CN104155317A

CN104155317A - 一种天然气水合物样品现场测量分析系统

Info

Publication number: CN104155317A
Application number: CN201410289469.1A
Authority: CN
Inventors: 刘伟平; 刘飞; 郑冠雄; 徐旭卿
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: CN104155317B

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物样品现场测量分析系统，包括钻探平台上依次排列的岩心管库、机械手装置、钻杆库，安装在钻进口两端的X射线接收端和X射线发射端，连接钻进口且安装在钻进口和钻探平台以下的钻探管，以及安装于钻探平台上的控制系统和钻杆给进缸；其X射线发射端包括X射线扫描机，探测窗与抗压密封舱；探测窗安装在抗压密封舱上；X射线接收端包括X射线接收机，探测窗与抗压密封舱；X射线扫描机、X射线接收机置于抗压密封舱内。本发明能在深海中对岩心进行非接触式的现场实时分析鉴别，有效的减少了制作成本与废心率，且该分析装置的效率较高，可在深海中重复使用，可有效的减少了深海探测成本，能产生较好的经济效益。

Description

一种天然气水合物样品现场测量分析系统

技术领域

本发明涉及深海探测、能源勘探与信号分析领域，尤其涉及一种天然气水合物探测样品的现场测量分析系统。

背景技术

天然气水合物又称为“可燃冰”，其存储量极为巨大、能量密度高、分布广且规模大。根据调查，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10％，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探，我国从1999年起才开始对可燃冰开展实质性的调查和研究，我国可燃冰主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带，据粗略估算，其资源量分别约为64.97x10^12m³、3.38x10^12m³、12.5x10^12m³和2.8x10^12m³。并且已在南海北部和青海省祁连山永久冻土带取得了可燃冰实物样品。然而，天然气水合物从发现至今虽然已有一百多年历史，但由于天然水合物分布在永冻带和深水区域，复杂的探测和开发条件给这种资源的探测、开发和评价带来巨大困难。

对于天然气水何物样品分析的研究，目前所采取的手段是先经过深海探测，即将岩心样本采集后通过保压装置储存后运送至海面的探测船进行分析。由于不同地点天然水合物分布面积大小的不同，储层厚度、孔隙度、水合指数和天然水合物饱和度的影响，造成所采集的岩心为“废心”的概率不同，若采集的岩心不符合要求，则必须重新采样，因而会造成采样成本过高。另外，由于天然气水合物分布于深海沉积物或陆域永久冻土中，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，所以导致了在开采探测过程中，极为容易由于取样后岩心所处的环境的变化等原因，恢复过程中会产生压缩气体，因此，对天然水合物岩心的测量造成了极大的阻碍。

为此，我们提出将样品分析系统集成于钻探系统上的解决方案，即天然气水合物样品现场保真分析测量系统主要以海底取芯钻为基础。该系统与“海底钻探系统”结合，对取芯装置所取的水合物进行现场保真分析，鉴别岩心是否为天然气水合物，并对样本进行实时参数提取，从而既提高采样成功率和物质参数测量的准确性与有效性，同时也降低了成本，扩大了应用市场。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气水合物样品现场测量分析系统，其可对天然气水合物样品做现场非接触式实时分析，且准确率高，成本较低，且可重复使用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种天然气水合物样品现场测量分析系统，该系统包括：钻探平台上依次排列的岩心管库、机械手装置和钻杆库，安装在钻进口两端的X射线接收端和X射线发射端，与钻进口相连的钻探管，以及安装于钻探平台上的控制系统和钻杆给进缸；

其中，所述的X射线发射端包括：X射线扫描机，第一探测窗与第一抗压密封舱；所述X射线扫描机置于第一抗压密封舱内；所述第一探测窗安装在第一抗压密封舱上；所述的X射线接收端包括：X射线接收机，第二探测窗与第二抗压密封舱；第二探测窗安装在第二抗压密封舱上；所述X射线接收机置于第二抗压密封舱内；第一抗压密封舱和第二抗压密封舱位于钻进口两端。

所述X射线扫描机及X射线接收端分别与控制系统相连。

进一步优化的，钻杆给进缸安装在钻探平台上方，钻进口高于钻探平台1～3cm，钻探管连接钻进口且垂直安装在钻探平台下方，钻杆给进缸为钻探管的钻进提供动力，驱动钻探管，岩心管库中的岩心管可由机械手装置的机械手抓取并提出，岩心管高出钻进口的部分不被钻探管包裹。

