CN101718730A - 原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法和装置，包括有水合物反应釜，设置在水合物反应釜外围并为水合物反应釜提供恒温的控温系统，分别与水合物反应釜连接的供气系统和供水系统，还包括有用于对水合物或含水合物沉积物的电导率物性进行测量的测控采集系统，测控采集系统一端连接在所述水合物反应釜和供气系统之间，另一端与所述水合物反应釜连接，水合物反应釜输出连接到用于提供气体反应压力的液压传动系统，还包括设置在水合物反应釜上的位移传感器，位移传感器的测杆插入到水合物反应釜内；在水合物反应釜内的顶部和底部分别设有与所述测控采集系统连接的第一铜电极、第二铜电极。采用了整体化设计，结构紧凑。

Description

原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法和装置

技术领域

本发明涉及到一种测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法和装置。

背景技术

气体水合物是由一些气体和水在一定的低温和高压的条件下生成的一种冰状结晶类化合物，当气体中甲烷的含量超过99％称为天然气水合物，俗称可燃冰。天然气水合物广泛分布于海底和高原冻土中。1m³天然气水合物分解时可释放出164m³的甲烷气体。在石油等常规能源日益紧张的21世纪，勘探开发储量巨大的天然气水合物具有很重要的能源战略意义。大量的天然气水合物以固体形式广泛分布在海底沉积物中和永久冻土中。由于海底天然气水合物的复杂的赋存环境，对海底沉积物中水合物的储量估算不是很准确。一般认为海底天然气水合物的储量主要取决于水合物的分布面积、水合物稳定带的厚度、沉积层的孔隙度及水合物的饱和度。因此水合物的饱和度对于估算海底天然气水合物的储量是非常重要的，而目前由于海底水合物形成与赋存的特殊条件，很难通过原地直接测量来获得沉积层中水合物的饱和度。在水合物勘探开采中，电阻率测井是最为普遍的确定水合物饱和度的方法之一。含水合物地层的电阻率明显高于不含水合物的地层，而且含水合物的地层的电阻率随着水合物含量的增加而增加。但由于高昂的测井费用和海底水合物的储存的复杂的条件，不可能都在每一次在可能含有水合物的沉积物的赋存处进行实地的电阻率测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能测量实验室内合成的水合物或含水合物沉积物电导率的的方法和装置，对实际勘探开发水合物和水合物储量的准确估算具有重要的意义。

为实现以上目的，本发明实用新型采取了以下的技术方案：原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法，包括如下步骤：

(1)水合物或水合物沉积物的生成：

i)反应气体由供气系统进入到水合物反应釜内；

ii)在液压传动系统、控温系统分别为水合物反应釜提供的反应压力和反应温度下，反应气体与水合物反应釜内的其他反应物反应生成水合物；

(2)电阻率物性测定：

i)与水合物反应釜连接的测控采集系统将从水合物反应釜内采集来的温度、压力、位移、电阻的测量数据进行处理，并通过四线制的惠更斯电桥测出位于水合物反应釜内第一铜电极和第二铜电极之间的水合物或含水合物沉积物的电阻R；

ii)通过插入到水合物反应釜内的位移传感器的测杆对第一铜电极和第二铜电极施压来压紧水合物或水合物沉积物，得到位移差数据l；

iii)通过测量第一铜电极和第二铜电极的直径计算出铜电极的接触面积A；

iv)根据电阻率公式： $\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{RA}}{l},$ 测算出水合物或水合物沉积物的电阻率ρ。

本系统装置的使用方法包括两个过程：其一为水合物或水合物沉积物的生成反应，具体为：反应气体由供气系统进入到水合物反应釜，在由液压传动系统提供所需的反应压力和控温系统控制的反应温度下，与水合物反应釜内的其它反应物在一定的温度和压力下反应生成水合物，并通过测控采集系统，实现对水合物或含水合物沉积物的电导率物性的测量；反应时，先将反应液体从进水口注入水合物反应釜中，然后紧固上法兰盖，抽真空；将温度和压力调整到所需的温度压力条件，开始进气；其二为电阻率物性测定，在反应终止后，即可对样品进行测量。

