CN102120161A - 沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统及实验方法，其中系统中，储气瓶与管路连接，且接有阀门；手动增压泵与气体缓冲罐连接且中间设有阀门，气体缓冲罐的上端与大反应釜连接；真空泵与管路连接，且上端接有阀门；小反应釜放置于大反应釜内，大反应釜放在恒温水浴中接入管路，进气通道内装有流量计；大反应釜的上端盖开孔，开孔内设有压力传感器、温度传感器和LCR电阻探头，且温度传感器、压力传感器、流量计和直流稳压电源分别与数据采集仪连接。本发明可用来研究天然气水合物在沉积物中的生成过程，且可以进行恒容实验，同时也能进行恒压实验，具有操作简单、数据采集方便、反应速率快的特点。

Description

沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统及实验方法

技术领域

本发明涉及一种沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统及实验方法。

背景技术

天然气水合物是指一些低分子量气体和某些易挥发性液体，如C₁-C₄轻烃、N₂、O₂、CO₂、H₂S、环氧乙烷、四氢呋喃和卤代烷烃等在接近冰点温度和较高压力的条件下可与水生成一类笼形结构的非化学计量型晶体化合物，通常称之为笼形水合物(clathrate hydrates)，简称水合物。可被看作是一类主-客体(host-guest)化合物或材料。水分子(氢键)形成一种点阵结构，气体分子填充于点阵间的空穴。目前，自然界中发现的水合物结构主要有I、II和H型三种。水合物的理论储气能力为1∶164，即在标准条件下，1单位体积天然气水合物可容纳164体积的天然气，能量密度很高，可以作为21世纪的潜在能源，有效缓解我国能源危机。

自然界存在的水合物主要赋存在深海海底和永久冻土带，据估计，地球上以天然气水合物形式储藏的有机碳占全球总有机碳的53％，是煤、石油、天然气三种化石能源总碳量的2倍，若能够加以开采利用可以有效缓解我国未来的能源危机，从容面对未来能源形势。同时，自然界中水合物也与环境和气候息息相关，水合物中含有大量的甲烷，温室效应是CO₂气体的20倍，一旦赋存条件发生变化，水合物发生分解则会对地球环境产生巨大的影响，因此无论从能源利用方向还是从环境气候变化方向考虑，都必须了解水合物在自然界的生成过程和分布规律，掌握外界条件对水合物生成及分布特性的影响，表征沉积物中水合物的生成特性。但是，自然界中水合物样品的采集和原位测量都非常困难，需要根据现有的海底勘探数据在实验室条件下模拟自然界中扩散型水合物生成环境，利用各种检测手段监测水合物赋存条件的变化对水合物生成过程的影响，得到扩散型水合物在沉积物中的分布规律，反演自然界中水合物的生成和分布特征以及外界条件对水合物生成过程的影响，通过实验模拟得到的沉积物中水合物饱和度估算自然界中水合物的资源量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统及方法，以解决目前水合物样品采集以及原位测量的困难的难题，根据海底实际物化环境在实验室模拟自然界沉积物中扩散型水合物的生成过程，研究不同的外界条件对沉积物中水合物生成过程及分布规律的影响，得到沉积物中水合物的饱和度，反演自然界中水合物含量。

本发明实施例是这样实现的，

一种沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，该系统包括：储气瓶、手动增压泵、气体缓冲罐、真空泵、恒温水浴、大反应釜、小反应釜、直流稳压电源、数据采集仪、电脑工作站、管路；其中，

所述储气瓶与管路连接，且该储气瓶上接有阀门；

所述手动增压泵与气体缓冲罐连接且中间设有阀门，该气体缓冲罐的上端通过管路和阀门与大反应釜连接；

所述真空泵与管路连接，且该真空泵上端接有阀门；

所述小反应釜放置于大反应釜内，该大反应釜放在恒温水浴中并通过焊接管道外接一单向阀门接入管路作为进气通道，且进气通道内装有流量计；

所述大反应釜的上端盖开孔，开孔内设有压力传感器、温度传感器和LCR电阻探头，且温度传感器、压力传感器、流量计和直流稳压电源分别与数据采集仪连接，该数据采集仪与电脑工作站连接。

