CN109324125B - 含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天然气水合物的生成、稳定水层的形成以及水下置换甲烷水合物的实验技术领域，具体的涉及一种二氧化碳置换水下甲烷水合物的可注水串联实验系统及实验方法，所述串联反应釜系统包括真空泵、第一可视高压反应釜、第二可视高压反应釜、第七连接阀V7、用来保证上可视高压反应釜与中间连接阀的高温防堵要求的泡沫保温箱、用于调节加热功率的调压器，其中可注入适量的去离子水的第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜通过连接管与第七连接阀V7相连形成串联，所述真空泵与取样器也连接，所述串联反应釜还包括便于实验人员判断釜内的状态变化情况的两个温度压力监控器。本发明通过设置便于实验人员观察用二氧化碳置换水下天然气水合物的过程特征。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物的生成、稳定水层的形成以及置换水下甲烷水合物的实验技术领域，具体的涉及一种二氧化碳置换水下甲烷水合物的可注水串联实验系统及实验方法。
背景技术
世界的能源展望渐进转型，高速增长的新兴经济体日益繁荣发展，这种不断的繁荣推动了全球能源需求的增长，但这一增长幅度被加速提升的能源效率所抵消。与此同时在科技进步和环境需求的共同推动下能源结构正在向更为清洁、低碳的燃料转型。天然气的增长强劲，在基础广泛的需求和液化天然气的持续扩张支持下，天然气在全球的可获得性得以提升。
天然气水合物，燃烧值高、清洁无污染的新型能源，分布广泛而且储量巨大，目前世界已探测资源量约为2100万亿立方米（约90％储存在深海区域），估算资源量大约相当于全球已探明煤、石油和天然气总资源量的两倍，科学家们认为约可供人类使用1000年，是21世纪最有潜力的接替能源。2017年5月中国成功在南海神狐海域进行了天然气水合物的开采试验。国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。然而天然气水合物特殊的储藏环境导致开采难度巨大，传统的开采方式如降压法等容易导致储藏矿层结构的破坏，从而导致天然气的意外释放以及海底滑坡等灾害的发生。传统的天然气水合物开采技术有降压法、热激法和化学试剂法，这几种方法都是使甲烷水合物的状态处于水合物相平衡线以下使水合物分解，对于大规模的天然气水合物藏是破坏其整体结构以获得甲烷气体，相比而言CO2置换开采天然气水合物倍受研究者的关注，这种开采方法既能实现天然气的开采又能将温室气体CO2封存。若能将此方法应用到实际的开采技术中还可以保证大规模水合物藏的结构稳定，防止发生海底滑坡等地质灾害甚至是危害到地球安全。
目前研究者主要采用拉曼光谱(Raman)、核磁共振成像(MRI)等技术研究二氧化碳置换甲烷水合物的第一类原位置换的微观过程变化特性。针对二氧化碳置换甲烷水合物的研究经历了：置换反应的热力学、动力学可行性的研究；置换过程的模拟研究、影响置换率因素的研究以及置换形态的研究的过程。通过研究结果可知二氧化碳置换甲烷水合物是自发进行的并且有两种水合物的转化过程，一种是CO2分子直接置换水合物中的CH4分子，另一种是甲烷水合物分解会释放CH4气体和游离水，置换过程不会导致水合物分解。但是这种气体分子置换的微观过程进行很缓慢很难应用到实际的大规模开采中。相比而言宏观的第二类原位置换原理，即在注入液态二氧化碳后渗透到水合物的多孔结构中，水合物局部分解释放甲烷和游离水，二氧化碳和游离水反应生成二氧化碳水合物放热并且填充甲烷水合物分解产生的空隙，使整块混合气体水合物的结构保持稳定。在已有技术中根据CH4-CO2混合气体水合物四相相平衡体系描述的四相共存的液态二氧化碳置换甲烷水合物的过程，并且当达到四相平衡状态时的理论置换率有94％。在已有技术中研究者通过自行设计的可视高压反应釜实验系统实现了第二类原位置换过程，实验表明了宏观尺度的甲烷水合物分解同时富二氧化碳水合物生成为特征并保持整体水合物结构稳定的第二类原位置换的可行性，但是该研究实验过程中水合物和液态二氧化碳直接接触气相，并不能揭示出实际开采天然气水合物中会出现的许多情况，并且液态二氧化碳直接暴露的话会由于气相分压低而导致液态二氧化碳气化，不能充分与甲烷水合物进行置换反应，难以达到四相相平衡状态影响置换反应的效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，模拟实际开采海底天然气水合物的过程，提供可注水串联反应釜与可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统及实验方法，通过设置便于实验人员观察用二氧化碳置换水下天然气水合物的过程特征。