本发明还提供了一种原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，包括有水合物反应釜，设置在水合物反应釜外围并为水合物反应釜提供恒温的控温系统，分别与所述水合物反应釜连接的供气系统和供水系统，还包括有用于对水合物或含水合物沉积物的电导率物性进行测量的测控采集系统，所述测控采集系统一端连接在所述水合物反应釜和供气系统之间，另一端与所述水合物反应釜连接，所述水合物反应釜输出连接到用于提供气体反应压力的液压传动系统，还包括设置在水合物反应釜上的位移传感器，所述位移传感器的测杆插入到水合物反应釜内；在所述水合物反应釜内的顶部和底部分别设有与所述测控采集系统连接的第一铜电极、第二铜电极。

供气系统的主要功能是实现气体的流通和气体状态参数的检测；控温系统可为水合物的反应提供所需的温度条件；测控采集系统可采集水合物反应釜内的温度、压力、位移、电阻的测量数据进行处理，跟踪反应过程；位移传感器的测杆可通过对第一铜电极和第二铜电极施压来压紧本来松散的水合物或水合物沉积物，从而准确得到位移差数据；电阻率的测量依据为： $\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{RA}}{l},$ 其中ρ为水合物或水合物沉积物的电阻率，R为水合物的电阻，可由四线制的惠更斯电桥测出位于两块铜电极之间的水合物或含水合物沉积物的电阻；l为水合物或含水合物沉积物的厚度，可由位移传感器测出，A为铜电极的接触面积，可通过测量铜电极的直径算出，因此，通过测控采集系统测量出l、R、A，就可间接计算出电阻率ρ。

所述水合物反应釜包括有上端开口的外筒主体，设置在所述外筒主体开口处的上法兰盖，设置在上法兰盖上并与所述供气系统连通的进气口，外筒主体底部还设置有底座，在底座上设有连接到所述测控采集系统的测温探头插口；

还包括有设置在所述外筒主体内的内筒，在所述内筒内设有与上法兰盖连接的圆盖，所述第一铜电极与圆盖相连接，第二铜电极设置在内筒的内底面上，所述第一铜电极和第二铜电极相互电连接后通过电极引出线出口与所述测控采集系统连接。

所述液压传动系统包括有增压泵，所述位移传感器上设有与所述增压泵连接的液压接口；所述位移传感器的测杆抵靠在所述圆盖上。

在所述液压接口和增压泵之间的管路上还依次设有三通阀、二通阀，所述三通阀上还连接有酒精排出口。液压传动系统通过外界施加一定的压力造成压差，并通过密封液体来传送压力的，它可提高水合物反应釜内气体的压力，达到试验所需的反应压力。

所述测控采集系统包括数据采集仪、与数据采集仪电连接的中央处理器，所述数据采集仪一端通过压力传感器连接到所述供气系统，其用于采集供气系统对所述水合物反应釜的供气压力，另一端与所述水合物反应釜连接。

所述供水系统包括有与水合物反应釜连通的供水管道、与供水管道连接的进水口，在供水管道上还设置有进水截止阀；所述供气系统包括有供气管道，该供气管道一端连接在水合物反应釜与进水截止阀之间的供水管道上，另一端依次与气瓶、真空泵连接，在供气管道上还依次设有进气压力表、气瓶截止阀、真空泵截止阀、真空压力表。气瓶用于为水合物反应釜内提供高压气体，水合物反应前通过真空泵抽尽水合物反应釜内和供气管道中的残留空气。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、可以测量水合物的电导率，以及含水合物沉积物的电导率。

2、可以通过相应的软件，配合电导率数据的测量来确定实地所采样品中水合物的近似含量，对该区域的水合物储量进行估算。

3、采用了整体化设计，结构紧凑。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明水合物反应釜的内部结构示意图；

附图标记说明：1-真空泵，2-气瓶，3-恒温试验箱，4-增压泵，5-中央处理器，6-数据采集仪，7-进水截止阀，8-进水口，81-供水管道，9-压力传感器，10-气瓶截止阀，11-进气压力表，12-真空压力表，13-真空泵截止阀，14-二通阀，15-酒精排出口，16-三通阀，17-水合物反应釜；171-位移传感器，172-上法兰盖，173-进气口，174-外筒主体，175-内筒，176-电极引线出口，177-测温探头插口，178-底座，179-圆盖，1710-第一铜电极，1711-第二铜电极，1712-液压接口，18-供气管道，20-测杆。

