CN101699274B - 一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法，涉及海底沉积物中天然气水合物的实验测试技术。本试验装置主要包括高压反应容器(10)、水压容器(20)、气水分离容器(30)、第1、2活塞泵(41、42)、真空泵(50)、液体流量计(60)、供气装置(70)、恒温装置(80)和数据采集系统(90。本发明实现了在气-水压力独立控制条件下的海底天然气水合物形成与分解过程的模拟与相平衡关系测试。本装置结构简单、精度高、稳定性好、操作简便，对试验人员没有很强的技能要求。

Description

一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及海底沉积物中天然气水合物的实验测试技术，尤其涉及一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法。

背景技术

天然气水合物是甲烷(CH₄)等天然气体分子在一定压力和温度条件下，被吸入到笼形水分子团结构的空隙中，从而形成一种固体状物质。作为一种战略性替代能源，天然气水合物具有巨大的商业开发价值，预计在本世纪的能源消费结构中将占据主要地位。随着石油和天然气资源的日益短缺，开发天然气水合物这一新型替代能源就显得尤为迫切。同时，天然气水合物不合理的开发会引起海底的地质滑坡和甲烷气体的大量释放进入大气，从而严重危险海洋构筑物的安全并且引起全球变暖。因此，针对海底天然气水合物的研究是未来大规模开发利用天然气水合物的必然要求，具有非常重要的战略意义。

海底天然气水合物稳定于高压低温条件下，在常温常压条件下将分解。从海底取样用于实验室研究要求较高费用，所以实验室内模拟海底天然气水合物的形成制样就显得尤为重要。海底水合物的形成可以分为本地非迁移气体合成和异地气体迁移合成；迁移合成按迁移模式又分为气体扩散迁移和渗漏迁移两种模式。在气体渗漏迁移模式下，天然气水合物的形成实际是非饱和土中的水在一定压力-温度条件下，水与天然气体分子形成天然气水合物。这种模式下形成的天然气水合物胶结于土颗粒之间，是含天然气水合物沉积物强度提高的重要因素之一。

目前针对含天然气水合物沉积物的相关相平衡的研究尚处于起步与探索阶段，已有的测试与制样方法都是主要集中于本地非迁移气体合成水合物。主要有三种：一是将预先制得粉末状固体水合物与土颗粒混合，然后把制成的混合物放入低温的环境中以开展实验；二是向土样施加一定压力天然气体，然后降低温度形成含天然气水合物沉积物试样；三是直接向低温饱和土样中施加高压气体在土孔隙中形成水合物。这三种实验方法与装置只考虑沉积物中气体压力变化对水合物形成与分解的影响。对于孔隙中充满水的饱和土，气体压力等于水压力，以上的试验方法与装置可以模拟与测试含天然气水合物沉积物中水合物的形成与分解以及相平衡关系。当含天然气水合物中水合物生成与分解时，若孔隙中同时具有液态水和游离气体的非饱和态沉积物，由于毛细管作用影响使得气体压力不再等于水压力。因此，独立控制与测量含天然气水合物沉积物中气水压力的含天然气水合物沉积物中水合物生成与分解的相平衡关系具有重要意义。目前尚没有非饱和沉积物中天然气水合物的相平衡测试的数据，更没有在控制非饱和沉积物中吸力情况下的天然气水合物的相平衡数据。

针对于这一问题，本发明将主要解决非饱和沉积物中天然气水合物在不同气体与水压力条件下生成与分解以及相平衡关系的测试问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法。

本装置能通过独立控制气-水压力来控制沉积物中的吸力状态，测定不同的吸力状态下非饱和沉积物对天然气水合物的相平衡条件；同时，还可以在不需要比较高的精度的情况下，测定非饱和土的土水特性曲线。

本方法能够独立控制沉积物中气水压力，保证准确的吸力控制和沉积物非饱和状态，进行形成非饱和含天然气水合物沉积物样并且进行相平衡测试获得相平衡条件。

本发明的目的是这样实现的：

一、海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置(简称测试装置)

