CN107621431A - 一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置及方法。该装置包括水合物沉积物分解反应釜，反应釜底部分别连接有衡压水/水合物抑制剂注入阀和球阀，球阀与取芯装置的保压筒相连并配备了适用于不同规格保压筒的转接装置，反应釜顶端连有泄压及液/气收集分离系统，液/气收集分离系统又与抽真空系统相连，各系统内的温、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适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度快速测量的方法，本发明能够适用于多种规格的保压筒以及不能保压切割及转移样芯的情况，并实现含水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量，为水合物开采、勘探过程提供水合物含量的指导。
Description
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，具体涉及一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置及方法。
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。2017年5月，我国南海神狐海域天然气水合物试采成功，天然气水合物开采进入新的篇章。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，本发明提供一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置及方法。该装置体积小、造价低、操作简单方便、适用于多种取芯装置，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适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度快速测量的方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，包括水合物沉积物分解反应釜、液/气收集分离装置、气体收集罐、抽真空装置、计算机、保压筒的转接装置、第一取芯装置保压筒、第二取芯装置保压筒、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、第六电磁阀、第七电磁阀、半导体制冷片、温、压采集系统、阀门自动控制系统；
所述水合物沉积物分解反应釜的底部分别设有衡压水/水合物抑制剂注入口和球阀，所述球阀与第二取芯装置保压筒或适用于不同规格保压筒的转接装置相连，所述转接装置与第一取芯装置保压筒相连进而使水合物沉积物分解反应釜与第一取芯装置保压筒相连；所述衡压水/水合物抑制剂注入口处设置有第二电磁阀；所述水合物沉积物分解反应釜为内部圆柱形，外部六棱柱形，所述水合物沉积物分解反应釜的外表面贴有半导体制冷片；所述水合物沉积物分解反应釜顶端通过管道与液/气收集分离装置相连，所述管道与水合物沉积物分解反应釜间设置有泄压阀；液/气收集分离装置与气体收集罐连接，所述液/气收集分离装置与气体收集罐之间设置有抽真空装置；所述水合物沉积物分解反应釜顶端设有液/气排出阀以及泄压阀，所述液/气排出阀和泄压阀分别与阀相连，进而与液/气收集分离装置相连；所述液/气收集分离装置底部外设置有第五电磁阀，所述液/气收集分离装置、气体收集罐与有抽真空装置之间的连接点上设置有第六电磁阀；所述第七电磁阀设置于气体收集罐与液/气收集分离装置之间的管道上；所述水合物沉积物分解反应釜、液/气收集分离装置以及气体收集罐内（间）的温、压采集系统（温度与压力采集系统）以及阀门自动控制系统分别与计算机相连接。
上述装置中，所述温、压采集系统包括第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三温度传感器和第三压力传感器和数据采集器；
所述水合物沉积物分解反应釜顶端同时设有第一温度传感器和第一压传感器；所述液/气收集分离装置内置第二温度传感器以及第二压力传感器；所述气体收集罐内置第三温度传感器以及第三压力传感器；
所述数据采集器分别与第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三温度传感器和第三压力传感器连接，所述数据采集器和计算机相连接。
上述装置中，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、第六电磁阀、第七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、第六电磁阀、第七电磁阀相连接，所述电磁阀控制模块和计算机相连接。
