配氣系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng) 和超聲波聲速測定系統(tǒng)，調(diào)節(jié)手柄滑桿使兩超聲波探頭之間保持一定距離，距離范圍為 0 60mm ；2)開啟制冷壓縮機(jī)，使冷浴槽內(nèi)達(dá)到并保持設(shè)定溫度在溶液冰點(diǎn)以下，同時(shí)開啟 超聲波聲速測定系統(tǒng)中的超聲波信號發(fā)射接受儀和示波器，通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的 氣體水合物聲波采集分析模塊，記錄結(jié)冰過程中樣品的聲學(xué)參數(shù)變化；3)當(dāng)沉積物和水溶 液完全結(jié)冰后，重新設(shè)定冷浴槽內(nèi)的溫度在溶液冰點(diǎn)以上，檢測并保證高壓反應(yīng)釜及各條 管線的氣密性，然后開啟真空泵，將高壓反應(yīng)釜及各條連接管線內(nèi)的空氣抽掉；4)開啟高 壓天然氣配氣瓶，向高壓反應(yīng)釜內(nèi)通入甲烷氣，同時(shí)通過氣體流量計(jì)記錄下通入氣體的量， 當(dāng)高壓反應(yīng)釜內(nèi)達(dá)到根據(jù)試驗(yàn)需要預(yù)設(shè)定的壓力值時(shí)，通氣結(jié)束；5)通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng) 內(nèi)預(yù)置的氣體水合物聲波采集分析模塊，觀測水合物的開始生成并計(jì)時(shí)，任意選取時(shí)間間 隔，分別通過溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)和超聲波聲速測定系統(tǒng)，對應(yīng)記錄水合物生成過 程中的溫度、壓力及聲學(xué)參數(shù)的變化；6)當(dāng)壓力不再降低，溫度也趨向于一定值，聲速振幅 等也穩(wěn)定于一定值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，得到了水合物分布均勻的沉積物樣品。 所述沉積物為石英砂，所述水溶液為鹽水溶液。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于設(shè)置有高壓反應(yīng) 釜，高壓反應(yīng)釜連接一高壓天然氣配氣系統(tǒng)，且高壓反應(yīng)釜置于一冷浴槽內(nèi)，冷浴槽連接一 制冷壓縮機(jī)，因此可以通過控制配氣系統(tǒng)的進(jìn)氣量，高壓反應(yīng)釜內(nèi)加入的沉積物以及冷浴 槽溫度，來進(jìn)行不同組分氣體、不同粒徑沉積物、不同反應(yīng)條件下的沉積物中水合物聲學(xué)性質(zhì)的測量，同時(shí)還可以進(jìn)行溶液中水合物的測定。2、本發(fā)明通過模擬沉積物中天然氣水合 物的生成過程，利用超聲波聲速測定系統(tǒng)測量天然氣水合物在沉積物中生成/分解過程中 聲速、振幅等聲學(xué)物性參數(shù)，來評價(jià)沉積物中的水合物分布，為天然氣水合物資源的勘探及 估算提供準(zhǔn)確的物性參數(shù)。3、本發(fā)明由于測量天然氣水合物在沉積物中生成/分解過程中 聲速、振幅等聲學(xué)性質(zhì)物性參數(shù)，而沉積物中天然氣水合物的聲學(xué)物性參數(shù)，對于研究沉積 物中天然氣水合物的飽和度與聲學(xué)特性之間的關(guān)系，建立正確的水合物與聲學(xué)特性模型具 有重要意義，因此，可以為天然氣水合物資源的勘探及估算提供必要的、準(zhǔn)確可靠的聲學(xué)物 性數(shù)據(jù)。4、本發(fā)明由于設(shè)置有冷浴槽和制冷壓縮機(jī)，高壓反應(yīng)釜置于冷浴槽內(nèi)，因此，可以 控制實(shí)驗(yàn)在設(shè)定的溫度下進(jìn)行。5、本發(fā)明由于采用了先結(jié)冰再生成天然氣水合物的方法， 因此，可使在沉積物中生成的天然氣水合物比較均勻，測量的聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。本發(fā)明 裝置構(gòu)思巧妙，方法簡單易操作，不但可以測量天然氣水合物的聲學(xué)性質(zhì)，而且可以測量沉 積物中天然氣水合物的聲學(xué)性質(zhì)，且測量數(shù)值準(zhǔn)確，可廣泛用于天然氣水合物資源的勘探 及資源量估算過程中。