具体实施方式

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。

实施例一：

原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法，包括如下步骤：

(1)水合物或水合物沉积物的生成：

i)反应气体由供气系统进入到水合物反应釜内；

ii)在液压传动系统、控温系统分别为水合物反应釜提供的反应压力和反应温度下，反应气体与水合物反应釜内的其他反应物反应生成水合物；

(2)电阻率物性测定：

i)与水合物反应釜连接的测控采集系统将从水合物反应釜内采集来的温度、压力、位移、电阻的测量数据进行处理，并通过惠更斯电桥测出位于水合物反应釜内第一铜电极和第二铜电极之间的水合物或含水合物沉积物的电阻R，其测量原理为： $R=\frac{R_1}{R_2}{R}_b,$ 其中

为惠更斯电桥的恒定比值，R_b为可调电阻，变动R_b的大小，使电桥达到平衡，就可得到待测的水合物或水合物沉积物的电阻。

ii)通过插入到水合物反应釜内的位移传感器的测杆对第一铜电极和第二铜电极施压来压紧水合物或水合物沉积物，得到位移差数据1；

iii)通过测量第一铜电极和第二铜电极的直径计算出铜电极的接触面积A；

iv)根据电阻率公式： $\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{RA}}{l},$ 测算出水合物或水合物沉积物的电阻率ρ

请参阅图1所示，一种原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，包括有水合物反应釜17，设置在水合物反应釜17外围并为水合物反应釜17提供恒温的控温系统，分别与水合物反应釜17连接的供气系统和供水系统，还包括有用于对水合物或含水合物沉积物的电导率物性进行测量的测控采集系统，测控采集系统一端连接在水合物反应釜17和供气系统之间，另一端与水合物反应釜17连接，水合物反应釜17输出连接到用于提供气体反应压力的液压传动系统，还包括有设置在水合物反应釜17上的位移传感器171，位移传感器171的测杆20插入到水合物反应釜17内，其可以根据水合物反应釜内生成物的厚度上下移动；在水合物反应釜17内的顶部和底部分别设有与测控采集系统连接的第一铜电极1710、第二铜电极1711。

请参阅图2所示，水合物反应釜17包括有上端开口的外筒主体174，外筒主体174采用不锈钢材料制成，可承受高压，设置在外筒主体174开口处的上法兰盖172，位移传感器171是通过上法兰盖172进入反应釜内部的，它与反应釜之间通过螺纹连接，卡环卡套密封，上法兰盖172通过螺栓、O型密封圈来密封外筒主体174，还具有设置在上法兰盖172上并与供气系统的供气管道连通的进气口173，进气口173与上法兰盖172之间通过螺纹连接，卡环卡套密封，此处使用的供气管道较细，为3mm外径的不锈钢管道；外筒主体174底部还设置有起到支撑外筒主体作用的底座178，在底座178上设有连接到测控采集系统的测温探头插口177，该插口通过螺纹连接，卡环卡套密封；

还包括有设置在外筒主体174内的内筒175，内筒175采用聚四氟乙烯材料制成，具备耐腐蚀性，在内筒175内设有与上法兰盖172连接的圆盖179，圆盖179也采用聚四氟乙烯材料制成，并通过黏胶与上法兰盖172相连接，第一铜电极1710通过黏胶与圆盖179相连接，第二铜电极1711通过黏胶与内筒175的内底面相连接，第一铜电极1710和第二铜电极1711相互电连接后通过电极引出线出口176与测控采集系统连接，上述电极引出线出口176通过螺纹连接，卡环卡套密封；当位移传感器171的测杆20施压时，可通过聚四氟乙烯圆盖179和两个铜电极来压紧水合物或含水合物沉积物。

液压传动系统包括有增压泵4、二通阀16、三通阀14、酒精排出口15，其间通过6mm不锈钢管道连接，卡环卡套密封，位移传感器171上设有与增压泵4连接的液压接口1712；位移传感器171的测杆20抵靠在圆盖179上，增压泵4通过外界施加一定的压力造成压差，并通过密封液体-酒精来传送压力，为水合物反应釜17内的反应提供所需的压力。

测控采集系统包括测量样品温度，压力，位移，电阻的传感器及数据采集仪6，与数据采集仪6电连接的中央处理器5，数据采集仪6一端通过压力传感器9连接到供气系统，其用于采集供气系统对水合物反应釜17的供气压力，另一端与水合物反应釜17的测温探头插口177、电极引出线出口176等接口连接。