本测试装置主要包括高压反应容器、水压容器、气水分离容器、第1、2活塞泵、真空泵、液体流量计、供气装置、恒温装置和数据采集系统；

其连接关系是：

高压反应容器下部与水压容器下部通过第6阀门和液体流量计相连；

高压反应容器上部与气水分离容器上部通过第7阀门相连；

气水分离容器上部又与第2活塞泵相连，第2活塞泵调节汽水分离器中的气体压力来控制高压反应容器中土样的气体压力；

气水分离容器还通过第5阀门和第8阀门与水压容器相连，水压容器还与第一活塞泵相连，第一活塞泵调节水压容器中的气体压力来控制高压反应容器中的水的压力；

多孔陶土板置于高压反应容器的底部，保证气水压力的独立控制与量测；

气源通过高压调节阀、第1阀门和高压气体压力表后，分别通过第5阀门与气水分离容器相连，通过第8阀门与水压容器相连，为装置提供工作气体；

安全阀门与水压容器连接，保证测试工作安全进行；

恒温装置通过软管分别与高压反应容器、汽水分离容器和第2活塞泵的水浴夹套相连，实行对高压反应容器、汽水分离容器和第2活塞泵的恒温控制；

真空泵通过第3阀门、第4阀门与水压容器相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；

第1压力传感器与气水分离容器相连，测量其气体压力；

第1温度传感器与高压反应容器相连，测量其温度；

第2压力传感器、第2温度传感器分别与水压容器相连，分别测量其气体压力和温度；

数据采集系统通过数据线分别与第1、2压力传感器和第1、2温度传感器相连，实时监测装置的温度和压力动态。

本装置的工作原理：

本装置为在高压反应容器中的气水混合提供合适的压力-温度条件，使其形成天然气水合物，并且利用高压反应容器底部的多孔陶土板的能渗漏水而不渗漏气体的性质实行了气水压力的独立控制量测；

其中气体压力的调节是利用第二活塞泵来进行调节，气水分离容器防止了水进入第二活塞泵中；

水压的施压是通过水压容器中的气对水施压来提供的，其中压力的调节是利用第一活塞泵来实行；

在此基础上，进行天然气水合物的合成和分解，通过第1、2传感器分别测得气体的压力和水的压力，水的压力可以认定为天然气水合物的形成或分解的压力，而气-水压力之差为吸力；

通过第1温度传感器测得的温度为天然气水合物形成或是分解时的平衡温度，即通过这些测量，能比较方便地测量出天然气水合物在不同的吸力条件下的相平衡条件。

二、海底沉积物中天然气水合物相平衡测试方法(简称测试方法)

本测试方法基于上述测试装置，包括下列步骤：

①安装试样

将土样按设定干密度(模拟海底水合物稳定层土壤密度1.0～2.5g/cm³)和含水率(2～40％)均匀装入高压反应容器中，向水压容器中再加入适量(大约为水压容器体积的3/4)的蒸馏除离子水；

②检查气密性

往测试装置中充入氮气至6～8Mpa，若测试装置能维持压力3～4小时不变，则认为测试装置气密性完好；

③抽真空

抽真空15～30min，排出测试装置中的杂异气；

④注水饱和

抽气完成后，打开第6阀门使水压容器中的水进入到高压反应容器中使土样饱和；

⑤施加气体

打开第1、5、7、8阀门，调节压力调节阀将压力调至设定压力值(设定值必须保证高压反应容器中形成水合物并且维持水合物的稳定压力，二氧化碳为2～4Mpa，甲烷为6～10Mpa)后关闭第1阀门和压力调节阀；

⑥调节吸力大小

调节第1、2活塞泵，使汽水分离容器中的压力大于水压容器中的压力，并且其差值为一设定值(0.1～1.5Mpa)；

⑦降温制样

启动恒温装置，降低高压反应容器的温度值至设定值(温度值设定必须保证在上面压力的条件下，高压反应容器的温压条件在相平衡边界以内合成气体水合物，一般设定为-2～4℃)，利用低温冷液(利用酒精作为冷冻液，凝固点为-114℃)在高压反应容器的夹套中循环降低土样温度至设定值并保持恒定；