进一步优化的，机械手装置提取岩心管时岩心管高出钻进口部分位于第一探测窗和第二探测窗之间。

进一步优化的，X射线扫描机包括X射线发射源、前准直器、高压发生器、冷却器；X射线接收机包括X射线检测器、后准直器、检测回路、数模转换器；其中，所述控制系统包括主控计算机、操作控制台、监视器和数据存储器。

进一步优化的，所述前准直器安装在X射线发射源前端，后准直器安装在X射线检测器前端。

进一步优化的，X射线发射源焦点直径尺寸a与前准直器共同确定了本影区域；X射线发射源总是部分地被前准直器挡住；检测器处于所述本影区域内，同时，岩心管的岩心放置于本影区域内；本影区域半径、本影区域与射线源焦点尺寸、前准直器窗口宽度、前后准直器距离的约束关系式如下：

K = \sqrt{R^{2} + {[\frac{\frac{a L_{3}}{L_{2} - a} + L_{3} + S}{\cos (\arctan (\frac{L_{2} - a}{2 L_{3}}))} - \frac{{2 RL}_{3}}{L_{2} - a}]}^{2}}

其中，a为X射线发射源焦点半径尺寸，L为前后准直器距离，L₂为前准直器窗口宽度，L₃为X射线发射源至前准直器的距离，X射线发射源至本影区聚焦点的距离，d为检测器的宽度尺寸，K为本影区半径，R为岩心管内径，S为前准直器至岩心管圆心的距离。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：由上述发明所提供的技术方案可以看出，当岩心管由取芯机械手从钻进口提取出来时，由控制系统启动抗压密封舱内的X射线发射端发射X射线。射线经过探测窗投射到岩心管上，最终由X射线接收端采集，对采集的数据进行图像重建，得出岩心管内部结构的CT图像，并对其进行分析，用以鉴别分析岩心管内岩心物质情况。

因此，采用本发明能对岩心管内的岩心样本(天然气水合物)做非接触式的现场实时分析，获取岩心的内部结构以确定水合物含量，并对其做成分分析，测量物质的各项特性，有效的减少了制作成本与废心率，且该分析装置的效率较高，可在深海中重复使用。

附图说明

图1为本发明提供的一种天然气水合物样品现场测量分析系统的平面分布示意图。

图2为本发明提供的一种天然气水合物样品现场测量分析系统的示意图。

图3是对图1所示系统中X射线机与控制系统分布的立体示意图。

图4为图2所示系统X射线源、X射线接收端的内部系统的示意图。

图5是对图2所示系统X射线源、X射线接收端、准直器、探测窗与岩心管的位置分布示意图。

图6是对该系统根据CT图像分析天然气水合物样品的直方图统计与分析示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本实发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。以下若有未特别说明的部件或方法，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例

请参阅图1，本发明实施例提供的一种天然气水合物样品现场测量分析系统包括：钻探平台108上依次排列的岩心管库101、机械手102、钻杆库103、安装在钻进口106两端的X射线接收端104和X射线发射端105，以及安装于钻探平台108的控制系统109和钻杆给进缸107；钻进口106连接钻探管207，钻探管207位于探测平台108以下且钻进海底面(海床面)501，探测平台108位于海底面501之上。

如图2、图3，所述的X射线发射端105包括：X射线扫描机204，第一探测窗205与第一抗压密封舱206；所述的X射线接收端104包括：X射线接收机208，第二探测窗与第二抗压密封舱；X射线发射机204置于第一抗压密封舱206内；X射线接收机208置于第二抗压密封舱内；两个探测窗均分别安装在两个抗压密封舱上靠近钻进口106的一侧，第一探测窗205安装在第一密封舱206上，第二探测窗安装在第二密封舱上。

所述的X射线发射端105、接收端104位于探测平台108之上；前述的X射线发射机204与X射线接收机208连接钻探平台108上的控制系统109；

如图4所示，作为实例，X射线扫描机204和X射线接收机208采用X射线CT机实现，X射线CT机由X射线发射源302、前准直器301、后准直器303,、检测器304、数模转换器212、检测回路211、高压发生器210、冷却器209构成；其中，前准直器301、X射线发射源302、冷却器209、高压发生器210属于X射线扫描机204的构成部分，安装在第一密封舱206内；后准直器303、检测器304、检测回路211、数模转换器212属于X射线接收机208的构成部分，安装在第二密封舱内；