圖1是本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明測量裝置中反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明超聲波聲速測定系統(tǒng)工作原理示意4是本發(fā)明氣體水合物聲速采集分析模塊工作界面示意5是本發(fā)明具體實(shí)施例中溫度、壓力隨反應(yīng)時(shí)間變化示意6是本發(fā)明具體實(shí)施例中聲速隨反應(yīng)時(shí)間變化示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的測量裝置包括一其內(nèi)可以填充實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的高壓反應(yīng)釜 1，高壓反應(yīng)釜1分別連接一高壓天然氣配氣系統(tǒng)2、一溫度測量系統(tǒng)3、一壓力測量系統(tǒng)4 和一超聲波聲速測定系統(tǒng)5，高壓反應(yīng)釜1設(shè)置于一冷浴槽6內(nèi)，冷浴槽6連接一制冷壓縮 機(jī)7。本發(fā)明的高壓反應(yīng)釜1頂部設(shè)置有一釜蓋，釜蓋上滑動(dòng)插設(shè)有一手柄滑桿11，高 壓反應(yīng)釜1底部設(shè)置有一支撐架12。高壓反應(yīng)釜1的釜壁上部設(shè)置有一上進(jìn)氣口 13，底部 設(shè)置有一下進(jìn)氣口 14和一排水口 15，排水口 15通過一其上設(shè)置有截止閥16的排水管路連 接到冷浴槽6外部。本發(fā)明的高壓天然氣配氣系統(tǒng)2包括一高壓天然氣配氣瓶21，高壓天然氣配氣瓶 21的輸出管路依次通過一截止閥22和一減壓閥23并列連接一氣體流量計(jì)24和一六通閥 25，六通閥25和輸出管路之間還設(shè)置有一截止閥26。氣體流量計(jì)24的輸出端通過一截止 閥連接六通閥25。六通閥25有三個(gè)輸出端，其中一輸出端通過一截止閥連接一真空泵27， 一輸出端通過一截止閥28連接大氣，還有一輸出端并列連接兩截止閥，其中一截止閥的輸 出端連接到高壓反應(yīng)釜1的上進(jìn)氣口 13，另一截止閥的輸出端連接到高壓反應(yīng)釜1的下進(jìn) 氣口 14。
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本發(fā)明的溫度測量系統(tǒng)3包括設(shè)置在高壓反應(yīng)釜1內(nèi)壁上的熱電偶31，熱電偶31 的輸出端通過一溫度傳感器32連接一溫度顯示儀33。本發(fā)明的壓力測量系統(tǒng)4包括設(shè)置在高壓反應(yīng)釜1內(nèi)頂壁上的壓力傳感器41，壓 力傳感器41的輸出端連接一壓力顯示儀42。如圖1 3所示，本發(fā)明的超聲波聲速測定系統(tǒng)5包括分別設(shè)置在高壓反應(yīng)釜1 內(nèi)手柄滑桿11底部和高壓反應(yīng)釜1內(nèi)底部的一超聲波探頭51，其中手柄滑桿11底部的超 聲波探頭51可以隨手柄滑桿11上下移動(dòng)，以便于調(diào)節(jié)上、下兩超聲波探頭51之間的距離， 適應(yīng)不同長度樣品的測量。兩個(gè)超聲波探頭51分別與一聲電換能器52連接，其中一聲電 換能器52通過導(dǎo)線連接到一超聲波信號發(fā)射接受儀53的發(fā)射端，另一個(gè)聲電換能器52通 過導(dǎo)線連接到超聲波信號發(fā)射接受儀53的接收端，超聲波信號發(fā)射接受儀53通過導(dǎo)線連 接一示波器54，接受到的信號經(jīng)處理放大后在示波器54上顯示，示波器54的輸出端通過導(dǎo) 線連接一計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55，計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55內(nèi)預(yù)置有氣體水合物聲波采集分析模塊。氣體水合物聲波采集分析模塊可將示波器54上的波形信號進(jìn)行采集、存儲、分 析，并計(jì)算出聲學(xué)參數(shù)。超聲波聲速測定系統(tǒng)5中的計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55用于采集數(shù)據(jù)并分 析、保存一定模擬實(shí)驗(yàn)條件下(溫度、壓力、水飽和度等)沉積物中水合物樣品的聲學(xué)參數(shù)。 