⑧样本制备完成

如果高压反应容器和水压容器中的气体压力保持稳定不变时，则可判定在相应的温度压力条件下(温度即天然气水合物的合成温度，压力即最后的稳定压力，一般温度为-2～4℃，压力为0.5～4Mpa)，高压反应容器中土样中的水合物合成完成，即样本制备完成。

⑨测量水合物相平衡条件

A、关闭第5、6阀门，打开第7阀门，提高恒温装置的温度设定值，使高压反应容器中的水合物分解，分解后产生的气体使高压反应容器和气水分离容器中的压力升高，并在一段时间(3～4小时)后保持压力稳定，此时的压力和温度即为水合物相平衡条件；

B、调节温度，测试不同温度条件下土样中水合物的相平衡条件，即可绘制温度-压力曲线。

C、利用数据采集系统进行试验数据的自动采集、传输和记录。

本发明具有以下优点和积极效果：

①能模拟海底非饱和沉积物中天然气水合物制样并且测得其相平衡条件；

②独立的控制气-水压力，实现了沉积物中吸力的控制，能进行在不同吸力情况下测得海底非饱和沉积物中天然气水合物的相平衡条件，考虑吸力对非饱和沉积物中天然气水合物生成与分解的影响。

③本发明实现了在气-水压力独立控制条件下的海底天然气水合物形成与分解过程的模拟与相平衡关系测试。本装置结构简单、精度高、稳定性好、操作简便，对试验人员没有很强的技能要求。

附图说明

图1为试验装置的结构示意图。

其中：

10-高压反应容器；

20-水压容器；

30-气水分离容器；

41、42-第1、2活塞泵；

50-真空泵；

60-液体流量计；

70-供气装置；

71-气源，72-压力调节阀，73-安全阀，74-气体压力显示表；

80-恒温装置；

90-数据采集系统。

P1、P2-第1、2气体压力传感器；

T1、T2-第1、2温度传感器；

M-高压不锈钢管线；

V1～V8-第1～8阀门；

I-多孔陶土板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

由图1可知，本试验装置主要包括高压反应容器10、水压容器20、气水分离容器30、第1、2活塞泵41、42、真空泵50、液体流量计60、供气装置70、恒温装置80和数据采集系统90；

其连接关系是：

高压反应容器10下部与水压容器20下部通过第6阀门V6和液体流量计60相连；

高压反应容器10上部与气水分离容器30上部通过第7阀门V7相连；

气水分离容器30上部又与第2活塞泵42相连，第2活塞泵42调节汽水分离器30中的气体压力来控制高压反应容器10中土样的气体压力；

气水分离容器30还通过第5阀门V5和第8阀门V8与水压容器20相连，水压容器20还与第一活塞泵41相连，第一活塞泵41调节水压容器20中的气体压力来控制高压反应容器10中的水的压力；

多孔陶土板I置于高压反应容器10的底部，保证气水压力的独立控制与量测；

气源71通过高压调节阀72、第1阀门V1和高压气体压力表74后，分别通过第5阀门V5与气水分离容器30相连，通过第8阀门V8与水压容器20相连，为装置提供工作气体；

安全阀门73与水压容器20连接，保证测试工作安全进行；

恒温装置80通过软管分别与高压反应容器10、汽水分离容器30和第2活塞泵42的水浴夹套相连，实行对高压反应容器10、汽水分离容器30和第2活塞泵42的恒温控制；

真空泵50通过第3阀门V3、第4阀门V4与水压容器20相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理；