上述装置中，所述水合物沉积物分解反应釜底部的球阀配备了多种转接装置，可直接或间接地与不同规格的第一取芯装置保压筒、第二取芯装置保压筒相连；所述水合物沉积物分解反应釜为内部圆柱形，外部六棱柱形，并贴有半导体制冷片；所述水合物沉积物分解反应釜顶部封口为快接封口。
一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量的方法，包括以下步骤：
步骤1、对接取样：水合物沉积物分解反应釜底端球阀与第二取芯装置保压筒相连，或通过适用于不同规格保压筒的保压筒的转接装置与不同规格的第一取芯装置保压筒相连，打开第二电磁阀注入衡压水，平衡水合物沉积物分解反应釜内部与保压筒的压力，关闭第二电磁阀，打开球阀；当具有保压切割及转移样芯的条件时，切割一段长度小于20cm的样芯并转移至水合物沉积物分解反应釜内，关闭球阀，当不具备保压切割及转移样芯的条件时，水合物沉积物分解反应釜与保压筒始终相连；
步骤2、抽真空：关闭第四电磁阀和第五电磁阀，打开第六电磁阀和第七电磁阀，开启真空泵抽气，抽气时长15~30min，关闭第六电磁阀；
步骤3、泄压：打开水合物沉积物分解反应釜顶部的第三电磁阀，排出部分水合物沉积物分解反应釜内保压水，使第一压力传感器的压力接近常压；
步骤4、注抑制剂分解：打开第二电磁阀，注入80℃~90℃的水合物抑制剂乙二醇，促进水合物沉积物分解；
步骤5、记录温、压：当第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三温度传感器、第三压力传感器示数稳定后，读取第二温度传感器和第二压力传感器示数；
步骤6、排液测体积：关闭第四电磁阀，打开第五电磁阀，将液/气收集分离装置内液体排出后立即关闭第五电磁阀，排出液体测量体积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、水合物沉积物分解反应釜设计压力为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、水合物沉积物分解反应釜可适用于多种取芯装置，多种规格的取芯装置的保压筒以及是否具备保压切割条件；
3、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；
4、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；
5、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是本发明适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置结构示意图。
图2是本发明适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置的水合物沉积物分解反应釜E1的横截面结构示意图。
图中各个部件如下：
水合物沉积物分解反应釜E1，液/气收集分离装置E2，气体收集罐E3，抽真空装置E4，计算机E5，保压筒的转接装置E6，第一取芯装置保压筒E7，第二取芯装置保压筒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，第六电磁阀V6，第七电磁阀V7；第一温度传感器T1，第一压力传感器P1，第二温度传感器T2，第二压力传感器P2，第三温度传感器T3，第三压力传感器P3；半导体制冷片C1；温、压采集系统S1，阀门自动控制系统S2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，包括水合物沉积物分解反应釜E1、液/气收集分离装置E2、气体收集罐E3、抽真空装置E4、计算机E5、保压筒的转接装置E6、第一取芯装置保压筒E7、第二取芯装置保压筒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、第六电磁阀V6、第七电磁阀V7、半导体制冷片C1、温、压采集系统S1、阀门自动控制系统S2；
所述水合物沉积物分解反应釜E1的底部分别设有衡压水/水合物抑制剂注入口和球阀，所述球阀与第二取芯装置保压筒E8或适用于不同规格保压筒的转接装置E6相连，所述转接装置E6与第一取芯装置保压筒E7相连进而使水合物沉积物分解反应釜E1与第一取芯装置保压筒E7相连；所述衡压水/水合物抑制剂注入口处设置有第二电磁阀V2；所述水合物沉积物分解反应釜E1为内部圆柱形，外部六棱柱形，所述水合物沉积物分解反应釜E1的外表面贴有半导体制冷片C1；所述水合物沉积物分解反应釜E1顶端通过管道与液/气收集分离装置E2相连，所述管道与水合物沉积物分解反应釜E1间设置有泄压阀V3；液/气收集分离装置E2与气体收集罐E3连接，所述液/气收集分离装置E2与气体收集罐E3之间设置有抽真空装置E4；所述水合物沉积物分解反应釜E1顶端设有液/气排出阀V1以及泄压阀V3，所述液/气排出阀V1和泄压阀V3分别与阀V4相连，进而与液/气收集分离装置E2相连；所述液/气收集分离装置E2底部外设置有第五电磁阀V5，所述液/气收集分离装置E2、气体收集罐E3与有抽真空装置E4之间的连接点上设置有第六电磁阀V6；所述第七电磁阀V7设置于气体收集罐E3与液/气收集分离装置E2之间的管道上；所述水合物沉积物分解反应釜E1、液/气收集分离装置E2以及气体收集罐E3间的温、压采集系统S1以及阀门自动控制系统S2分别与计算机E5相连接。所述温、压采集系统S1包括第一温度传感器T1、第一压力传感器P1、第二温度传感器T2、第二压力传感器P2、第三温度传感器T3和第三压力传感器P3和数据采集器（Agilent 34972A）；