控制系统109可以采用现有主控计算机213、操作控制台214、监视器215、数据存储器216。

X射线CT机的工作的基本流程为：先由海面探测船的钻探平台108上的操作控制台214来启动主控计算机213与高压发生器210，高压发生器210产生高压，驱动X射线发射源302发射射线，射线经过前准直器301整形后穿过扫描对象(岩心202)，由探测器304与检测回路211获得衰减的射线强度转换为电信号，经过数模转换器212传送到主控计算机213，主控计算机上运行着图像重建软件(例如VGStudio Max或者尼康公司的Inspection X软件)，对数据进行相应的处理重建出图像，并除去伪像；对图像进行分析识别，判断岩心类型与对其进行结构分析并作出预设响应，最终将数据归类存档到数据存储器216中。

作为一个实例，对天然气水合物样品的分析主要测量水合物饱和度参数；首先通过该系统获得CT图像，然后对CT图像进行灰度值统计，由于样品图像中的水合物、孔隙灰度值、水、砂的灰度值分布都不一样，所以，根据预先分析所得的阈值，CT图像中灰度为阈值以下的区域则为水合物与孔隙，灰度值为阈值以上的判断为水和砂石，则可以计算得出水合物在样品中的饱和度。为了更好地说该系统如何判断天然气水合物饱和度测量，以下对甲烷水合物(CH4)进行实例说明，对温度278K、压力5.1MPa条件下的甲烷水合物样品的进行X射线CT扫描获取了CT二维图像，对该二维图像进行预处理去伪后，获得完整的灰度图像；对该二维图像进行灰度统计，如图6a所示，设该灰度直方图由分别代表四类物质(气体、水合物、水、砂)的四个高斯直方图组成，如图6b所示；该二维图像代表样品的某一切面图，设在该切面，砂石的体积为V_sand，孔隙的体积为V_pore，甲烷水合物体积为V_hyd，孔隙气体的体积为V_gas，水的体积为V_pore＝V_water+V_hyd+V_gas，样品总体积为V＝V_sand+V_pore，以上四类的体积可以通过计算各类物质的直方图面积来得到；甲烷气体密度为ρ_gas(0 g/cm³)，甲烷水合物密度为ρ_hyd(0.91g/cm³)，水密度为ρ_water(0g/cm³)，砂的密度为ρ_sand(2.4g/cm³)，甲烷气体转换为甲烷水合物的计算式为：V_g-h＝22400×V_hyd×ρ_hyd/M_O，其中，M_O为甲烷水合物的摩尔质量，因而，饱和度k可以计算为：k＝(V_g-h+V_hyd)ρ_hyd/[V_water*ρ_water+V_sand*ρ_sand+(V_g-h+V_hyd)ρ_hyd]，对多个切面进行计算，得到k1、k2……kn，则可得总的平均饱和度为若K大于等于预设阈值，则达到保存的要求，则对岩心进行保真存储，若小于预设阈值，则放弃保存。

前述的X射线CT机的核心部件在于X射线发射源302与检测器304的选择，而准直器(301、303)与X线源是配套的，主要作用是对X射线发射源302发出的射线进行整形，并挡住大部分从射线源发射出的射线。所以，选用密度大、耐辐照的材料，并能保证它的厚度能使射线衰减至1/1000。

如图5所示，由于前准直器301、后准直器303的作用，X射线强度分布会不均匀，出现本影半影区域401。X射线发射源302焦点直径尺寸a与前准直器301共同确定了本影区域403。

前述的本影区域403中，X射线束流的强度分布均匀，从X射线源焦点任何位置发出的X射线都能在本影区域403见到。

前述的半影区域401的X射线束的强度是非均匀的，X射线源焦点总是部分地被前准直器301挡住。在设计与安装过程中，检测器304(探测器阵列)处于X射线的本影区域403内，同时，岩心管的岩心202放置于本影区域403内，可使获取到的图像更加完美，提高了后期数据处理的精确度。

前述的本影区域403与半影区域401示意图如图5所示，结合示意图图2作较为详细的实施例说明：X射线由射线源302发射，经过前准直器301整形后，通过鹏硅酸盐玻璃透视窗即第一探测窗205投射到岩心管203上，最后X射线穿过岩心202，汇集到检测器304的探测器阵列。

所述的前准直器301与后准直器303之间的距离为L，岩心管203内径为R，K为本影区域403半径。

从前述的X射线强度分布可以看出，只有在本影区域内403的X射线强度分布才是均匀的，而X射线强度分布是否均匀，对X射线成像的质量起到重要作用，所以，应尽量保证岩心管中的岩心202处于X射线强度分布均匀的区域，即在本影区域403中。

