CN102778508A - 一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，包括内置有被测样品的反应釜、为反应釜提供气源的供气系统、维持反应釜内反应温度的温控系统、与反应釜连接的液压传动系统、与反应釜连接并用于测试样品声学性质的测控系统以及数据采集系统；所述反应釜内设有支持样品并能够保证气体与样品充分接触的环形内衬套；所述声学性质的测控系统包括有超声发生器、超声发射换能器、超声接收换能器和示波器，所述超声发生器、示波器、计算机、数据采集系统和反应釜依次连接。样品测量采用的是一发一收接触式超声脉冲测量方法。

Description

一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置

技术领域

本发明涉及到一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测试的装置，尤其是一种在高压下低温下原位测量液体、固体或固液混合物的声速的装置。 

背景技术

天然气水合物是一种由气体（或易挥发的液体）与水在一定温度压力条件下形成的冰状固体，俗称可燃冰，广泛分布于冻土带地表以下200-2100米和大陆边缘海底之下0-1100米的沉积物中。天然气水合物具有巨大的天然气储藏能力，理想结构I型的甲烷水合物含有164倍标准状态下的甲烷气，II型结构的天然气水合物含有184倍标准状态下的天然气。全世界天然气水合物储量非常巨大，估计水合物中天然气资源量为2×10¹⁶m3，相当于2×10⁵亿吨油当量，是全球常规燃料总碳量的2倍。 

在天然气水合物的勘探开发过程中，地球物理方法被证明是一种非常有效的方法，国内外研究者利用这些信息开展了许多相关性研究，发现BSR（Bottom Simulating Reflector，似海底反射）、BZ（Blanking Zones，振幅空白）等标志与水合物存在着一定的关系，并对BSR反射系数、波形特征和BZ的反射强度及地震速度结构进行了深入分析。尤其是近年来，人们借助油气储层预测的思路，利用振幅随炮检距变化（AVO）信息技术和地震的非线性全波形走时反演方法，对BSR反射系数、反射波形模拟来约束BSR上下地层的地震纵波速度变化，达到综合预测含水合物沉积层的目的，这些技术方法对于特定条件下天然气水合物矿藏的发现取得了一定效果。但是，经钻探后发现目前公认的许多识别标志与天然气水合物矿藏之间并非完全对应，两者之间的内在联系及其响应机理尚不清楚，许多解释的合理性尚存质疑。声波在岩石中的传播速度是一种能较好反映岩石综合物性的信息载体,从物探资料分析中可以看出,声波速度与地层岩性、岩石内部结构、埋深和地质年代都有密切的关系。因此，天然气水合物及储层的声学响应特性研究以及天然气水合物的声学勘探方法的开发，对天然气水合物的勘探、资源评价以及开发具有重要意义 

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，尤其是一种在高压下低温下原位测量液体、固体或固液混合物的声速的装置，扩展了目前所存在装置的使用范围，提高测量精度。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，包括内置有被测样品的反应釜、为反应釜提供气源的供气系统、维持反应釜内反应温度的温控系统、与反应釜连接的液压传动系统、与反应釜连接并用于测试样品声学性质的测控系统以及数据采集系统；所述反应釜内设有支持样品并能够保证气体与样品充分接触的环形内衬套；所述声学性质的测控系统包括有超声发生器、超声发射换能器、超声接收换能器和示波器，所述超声发生器、示波器、计算机、数据采集系统和反应釜依次连接。样品测量采用的是一发一收接触式超声脉冲测量方法。 

在通常的测试系统中要求样品为柱状样，例如海底沉积物柱状样、湖泊沉积物柱状样、岩石岩芯等，但含水合物样品需要在高压低温状态下测量，因此很多时候都无法难保真样品来测试，因此本发明选取目标区沉积物后，通过加入相同组分的天然气在目标区的温度压力条件原位合成天然气水合物，再测试其声学性质。 

本发明所述的沉积物可以为各种沉积物，例如柱状样、表层样、筛分过的沉积物等。沉积物样品装在一个圆柱形的环形内衬套里。所述的内衬套由不锈钢或聚四氟乙烯制成，周围密布小孔，保证气体通过，但可使沉积物样品保持柱状形态。 

所述温控系统包括恒温浴及相应的连接管道，恒温浴中的液体分别通过恒温浴、连接管道和反应釜的夹套，再通过连接管道流回恒温浴完成循环，维持反应釜的温度恒定。 

所述反应釜包括有连接恒温浴的换热夹套、推进活塞、端盖，所述反应釜内部被推进活塞分为两部分，一部分装被测样品，另一部分装推进液；所述超声发射换能器安置在推进活塞内部，且推进活塞与一长柄相连，长柄的另一端与定位杆相连，定位杆的另一端与位移传感器的活动杆相连,位移传感器主体固定在反应釜外壁上，活动的传感探头顶端与推进活塞的长柄相连，用来记录活塞的位移。位移传感器的引线与所述数据采集系统电连接，长柄中空，超声 发射换能器的引线从中间穿过。 