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种可注水串联反应釜，所述串联反应釜包括真空泵、第一可视高压反应釜、第二可视高压反应釜、第七连接阀V7、用来保证上可视高压反应釜与中间连接阀的高温防堵要求的泡沫保温箱、用于调节加热功率的调压器，其中可注入适量的去离子水的第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜通过连接管与第七连接阀V7相连形成串联，所述真空泵与第七连接阀V7也连接，所述串联反应釜还包括便于实验人员判断釜内的状态变化情况的监控装置。
本发明提供一种所述的可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，所述系统包括采气系统、取样系统、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶、压力传感器、铂热电阻、数据采集器、高速摄像机、冷光源、气相色谱仪、环境气候箱；可注水串联反应釜与泡沫保温箱置于环境气候箱内，甲烷气体管路、二氧化碳管路以及压力传感器和铂热电阻均使用接管压帽连接在可注水串联反应釜上，气体管路为气瓶与接管压帽之间的不锈钢管段，压力传感器与铂热电阻另一端连接在数据采集器上，采气系统与取样系统中的采气瓶与取样器采集气体完毕后连接在气相色谱仪上对产气特性进行分析。
优选地，第一可视高压反应釜与第七连接阀V7的之间设有高温防堵系统，包括调压器、泡沫保温箱、加热带、加热丝，所述加热带与加热丝分别缠绕于第一可视高压反应釜与第七连接阀V7上且接线端连接于调压器上，加热带、加热丝、第一可视高压反应釜以及中间连接阀均设于泡沫保温箱内，调压器位于环境气候箱外部，便于实验人员的操作。
优选地，所述第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜均通过接管压帽接有压力传感器与铂热电阻，用于判断第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜中的状态以及第七连接阀V7的堵塞状况。
优选地，所述取样系统包括真空泵、取样器、第六取样阀V6、第一夹扁弯管，第一夹扁弯管的夹扁部分置于第一可视高压反应釜内用于定量采集反应釜内的气体，另一端与第六取样阀V6连接；第六取样阀V6与取样器连接，取样器在取样前接在真空泵上抽真空处理，取样后将取样器接在气相色谱仪上用以气相组分分析。
优选地，所述采气系统包括采气瓶、压力表、采气阀、三通接头、第二夹扁弯管，所述夹扁弯管部分置于第一可视高压反应釜内，另一端接在第五采气阀V5上；第五采气阀V5、压力表以及第一转接阀V1分别接在三通接头的端口，第一转接阀V1与采气瓶连接，采气前对采气瓶抽真空，采气后将采气瓶进行称重并接在气相色谱仪上测得采气中的甲烷浓度。
优选地，取样系统与采气系统分别设置且可同时运行。
本发明还提供一种应用所述的可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统的实验方法，包括以下步骤：
S1.打开阀门V8或V9通过甲烷气体管路以设定进气速度给第二可视高压反应釜通入甲烷气体后关闭阀门，后再打开排气阀V10对第二可视高压反应釜进行降压，反复进行此步骤直到生成整块甲烷水合物；
S2.在步骤S1之后，高压低温静置甲烷气体水合物一段时间使水合物变得致密透亮；
S3. 在步骤S2之后，第一可视高压反应釜温度加热至约279K，且状态稳定；
S4. 在步骤S3之后，给第一可视高压反应釜加压，打开第七连接阀V7，将上面第一可视高压反应釜的水注入至下面第二可视高压反应釜中，静置使水层稳定存在于水合物层上；
S5.在步骤S4之后，降低串联第一可视高压反应釜、第二可视高压反应釜的压力注入液态二氧化碳，打开高速摄像机记录置换反应过程，同时打开采气瓶连续采气，之后周期性地进行取样分析；
S6. 在步骤S5之后，置换完成后通过调节环境气候箱将水合物温度降至指定温度，排空串联的第一可视高压反应釜、第二可视高压反应釜内气体，之后升高温度分解混合气体水合物。