其中，所述大反应釜为圆柱形反应器，用不锈钢制成，其上端盖采用螺纹固定、O型圈密封、可自由拆卸且该上端盖上开有7个孔。

其中，所述大反应釜的上端盖上的7个孔中分别放置4个温度传感器、1个压力传感器和1对LCR电极；其中，4个温度传感器分别位于气相中、小反应釜顶面和左右侧面，压力传感器位于气相中，LCR电极探头分别位于小反应釜侧面上部1/3处的位置。

其中，所述LCR电极探头与大反应釜接触处包裹有聚四氟乙烯。

其中，所述温度传感器采用Pt-100铂电阻温度传感器。

其中，所述小反应釜采用聚四氟乙烯制成，其侧圆柱面四周布满小孔，上部覆盖300目筛网盖子，用螺丝固定。

其中，所述气体缓冲罐呈圆柱形，由不锈钢制成，内部有可上下移动密封挡板。

其中，所述大反应釜的内体积为700ml，外径为11.5cm，内高为9cm；所述小反应釜的内体积为65ml，高为5cm，外体积为130ml；所述气体缓冲罐的内体积为2L。

一种如上所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统的实验方法，该方法包括以下步骤：

(1)将开采得到的沉积物样品洗涤，烘干并按照一定的粒径进行筛分；

(2)取一定量筛分处理后的沉积物样品，放入小反应釜中；

(3)配制水合物生成所需的水或者水溶液；

(4)将配置好的水或者水溶液用滴管滴入沉积物中；

(5)将小反应釜用筛网盖密封好，放置一段时间，使水在沉积物中渗透均匀后放入大反应釜中，将釜盖拧紧密封后放入恒温水浴中并与管道连接；

(6)将系统抽真空20-25分钟，然后将储气瓶和气体缓冲罐与大反应釜连通，打开进气阀门，将气体通入气体缓冲罐和大反应釜中，后关闭储气瓶的阀门，然后使气体缓冲罐和反应釜内压力达到实验所需压力；

(7)将反应釜外控制阀门关死进行恒容实验或者保持反应釜与气体缓冲罐的连通进行恒压实验；

(8)进气后先将恒温水浴的温度设定在预设温度并保持预设时间，之后再将水浴温度设定至实验所需温度，进行水合物生成实验；

(9)当反应釜内压力不发生变化或者流量计没有流量时，打开大反应釜，取出其中的沉积物样品。

其中，所述步骤(8)中先将恒温水浴的温度设定于25℃，保持48小时。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：

本发明可用来研究天然气水合物在沉积物中的生成过程，且可以进行恒容实验，同时也能进行恒压实验，具有操作简单、数据采集方便、反应速率快的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的扩散型水合物生成过程实验模拟系统结构图。

图2是本发明实施例提供的小反应釜筛网盖的俯视图。

图3是本发明实施例提供的小反应釜的剖视图。

图4是本发明实施例的沉积物中扩散型水合物生成过程实验方法流程图。

【图号说明】

1、储气瓶，2、手动增压泵，3、气体缓冲罐，4、真空泵，5、真空压力表，6、压力表，7、流量计，8、铂电阻温度传感器，9、压力传感器，10、铂电阻温度传感器，11、铂电阻温度传感器，12、LCR电极探头，13、铂电阻温度传感器，14、恒温水浴，15、大不锈钢反应釜，16、小聚四氟乙烯反应釜，17、直流稳压电源，18、数据采集仪，19、电脑工作站，20、管路。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的描述：