第1压力传感器P1与气水分离容器30相连，测量其气体压力；

第1温度传感器T1与高压反应容器10相连，测量其温度；

第2压力传感器P2、第2温度传感器T2分别与水压容器20相连，分别测量其气体压力和温度；

数据采集系统90通过数据线分别与第1、2压力传感器P1、P2和第1、2温度传感器T1、T2相连，实时监测装置的温度和压力动态。

二、试验装置各部件

1、高压反应容器10

高压反应容器10采用特殊不锈钢材料制成，上部利用O型密封圈封严和粗牙螺栓紧扣密封，从而达到密封要求和方便安装拆卸的目的；

选用HBS-A2(海科仪)；

内置第1温度传感器T1，其端部伸入土样中间。

内装试验土样。

2、水压容器20

水压容器20采用特殊不锈钢材料制成，上部利用O型密封圈封严和粗牙螺栓紧扣密封，从而达到密封要求和方便安装拆卸的目的。

选用HBS-B2(海科仪)。

内置第2温度传感器T2测量容器内水的温度；还内置第2压力传感器P2测量容器内气体的压力变化。

内部装适量蒸馏水，上部空间为实验气体，

3、气水分离容器30

采用特殊不锈钢材料制成，内部为气体，底部装有适量的干燥剂，除去实验气体夹带的水汽防止水汽进入活塞泵42中。

选用HBS-C2(海科仪)。

4、第1、2活塞泵41、42

第1、2活塞泵41、42为常用产品。

第1活塞泵41主要调节水压容器20中的水的压力的大小；通过调节气体压力的变化来控制水压容器20中的水的压力的大小，从而控制高压反应容器10中的水压的大小。

第2活塞泵42主要调节气水分离容器30中的气体压力来控制高压反应釜中的气体压力的大小。

选用HBS-D1(海科仪)

5、真空泵50

真空泵50采用常规普通单级旋片式真空泵，极限真空度为2～6×10^-2Pa。

选用WLW-50A(江苏)。

6、供气装置70

供气装置70包括储气瓶71、压力调节阀72、安全阀73、气体压力显示表74；

储气瓶71，选用普通型；

压力调节阀72，选用ZDLQ(上海)；

安全阀73，选用A28H(上海)；

气体压力显示表74，选用2-5000(上海)；

储气瓶71负责提供气体；压力调节阀72负责调节压力；安全阀3负责超压保护；气体压力显示表74负责显示气体压力值，精度0.5％F·S。

7、恒温装置80

恒温装置80为常用产品。

温度范围：-20～20℃，温度控制精度：±0.2℃，内置循环泵。

选用THX2020(浙江宁波)。

8、数据采集系统90

数据采集系统90采用多功能数据采集板卡、PC计算机和数据采集软件进行数据采集、传输与记录。

选用HBSPQ-2(常州市易用科技有限公司)。

9、第1-7阀门(V1-V7)

第1-7阀门(V1-V7)为常用产品。

两端管径Φ6mm，采用不锈钢制成，耐压50MPa。

10、液体流量计60

液体流量计60为普通高精度流量计，测量高压反应容器10与水压容器20中的水的交换量。

选用普通高精度型。

11、第1、2温度传感器T1、T2为常用产品。

选用Pt100/φ3(北京)，精度：0.1℃。

12、第1、2压力传感器P1，P2

第1、2压力传感器P1，P2为常用产品。

选用ND-1，(西安)，压力范围：0～40Mpa；精度：0.1％F·S。

13、高压管线M

高压管线M选用普通型；管径Φ6mm，采用不锈钢制成，耐压50MPa。

14、第1～8阀门V1～V8

第1～8阀门V1～V8选用普通高压阀门。

Claims (2)

1.一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置，其特征在于：

本试验装置主要包括高压反应容器(10)、水压容器(20)、气水分离容器(30)、第1、2活塞泵(41、42)、真空泵(50)、液体流量计(60)、供气装置(70)、恒温装置(80)和数据采集系统(90)；