优选地，在步骤S1中，对甲烷气体管路进行降压，原本甲烷气体管路内压力为9-10MPa，进气之后降压至3.5-4MPa。
优选地，在步骤S4中，在水合物层的上面形成了稳定存在的水层。
优选地，在步骤S2中，高压低温静置甲烷气体水合物约72小时使水合物变得致密透亮；在步骤S6中，置换完成后通过调节环境气候箱将水合物温度降至指定温度268K。
具体如下：
其中，第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜通过6mm的阀门和不锈钢管连接，均位于环境气候箱内，环境气候箱用来控制串联反应釜内的温度，其中第二可视高压反应釜用于生成致密透亮的天然气水合物，在第二可视高压反应釜上接有铂热电阻和压力传感器，它们的另一端接在数据采集器上，数据采集器与计算机相连，便于实验人员知道反应釜中的温度、压力等参数变化情况；在反应釜的正下方连接进气阀与进气管路，用于在生成水合物时不断充入甲烷以及在置换反应时通入二氧化碳；在反应釜的左上方连接有排气阀，用于在鼓泡生成水合物时排气降低釜内压力。
其中，串联反应釜之间6mm的中间连接阀与不锈钢管路均由加热丝缠绕，加热丝的接线端接在位于环境气候箱外面的调压器上，通过调节调压器的功率改变加热丝的加热量；并且在加热丝外层包上泡沫保温层，防止低温中间连接部分堵塞；其中不锈钢管与反应釜通过接管压帽连接，另一端与阀门通过螺帽和卡套连接。
第一可视高压反应釜用于存放一定温度的去离子水，在反应釜上缠绕着加热带，在加热带的外面再包上泡沫保温层，加热带的另一端接在位于环境气候箱外面的调压器上，通过调节调压器的功率改变加热带的加热量进而控制上可视高压反应釜内去离子水的温度；反应釜上接有压力传感器和铂热电阻，另一端接在数据采集器上用来观察反应釜内温度、压力等参数的变化情况；
其中在第二可视高压反应釜上连接着取样系统，包括真空泵、取样器、取样阀V6、夹扁弯管，在关闭取样阀V6同时用真空泵对取样器抽真空；打开阀门V6进行取样，取样的气体存在取样器中，取样器可拆卸，取样后可将其接在气相色谱仪上进行组分分析；取样管的夹扁弯管段位于反应釜内用于定量对反应釜内的气体进行取样，特别弯管的进气口要向下防止有水进入堵塞管路。
其中在第二可视高压反应釜上连接着采气系统，包括采气瓶、压力表、采气阀、三通接头、夹扁弯管，同样夹扁弯管位于反应釜内用于定量采气，进气口朝下，弯管的另一端接在阀门a上，阀门a另一端连接三通接头，三通接头还接有压力表和阀门b,阀门b的另一端接采气瓶，采气时自右向左打开采气管路的阀门进行采气，压力表用来监控采气瓶内的压力，防止压力太大发生危险；采气瓶可拆卸，采气后用天平称采气量并接在气相色谱仪上测出瓶内气体的组分比。
其中在将第一可视高压反应釜内一定温度的去离子水放到下可视高压反应釜时用高速摄像机记录整个过程，高速摄像机位于环境气候箱外并且连接在计算机上，之后在天然气水合物的上面形成稳定的水层；后在下可视高压反应釜内注入二氧化碳进行置换反应，，用高速摄像机记录注入二氧化碳的过程水合物及水层的状态变化情况。
本发明的有益效果是：
本发明提供可注水串联反应釜与可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统及实验方法，通过设置便于实验人员观察用二氧化碳置换水下天然气水合物的过程特征。
附图说明
图1为本发明置换水下天然气水合物的可注水串联反应釜实验系统结构图。
图2为图1的取样器与反应釜的连接结构示意图。
图3为图1的采气系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至3为一种可注水串联反应釜的装置的实施例，串联反应釜包括真空泵1、第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15、第七连接阀V7、用来保证上可视高压反应釜与中间连接阀的高温防堵要求的泡沫保温箱8、用于调节压力的调压器10，其中可注入适量的去离子水的第一可视高压反应釜13与第二可视高压反应釜15通过连接管与第七连接阀V7相连形成串联，真空泵1与第七连接阀V7也连接，串联反应釜还包括便于实验人员判断釜内的状态变化情况的监控装置。
