CN107063921B - 一种快速测量水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法 - Google Patents

一种快速测量水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速测量水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法。该装置包括含水合物沉积物分解反应釜，反应釜底部分别连接有加热控温系统和水银填充系统，反应釜顶端连有蒸汽/气收集分离冷却系统，蒸汽/气收集分离冷却系统又与抽真空系统相连，各系统内（间）的温压采集系统以及电磁阀分别与计算机相连接。本发明还公开了一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的方法，本发明能够实现含水合物沉积物中水合物饱和度的快速自动测量，为水合物开采、勘探过程提供水合物含量的指导。

Description

一种快速测量水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法
技术领域
本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测量技术领域，具体涉及一种快速测量水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法。
背景技术
随着常规油气藏可开采量的减少，非常规油气藏越来越多地受到人们的关注，而天然气水合物作为一种储碳量巨大的非常规油气藏，不可避免地已经成为人们研究的焦点。我国南海海域和青藏高原有着丰富的天然气水合物资源，在各国争相试采的环境下，我国的试采工程迫在眉睫。然而含天然气水合物的沉积物结构复杂以及目前成藏机理仍存在一定问题，所以无法模拟推算储层的天然气水合物含量。而天然气水合物开采的第一步便是需要知道所开采矿井的天然气水合物的含量，即水合物饱和度。
由于海上天然气水合物取芯的难度大、成本高，转移保真水合物至陆上实验室难度大、周期长、易失真，随船快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置及方法便显得尤为重要。但现有的水合物饱和度现场测量几乎都是使用电导率法、声波法或者NMR法，这几种方法均是利用经验拟合手段反映水合物饱和度，而非真实水合物饱和度，且仪器造价高、误差大。本发明采用定义法测量水合物饱和度，更能准确、真实地得出沉积物中水合物的饱和度。从而为开采天然气水合物矿井提供相对准确的指导。
发明内容
为了克服现有测量技术手段存在的上述问题，本发明提供一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置及技术。该装置体积小、造价低、操作简单方便，能够随船现场快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度。采用定义法测量水合物饱和度，更能准确、真实地得出沉积物中水合物的饱和度。
本发明的另一目的是提供一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的方法。
本发明技术方案如下。
一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置，包括含水合物沉积物分解反应釜、加热控温系统、水银填充系统、蒸汽/气收集分离冷却系统、真空泵、温压采集系统、阀门自动控制系统和计算机；所述反应釜的底端内置有加热控温系统且与水银填充系统相连接，所述反应釜顶端连接有蒸汽/气收集分离冷却系统，所述蒸汽/气收集分离冷却系统同时与真空泵相连接，所述加热控温系统、水银填充系统以及蒸汽/气收集分离冷却系统内的温压采集系统以及阀门自动控制系统分别与计算机相连接；所述加热控温系统、水银填充系统以及蒸汽/气收集分离冷却系统间的温压采集系统以及阀门自动控制系统分别与计算机相连接。
进一步地，所述反应釜内设有加热装置；所述反应釜顶端设有保压取样装置和快速密闭装置，所述反应釜顶部和底部连接口均为快接连接口。