供水系统包括有与水合物反应釜17连通的供水管道81、与供水管道81连接的进水口8，在供水管道81上还设置有进水截止阀7，该进水截止阀7用于控制水进入；供气系统包括有供气管道18，上述压力传感器9连接于进气压力表11与水合物反应釜17之间的供气管道18上，该供气管道18一端连接在水合物反应釜17与进水截止阀7之间的供水管道81上，另一端依次与气瓶2、真空泵1连接，其中连接件是外径6mm的不锈钢管道，接头处为卡环，卡套密封的螺纹连接，在供气管道18上还依次设有进气压力表11、气瓶截止阀10、真空泵截止阀13、真空压力表12，上述气瓶截止阀10用于控制气源进出；真空泵截止阀13是系统抽真空的开关，在反应时需要关闭真空泵截止阀13，在反应前需将所有阀门打开，连续快速打开气瓶截止阀10，让气瓶2中的气体连续冲刷供气管道18从而排挤出一部分空气，此后关闭气瓶阀门10，打开真空泵1开始抽真空，在对整个系统抽完真空后，关闭真空泵截止阀13，打开气瓶截止阀10，开始进气。

以甲烷气体和30.054克的纯净水为反应物，反应合成甲烷水合物为例说明：

用纯净水清洗水合物反应釜17，然后加入30.054克的纯净水，盖上上法兰盖172密封，将气瓶截止阀10打开，让气瓶2中的甲烷气体连续冲刷供气管道18从而排挤出一部分空气，此后关闭气瓶截止阀10，打开真空泵截止阀13，开启真空泵1，把供气管道18和水合物反应釜17内的空气抽走，待真空压力表12稳定后，关闭真空泵截止阀13，打开真空泵截止阀13开始进气，待系统压力稳定后，停止进气。本反应使用的甲烷压力为15Mpa，然后打开控温系统，将反应的温度设定为-3℃，同时将测控采集系统打开，进行压力、位移、温度、电阻信号的采集。

甲烷通过反应釜17上的气体管道进入反应釜的端口进入反应釜17，与釜内的水进行反应，等完全反应后(温度，压力不再变化)，继续保持反应所用的温度压力参数2-3天，随后结束测量实验，结果显示，生成的甲烷水合物的电阻率为1.7Ω.m。

本实施例中，所有连接使用螺纹连接，卡环卡套密封，水合物反应釜17耐压30MPa，内径40mm，体积为6.438*10^-2m³，反应釜横截面积1.288*10^-3m²。内筒厚25.5cm。外筒厚30cm。长111cm。上法兰盖厚46.5cm。两块铜电极均为圆环状，厚为10cm，直径与内筒175直径一样；数据采集仪为由美国Agilent公司制造的Agilent 34901A数据采集系统；控温系统为恒温试验箱3，该恒温箱的型号为ACS公司的Challenge 250低温气候试验箱，可为水合物反应釜17内的的水合物反应提供所需的温度条件。

实施例二：

以石英砂、甲烷、水来合成多孔介质天然气水合物，这个实例是模拟对实际采集的含天然气水合物沉积物样品的电导率的测量：

首先将有一定规格石英砂筛选，清洗干净，放入水合物反应釜17内，同时从进水口8中加入实验用水，使砂粒达到一定的饱和，并将反应釜进行振荡，使砂粒分布均匀；开启真空泵1，进行抽真空以除去反应釜内的气体，然后通入所需的甲烷气体，使压力达到水合物生成所需的反应压力，放置过一段时间，甲烷气体充分溶于水达到平衡状态，关闭气瓶截止阀10。然后调整恒温试验箱3，使反应釜内的温度降所需的反应温度，开始沉积物水合物的合成，等完全反应后(温度，压力不再变化)，继续保持反应所用的温度压力参数2-3天，随后结束测量实验，测控采集系统会记录水合物反应釜17内的温度、压力、位移、电阻的测量数据的变化情况，结果表明：所生成的含天然气水合物沉积物的电导率为2.2Ω.m。实践证明，该装置能够较好地测量含水合物沉积物的电导率。

当测试完成后，配合相应的计算机软件来求沉积物中水合物的含量。该软件是基于天然气水合物电阻率测井用的阿尔奇公式的数学模型，使用VisualBasic语言编制的，在模型中假设水合物是均匀分布的，通过阿尔奇公式，对本实施例的计算结果为：天然气水合物的饱和度为55％。这个结果与实际的海底天然气水合物沉积物的饱和度相比，还是比较合理的。这证明该装置配合相应的软件可以估算样品中的水合物含量。

