CN104215622B - 深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋天然气水合物地球化学参数原位测量技术及应用领域。本发明的深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，包括激光拉曼光谱探测系统（Ⅰ）、深海环境模拟系统（Ⅱ）、液压系统（Ⅲ）和参数实时监控处理系统（Ⅳ），深海环境模拟系统（Ⅱ）分别与激光拉曼光谱探测系统（Ⅰ）、参数实时监控处理系统（Ⅳ）电气连接，液压系统（Ⅲ）设置在深海环境模拟系统（Ⅱ）内。消除了取样和非原位测定产生的不确定性；简单、实时、高效；可安全地获取高压模拟舱内的高保真信息。此外，本装置还可用于水合物开采方法的实验室模拟及其实时监测。

Description

深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物地球化学参数原位测量技术及应用领域，尤其涉及一种模拟深海环境，探测沉积物中天然气水合物生成、分解过程中地球化学参数变化的模拟系统。

背景技术

海底水合物在形成或分解过程中释放的流体和渗漏烃类会改变其上覆的沉积物以及孔隙水以及底层海水的一些化学性质，这些异常的地球化学响应可用于指示天然气水合物的存在。

目前对海底天然气水合物地球化学参数的研究，一般局限在深海沉积物地质取样，然后进行实验室分析。但是，由于受到天然气水合物稳定所需的温度、压力条件限制，即使采用保真采样方式，也很难确保取样过程中天然气水合物的理化性质不发生变化，导致传统采样方式存在较大的探测误差。

近年来，激光拉曼光谱分析已成功地应用于海底沉积物的原位观测，通过水下机器人将拉曼光纤聚焦在海底的目标物上，可以获取相关的化学参数信息，但这种方法昂贵，不具有普适性。

因此，急需开发可用于深海环境的沉积物中天然气水合物地球化学参数原位探测的测试系统，一方面可对深海沉积物中的天然气水合物形成和分解过程进行实验模拟，另一方面，可对过程中形成的沉积物孔隙水离子浓度变化进行原位监测，为天然气水合物资源勘探提供重要参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物生成过程中沉积物内流体离子参数原位检测装置，其技术效果能够实现对高压低温反应釜内不同层位沉积物中水合物生成/分解过程的化学成分与离子的响应情况进行实时定量监测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括激光拉曼光谱探测系统、深海环境模拟系统、液压系统和参数实时监控处理系统，深海环境模拟系统分别与激光拉曼光谱探测系统、参数实时监控处理系统电气连接，液压系统设置在深海环境模拟系统内。

本项发明研制了深海环境模拟系统，将激光拉曼原位探测技术应用于实验室内深海环境模拟系统中，通过实验模拟技术研究水合物赋存地层的地球化学微环境，实现了对高压低温反应釜内不同层位沉积物中水合物生成/分解过程的化学成分与离子的响应情况进行实时定量监测，可检测沉积物孔隙水中溶解CH₄、H₂S/HS^-及SO₄ ^2-的等化学参数的变化，具有实时性和精确性，系统整体设计满足深海模拟工作环境要求，尤其是天然气水合物形成模拟环境的低温、高压要求。

拉曼光谱探测系统包括激光拉曼光谱仪、光纤、光学探头和探测仓，激光拉曼光谱仪通过光纤连接光学探头，光学探头与探测仓连接，光学探头设置在高压反应釜顶端的盖体上，探测仓设置在高压反应釜内。激光拉曼光谱仪激光发射波长：532nm；激光发射功率：100mW；光谱覆盖范围：100-4000cm^-1；光谱分辨率：4cm^-1；CCD传感器：增强型CCD，像素2048*512，光学探头采用蓝宝石窗口，可耐受3000PSI压力，各部件之间采用光纤连接方式，从而既保证了系统的工作稳定性和环境耐受性，又使探测装置高度集成，体积小，以光谱探针的形式在反应釜内完成各样品的原位分析。光路稳定性高，抗干扰能力强，在复杂实验室环境下工作性能稳定。

深海环境模拟系统包括压力控制系统、温控系统和高压反应釜，高压反应釜设置在温控系统内并与压力控制系统连接，压力控制系统控制并监测高压反应釜内的气体压力，温控系统用于控制和调节高压反应釜的温度。

