CN105352840A - 一种天然气水合物分解速率测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物分解速率测定装置及方法，该装置由恒温箱1、玻璃量杯2、天然气水合物样品3、挡板4、细线5、电子天平6组成。其测定方法如下：将天然气水合物样品放于盛有水的玻璃量杯中，并将与电子天平相连的挡板放置于水合物样品上方；利用水合物密度小于水的密度使得挡板同时承受重力、细线拉力和水合物浮力的作用，通过测定挡板受力情况和挡板在水溶液中浸入的深度的变化情况而计算不同时刻水合物样品的体积，从而计算出水合物的分解速率。本发明原理可靠，操作简便，与传统的恒压法或恒容法相比，所得实验结果准确可靠，对天然气水合物分解性质的研究更具有指导意义。

Description

一种天然气水合物分解速率测定装置及方法

所属技术领域

本发明涉及一种石油与天然气行业天然气水合物分解速率的测定装置和方法，属于能源技术领域。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下由水和天然气组成的类冰状非化学计量笼形结晶化合物。天然气水合物主要赋存于海洋、深湖以及高纬度大陆的永久冻土带中。据估算，全球天然气水合物的资源总量为0.2×10¹⁵～7.6×10¹⁸m³，而海洋储量占到95％以上，储存在天然气水合物中的有机碳大约是当前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)总含碳量的两倍。因此，在常规石油天然气能源形势日益严峻的21世纪，天然气水合物被公认为是具有良好前景的重要后续能源。

随着研究不断深入，学者对天然气水合物展开了大量的实验研究工作。其中，天然气水合物的基础物性参数(如分解速率)的测定是整个研究的基础和关键之一。不管是水合物气藏的开采，还是基于水合物技术的油气储运、气体分离等，都包含水合物分解速率的测定与研究。当前提出的天然气水合物的分解速率测试方法主要包括恒容法和恒压法，对应实验均在高压PVT器皿中进行。这些方法普遍存在耗时长，方法繁琐，对实验仪器要求较高，同时测试精度不高等缺陷。因此，开发新型、高效气体水合物分解速率测定技术对于天然气水合物的基础性质研究和对水合物气藏开采的指导等均具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物分解速率测定装置，该装置原理可靠，结构简单，操作简便，所得实验结果准确可靠，具有广阔的市场前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对天然气水合物分解速率进行测定的方法，该方法利用气体水合物的密度小于水溶液这一特点，通过测定漂浮水合物样品上方放置的挡板受力情况和挡板在水溶液中浸入的深度的变化情况而计算不同时刻水合物样品的体积，从而计算出水合物的分解速率。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种天然气水合物分解速率测定装置，包括三个部分：控温系统，水合物分解系统和拉力测试系统。

所述控温系统控温范围为-40℃～150℃，控温精度可达±0.1℃，能够实时监控恒温箱内的实验温度，并通过电子信号反馈至恒温箱实现控温。

所述水合物分解系统由玻璃量杯、水溶液和天然气水合物样品组成。

所述拉力测试系统主要由挡板、细线和电子天平构成。其中电子天平的精度为±0.001g。挡板顶部通过一根细线与电子天平相连，底部放置于水合物样品上方。

所述水合物分解速率测试方法包括以下步骤：将水合物样品放于盛有水溶液的玻璃量杯中，并将与电子天平相连的挡板放置于水合物上方；利用水合物密度小于水的密度使得挡板同时承受重力、细线拉力和水合物浮力的作用；实时记录水合物分解过程电子天平读数，从而计算出水合物分解速率。

所述水合物分解速率测试方法的原理如下：利用水合物的密度小于水溶液密度的原理，首先通过读取量杯中水体积的变化确定水合物样品的初始体积。随后在水溶液中漂浮的水合物块上方放置一块与电子天平相连的挡板。随着水合物不断分解，水合物在水中受到浮力、重力不断变化，挡板受力和在水溶液中的浸入高度也相应改变，细线承受的拉力数值被精密电子天平实时记录。通过挡板的受力平衡可计算出不同时刻水合物样品的体积，从而计算出水合物的分解速率。

所述玻璃量杯中的水应和水合物样品制备时所用水一样，包括去离子水、盐水或地层水。实验过程中，由于水合物样品密度和地层水密度值变化极小，可以视为常量进行计算。

所述水合物挡板吸收系数应该很小，如合金类物质。

对于测定盐水或地层水中水合物分解速率，操作温度为-5～10℃，对于去离子水中水合物的分解速率测定，操作温度为0～10℃。

水合物分解速率测定压力为常压。

测试过程中，与挡板相连的细线必须处于垂直且受力状态。

该方法同样适合用于CO₂等气体水合物分解速率的测定。

与现有技术相比，本发明的气体水合物分解速率测定装置和方法不同于常规的高压PVT器皿测试。一方面本发明所用测试装置简单易操作，其测定原理是利用气体水合物的密度小于水溶液这一特点，通过测定漂浮水合物样品上方放置的挡板受力情况和挡板在水溶液中浸入深度的变化情况而算出不同时刻水合物样品的体积，从而计算出水合物的分解速率。与传统的恒压法或恒容法相比，获得结果会更加准确，对现场更具有指导意义。