其连接关系是：

高压反应容器(10)下部与水压容器(20)下部通过第6阀门(V6)和液体流量计(60)相连；

高压反应容器(10)上部与气水分离容器(30)上部通过第7阀门(V7)相连；

气水分离容器(30)上部又与第2活塞泵(42)相连，第2活塞泵(42)调节汽水分离器(30)中的气体压力来控制高压反应容器(10)中土样的气体压力；

气水分离容器(30)还通过第5阀门(V5)和第8阀门(V8)与水压容器(20)相连，水压容器(20)还与第一活塞泵(41)相连，第一活塞泵(41)调节水压容器(20)中的气体压力来控制高压反应容器(10)中的水的压力；

多孔陶土板(I)置于高压反应容器(10)的底部，保证气水压力的独立控制与量测；

气源(71)通过高压调节阀(72)、第1阀门(V1)和高压气体压力表(74)后，分别通过第5阀门(V5)与气水分离容器(30)相连，通过第8阀门(V8)与水压容器(20)相连，为装置提供工作气体；

安全阀门(73)与水压容器(20)连接，保证测试工作安全进行；

恒温装置(80)通过软管分别与高压反应容器(10)、汽水分离容器(30)和第2活塞泵(42)的水浴夹套相连，实行对高压反应容器(10)、汽水分离容器(30)和第2活塞泵(42)的恒温控制；

真空泵(50)通过第3阀门(V3)、第4阀门(V4)与水压容器(20)相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理； 

第1压力传感器(P1)与气水分离容器(30)相连，测量其气体压力；

第1温度传感器(T1)与高压反应容器(10)相连，测量其温度；

第2压力传感器(P2)、第2温度传感器(T2)分别与水压容器(20)相连，分别测量其气体压力和温度；

数据采集系统(90)通过数据线分别与第1、2压力传感器(P1、P2)和第1、2温度传感器(T1、T2)相连，实时监测装置的温度和压力动态。

2.按权利要求1所述装置的相平衡测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①安装试样，即将土样按设定干密度：模拟海底水合物稳定层土壤密度1.0～2.5g/cm³和含水率：2～40％，均匀装入高压反应容器中，向水压容器中再加入为水压容器体积的3/4的蒸馏除离子水；

②检查气密性，即往测试装置中充入氮气至6～8Mpa，若测试装置能维持压力3～4小时不变，则认为测试装置气密性完好；

③抽真空，即抽真空15～30min，排出测试装置中的杂异气；

④注水饱和，即抽气完成后，打开第6阀门使水压容器中的水进入到高压反应容器中使土样饱和；

⑤施加气体，即打开第1、5、7、8阀门，调节压力调节阀将压力调至设定压力值，即设定值必须保证高压反应容器中形成水合物并且维持水合物的稳定压力，二氧化碳为2～4Mpa，甲烷为6～10Mpa，后关闭第1阀门和压力调节阀；

⑥调节吸力大小，即调节第1、2活塞泵，使汽水分离容器中的压力大于水压容器中的压力，并且其差值为一设定值，即0.1～1.5Mpa；

⑦降温制样，即启动恒温装置，降低高压反应容器的温度值至设定值：温度值设定必须保证在上面压力的条件下，高压反应容器的温压条件在相平衡边界以内合成气体水合物，一般设定为-2～4℃，利用低温冷液：利用酒精作为冷冻液，凝固点为-114℃，在高压反应容器的夹套中循环降低土样温度至设定值并保持恒定；

⑧样本制备完成，即如果高压反应容器和水压容器中的气体压力保持稳定不变时，则可判定在相应的温度压力条件下：温度即天然气水合物的合成温度，压力即最后的稳定压力，一般温度为-2～4℃，压力为0.5～4Mpa，高压反应容器中土样中的水合物合成完成，即样本制备完成；

⑨测量水合物相平衡条件

A、关闭第5、6阀门，打开第7阀门，提高恒温装置的温度设定值，使高压反应容器中的水合物分解，分解后产生的气体使高压反应容器和气水分离容器中的压力升高，并3～4小时后保持压力稳定，此时的压力和温度即为水合物相平衡条件；

B、调节温度，测试不同温度条件下土样中水合物的相平衡条件，即可绘制温度-压力曲线。

C、利用数据采集系统进行试验数据的自动采集、传输和记录。 

Images