氣體水合物聲波采集分析模塊既能完成數(shù)據(jù)的采集處理，又能很好的完成自動(dòng)識別和控制 聲電換能器52的工作。上述實(shí)施例中，高壓反應(yīng)釜1由不銹鋼材料加工而成，其可耐壓32MPa，高壓反應(yīng) 釜1的容積為2L，內(nèi)徑為130mm，有效高度為150mm。在高壓反應(yīng)釜的排水孔15和下進(jìn)氣 孔14的孔徑為Φ 3mm，上進(jìn)氣孔13的孔徑為Φ 6mm。高壓反應(yīng)釜1內(nèi)的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)可以為溶 液，也可以為不同粒徑的沉積物，具體根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行選擇。上述實(shí)施例中，冷浴槽6采用HA-5型低溫冷浴槽，功率為4. 5Kw,最低制冷溫度 為-253. 2K。冷浴槽6和與其連接的制冷壓縮機(jī)7的作用主要是控制實(shí)驗(yàn)在設(shè)定的溫度下 進(jìn)行。上述實(shí)施例中，高壓天然氣配氣系統(tǒng)2主要用于供給反應(yīng)所需要的氣體。其中，氣 體流量計(jì)24可準(zhǔn)確記錄進(jìn)入高壓反應(yīng)釜1內(nèi)的氣體流量，以便于計(jì)算反應(yīng)所消耗的氣體量。上述實(shí)施例中，超聲波聲速測定系統(tǒng)5中的超聲波探頭51為主頻是IMHz的P波 探頭。超聲波信號發(fā)射接受儀53應(yīng)用于聲電換能器52的電壓為400V，脈沖頻率為IMHz。 示波器54的采集頻率為IOOMHz。由于天然氣水合物在沉積物中能否均勻分布是測量的關(guān)鍵，因此，為了使天然氣 水合物在沉積物中均勻分布，本發(fā)明采用了先將沉積物凍結(jié)再通氣生成天然氣水合物的方 法，此方法在沉積物中生成的水合物比較均勻，測量的聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，其包括以下步 驟1)將沉積物與水溶液混合均勻后裝入清洗干凈的高壓反應(yīng)釜1內(nèi)，安裝上釜蓋， 將高壓反應(yīng)釜1放入冷浴槽6內(nèi)，連接好高壓天然氣配氣系統(tǒng)2、溫度測量系統(tǒng)3、壓力測量 系統(tǒng)4和超聲波聲速測定系統(tǒng)5，調(diào)節(jié)手柄手柄11使兩超聲波探頭51達(dá)到合適的距離，一 般為0 60mm。2)開啟制冷壓縮機(jī)7，使冷浴槽6內(nèi)達(dá)到并保持在溶液冰點(diǎn)溫度以下，使沉積物和水溶液先結(jié)冰，同時(shí)開啟超聲波聲速測定系統(tǒng)5中的超聲波信號發(fā)射接受儀53和示波器 54，并通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55內(nèi)預(yù)置有的氣體水合物聲波采集分析模塊，記錄結(jié)冰過程中 樣品的聲學(xué)參數(shù)的變化。3)當(dāng)沉積物和水溶液完全結(jié)冰后，重新設(shè)定冷浴槽6內(nèi)的溫度，達(dá)到溶液冰點(diǎn)溫 度以上，在高壓反應(yīng)釜1及各條聯(lián)結(jié)管線氣密性良好的前提下，開啟真空泵27，通過真空泵 27將高壓反應(yīng)釜1及各條聯(lián)結(jié)管線內(nèi)的空氣抽掉，排除空氣對實(shí)驗(yàn)的干擾。4)開啟高壓天然氣配氣瓶21，向高壓反應(yīng)釜1內(nèi)通入天然氣，同時(shí)通過氣體流量 計(jì)24記錄下通入氣體的量，當(dāng)高壓反應(yīng)釜1內(nèi)達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)，一般為12MPa左右，通氣 結(jié)束。5)通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55內(nèi)預(yù)置的氣體水合物聲波采集分析模塊，觀測水合物 的開始生成并計(jì)時(shí)，任意選取時(shí)間間隔，分別通過溫度測量系統(tǒng)3、壓力測量系統(tǒng)4和超聲 波聲速測定系統(tǒng)5對應(yīng)記錄水合物生成過程中的溫度、壓力及聲學(xué)參數(shù)的變化。當(dāng)水合物 不斷生成時(shí)，由于消耗氣體，壓力不斷降低，聲速和振幅不斷增加。