本发明提供一种使用可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，所述监控装置包括压力传感器12、17和铂热电阻11、16，系统包括采气系统、取样系统、甲烷气瓶2、二氧化碳气瓶3、压力传感器12、17、铂热电阻11、16、数据采集器19、高速摄像机18、冷光源14、气相色谱仪20、环境气候箱7；可注水串联反应釜与泡沫保温箱8置于环境气候箱7内，甲烷气体管路、二氧化碳管路以及压力传感器12、17和铂热电阻11、16均使用接管压帽连接在可注水串联反应釜上，气体管路为气瓶与接管压帽之间的不锈钢管段，压力传感器12、17与铂热电阻11、16另一端连接在数据采集器19上，采气系统与取样系统中的采气瓶与取样器采集气体完毕后连接在气相色谱仪上对产气特性进行分析。
其中，第一可视高压反应釜13与第七连接阀V7的之间设有高温防堵系统，包括调压器10、泡沫保温箱8、加热带、加热丝，所述加热带与加热丝分别缠绕于第一可视高压反应釜13与第七连接阀V7上且接线端连接于调压器10上，加热带、加热丝、第一可视高压反应釜13以及中间连接阀均设于泡沫保温箱内，调压器位于环境气候箱外部，便于实验人员的操作。
另外，第一可视高压反应釜13与第二可视高压反应釜15均通过接管压帽接有压力传感器12、17与铂热电阻11、16，用于判断第一可视高压反应釜13与第二可视高压反应釜15中的状态以及第七连接阀V7的堵塞状况。
其中，取样系统包括真空泵1、取样器9、第六取样阀V6、第一夹扁弯管，第一夹扁弯管的夹扁部分置于第一可视高压反应釜13内用于定量采集反应釜内的气体，另一端与第六取样阀V6连接；第六取样阀V6与取样器9连接，取样器9在取样前接在真空泵上抽真空处理，取样后将取样器9接在气相色谱仪上用以气相组分分析。
另外，采气系统包括采气瓶22、压力表4、5、6、采气阀、三通接头、第二夹扁弯管，夹扁弯管部分置于第一可视高压反应釜13内，另一端接在第五采气阀V5上；第五采气阀V5、压力表4、5、6以及第一转接阀V1分别接在三通接头的端口，第一转接阀V1与采气瓶22连接，采气前对采气瓶22抽真空，采气后将采气瓶22进行称重并接在气相色谱仪上测得采气中的甲烷浓度。
其中，取样系统与采气系统分别设置且可同时运行。
本发明还提供一种应用可注水串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统的实验方法，包括以下步骤：
S1.打开阀门V8或V9，通过甲烷气体管路以设定进气速度给第二可视高压反应釜15通入甲烷气体后关闭阀门，后打开排气阀V10对第二可视高压反应釜进行降压，反复进行此步骤直到生成整块甲烷水合物；
S2.在步骤S1之后，高压低温静置甲烷气体水合物一段时间使水合物变得致密透亮；
S3. 在步骤S2之后，第一可视高压反应釜13温度加热至约279K，且状态稳定；
S4. 在步骤S3之后，给第一可视高压反应釜13加压，打开第七连接阀V7，将上面第一可视高压反应釜13的水注入至下面第二可视高压反应釜15中，静置使水层稳定存在于水合物层上；
S5.在步骤S4之后，降低串联第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15的压力注入液态二氧化碳，打开高速摄像机18记录置换反应过程，同时打开采气瓶22连续采气，之后周期性地进行取样分析；
S6. 在步骤S5之后，置换完成后通过调节环境气候箱7将水合物温度降至指定温度，排空串联的第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15内气体，之后升高温度分解混合气体水合物。
其中，在步骤S1中，对甲烷气体管路进行降压，原本甲烷气体管路内压力为9-10MPa，进气之后降压至3.5-4MPa。
另外，在步骤S2中，高压低温静置甲烷气体水合物约72小时使水合物变得致密透亮；在步骤S6中，置换完成后通过调节环境气候箱7将水合物温度降至指定温度268K。
具体的步骤如下：
系统包括两个串联的可视高压反应釜13、15、数据采集系统、高速摄像系统、环境气候箱7、气相色谱仪20、取样系统、采气系统、甲烷气瓶2、二氧化碳气瓶3、还包括由泡沫保温箱8、调压器10、加热带和加热丝构成的保温防堵系统。串联的两个可视高压反应釜13、15、加热带、加热丝、泡沫保温层以及铂热电阻11、16和压力传感器12、17均位于环境气候箱7内，数据采集器19、计算机21、以及调压器10、气瓶均位于环境气候箱7外面。铂热电阻11、16、压力传感器12、17与数据采集器19相连，高速摄像机18与数据采集器19均与计算机21连接，采气系统与取样系统均连接在第一可视高压反应釜13上，进气进液管路均连接在第二可视高压反应釜15上，第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15通过不锈钢管与第七连接阀V7连接，并同时设有温度压力监控，便于实验人员判断釜内的状态变化情况。