所述水合物沉积物分解反应釜E1顶端同时设有第一温度传感器T1和第一压传感器P1；所述液/气收集分离装置E2内置第二温度传感器T2以及第二压力传感器P2；所述气体收集罐E3内置第三温度传感器T3以及第三压力传感器P3；所述数据采集器分别与第一温度传感器T1、第一压力传感器P1、第二温度传感器T2、第二压力传感器P2、第三温度传感器T3和第三压力传感器P3连接，所述数据采集器和计算机E5相连接。所述阀门自动控制系统S2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、第六电磁阀V6、第七电磁阀V7和电磁阀控制模块（Siemens S7-200）；所述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、第六电磁阀V6、第七电磁阀V7相连接，所述电磁阀控制模块和计算机E5相连接。所述水合物沉积物分解反应釜E1底部的球阀配备了多种转接装置E6，可直接或间接地与不同规格的第一取芯装置保压筒E7、第二取芯装置保压筒E8相连；所述水合物沉积物分解反应釜E1为内部圆柱形，外部六棱柱形，并贴有半导体制冷片C1；所述水合物沉积物分解反应釜E1顶部封口为快接封口。
其中，通过对水合物沉积物衬套容积测量得出水合物沉积物样品体积；通过对水合物沉积物的称量，得出水合物沉积物样品的质量；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；通过液/气收集分离装置E2内第二温度传感器T2和第二压力传感器P2的变化，以及测量第五电磁阀V5排出的水体积可以得出含水合物沉积物样品分解出的气体量；通过土壤水分传感器，可以得出水合物沉积物样品的含水量；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、对接取样：水合物沉积物分解反应釜E1底端球阀与取芯装置的保压筒E8相连，或通过适用于不同规格保压筒的转接装置E6与不同规格的保压筒E7相连，打开第二电磁阀V2注入衡压水，平衡水合物沉积物分解反应釜E1内部与保压筒的压力，关闭第二电磁阀V2，打开球阀。当具有保压切割及转移样芯的条件时，切割一段长度小于20cm的样芯并转移至水合物沉积物分解反应釜E1内，关闭球阀，当不具备保压切割及转移样芯的条件时，水合物沉积物分解反应釜E1与保压筒始终相连；
步骤2、抽真空：关闭第四电磁阀V4和第五电磁阀V5，打开第六电磁阀V6和第七电磁阀V7，开启真空泵E4抽气，抽气时长15~30min，关闭第六电磁阀V6；
步骤3、泄压：打开水合物沉积物分解反应釜E1顶部的第三电磁阀V3，排出部分水合物沉积物分解反应釜E1内保压水，使第一压力传感器P1的压力接近常压；
步骤4、注抑制剂分解：打开第二电磁阀V2，注入80℃~90℃的水合物抑制剂乙二醇，促进水合物沉积物分解；
步骤5、记录温、压：当第一温度传感器T1、第一压力传感器P1、第二温度传感器T2、第二压力传感器P2、第三温度传感器T3、第三压力传感器P3示数稳定后，读取第二温度传感器T2和第二压力传感器P2示数；
步骤6、排液测体积：关闭第四电磁阀V4，打开第五电磁阀V5，将液/气收集分离装置E2内液体排出后立即关闭第五电磁阀V5，排出液体测量体积。
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 (5)
1.一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，其特征在于，包括水合物沉积物分解反应釜（E1）、液/气收集分离装置（E2）、气体收集罐（E3）、抽真空装置（E4）、计算机（E5）、保压筒的转接装置（E6）、第一取芯装置保压筒（E7）、第二取芯装置保压筒（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）、第六电磁阀（V6）、第七电磁阀（V7）、半导体制冷片（C1）、温、压采集系统（S1）、阀门自动控制系统（S2）；