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，壓力不再 降低，溫度也趨向于一定值，聲速振幅等也穩(wěn)定于一定值。6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，得到了水合物分布均勻的沉積物樣品，同時(shí)也已記錄下水合物在沉 積物中生成過程中的溫度、壓力及聲學(xué)物性參數(shù)的變化。利用上述步驟生成的水合物樣品，還可以測量在水合物分解過程中溫度壓力及聲 學(xué)物性參數(shù)的變化。上述實(shí)施例中，步驟1)中的沉積物孔隙體積與水溶液體積可以按照任意比例進(jìn) 行混合；步驟5)中，高壓反應(yīng)釜內(nèi)的壓力值可以根據(jù)試驗(yàn)需要，測量在任意壓力值下水合 物生成過程中溫度、壓力及聲學(xué)參數(shù)的變化。針對上述方法，下面列舉一個(gè)具體實(shí)施例1)先將高壓反應(yīng)釜1內(nèi)部用去離子水清洗干凈，確保沒有任何雜質(zhì)，然后用吹風(fēng) 機(jī)吹干。2)將熱電偶31安裝到高壓反應(yīng)釜1的壁上，便于測量沉積物中生成天然氣水合物 過程中溫度的變化。3)將一定目數(shù)的經(jīng)清洗干凈并干燥過的石英砂與鹽水溶液按照一定比例混合，混 合均勻后一起裝入高壓反應(yīng)釜1，并將沉積物壓平，然后將釜蓋安裝在高壓反應(yīng)釜1上。4)用電動(dòng)滑輪將高壓反應(yīng)釜1置于冷浴槽6中，然后分別與高壓天然氣配氣系統(tǒng) 2、溫度測量系統(tǒng)3、壓力測量系統(tǒng)4和超聲波聲速測定系統(tǒng)5連接好。通過調(diào)節(jié)高壓反應(yīng)釜 1的手柄11，將兩超聲波探頭51調(diào)節(jié)到一合適的距離，盡量使每次實(shí)驗(yàn)的探測樣品的距離 相近，以具有可比性。5)將冷浴槽6的溫度設(shè)定為268. 2K，然后啟動(dòng)制冷壓縮機(jī)7開始降溫，使沉積物 完全結(jié)冰，同時(shí)打開超聲波信號發(fā)射接受儀53、示波器54和計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)55中的內(nèi)預(yù)置 的氣體水合物聲波采集分析模塊，記錄結(jié)冰過程中沉積物樣品的聲學(xué)性質(zhì)變化。6)待沉積物完全結(jié)冰后，通入3. OMPa的甲烷氣檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，氣密性良 好的前提下，先將甲烷氣排出，再用真空泵27將高壓反應(yīng)釜1及進(jìn)氣管路抽真空20min，再 用通入1. OMPa甲烷氣置換三次。7)確保裝置的氣密性良好后，打開高壓天然氣配氣瓶21，以及高壓天然氣配氣瓶21與氣體流量計(jì)24之間、體流量計(jì)和六通閥25之間、六通閥25與高壓反應(yīng)釜1之間的截 止閥，緩慢向高壓反應(yīng)釜1進(jìn)氣至12. OMPa，并由氣體流量計(jì)24測量進(jìn)氣的量，進(jìn)氣完畢關(guān) 閉上述三處的截止閥。8)重新設(shè)定冷浴槽6的溫度為272. 2K，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄溫度、壓力的變化，通 過氣體水合物聲波采集分析模塊采集波形信號并保存，提取出波形信號的聲速振幅供分 析，軟件工作界面如圖4所示。9)當(dāng)溫度、壓力趨于一定值，波形信號不再變化后，實(shí)驗(yàn)即可判定已經(jīng)反應(yīng)結(jié)束；水合物生成過程中溫度、壓力隨時(shí)間的變化，如圖5所示，水合物生成過程中聲速 隨時(shí)間的變化如圖6所示。對于不同粒徑的沉積物，不同初始壓力，不同含水飽和度的沉積物都可按照此步 驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以測得不同條件下的沉積物中水合物聲學(xué)物性參數(shù)。采用本發(fā)明方法，測得不同試驗(yàn)條件下，樣品的聲學(xué)物性參數(shù)下表所示
權(quán)利要求