所述超声接收换能器安装在反应釜靠近样品侧的端盖内部,端盖为中轴线对称并设置有开孔，超声接收换能器从开孔引出。 

所述反应釜的端盖与反应釜主体采用多个螺栓连接，O型圈密封；推进活塞与反应釜内壁间也采用抗磨O型圈密封。防止液压油泄漏到样品所在的腔体中。 

为了检测反应釜的内的温度和压力，本发明装置布置有温度传感器的温度测试点T和压力传感器的压力监测点P，温度和压力通过相应传感器将信号传给测控采集系统，由测控采集系统读取并处理数据。所述压力传感器引线与所述数据采集系统电连接，另一端与所述供气系统连接后与所述反应釜连接；所述温度传感器插入所述反应釜釜体中，温度传感器与所述数据采集系统电连接。 

本装置使用步骤如下： 

（a）非化学反应的液体或固体热物性测试： 

事先将样品放入反应釜中，再封口。封口后通过推动手动增压泵驱动活塞加压。通过设定恒温浴的温度则可以测试样品不同温度的声学参数。 

（b）有化学反应体系的热物性原位测试： 

当涉及到高压气体时，反应前应先对整个装置检漏；关闭系统排气阀门，打开进气阀门往系统中注入一定压力的氮气，而后关闭气源。将整个系统封闭一天，如果压力表指示数值没有明显的下降则表示系统的阀门、管道和连接处密封良好，如若不然则表示有漏点。通常使用起泡剂来检查漏点，漏点的存在严重影响流量计的指示准确度，因此必须严格查封； 

检漏后就可以放掉氮气，开启反应釜的端盖，加入需要的样品。密封好后对系统抽真空，而后注入实验气体再放掉，反复二到三次确保残留在反应釜的空气可以忽略。最后再注入反应气道所需压力。加压完成后静置一天，以便让溶液不在残留在反应釜管路和反应釜壁以及让气体充分溶解； 

开启恒温空气浴到设定的反应温度，让体系进行反应，在反应中可对体系进行声速等声学性质测试。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点：1.本发明采用了带小孔的环形内衬套，可以对样品压实同时保证气体可很容易渗透到样品中，且围压和孔隙压力均可测； 

2.温度和压力分别调节，可测量不同温度和压力下样品的声学性质参数； 

3.可进行化学反应过程中声学性质参数的变化，检测反应进度； 

4.系统各部分功能明确，具有良好的可升级性和可扩充性，适应性广。 

附图说明

图1为本发明装置系统图； 

图2环形内衬套结构示意图； 

附图标记说明：1-数据采集系统，2-计算机，3-示波器，4-超声发生器，5-温控系统，6-液压活塞，7-超声发射换能器，8-环形内衬套,81-支撑肩，82-开孔，83-通体,9-样品，10-换热夹套，11-端盖,12-超声接收换能器,13-温度传感器，14-螺栓，15-压力传感器，16-抽真空系统，17-气体压力表,18-供气系统,19-液体压力表,20-手动增压泵,21-位移传感器，22-长柄，23-定位杆，24-反应釜，f1-阀门,f2-阀门，f3-阀门。 

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: 

气体水合物是气体或易挥发的液体与水作用，形成的一种包络状晶体，天然气水合物需要在高压和低温下才存在，因此需要原位测量其物理性质。 

请参阅图1所示，一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，包括内置有被测样品9的反应釜24、为反应釜24提供气源的供气系统18、维持反应釜24内反应温度的温控系统5、与反应釜24连接的液压传动系统、与反应釜24连接并用于测试样品声学性质的测控系统以及数据采集系统1；反应釜24内设有支持样品并能够保证气体与样品充分接触的环形内衬套8；声学性质的测控系统包括有超声发生器4、超声发射换能器7、超声接收换能器12和示波器3，超声发生器4、示波器3、计算机2、数据采集系统1和反应釜24依次连接。 

温控系统6包括恒温浴及相应的连接管道，恒温浴中的液体分别通过恒温浴、连接管道和反应釜24的夹套10，再通过连接管道流回恒温浴完成循环，维 持反应釜的温度恒定。 

反应釜24包括有连接恒温浴的换热夹套10、推进活塞6、端盖12，反应釜24内部被推进活塞6分为两部分，一部分装被测样品9，另一部分装推进液；超声发射换能器7安置在推进活塞6内部，且推进活塞6与一长柄22相连，长柄22的另一端与定位杆23相连，定位杆23的另一端与位移传感器21的活动杆相连,位移传感器21主体固定在反应釜24外壁上，位移传感器21的引线与所述数据采集系统1电连接，长柄22中空，超声发射换能器7的引线从中间穿过。活动的传感探头顶端与推进活塞的长柄22通过定位杆23相连，用来记录活塞的位移。 