进一步地，所述蒸汽/气收集分离冷却系统包括蒸汽/气收集分离冷却釜和气体收集瓶，所述蒸汽/气收集分离冷却釜内置循环冷却系统、第一温度传感器以及第一压力传感器；所述蒸汽/气收集分离冷却釜底部连接有第五电磁阀，蒸汽/气收集分离冷却釜顶部连接有第四电磁阀；所述气体收集瓶通过第四电磁阀与蒸汽/气收集分离冷却釜相连接；所述循环冷却系统控制模块与计算机相连接。
进一步地，所述水银填充系统包括水银存储器、N2缓冲罐以及N2气瓶；所述水银存储器与N2缓冲罐相连接，水银存储器底部与第二电磁阀相连接，所述第二电磁阀同时也与含水合物沉积物分解反应釜相连接，所述N2缓冲罐内置第二压力传感器；所述N2缓冲罐通过第一电磁阀与N2气瓶连接。
进一步地，所述温压采集系统包括第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和数据采集器；
所述数据采集器分别与第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和计算机相连接；
所述第一温度传感器与蒸汽/气收集分离冷却釜相连接；
所述第一压力传感器与蒸汽/气收集分离冷却釜相连接；所述第二压力传感器与N2缓冲罐相连接。
进一步地，所述阀门自动控制系统包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和电磁阀控制模块；
所述电磁阀控制模块分别与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和计算机相连接；
所述第一电磁阀分别与水银存储器、N2缓冲罐以及N2气瓶相连接；所述第二电磁阀分别与水银存储器和含水合物沉积物分解反应釜相连接；所述第三电磁阀分别与含水合物沉积物分解反应釜和蒸汽/气收集分离冷却釜相连接；所述第四电磁阀分别与蒸汽/气收集分离冷却釜、气体收集瓶以及真空泵相连接；所述第五电磁阀和蒸汽/气收集分离冷却釜相连接。
一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的方法，包括以下步骤：
步骤1、抽真空：关闭第三电磁阀和第五电磁阀，打开第四电磁阀，开启真空泵抽气，抽气时长15~30min，关闭第四电磁阀；
步骤2、称重：分别称量含水合物沉积物分解反应釜装样前后的总重量；
步骤3、连接：将装有样品的含水合物沉积物分解反应釜顶部与第三电磁阀相连接，底部与第二电磁阀相连接；
步骤4、降压排气：打开第三电磁阀；
步骤5、降温冷凝：开启循环冷却系统，维持蒸汽/气收集分离冷却釜内温度为0.5~5℃；
步骤6、加热分解：打开加热控温系统，逐渐升温，维持含水合物沉积物分解反应釜内温度为101~200℃，恒温1~5h至第一温度传感器和第一压力传感器示数稳定；
步骤7、关闭：关闭第三电磁阀；
步骤8、停止加热：关闭加热控温系统；
步骤9、记录温、压：打开第四电磁阀，连通蒸汽/气收集分离冷却釜和气体收集瓶，至第一压力传感器数值稳定并读取压力数据；
步骤10、排液称重：关闭第四电磁阀，打开第五电磁阀，将蒸汽/气收集分离冷却釜内液体排出后立即关闭第五电磁阀，排出液体称重；
步骤11、压汞：打开第二电磁阀，缓慢打开第一电磁阀，至第二压力传感器数值稳定并读取第二压力传感器的压力数据；
步骤12、退汞：排空N2缓冲罐内N2，打开第三电磁阀，利用蒸汽/气收集分离冷却釜内残余气体压力将含水合物沉积物分解反应釜内汞退回水银存储器。
与现有技术相比，本发明的优点还在于：
1、反应釜设计压力为0~30MPa，设计温度为0~200℃，能够满足冻土层和海底含水合物沉积物的饱和度现场快速测试；
2、计算机数据采集系统能够实时测量与持续储存，配合专业量身设计的软件和阀门自动控制系统，实现饱和度测量流程的自动化；
3、反应釜顶端设有保压取样装置和快速密闭装置，且反应釜顶部和底部连接口均为快接连接口；
4、反应釜内设有加热装置能够快速分解釜内沉积物中的水合物；
5、水银填充系统能够准确地测量沉积物块的体积；
6、所述的测量装置能够实现含水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量，采用定义法测量水合物饱和度，更能准确、真实地得出沉积物中水合物的饱和度，从而为开采天然气水合物矿井提供快速、准确的指导。