压力控制系统包括气瓶、增压设备和压力传感器，气瓶依次通过压力传感器、增压设备后与高压反应釜内连通。压力控制系统控制并监测高压反应釜内的气体压力。

温控系统包括夹套和水浴槽，夹套设有内外两层，水浴槽设置在内外两层夹套之间，水浴槽外接恒温循环装置，高压反应釜设置在内层的夹套内。温控系统用于控制和调节高压反应釜的温度，温度控制精确（误差<0.1℃）、稳定；

高压反应釜内设有温度探针Ⅰ和温度探针Ⅱ，温度探针Ⅰ、温度探针Ⅱ分别设置在高压反应釜的上下两端，温度探针Ⅰ、温度探针Ⅱ分别与参数实时监控处理系统连接。高压反应釜：整体为快开结构，容积50L，承受压力20MPa，釜体外部配有水浴夹套，可准确控制釜内实验温度。釜内主要装有沉积物样品、海水（或人工海水）、温度探针（布设：上覆水中1个，沉积物中5个），可在其内进行水合物生成和分解实验，具有耐高压、密闭性强、安全可靠的特点。

液压系统设置在高压反应釜顶端的盖体上，液压系统包括四通截止阀、换向阀、压力变送器和手动液体泵，换向阀分别与四通截止阀、手动液体泵连接，四通截止阀分别连接设置在高压反应釜内不同高度的四个固态过滤器。液压系统即高压低温反应釜内多层沉积物孔隙水抽取装置，作为整个系统的样品分离与管理子系统，是整个系统研制的关键核心技术之一，可以实现对反应釜内部孔隙水及上覆水的取样和管路循环冲洗。由于取样、测试过程均在高压低温反应釜内进行，拉曼光谱探针、各管路控制组件、液体驱动泵都要以穿壁件的形式安装于反应釜盖上，本系统使用的阀门组件均系自主设计定制，具有控制精准、集成化、体积小的特点。

参数实时监控处理系统采用计算机，由计算机系统及相关软件组成。实验过程中所有参数（包括温度、压力、光谱分析等数据）均可实时监控和数据处理。

本项发明在实际工作中，可根据需要进行深海沉积物中水合物合成、分解过程的实验模拟，并对相关的具拉曼活性的重要地球化学参数（如CH₄、H₂S/HS^-及SO₄ ^2-等）进行原位、实时的定量分析，内标物选择较稳定的水在-1640Δcm^-1附近的O-H振动谱峰（1500-1800Δcm^-1）。与传统的分析方法相比，使用拉曼光谱原位分析的优点在于：1、消除了取样和非原位测定产生的不确定性；2、简单、实时、高效；3、可安全地获取高压模拟舱内的高保真信息。此外，本装置还可用于水合物开采方法的实验室模拟及其实时监测。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为液压系统的样品采集与分析工作原理图；

图3为液压系统的管路循环冲洗工作原理图。

图中：Ⅰ-激光拉曼光谱探测系统；Ⅱ-深海环境模拟系统；Ⅲ-液压系统；Ⅳ-参数实时监控处理系统；

1-光纤；2-激光拉曼光谱仪；3-固态过滤器；4-数据采集及处理系统；5-温度探针Ⅰ；6-四通截止阀；7-温度探针Ⅱ；8-换向阀；9-压力变送器；10-光学探头；11-手动流体泵；12-探测仓；13-低温恒温槽；14-夹套；15-高压反应釜；16-气瓶；17-增压设备；18-压力传感器；19-水浴槽。

具体实施方式

如图1所示，本发明的深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，包括激光拉曼光谱探测系统、深海环境模拟系统、液压系统和参数实时监控处理系统，深海环境模拟系统分别与激光拉曼光谱探测系统、参数实时监控处理系统电气连接，液压系统设置在深海环境模拟系统内。

深海环境模拟系统Ⅱ包括压力控制系统、温控系统和高压反应釜15，高压反应釜15设置在温控系统内并与压力控制系统连接，压力控制系统控制并监测高压反应釜15内的气体压力，温控系统用于控制和调节高压反应釜15的温度。

压力控制系统包括气瓶16、增压设备17和压力传感器18，气瓶16依次通过压力传感器18、增压设备17后与高压反应釜15内连通。

高压反应釜15内设有温度探针Ⅰ5和温度探针Ⅱ7，温度探针Ⅰ5、温度探针Ⅱ7分别设置在高压反应釜15的上下两端，温度探针Ⅰ5、温度探针Ⅱ7分别与参数实时监控处理系统Ⅳ连接。

温控系统包括夹套14和水浴槽19，夹套14设有内外两层，水浴槽19设置在内外两层夹套14之间，水浴槽19外接恒温循环装置13，高压反应釜15设置在内层的夹套14内。