一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置，其特征在于它包括一其內(nèi)填充實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的高壓反應(yīng)釜，所述高壓反應(yīng)釜分別連接一高壓天然氣配氣系統(tǒng)、一溫度測量系統(tǒng)、一壓力測量系統(tǒng)和一超聲波聲速測量系統(tǒng)，所述高壓反應(yīng)釜設(shè)置于一冷浴槽內(nèi)，所述冷浴槽連接一制冷壓縮機(jī)；所述高壓反應(yīng)釜頂部設(shè)置有一釜蓋，所述釜蓋上滑動(dòng)插設(shè)有一手柄滑桿；所述超聲波聲速測量系統(tǒng)包括分別設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)所述手柄滑桿底部和所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)底部的一超聲波探頭，兩個(gè)所述超聲波探頭分別與一聲電換能器連接，其中一所述聲電換能器通過導(dǎo)線連接到一超聲波信號發(fā)射接受儀的發(fā)射端，另一個(gè)所述聲電換能器通過導(dǎo)線連接到所述超聲波信號發(fā)射接受儀的接收端，所述超聲波信號發(fā)射接受儀通過導(dǎo)線連接一示波器，所述示波器的輸出端通過導(dǎo)線連接一計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置有氣體水合物聲波采集分析模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置，其特征 在于所述高壓反應(yīng)釜的釜壁上部設(shè)置有一上進(jìn)氣口，底部設(shè)置有一下進(jìn)氣口和一排水口， 所述排水口通過一其上設(shè)置有截止閥的排水管路連接到所述冷浴槽外部。
3.如權(quán)利要求1所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置，其特 征在于所述高壓天然氣配氣系統(tǒng)包括一高壓天然氣配氣瓶，所述高壓天然氣配氣瓶的輸 出管路依次通過一截止閥和一減壓閥并列連接一氣體流量計(jì)和一六通閥，所述六通閥和所 述輸出管路之間還設(shè)置有一截止閥；所述氣體流量計(jì)的輸出端通過一截止閥連接所述六通 閥；所述六通閥有三個(gè)輸出端，其中一輸出端通過一截止閥連接一真空泵，一輸出端通過一 截止閥連接大氣，還有一輸出端并列連接兩截止閥，其中一所述截止閥的輸出端連接到所 述高壓反應(yīng)釜的所述上進(jìn)氣口，另一所述截止閥的輸出端連接到所述高壓反應(yīng)釜的所述氣
4.如權(quán)利要求2所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置，其特 征在于所述高壓天然氣配氣系統(tǒng)包括一高壓天然氣配氣瓶，所述高壓天然氣配氣瓶的輸 出管路依次通過一截止閥和一減壓閥并列連接一氣體流量計(jì)和一六通閥，所述六通閥和所 述輸出管路之間還設(shè)置有一截止閥；所述氣體流量計(jì)的輸出端通過一截止閥連接所述六通 閥；所述六通閥有三個(gè)輸出端，其中一輸出端通過一截止閥連接一真空泵，一輸出端通過一 截止閥連接大氣，還有一輸出端并列連接兩截止閥，其中一所述截止閥的輸出端連接到所 述高壓反應(yīng)釜的所述上進(jìn)氣口，另一所述截止閥的輸出端連接到所述高壓反應(yīng)釜的所述氣
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的 裝置，其特征在于所述溫度測量系統(tǒng)包括設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)壁上的熱電偶，所述熱 電偶的輸出端通過一溫度傳感器連接一溫度顯示儀。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的 裝置，其特征在于所述壓力測量系統(tǒng)包括設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)頂壁上的壓力傳感器， 所述壓力傳感器的輸出端連接一壓力顯示儀。
7.如權(quán)利要求5所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置，其特征 在于所述壓力測量系統(tǒng)包括設(shè)置在所述高壓反應(yīng)釜內(nèi)頂壁上的壓力傳感器，所述壓力傳 感器的輸出端連接一壓力顯示儀。