附图说明
图1是本发明快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置结构示意图。
图中各个部件如下：含水合物沉积物分解反应釜E1，蒸汽/气收集分离冷却釜E2，气体收集瓶E3，真空泵E4，水银存储器E5，N2缓冲罐E6，N2气瓶E7，计算机E8，第一电磁阀V1，第二电磁阀V2，第三电磁阀V3，第四电磁阀V4，第五电磁阀V5；第一温度传感器T1，第一压力传感器P1，第二压力传感器P2，加热控温系统S1，循环冷却系统S2，水银填充系统S3，蒸汽/气收集分离冷却系统S4，温压采集系统S5，阀门自动控制系统S6。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1所示为一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置的流程图，本发明的快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置结构如下：一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的装置，包括含水合物沉积物分解反应釜E1，反应釜E1的底端内置有加热控温系统S1且与水银填充系统S3相连接，反应釜顶端连接有蒸汽/气收集分离冷却系统S4，蒸汽/气收集分离冷却系统S4同时与真空泵E4相连接，所述加热控温系统S1、水银填充系统S3以及蒸汽/气收集分离冷却系统S4内（间）的温压采集系统S5（该部件可以同时采集温度和压力数据）以及阀门自动控制系统S6分别与计算机E8相连接。
反应釜E1内设有加热装置以及顶端设有保压取样装置和快速密闭装置，反应釜E1顶部和底部连接口均为快接连接口。
蒸汽/气收集分离冷却系统S4包括蒸汽/气收集分离冷却釜E2和气体收集瓶E3，蒸汽/气收集分离冷却釜E2内置循环冷却系统S2以及第一温度传感器T1、第一压力传感器P1，蒸汽/气收集分离冷却釜E2底部连接有第五电磁阀V5，蒸汽/气收集分离冷却釜E2顶部连接有第四电磁阀V4，气体收集瓶E3通过第四电磁阀V4与蒸汽/气收集分离冷却釜E2相连接。
水银填充系统S3包括水银存储器E5、N2缓冲罐E6以及N2气瓶E7，水银存储器E5顶部与N2缓冲罐E6相连接，水银存储器E5底部与第二电磁阀V2相连接，第二电磁阀V2同时也与含水合物沉积物分解反应釜E1相连接，N2缓冲罐E6内置第二压力传感器P2。
温压采集系统S5包括第一温度传感器T1、第一压力传感器P1和第二压力传感器P2和数据采集器（Agilent 34972A）；
数据采集器分别与第一温度传感器T1、第一压力传感器P1、第二压力传感器P2和计算机E8相连接；
第一温度传感器T1与蒸汽/气收集分离冷却釜E2相连接；
第一压力传感器P1与蒸汽/气收集分离冷却釜E2相连接；第二压力传感器P2与N2缓冲罐E6相连接。
阀门自动控制系统S6包括第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5和电磁阀控制模块（Siemens S7-200）；
电磁阀控制模块分别与第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5和计算机E8相连接；
第一电磁阀V1分别与水银存储器E5、N2缓冲罐E6以及N2气瓶E7相连接；第二电磁阀V2分别与水银存储器E5和含水合物沉积物分解反应釜E1相连接；第三电磁阀V3分别与含水合物沉积物分解反应釜E1和蒸汽/气收集分离冷却釜E2相连接；第四电磁阀V4分别与蒸汽/气收集分离冷却釜E2、气体收集瓶E3以及真空泵E4相连接；第五电磁阀V5和蒸汽/气收集分离冷却釜E2相连接。