本发明所提出的扩散型水合物生成过程实验模拟系统主要是由水合物反应装置、稳压供气系统、温度控制系统、压力控制系统、数据采集系统和相关管路组成。其中，水合物反应装置采用釜中釜的形式，其中大的水合物反应釜为圆柱形反应器，用不锈钢制成，耐压25MPa，上端盖采用螺纹固定，O型圈密封，端盖可自由拆卸，螺纹密封盖上开有7个孔，分别放置4个温度传感器、1个压力传感器和1对LCR电极。其中4个温度传感器的测点分别位于气相中、小反应釜顶面和左右侧面。温度传感器采用Pt-100铂电阻温度传感器，量程为-50-200℃，精度为±0.1℃，压力传感器量程0-25MPa，精度为0.25级。大反应釜侧面开孔，通过焊接管道外接一阀门连入管路，作为进气通道，进气通道上装有流量计，非定容实验时监测气体流量。反应釜内体积为700ml，外径11.5cm，内高9cm。小的反应釜采用高密度聚四氟乙烯制成，内体积为65ml，高5cm，外体积为130ml。聚四氟乙烯反应釜侧圆柱面四周布满小孔，上部覆盖300目筛网盖子，用螺丝固定。稳压供气系统由手动增压装置来保证，手动增压泵采用液压传动原理，增压系统气体端出口即气体缓冲罐上端通过管路和阀门与反应釜连接。气体缓冲罐呈圆柱形，由不锈钢制成，耐压40MPa，内体积为2L，内部有密封挡板，可以上下移动。温度控制系统由恒温水浴控制，水浴制冷温度-50℃-100℃，控温精度为±0.1℃，为使制冷温度达到0℃以下，还可以用水和工业酒精的混合溶液代替水作为制冷工质。压力控制系统由增压装置、压力表和反应釜控制，实验全程保证反应釜及管路密封，无气体泄漏。数据采集系统由数据采集仪完成，包括温度信号的采集和压力信号的采集。管路由Φ3的管子和阀门组成。

如图1至图3所示，本实施例中扩散型水合物生成过程实验模拟系统的具体结构及工作原理为：

储气瓶1与管路20连接，储气瓶上接有阀门V1，手动增压泵2与气体缓冲罐3连接，中间有阀门V3，手动增压泵通过活塞挤压水进入气体缓冲罐3中，推动气体缓冲罐3中的挡板往上移动，减少气体的体积，从而增加气体的压力。加压后的气体通过阀门V2、V4与管路20连通。真空泵4前面接真空压力表5，监测抽真空过程反应系统的真空度。进气前，首先需要将阀门V1，V6和V8关上，保持其它阀门畅通，利用真空泵4将整个反应系统抽真空，然后打开阀门V1进气。压力表6也接在管路中，监测进气时大反应釜15内和管路20中压力。反应结束后，打开阀门V8可以放空管路20中残留的高压气体。大反应釜15放在恒温水浴14中，装满沉积物与水的小反应釜16放置在大反应釜15内，大反应釜15通过阀门V7与管路20连通，进行进气与放气过程，中间接有流量计7，在进气及定压实验时监测气体流量。大反应釜15釜盖上开孔，装压力传感器9和温度传感器8、10、11、13和一对LCR电阻探头12，其中压力传感器9和温度传感器10分别监测反应釜内气体压力和温度，温度传感器11探头位于小反应釜16的上盖上，监测小反应釜盖与气体接触面处的温度，温度传感器探头8和13分别位于小反应釜16的两侧偏下方，监测沉积物体系的温度，LCR电极探头分别位于小反应釜16的侧面上部1/3处，表征水合物生成过程中系统电阻率的变化，且LCR探头与大不锈钢反应釜15接触处包裹聚四氟乙烯，以保证绝缘。温度传感器、压力传感器和流量计的信号通过数据采集仪18采集，直流稳压电源17保证数据采集仪18正常工作，输出到电脑工作站19进行后续处理。

如图4所示，本实施例中应用上述扩散型水合物生成过程实验模拟系统的实验方法包括以下步骤：

401、将开采得到的沉积物样品洗涤，烘干并按照一定的粒径进行筛分；

402、取一定量筛分处理后的沉积物样品，放入小反应釜中；

403、配制水合物生成所需的水溶液，一般采用蒸馏水或者盐水；

404、将配置好的水或者水溶液用滴管滴入沉积物中，可以根据实验需要将二者的量取一定配比值，这个值也可以根据需要进行变化；

405、将小反应釜用筛网盖密封好，放置一段时间，使水在沉积物中渗透均匀，后放入不锈钢大反应釜中，将釜盖拧紧密封后放入恒温水浴中并与管道连接；

406、将系统抽真空20-25分钟，然后将气瓶和缓冲罐与反应釜连通，打开进气阀门，将气体通入缓冲罐和反应釜中，后关闭气瓶阀门，然后利用增压装置使缓冲罐和反应釜内压力达到实验所需压力；