附图说明

图1是一种天然气水合物分解速率测定装置的结构示意图。

图中：1、恒温箱；2、玻璃量杯；3、天然气水合物样品；4、挡板；5、细线；6、电子天平。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参看图1。

一种天然气水合物分解速率测定装置，由恒温箱1、玻璃量杯2、天然气水合物样品3、挡板4、细线5、电子天平6组成，所述天然气水合物样品3置于玻璃量杯2中，玻璃量杯2中有水，水合物样品3上有挡板4，该挡板4通过细线5与电子天平6相连，所述玻璃量杯、天然气水合物样品、挡板、细线、电子天平均位于恒温箱1中。

利用上述装置对天然气水合物分解速率进行测定的方法，依次包括以下步骤：

(1)使用电子天平测定细线与挡板总质量m₁，天然气水合物样品初始质量m₀；

(2)将天然气水合物样品放入玻璃量杯中，通过量杯侧壁水对应的刻度变化获得水合物样品的初始体积V₀，通过下式计算出水合物样品密度ρ_H：

${\mathrm{\ρ}}_H=\frac{m_0}{V_0};$

(3)通过密度仪测定玻璃量杯中水的密度ρ_w；

(4)实时记录挡板浸没深度L和细线承力数值F；

(5)测定挡板底面直径D，设挡板所受浮力为F₁，水合物样品所受浮力为F₂，细线与挡板重力G₁，水合物样品重力G₂，通过受力分析可知，

$\begin{array}{c}F=F_1+F_2-G_1-G_2\\ ={\mathrm{\ρ}}_{w}g*\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^{2}L+{\mathrm{\ρ}}_{w}g*V_t-m_{1}g-{\mathrm{\ρ}}_{H}g*V_t\end{array}$

由此通过下式计算出t时刻的水合物体积V_t：

$V_t=\frac{F+m_{1}g-{\mathrm{\ρ}}_{w}g*\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^{2}L}{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_H)g};$

(6)通过下式计算天然气水合物的分解速率r_H：

$r_H=\frac{{\mathrm{dV}}_t}{dt}.$

Claims (8)

1.一种天然气水合物分解速率测定装置，由恒温箱(1)、玻璃量杯(2)、天然气水合物样品(3)、挡板(4)、细线(5)、电子天平(6)组成，其特征在于，所述天然气水合物样品(3)置于玻璃量杯(2)中，玻璃量杯(2)中有水，水合物样品(3)上有挡板(4)，该挡板(4)通过细线(5)与电子天平(6)相连，所述玻璃量杯、天然气水合物样品、挡板、细线、电子天平均位于恒温箱(1)中。

2.利用权利要求1所述的装置对天然气水合物分解速率进行测定的方法，依次包括以下步骤：

(1)使用电子天平测定细线与挡板总质量m₁，天然气水合物样品初始质量m₀；

(2)将天然气水合物样品放入玻璃量杯中，通过量杯侧壁水对应的刻度变化获得水合物样品的初始体积V₀，通过下式计算出水合物样品密度ρ_H：

${\mathrm{\ρ}}_H=\frac{m_0}{V_0};$

(3)通过密度仪测定玻璃量杯中水的密度ρ_w；

(4)实时记录挡板浸没深度L和细线承力数值F；

(5)测定挡板底面直径D，通过下式计算出t时刻的水合物体积V_t：

$V_t=\frac{F+m_{1}g-{\mathrm{\ρ}}_{w}g*\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^{2}L}{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_H)g};$

(6)通过下式计算天然气水合物的分解速率r_H：

$r_H=\frac{{\mathrm{dV}}_t}{dt}.$

3.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，所述玻璃量杯中的水和水合物样品制备时所用水一样，包括去离子水、盐水或地层水。

4.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，所述水合物挡板吸收系数很小，为合金类物质。

5.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，对于测定盐水或地层水中水合物分解速率，操作温度为-5～10℃，对于去离子水中水合物分解速率测定，操作温度为0～10℃。

6.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，水合物分解速率测定压力为常压。

7.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，测试过程中，与挡板相连的细线必须处于垂直且受力状态。

8.如权利要求2所述的对天然气水合物分解速率进行测定的方法，其特征在于，该方法同样适合用于CO₂等气体水合物分解速率的测定。