其中，通过对含水合物沉积物分解反应釜E1装样前后重量的称量得出含水合物沉积物样品重量；通过水银填充系统S3的压汞、退汞过程，测量第二压力传感器P2的变化，计算得到进入含水合物沉积物分解反应釜E1的汞的体积，已知含水合物沉积物分解反应釜E1容积的情况下，得出含水合物沉积物样品体积；设定沉积物中砂岩的密度，称量得出质量，便可得出沉积物中砂岩所占的体积，从而得出孔隙体积；通过蒸汽/气收集分离冷却系统S4内第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的变化，可以得出含水合物沉积物样品分解出的气体量；通过称量第五电磁阀V5排出的水的重量，可以得出含水合物沉积物样品分解出的水量；根据得到的气量和水量计算得出水合物体积；将水合物体积与孔隙体积相比，便可得出含水合物沉积物样品的水合物饱和度。
所有的过程均通过软件自动读取温、压，当条件达到时控制各电磁阀的开闭，计算各读取数据，从而得到含水合物沉积物样品的水合物饱和度。
下面对其具体的实施步骤加以说明：
步骤1、抽真空：关闭第三电磁阀V3和第五电磁阀V5，打开第四电磁阀V4，开启真空泵E4抽气15min，关闭第四电磁阀V4；
步骤2、称重：分别称量含水合物沉积物分解反应釜E1装样前后的总重量；
步骤3、连接：将装有样品的含水合物沉积物分解反应釜E1顶部与第三电磁阀V3相连接，底部与第二电磁阀V2相连接；
步骤4、降压排气：打开第三电磁阀V3；
步骤5、降温冷凝：开启循环冷却系统S2，维持蒸汽/气收集分离冷却釜E2内温度为2℃；
步骤6、加热分解：打开加热控温系统S1，逐渐升温，维持含水合物沉积物分解反应釜E1内温度为120℃，恒温1h至第一温度传感器T1和第一压力传感器P1示数稳定；
步骤7、关闭：关闭第三电磁阀V3；
步骤8、停止加热：关闭加热控温系统S1；
步骤9、记录温、压：打开第四电磁阀V4，连通蒸汽/气收集分离冷却釜E2和气体收集瓶E3，至第一压力传感器P1数值稳定并读取压力数据；
步骤10、排液称重：关闭第四电磁阀V4，打开第五电磁阀V5，将蒸汽/气收集分离冷却釜E2内液体排出后立即关闭第五电磁阀V5，排出液体称重；
步骤11、压汞：打开第二电磁阀V2，缓慢打开第一电磁阀V1，至第二压力传感器P2数值稳定并读取第二压力传感器P2的压力数据；
步骤12、退汞：排空N2缓冲罐E6内N2，打开第三电磁阀V3，利用蒸汽/气收集分离冷却釜E2内残余气体压力将含水合物沉积物分解反应釜E1内汞退回水银存储器E5。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种快速测量含水合物沉积物中水合物饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、抽真空：关闭第三电磁阀(V3)和第五电磁阀(V5)，打开第四电磁阀(V4)，开启真空泵(E4)抽气，抽气时长15～30min，关闭第四电磁阀(V4)；
步骤2、称重：分别称量含水合物沉积物分解反应釜(E1)装样前后的总重量；
步骤3、连接：将装有样品的含水合物沉积物分解反应釜(E1)顶部与第三电磁阀(V3)相连接，底部与第二电磁阀(V2)相连接；
步骤4、降压排气：打开第三电磁阀(V3)；
步骤5、降温冷凝：开启循环冷却系统(S2)，维持蒸汽/气收集分离冷却釜(E2)内温度为0.5～5℃；
步骤6、加热分解：打开加热控温系统(S1)，逐渐升温，维持含水合物沉积物分解反应釜(E1)内温度为101～200℃，恒温1～5h至第一温度传感器(T1)和第一压力传感器(P1)示数稳定；
步骤7、关闭：关闭第三电磁阀(V3)；
步骤8、停止加热：关闭加热控温系统(S1)；
步骤9、记录温、压：打开第四电磁阀(V4)，连通蒸汽/气收集分离冷却釜(E2)和气体收集瓶(E3)，至第一压力传感器(P1)数值稳定并读取压力数据；
步骤10、排液称重：关闭第四电磁阀(V4)，打开第五电磁阀(V5)，将蒸汽/气收集分离冷却釜(E2)内液体排出后立即关闭第五电磁阀(V5)，排出液体称重；
步骤11、压汞：打开第二电磁阀(V2)，缓慢打开第一电磁阀(V1)，至第二压力传感器(P2)数值稳定并读取第二压力传感器(P2)的压力数据；
步骤12、退汞：排空N2缓冲罐(E6)内N2，打开第三电磁阀(V3)，利用蒸汽/气收集分离冷却釜(E2)内残余气体压力将含水合物沉积物分解反应釜(E1)内汞退回水银存储器(E5)。
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