407、将反应釜外控制阀门关死进行恒容实验或者保持反应釜与缓冲罐的连通进行恒压实验；

408、进气后将恒温水浴温度设定在25℃，保持48小时，尽量增加溶解在孔隙水内部的气体量，后将水浴温度设定至实验所需温度，进行水合物生成实验，气体会通过小反应釜四周的开孔和覆盖的筛网中扩散至沉积物体系中与水发生反应生成水合物；

409、当反应进行到一定阶段，反应釜内压力(恒容)不发生变化或者流量计没有流量时(恒压)，可以认为水合物反应已经完全，扩散型水合物已经生成；

410、结束反应，打开大不锈钢反应釜，取出样品。

实施例1

以石英砂、甲烷、盐水为实验材料，利用本发明实验系统进行沉积物中天然气水合物的生成实验，模拟沉积物中天然气水合物的生成过程。

首先将海底开采得到的石英砂样品用蒸馏水清洗干净，放进烘箱中烘干水分，利用60目和80目筛子筛分得到粒径分布介于180μm-250μm之间的石英砂颗粒，测得沉积物孔隙率为36.7％，取95g筛分后的沙粒放入小聚四氟乙烯反应釜16中。然后配制NaCl质量分数为3.5％的盐水，用滴管滴入沉积物中，滴入量为16g。然后盖上筛网状小聚四氟乙烯反应釜盖，用螺丝固定，将小聚四氟乙烯反应釜放入大不锈钢反应釜15中，盖紧釜盖并确保反应釜密封，确保大反应釜密封后将之放进恒温水浴14中。放置12个小时，让水充分渗透进沉积物中。

此后，开始对系统抽真空，关闭阀门V1、V3、V6和V8，保持其它阀门的畅通，对管路20和大反应釜15内进行抽真空，时间为20分钟，抽完真空后关闭阀门V5，然后开启阀门V1，打开甲烷气瓶1对管路20、气体缓冲罐3和大反应釜15充气，后关闭阀门V1，打开阀门V3，利用手动增压泵2将气体增压。当反应釜内气体压力达到实验所需的18MPa后，停止增压，关闭阀门V3、V4和V7，进行恒容实验。

首先设定水浴温度为25℃，保持48小时，使甲烷气体充分溶解在沉积物孔隙水中，后将水浴温度设定为2℃，达到扩散型水合物的生成条件，模拟沉积物中扩散型天然气水合物的生成过程。72小时后，压力读数基本不发生变化，可以认为反应基本完全，此时，通过计算得到沉积物中生成水合物的饱和度为21.19％。

实施例2

以石英砂、混合气(CH₄：91.85％；C₂H₆：5.09％；C₃H₈：3.06％)、盐水为实验材料，利用所发明实验系统装置进行沉积物中天然气水合物的生成实验，模拟沉积物中天然气水合物的生成过程。

石英砂采用40-60目筛子筛分，粒径分布介于250μm-380μm之间，测得沉积物孔隙率为41.9％，取95g筛分后的沙粒放入小聚四氟乙烯反应釜中。然后配制NaCl质量分数为3.5％的盐水，用滴管滴入沉积物中，滴入量为39g，孔隙水占满沉积物孔隙空间。将小聚四氟乙烯反应釜放进大不锈钢反应釜中密封并置于水浴中放置12小时后，对系统进行抽真空，然后进气，气体压力为5MPa，进气完成后保持反应釜与气体缓冲罐的连通，即保持V2、V4、V7的畅通，进行定压实验。初始设定水浴温度为25℃，保持48小时。然后将水浴温度设定为6℃，模拟沉积物中扩散型水合物的生成过程。60小时后，看流量计7基本没读数，认为水合物已反应完全，结束反应过程，计算得到沉积物中生成水合物的饱和度为35.2％。