超声接收换能器12安装在反应釜24靠近样品侧的端盖11内部,端盖11为中轴线对称并设置有开孔，超声接收换能器12从开孔引出。 

反应釜24的端盖11与反应釜24主体采用多个螺栓14连接，O型圈密封；推进活塞6与反应釜24内壁间也采用抗磨O型圈密封。防止液压油泄漏到样品所在的腔体中。 

在端盖11上还设有温度传感器13，其一端设置反应釜24内，另一端与数据采集系统1连接，还包括有用于测量反应釜24压力的压力传感器15，压力传感器15与数据采集系统1连接，由数据采集系统1读取并处理数据在传输到计算机2进行显示和存储。 

请参阅图2所示，内衬套8由不锈钢或聚四氟乙烯制成的通体8-3，一端设有支撑肩8-1，通体8-3周围密布细小开孔8-2，保证气体通过，但可使沉积物样品保持柱状形态。 

本实施例中，数据采集系统1采用安捷伦公司Agilent-34970A型数据采集仪。示波器3采用，Tektronix 3210B数字示波器。测试用的超声换能器采用PZT复合材料换能器，换能器7发射频率为1MHz的纵波脉冲信号，该信号穿透样品后被另外一个接收换能器12接收，接收信号被传输到示波器3并显示，数字示波器3采集到系列的波形数据，信号经数字化和显示调整后通过网络接口传送到计算机2，计算机2可以显示和存储数据，并可完成波形和数据的后处理。。 

在本实施例中，先于把沉积物填入由聚四氟乙烯制成的内衬套8，装入反应釜，封上端盖11。为排除管道中残余空气的干扰，打开抽真空系统16及阀门f2开始对系统抽真空，约15分钟后抽真空完毕，关闭阀门f2，打开阀门f3进 气。等压力平衡后，打开恒温空气浴、数据采集仪系统1、计算机2开始监测反应进程。进气完成后，可缓慢推动液压活塞6使装有超声发射换能器7的液压活塞8和端盖11紧贴沉积物样品，并通过液压活塞6调节沉积物围压，围压由液体压力表19读出。孔隙压力则由气压决定，由气体压力表17读出并由压力传感器15将数据传输到数据采集系统1。在此过程中可以测试不同的温度和压力条件下声波在沉积物的传播速度及衰减情况。在水合物持续生长阶段，可在一定温度和压力条件下测试不同水合物饱和度沉积物的声波传播速度和衰减情况。 

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)

1.一种沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：包括内置有被测样品（9）的反应釜（24）、为反应釜（24）提供气源的供气系统（18）、维持反应釜（24）内反应温度的温控系统（5）、与反应釜（24）连接的液压传动系统、与反应釜（24）连接并用于测试样品声学性质的测控系统以及数据采集系统（1）；所述反应釜（24）内设有支持样品并能够保证气体与样品充分接触的环形内衬套（8）；所述声学性质的测控系统包括有超声发生器（4）、超声发射换能器（7）、超声接收换能器（12）和示波器（3），所述超声发生器（4）、示波器（3）、计算机（2）、数据采集系统（1）和反应釜（24）依次连接。

2.如权利要求1所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：所述温控系统（6）包括恒温浴及相应的连接管道，恒温浴中的液体分别通过恒温浴、连接管道和反应釜（24）的夹套（10），再通过连接管道流回恒温浴完成循环，维持反应釜的温度恒定。

3.如权利要求2所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：所述反应釜（24）包括有连接恒温浴的换热夹套（10）、推进活塞（6）、端盖（12），所述反应釜（24）内部被推进活塞（6）分为两部分，一部分装被测样品（9），另一部分装推进液；所述超声发射换能器（7）安置在推进活塞（6）内部，且推进活塞（6）与一长柄（22）相连，长柄（22）的另一端与定位杆（23）相连，定位杆（23）的另一端与位移传感器(21)的活动杆相连,位移传感器21主体固定在反应釜（24）外壁上，位移传感器(21)的引线与所述数据采集系统（1）电连接，长柄(22)中空，超声发射换能器（7）的引线从中间穿过。

4.如权利要求1所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：所述超声接收换能器（12）安装在反应釜（24）靠近样品侧的端盖（11）内部,端盖（11）为中轴线对称并设置有开孔，超声接收换能器（12）从开孔引出。

5.如权利要求3所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：所述反应釜（24）的端盖（11）与反应釜（24）主体采用多个螺栓（14）连接，O型圈密封；推进活塞（6）与反应釜（24）内壁间也采用抗磨O型圈密封。

6.如权利要求4所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：在端盖（11）上还设有温度传感器（13），其一端设置反应釜（24）内，另一端与所述数据采集系统（1）连接，还包括有用于测量反应釜（24）压力的压力传感器（15），所述压力传感器（15）与数据采集系统（1）连接。

7.如权利要求1所述的沉积物中水合物原位合成及其声特性测量的装置，其特征在于：所述内衬套（8）包括由不锈钢或聚四氟乙烯制成的通体（8-3），通体（8-3）一端设有支撑肩8-1，通体（8-3）周围内密布开孔（8-2）。

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