液压系统Ⅲ设置在高压反应釜15顶端的盖体上，液压系统Ⅲ包括四通截止阀6、换向阀8、压力变送器9和手动液体泵11，换向阀8分别与四通截止阀6、手动液体泵11连接，四通截止阀6分别连接设置在高压反应釜15内不同高度的四个固态过滤器3。

拉曼光谱探测系统包括激光拉曼光谱仪2、光纤1、光学探头10和探测仓12，激光拉曼光谱仪2通过光纤1连接光学探头10，光学探头10与探测仓12连接，光学探头10设置在高压反应釜15顶端的盖体上，探测仓12设置在高压反应釜15内。

参数实时监控处理系统Ⅳ采用计算机4。

其具体使用步骤为：

（1）把沉积物放入高压反应釜15内，并将固态过滤器3固定放置于目标探测层位，注入适量的人工海水（或海水）排出反应釜内的空气；

（2）安装各探测装置；

（3）将整个系统密闭，加入一定压强的甲烷气体，放置约24小时使气体溶入水中；

（4）启动温控系统到合适的温度并保持恒定，使水合物生成；

（5）将换向阀转至“工作”位，分别调节四通截止阀至“A”、“B”、“C”、“D”工位对应如图1中的采样位置，操作手动液压泵提取孔隙水样品至探测仓，如图2所示；

（6）使用激光拉曼光谱探测系统进行探测，获取相关的参数数据并进行数据处理；

（7）探测完目标层位更换研究对象前，将换向阀转动至“反冲”工位，操作手动流体泵，泵取上覆水对管路进行冲洗，如图3所示。重复上述流程（5）、（6）即可对其他层位进行取样测试。

Claims (4)

1.一种深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，其特征在于，包括激光拉曼光谱探测系统(Ⅰ)、深海环境模拟系统(Ⅱ)、液压系统(Ⅲ)和参数实时监控处理系统(Ⅳ)，深海环境模拟系统(Ⅱ)分别与激光拉曼光谱探测系统(Ⅰ)光连接、与参数实时监控处理系统(Ⅳ)电气连接，液压系统(Ⅲ)设置在深海环境模拟系统(Ⅱ)内；

深海环境模拟系统(Ⅱ)包括压力控制系统、温控系统和高压反应釜(15)，高压反应釜(15)设置在温控系统内并与压力控制系统连接，压力控制系统控制并监测高压反应釜(15)内的气体压力，温控系统用于控制和调节高压反应釜(15)的温度；

液压系统(Ⅲ)设置在高压反应釜(15)顶端的盖体上，液压系统(Ⅲ)包括四通截止阀(6)、换向阀(8)、压力变送器(9)和手动液体泵(11)，换向阀(8)分别与四通截止阀(6)、手动液体泵(11)连接，四通截止阀(6)分别连接设置在高压反应釜(15)内不同高度的四个固态过滤器(3)；

液压系统(Ⅲ)即高压低温反应釜内多层沉积物孔隙水抽取装置；

拉曼光谱探测系统包括激光拉曼光谱仪(2)、光纤(1)、光学探头(10)和探测仓(12)，激光拉曼光谱仪(2)通过光纤(1)连接光学探头(10)，光学探头(10)与探测仓(12)连接，光学探头(10)设置在高压反应釜(15)顶端的盖体上，探测仓(12)设置在高压反应釜(15)内；

压力控制系统包括气瓶(16)、增压设备(17)和压力传感器(18)，气瓶(16)依次通过压力传感器(18)、增压设备(17)后与高压反应釜(15)内连通。

2.根据权利要求1所述的深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，其特征在于，高压反应釜(15)内设有温度探针Ⅰ(5)和温度探针Ⅱ(7)，温度探针Ⅰ(5)、温度探针Ⅱ(7)分别设置在高压反应釜(15)的上下两端，温度探针Ⅰ(5)、温度探针Ⅱ(7)分别与参数实时监控处理系统(Ⅳ)连接。

3.根据权利要求1所述的深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，其特征在于，温控系统包括夹套(14)和水浴槽(19)，夹套(14)设有内外两层，水浴槽(19)设置在内外两层夹套(14)之间，水浴槽(19)外接恒温循环装置(13)，高压反应釜(15)设置在内层的夹套(14)内。

4.根据权利要求1所述的深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，其特征在于，参数实时监控处理系统(Ⅳ)采用计算机(4)。