前准直器301与后准直器303的距离L是影响检测的重要参数，因此，本影区域与射线源焦点尺寸a、前准直器窗口宽度L₂、前后准直器距离L的参数关系极为重要。各参数代表意义如下：a为射线源焦点尺寸，L为前后准直器距离，L₂为前准直器窗口宽度，L₃为射线源至前准直器的距离，X为射线源至本影区聚焦点的距离，d为检测器尺寸，K为本影区半径，R为岩心管内径，S为前准直器至岩心管圆心的距离；则影区域半径、本影区域与射线源焦点尺寸、前准直器窗口宽度、前后准直器距离等之间的约束关系式如下：

K = \sqrt{R^{2} + {[\frac{\frac{a L_{3}}{L_{2} - a} + L_{3} + S}{\cos (\arctan (\frac{L_{2} - a}{2 L_{3}}))} - \frac{{2 RL}_{3}}{L_{2} - a}]}^{2}}

进一步的，如图2所示，具体实施方式步骤如下：

(1)启动天然气水合物现场保真分析系统并输入工作指令参数；

(2)取芯机械手将岩心管从与钻探管207顶部连接的钻进口106中抽取出来；

(3)X射线扫描机发射X射线，穿透岩心管与内部岩心，生成CT图像；

(4)对岩心管岩心的CT图像进行分析鉴别；

(5)对符合条件的岩心进行环境保真；

(6)装载存储岩心管；

(7)回收天然气水合物现场保真分析系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种天然气水合物样品现场测量分析系统，其特征在于该系统包括：钻探平台（108）上依次排列的岩心管库（101）、机械手装置（102）和钻杆库（103），安装在钻进口（106）两端的X射线接收端（104）和X射线发射端（105），与钻进口（106）相连的钻探管（207），以及安装于钻探平台（108）上的控制系统（109）和钻杆给进缸（107）；

其中，所述的X射线发射端（105）包括：X射线扫描机（204），第一探测窗（205）与第一抗压密封舱（206）；所述X射线扫描机（204）置于第一抗压密封舱（206）内；所述第一探测窗（205）安装在第一抗压密封舱（206）上；所述的X射线接收端（104）包括：X射线接收机（208），第二探测窗与第二抗压密封舱；第二探测窗安装在第二抗压密封舱（206）上；所述X射线接收机（208）置于第二抗压密封舱内；第一抗压密封舱和第二抗压密封舱位于钻进口（106）两端。

2.根据权利要求1所述的测量分析系统，其特征在于，X射线扫描机（204）及X射线接收端（104）分别与控制系统（109）相连。

3.根据权利要求1所述的测量分析系统，其特征在于，钻杆给进缸（107）安装在钻探平台（108）上方，钻进口（106）高于钻探平台1~3cm，钻探管（207）连接钻进口（106）且垂直安装在钻探平台（108）下方，钻杆给进缸（107）为钻探管（207）的钻进提供动力，驱动钻探管（207），岩心管库（101）中的岩心管（203）可由机械手装置（102）的机械手（201）抓取并提出，岩心管高出钻进口（106）的部分不被钻探管（207）包裹。

4.根据权利要求1所述的测量分析系统，其特征在于，机械手装置（102）提取岩心管（203）时岩心管高出钻进口（106）部分位于第一探测窗和第二探测窗之间。

5.根据权利要求1所述的测量分析系统，其特征在于， X射线扫描机（204）包括X射线发射源（302）、前准直器（301）、高压发生器（210）、冷却器（209）； X射线接收机（208）包括X射线检测器（304）、后准直器（303）、检测回路（211）、数模转换器（212）；其中，所述控制系统（109）包括主控计算机（213）、操作控制台（214）、监视器（215）和数据存储器（216）。

6.根据权利要求5所述的测量分析系统，其特征在于，所述前准直器（301）安装在X射线发射源（302）前端，后准直器（303）安装在X射线检测器（304）前端。

7.根据权利要求6所述的测量分析系统，其特征在于，X射线发射源（302）焦点直径尺寸a与前准直器（301）共同确定了本影区域（403）；X射线发射源总是部分地被前准直器（301）挡住；检测器（304）处于所述本影区域（403）内，同时，岩心管的岩心（202）放置于本影区域（403）内；本影区域半径、本影区域与射线源焦点尺寸、前准直器窗口宽度、前后准直器距离的约束关系式如下：

其中，a为X射线发射源焦点半径尺寸，L为前后准直器距离，L₂为前准直器窗口宽度， L₃为X射线发射源至前准直器的距离，X射线发射源至本影区聚焦点的距离，d为检测器的宽度尺寸，K为本影区半径，R为岩心管内径，S为前准直器至岩心管圆心的距离。