实施例3

以石英砂、甲烷、蒸馏水为实验材料，利用所发明实验系统装置进行沉积物中天然气水合物的生成实验，模拟沉积物中天然气水合物的生成过程。

石英砂采用80-100目筛子筛分，粒径分布介于150μm-180μm之间，测得沉积物孔隙率为38.2％，取95g筛分后的沙粒放入小聚四氟乙烯反应釜中。然后用滴管滴入约27g的蒸馏水，水占沉积物孔隙率的75％左右。将反应釜放进大反应釜中密封并在水浴中放置12小时后，对系统进行抽真空，然后进气，气体压力为12MPa，进行恒容实验。设定水浴温度为25℃，保持48小时。然后将水浴温度设定为4℃，模拟沉积物中扩散型水合物的生成过程。初始的70小时内，反应釜内温度和压力均无明显变化，这说明水合物生成过程并未开始，存在较长的诱导时间。70小时后，反应釜内压力开始下降，水合物开始生成，由于水合物生成放出的热量能够及时的释放出去，反应釜内温度并无明显变化。144小时后，反应釜内已基本没什么变化，此时可以认为水合物已反应完全，结束反应过程，计算得到沉积物中生成水合物的饱和度为18.9％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，该系统包括：储气瓶、手动增压泵、气体缓冲罐、真空泵、恒温水浴、大反应釜、小反应釜、直流稳压电源、数据采集仪、电脑工作站、管路；其中，

所述储气瓶与管路连接，且该储气瓶上接有阀门；

所述手动增压泵与气体缓冲罐连接且中间设有阀门，该气体缓冲罐的上端通过管路和阀门与大反应釜连接；

所述真空泵与管路连接，且该真空泵上端接有阀门；

所述小反应釜放置于大反应釜内，该大反应釜放在恒温水浴中并通过焊接管道外接一阀门接入管路作为进气通道，且进气通道内装有流量计；

所述大反应釜的上端盖开孔，开孔内设有压力传感器、温度传感器和LCR电极探头，且温度传感器、压力传感器、流量计和直流稳压电源分别与数据采集仪连接，该数据采集仪与电脑工作站连接。

2.如权利要求1所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述大反应釜为圆柱形反应器，用不锈钢制成，其上端盖采用螺纹固定、O型圈密封、可自由拆卸且该上端盖上开有7个孔。

3.如权利要求2所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述大反应釜的上端盖上的7个孔中分别放置4个温度传感器、1个压力传感器和1对LCR电极；其中，4个温度传感器分别位于气相中、小反应釜顶面和左右侧面，压力传感器位于气相中，LCR电极探头分别位于小反应釜侧面上部1/3处的位置。

4.如权利要求3所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述LCR电极探头与大反应釜接触处包裹有聚四氟乙烯。

5.如权利要求3所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述温度传感器采用Pt-100铂电阻温度传感器。

6.如权利要求1所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述小反应釜采用聚四氟乙烯制成，其侧圆柱面四周布满小孔，上部覆盖300目筛网盖子，用螺丝固定。

7.如权利要求1所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述气体缓冲罐呈圆柱形，由不锈钢制成，内部有可上下移动的密封挡板。

8.如权利要求2、6或7所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统，其特征在于，所述大反应釜的内体积为700ml，外径为11.5cm，内高为9cm；所述小反应釜的内体积为65ml，高为5cm，外体积为130ml；所述气体缓冲罐的内体积为2L。

9.一种如权利要求1所述的沉积物中扩散型水合物生成过程实验模拟系统的实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将开采得到的沉积物样品洗涤，烘干并按照一定的粒径进行筛分；

(2)取一定量筛分处理后的沉积物样品，放入小反应釜中；

(3)配制水合物生成所需的水或者水溶液；

(4)将配置好的水或者水溶液用滴管滴入沉积物中；

(5)将小反应釜用筛网盖密封好，放置一段时间，使水在沉积物中渗透均匀后放入大反应釜中，将釜盖拧紧密封后放入恒温水浴中并与管道连接；

(6)将系统抽真空20-25分钟，然后将储气瓶和气体缓冲罐与大反应釜连通，打开进气阀门，将气体通入气体缓冲罐和大反应釜中，后关闭储气瓶的阀门，然后将气体缓冲罐和反应釜内压力达到实验所需压力；

(7)将反应釜外控制阀门关死进行恒容实验或者保持反应釜与气体缓冲罐的连通进行恒压实验；

(8)进气后先将恒温水浴的温度设定在预设温度并保持预设时间，之后再将水浴温度设定至实验所需温度，进行水合物生成实验；

(9)当反应釜内压力不发生变化或者流量计没有流量时，打开大反应釜，取出其中的沉积物样品。

10.如权利要求9所述的实验方法，其特征在于，所述步骤(8)中先将恒温水浴的温度设定于25℃，保持48小时。

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