本实施例原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法和装置与实施例一相同，在此不再详述。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)水合物或含水合物沉积物的生成：

i)反应气体由供气系统进入到水合物反应釜内；

ii)在液压传动系统、控温系统分别为水合物反应釜提供的反应压力和反应温度下，反应气体与水合物反应釜内的其他反应物反应生成水合物；

(2)电阻率物性测定：

i)与水合物反应釜连接的测控采集系统将从水合物反应釜内采集来的温度、压力、位移、电阻的测量数据进行处理，并通过四线制的惠更斯电桥测出位于水合物反应釜内第一铜电极和第二铜电极之间的水合物或含水合物沉积物的电阻R；

ii)通过插入到水合物反应釜内的位移传感器的测杆对第一铜电极和第二铜电极施压来压紧水合物或水合物沉积物，得到位移差数据1；

iii)通过测量第一铜电极和第二铜电极的直径计算出铜电极的接触面积A；

iv)根据电阻率公式： $\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{RA}}{l},$ 测算出水合物或水合物沉积物的电阻率ρ。

2.原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：包括有水合物反应釜(17)，设置在水合物反应釜(17)外围并为水合物反应釜(17)提供恒温的控温系统，分别与所述水合物反应釜(17)连接的供气系统和供水系统，还包括有用于对水合物或含水合物沉积物的电导率物性进行测量的测控采集系统，所述测控采集系统一端连接在所述水合物反应釜(17)和供气系统之间，另一端与所述水合物反应釜(17)连接，所述水合物反应釜(17)输出连接到用于提供气体反应压力的液压传动系统，还包括设置在水合物反应釜(17)上的位移传感器(171)，所述位移传感器(171)的测杆(20)插入到水合物反应釜(17)内；在所述水合物反应釜(17)内的顶部和底部分别设有与所述测控采集系统连接的第一铜电极(1710)、第二铜电极(1711)。

3.如权利要求2所述的原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：所述水合物反应釜(17)包括有上端开口的外筒主体(174)，设置在所述外筒主体(174)开口处的上法兰盖(172)，设置在上法兰盖(172)上并与所述供气系统连通的进气口(173)，外筒主体(174)底部还设置有底座(178)，在底座(178)上设有连接到所述测控采集系统的测温探头插口(177)；

还包括有设置在所述外筒主体(174)内的内筒(175)，在所述内筒(175)内设有与上法兰盖(172)连接的圆盖(179)，所述第一铜电极(1710)与圆盖(179)相连接，第二铜电极(1711)设置在内筒(175)的内底面上，所述第一铜电极(1710)和第二铜电极(1711)相互电连接后通过电极引出线出口(176)与所述测控采集系统连接。

4.如权利要求2所述的原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：所述液压传动系统包括有增压泵(4)，所述位移传感器(171)上设有与所述增压泵(4)连接的液压接口(1712)；所述位移传感器(171)的测杆(20)抵靠在所述圆盖(179)上。

5.如权利要求4所述的原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：在所述液压接口(1712)和增压泵(4)之间的管路上还依次设有三通阀(16)、二通阀(14)，所述三通阀(16)上还连接有酒精排出口(15)。

6.如权利要求2所述的原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：所述测控采集系统包括数据采集仪(6)、与数据采集仪(6)电连接的中央处理器(5)，所述数据采集仪(6)一端通过压力传感器(9)连接到所述供气系统，其用于采集供气系统对所述水合物反应釜(17)的供气压力，另一端与所述水合物反应釜(17)连接。

7.如权利要求2所述的原位测量气体水合物及含水合物沉积物的电阻率的装置，其特征在于：所述供水系统包括有与水合物反应釜(17)连通的供水管道(81)、与供水管道(81)连接的进水口(8)，在供水管道(81)上还设置有进水截止阀(7)；所述供气系统包括有供气管道(18)，该供气管道(18)一端连接在水合物反应釜(17)与进水截止阀(7)之间的供水管道(81)上，另一端依次与气瓶(2)、真空泵(1)连接，在供气管道(18)上还依次设有进气压力表(11)、气瓶截止阀(10)、真空泵截止阀(13)、真空压力表(12)。

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