所述水合物沉积物分解反应釜（E1）的底部分别设有衡压水/水合物抑制剂注入口和球阀，所述球阀与第二取芯装置保压筒（E8）或适用于不同规格保压筒的转接装置（E6）相连，所述转接装置（E6）与第一取芯装置保压筒（E7）相连进而使水合物沉积物分解反应釜（E1）与第一取芯装置保压筒（E7）相连；所述衡压水/水合物抑制剂注入口处设置有第二电磁阀（V2）；所述水合物沉积物分解反应釜（E1）为内部圆柱形，外部六棱柱形，所述水合物沉积物分解反应釜（E1）的外表面贴有半导体制冷片（C1）；所述水合物沉积物分解反应釜（E1）顶端通过管道与液/气收集分离装置（E2）相连，所述管道与水合物沉积物分解反应釜（E1）间设置有泄压阀（V3）；液/气收集分离装置（E2）与气体收集罐（E3）连接，所述液/气收集分离装置（E2）与气体收集罐（E3）之间设置有抽真空装置（E4）；所述水合物沉积物分解反应釜（E1）顶端设有液/气排出阀（V1）以及泄压阀（V3），所述液/气排出阀（V1）和泄压阀（V3）分别与阀（V4）相连，进而与液/气收集分离装置（E2）相连；所述液/气收集分离装置（E2）底部外设置有第五电磁阀（V5），所述液/气收集分离装置（E2）、气体收集罐（E3）与有抽真空装置（E4）之间的连接点上设置有第六电磁阀（V6）；所述第七电磁阀（V7）设置于气体收集罐（E3）与液/气收集分离装置（E2）之间的管道上；所述水合物沉积物分解反应釜（E1）、液/气收集分离装置（E2）以及气体收集罐（E3）间的温、压采集系统（S1）以及阀门自动控制系统（S2）分别与计算机（E5）相连接。
2.根据权利要求1所述的适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，其特征在于，所述温、压采集系统（S1）包括第一温度传感器（T1）、第一压力传感器（P1）、第二温度传感器（T2）、第二压力传感器（P2）、第三温度传感器（T3）和第三压力传感器（P3）和数据采集器；
所述水合物沉积物分解反应釜（E1）顶端同时设有第一温度传感器（T1）和第一压传感器（P1）；所述液/气收集分离装置（E2）内置第二温度传感器（T2）以及第二压力传感器（P2）；所述气体收集罐（E3）内置第三温度传感器（T3）以及第三压力传感器（P3）；
所述数据采集器分别与第一温度传感器（T1）、第一压力传感器（P1）、第二温度传感器（T2）、第二压力传感器（P2）、第三温度传感器（T3）和第三压力传感器（P3）连接，所述数据采集器和计算机（E5）相连接。
3.根据权利要求1所述的适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，其特征在于，所述阀门自动控制系统（S2）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）、第六电磁阀（V6）、第七电磁阀（V7）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（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）、第六电磁阀（V6）、第七电磁阀（V7）连接，所述电磁阀控制模块和计算机（E5）相连接。
4.根据权利要求1所述的适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量装置，其特征在于，所述水合物沉积物分解反应釜（E1）顶部封口为快接封口，底部为球阀封口。
5.一种适用于多种取芯装置的水合物沉积物中水合物饱和度的快速测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对接取样：水合物沉积物分解反应釜（E1）底端球阀与第二取芯装置保压筒（E8）相连，或通过适用于不同规格保压筒的保压筒的转接装置（E6）与不同规格的第一取芯装置保压筒（E7）相连，打开第二电磁阀（V2）注入衡压水，平衡水合物沉积物分解反应釜（E1）内部与保压筒的压力，关闭第二电磁阀（V2），打开球阀；当具有保压切割及转移样芯的条件时，切割一段长度小于20cm的样芯并转移至水合物沉积物分解反应釜（E1）内，关闭球阀，当不具备保压切割及转移样芯的条件时，水合物沉积物分解反应釜（E1）与保压筒始终相连；
步骤2、抽真空：关闭第四电磁阀（V4）和第五电磁阀（V5），打开第六电磁阀（V6）和第七电磁阀（V7），开启真空泵（E4）抽气，抽气时长15~30min，关闭第六电磁阀（V6）；
步骤3、泄压：打开水合物沉积物分解反应釜（E1）顶部的第三电磁阀（V3），排出部分水合物沉积物分解反应釜（E1）内保压水，使第一压力传感器（P1）的压力接近常压；
步骤4、注抑制剂分解：打开第二电磁阀（V2），注入80℃~90℃的水合物抑制剂乙二醇，促进水合物沉积物分解；
步骤5、记录温、压：当第一温度传感器（T1）、第一压力传感器（P1）、第二温度传感器（T2）、第二压力传感器（P2）、第三温度传感器（T3）、第三压力传感器（P3）示数稳定后，读取第二温度传感器（T2）和第二压力传感器（P2）示数；
步骤6、排液测体积：关闭第四电磁阀（V4），打开第五电磁阀（V5），将液/气收集分离装置（E2）内液体排出后立即关闭第五电磁阀（V5），排出液体测量体积。
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