8.—種如權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述裝置的模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù) 的方法，其包括以下步驟1)根據(jù)需要，按照任意比例將沉積物與水溶液混合均勻后，裝入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，安裝上 釜蓋，將高壓反應(yīng)釜放入冷浴槽內(nèi)，連接高壓天然氣配氣系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系 統(tǒng)和超聲波聲速測定系統(tǒng)，調(diào)節(jié)手柄滑桿使兩超聲波探頭之間保持一定距離，距離范圍為 0 60mm ；2)開啟制冷壓縮機(jī)，使冷浴槽內(nèi)達(dá)到并保持設(shè)定溫度在溶液冰點(diǎn)溫度以下，同時(shí)開啟 超聲波聲速測定系統(tǒng)中的超聲波信號發(fā)射接受儀和示波器，通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的 氣體水合物聲波采集分析模塊，記錄結(jié)冰過程中樣品的聲學(xué)參數(shù)變化；3)當(dāng)沉積物和水溶液完全結(jié)冰后，重新設(shè)定冷浴槽內(nèi)的溫度在溶液冰點(diǎn)溫度以上，檢 測并保證高壓反應(yīng)釜及各條管線的氣密性，然后開啟真空泵，將高壓反應(yīng)釜及各條連接管 線內(nèi)的空氣抽掉；4)開啟高壓天然氣配氣瓶，向高壓反應(yīng)釜內(nèi)通入甲烷氣，同時(shí)通過氣體流量計(jì)記錄下 通入氣體的量，當(dāng)高壓反應(yīng)釜內(nèi)達(dá)到根據(jù)試驗(yàn)需要預(yù)設(shè)定的壓力值時(shí)，通氣結(jié)束；5)通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的氣體水合物聲波采集分析模塊，觀測水合物的開始生 成并計(jì)時(shí)，任意選取時(shí)間間隔，分別通過溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)和超聲波聲速測定系 統(tǒng)，對應(yīng)記錄水合物生成過程中的溫度、壓力及聲學(xué)參數(shù)的變化；6)當(dāng)壓力不再降低，溫度趨向于一定值，聲速振幅也穩(wěn)定于一定值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，得到了 水合物分布均勻的沉積物樣品。
9.如權(quán)利要求8所述的一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的方法，其特征 在于所述沉積物為石英砂，所述水溶液為鹽水溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬天然氣水合物生成并測量其物性參數(shù)的裝置及方法，其特征在于它包括一高壓反應(yīng)釜，高壓反應(yīng)釜分別連接一高壓天然氣配氣系統(tǒng)、一溫度測量系統(tǒng)、一壓力測量系統(tǒng)和一超聲波聲速測量系統(tǒng)，高壓反應(yīng)釜設(shè)置于一冷浴槽內(nèi)，冷浴槽連接一制冷壓縮機(jī)；高壓反應(yīng)釜頂部滑動(dòng)插設(shè)有一手柄滑桿；超聲波聲速測量系統(tǒng)包括分別設(shè)置在手柄滑桿底部和高壓反應(yīng)釜內(nèi)底部的一超聲波探頭，兩個(gè)超聲波探頭分別與一聲電換能器連接，其中一聲電換能器通過導(dǎo)線連接一超聲波信號發(fā)射接受儀的發(fā)射端，另一聲電換能器通過導(dǎo)線連接超聲波信號發(fā)射接受儀的接收端，超聲波信號發(fā)射接受儀連接一示波器，示波器的輸出端連接一計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置有氣體水合物聲波采集分析模塊。
文檔編號G01N1/28GK101936833SQ20101023491
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者姚海元, 孫長宇, 龐維新, 張芹, 朱振宇, 李清平, 李風(fēng)光, 楊新, 王志君, 陳光進(jìn) 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;中國石油大學(xué)(北京)