开启环境气候箱7，将其调节到实验所需温度，关闭第七连接阀V7，在第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15内注入适量的去离子水
实验时第一步：在第二可视高压反应釜15内生成致密透亮的天然气水合物，第二可视高压反应釜15连接有进气阀、进气管路、排气阀、压力传感器和铂热电阻，进气管路与气瓶连接，打开气瓶与进气阀在反应釜内不断充入甲烷气体，后打开排气阀排气降压，如此不断循环鼓泡生成致密的天然气水合物；
调节调压器使第一可视高压反应釜13内的去离子水达到适当的温度，并且给中间连接阀与不锈钢管加热，防止管路温度太低堵塞管路；
实验时第二步：将第二可视高压反应釜15内一定温度的去离子水注入到第二可视高压反应釜15内，第一可视高压反应釜13、第二可视高压反应釜15通过不锈钢管与第七连接阀V7串联起来，不锈钢管与反应釜通过接管压帽连接，不锈钢管与阀门通过螺帽卡套连接，实验时给第一可视高压反应釜13加压后打开第七连接阀V7并且缓慢给第二可视高压反应釜15降压将水注入到下反应釜，用高速摄像机记录整个注入过程，将拍摄的图像信息反映在计算机上；
将环境气候箱的温度调至置换反应实验温度，降低串联反应釜的压力；
实验时的第三步是在水下的天然气水合物中注入二氧化碳，将进气阀与二氧化碳气瓶连接，二氧化碳气瓶出口处连接恒压阀，在二氧化碳管路恒压打入二氧化碳以后待其液化，缓慢打开进气阀注入液态二氧化碳，并用高速摄像机记录注入二氧化碳的过程；
系统的取样系统和采气系统如图2、3所示，取样系统包括夹扁弯管131、取样阀、取样器9以及真空泵顺次连接，采气系统包括夹扁弯管、阀门a，三通、压力表、阀门b、采气瓶顺次连接。夹扁弯管均在串联反应釜内，进气口朝下，取样和采气可同步进行，互不干涉；
之后将采气系统的阀门自右向左打开进行采气，模拟海底实际环境中二氧化碳开采天然气水合物的置换反应过程，在采气的同时周期性地进行取样，对串联反应釜内的气相组分进行掌握，采气结束后在天平上称出采气量，然后接在气相色谱仪上进行组分比重测定，每次取样后将取样器接在气相色谱仪进行气相组分，掌握整个置换过程中的气相组分变化。
本实施例中，生成天然气水合物的条件是6.5MPa、274.15K，上可视高压反应釜内的水温达到278.15K~280.15K，置换反应的条件为278.15K、4.5MPa~5MPa。
显然，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 (9)
1.一种含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于：包括串联反应釜，所述串联反应釜包括真空泵（1）、第一可视高压反应釜（13）、第二可视高压反应釜（15）、第七连接阀V7、用来保证上可视高压反应釜与中间连接阀的高温防堵要求的泡沫保温箱（8）、用于调节加热功率的调压器（10），其中可注入适量的去离子水的第一可视高压反应釜（13）与第二可视高压反应釜（15）通过连接管与第七连接阀V7相连形成串联，所述真空泵（1）与第七连接阀V7也连接，所述串联反应釜还包括便于实验人员判断釜内的状态变化情况的监控装置；
所述监控装置包括压力传感器（12、17）和铂热电阻（11、16），所述系统包括采气系统、取样系统、甲烷气瓶（2）、二氧化碳气瓶（3）、数据采集器（19）、高速摄像机（18）、冷光源（14）、气相色谱仪（20）、环境气候箱（7）；可注水串联反应釜与泡沫保温箱（8）置于环境气候箱（7）内，甲烷气体管路、二氧化碳管路以及压力传感器（12、17）和铂热电阻（11、16）均使用接管压帽连接在可注水串联反应釜上，气体管路为气瓶与接管压帽之间的不锈钢管段，压力传感器（12、17）与铂热电阻（11、16）另一端连接在数据采集器（19）上，采气系统与取样系统中的采气瓶与取样器采集气体完毕后连接在气相色谱仪上对产气特性进行分析。
2.根据权利要求1所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于，第一可视高压反应釜（13）与第七连接阀V7的之间设有高温防堵系统，包括调压器（10）、泡沫保温箱（8）、加热带、加热丝，所述加热带与加热丝分别缠绕于第一可视高压反应釜（13）与第七连接阀V7上且接线端连接于调压器（10）上，加热带、加热丝、第一可视高压反应釜（13）以及中间连接阀均设于泡沫保温箱内，调压器位于环境气候箱外部，便于实验人员的操作。
3.根据权利要求2所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于，所述第一可视高压反应釜（13）与第二可视高压反应釜（15）均通过接管压帽接有压力传感器（12、17）与铂热电阻（11、16），用于判断第一可视高压反应釜（13）与第二可视高压反应釜（15）中的状态以及第七连接阀V7的堵塞状况。
4.根据权利要求3所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于，所述取样系统包括真空泵（1）、取样器（9）、第六取样阀V6、第一夹扁弯管，第一夹扁弯管的夹扁部分置于第一可视高压反应釜（13）内用于定量采集反应釜内的气体，另一端与第六取样阀V6连接；第六取样阀V6与取样器（9）连接，取样器（9）在取样前接在真空泵上抽真空处理，取样后将取样器（9）接在气相色谱仪上用以气相组分分析。
5.根据权利要求4所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于，所述采气系统包括采气瓶（22）、压力表（4）、采气阀、三通接头、第二夹扁弯管，所述夹扁弯管部分置于第一可视高压反应釜（13）内，另一端接在第五采气阀V5上；第五采气阀V5、压力表（4）以及第一转接阀V1分别接在三通接头的端口，第一转接阀V1与采气瓶（22）连接，采气前对采气瓶（22）抽真空，采气后将采气瓶（22）进行称重并且接在气相色谱仪上用以测得采气中的甲烷浓度。
6.根据权利要求4或5所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统，其特征在于，取样系统与采气系统分别设置且可同时运行。
7.一种应用权利要求1所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过甲烷气体管路以设定速度从第二可视高压反应釜（15）通入甲烷气体，通过排气阀V10对第二可视高压反应釜（15）进行降压，反复进行此步骤直到生成整块甲烷水合物；
S2.在步骤S1之后，高压低温静置甲烷气体水合物一段时间使水合物变得致密透亮；
S3. 在进行步骤S2的同时，第一可视高压反应釜（13）温度加热至约279K，且状态稳定；
S4. 在步骤S3之后，给第一可视高压反应釜（13）加压，打开第七连接阀V7，将上面第一可视高压反应釜（13）的水注入至下面第二可视高压反应釜（15）中，静置使水层稳定存在于水合物层上；
S5.在步骤S4之后，降低串联可视高压反应釜的压力注入液态二氧化碳，打开高速摄像机（18）记录置换反应过程，同时打开采气瓶（22）连续采气，之后周期性地进行取样分析；
S6. 在步骤S5之后，置换完成后通过调节环境气候箱（7）将水合物温度降至指定温度，排空串联的第一可视高压反应釜（13）、第二可视高压反应釜（15）内气体，之后升高温度分解混合气体水合物。
8.根据权利要求7所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统的实验方法，其特征在于，在步骤S1中，打开V8或者V9将甲烷管路的气体通入到第二反应釜，然后关闭阀门，后再通过打开排气阀V10对第二可视高压反应釜甲烷气体管路进行降压，原本甲烷气体管路内压力为9-10MPa，进入到第二反应釜后釜内压力为5.5-6.5MPa,排气之后降压至3.5-4MPa。
9.根据权利要求7所述的含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统的实验方法，其特征在于，在步骤S2中，高压低温静置甲烷气体水合物约72小时使水合物变得致密透亮；在步骤S4中在水合物层的上面形成稳定存在的水层；在步骤S6中，置换完成后通过调节环境气候箱（7）将水合物温度降至指定温度268K。
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