CN109724835B - 含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置及其方法，将被切割的原位岩芯存储至腔体内，通过控制压力和温度平衡系统，使得腔体内的温度和压力与外部温度压力一致。调节液压动力系统，使得存储设备上部的伸缩密闭活塞动作。维持温度和压力相同，匀速开启第一密封阀，通过调节液压动力系统使得伸缩密闭活塞与原位岩芯充分接触。之后气体采集系统采集产生的气体，孔隙水采集系统采集孔隙水。通过调节真空泵控制存储设备内的真空度，提升所述孔隙水的出水率。解决了原位岩芯在采集过程中瞬时受到破坏，使得沉积物物性改变以及孔隙水易被海水污染的问题，相对于现有技术减少原位岩芯的转移步骤，能够确保原位岩芯的原位状态。

Description

含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物领域，尤其涉及含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置及方法。

背景技术

天然气水合物作为全新的清洁能源，分布广、储藏量大、能量密度高，被誉为“未来能源”。但是天然气水合物高压低温的成藏特性使之主要分布在300-4000m水深的海洋和陆地冻土区。因此天然气水合物的勘探开发至关重要。而利用对地球化学异常的观测是天然气水合物勘探的一种重要手段，孔隙水中甲烷浓度、离子组分等指标参数是地球化学异常的重要组成部分。沉积物孔隙水是物质交换、离子间生物化学反应的场所，一定程度上可以反映矿物成藏特性，目前沉积物的孔隙水采集分为两类，一是破坏性采样，即通过压榨、离心、真空抽滤等手段获取；二是原位采样，主要通过吸杯法等微量取样。目前海域含天然气水合物的沉积物孔隙水取样多是常压下破坏性取样，这样会导致沉积物物性状态发生变化，测试数据与原位成藏数据不一致，无法进行成藏模拟实验，不利于成藏机理的深入研究。此外，海底含天然气水合物的沉积物孔隙水直接采样难度较大，容易被底层海水污染，采样设备昂贵，海底作业成本高。

沉积物孔隙水原位气密采集系统(CN 101398349A)提供一种在原地直接采集沉积物孔隙水，气密保存的技术，保证了采集的沉积物孔隙水及其溶解气样品。海底沉积物孔隙水液压装置(CN 105547748A)公开了一种包括机架、液压装置、压榨器以及孔隙水收集器在内的一种孔隙水液压装置。此装置特点在于装卸方便、压榨高效快速、密封效果好。一种海底孔隙水采集装置(CN 205719653U)提供了一种包括采样柱、采样瓶、储样室等在内的采样装置。此装置可以实现依次取样，各储样室独立取样，避免海水污染，提高孔隙水样品分辨率。耐用型孔隙水压榨器(CN205246385U)公开了包括压头、外筒、底座在内的压榨器。此装置拆卸外筒和底座便利，及其耐用可靠。

从上述各专利公开技术方案中，易知上述各个采集技术方案均为破坏性采集方式，即使对采集装置进行改进，也存在在采集过程中由于通过压榨、离心和真空抽滤的方式采样，原位岩芯在采集过程中瞬时受到破坏，使得沉积物物性改变以及孔隙水易被海水污染的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，用以解决原位岩芯在采集过程中瞬时受到破坏使得沉积物物性改变以及孔隙水易被海水污染的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其包括有一个以上的单列采集装置，各列采集装置均独自配设或共用配设压力平衡系统、温度平衡系统、液压动力系统、气体采集系统和真空泵；各单列采集装置中包括有以下组件：一保温保压存储设备，其至少包括有一个腔体，腔体内至少置有一个滤网及两级滤膜，两级滤膜分置于滤网的上、下侧，腔体的入口端和出口端分别置有一密封阀，至少在入口端的密封阀内侧置有内衬垫；一可进入该保温保压存储设备内进行孔隙水压榨的伸缩密闭活塞；一用于收集压榨所得孔隙水的孔隙水采集系统，该孔隙水采集系统置于保温保压存储设备出水口的下方；所述保温保压存储设备的入口端通过所述控制阀件与一孔隙水采集系统连接，所述的伸缩密闭活塞与所述保温保压存储设备上部入口端的密封阀配套使用；所述的压力平衡系统及温度平衡系统均与所述的各保温保压存储设备中的腔体连通；所述各保温保压存储设备中的伸缩密闭活塞受控于所述的液压动力系统；所述真空泵分别与所述气体采集系统和所述孔隙水采集系统通过管路连接；各单列采集装置分别一个嵌入式支架固定，该嵌入式支架的形状与所述的各单列采集装置的轮廓相匹配；或各单列采集装置相互一起整体通过一个嵌入式支架固定，该嵌入式支架的形状与它们整体轮廓相匹配。

作为上述技术方案的优选，较佳的，压力平衡系统装设有非易燃气体，所述压力平衡系统通过管路与所述腔体连通，当所述液压动力系统的动作时，所述压力平衡系统配合所述液压动力系统动作，使得所述腔体内的压力与所述保温保压存储设备内的含天然气水合物的沉积物的压力一致。。

作为上述技术方案的优选，较佳的，所述温度平衡系统包括有一组循环组件，循环组件与保温保压存储设备接触，使得所述腔体温度与含天然气水合物的沉积物的温度一致。

作为上述技术方案的优选，较佳的，孔隙水采集系统包括孔隙水采集装置和外设孔隙水采集组件，所述孔隙水采集装置与外设孔隙水采集组件连接。

作为上述技术方案的优选，较佳的，所述气体采集系统与一外置气样袋通过气路连接。

作为上述技术方案的优选，较佳的，复数个单列采集装置通过共用同一个所述压力平衡系统、同一个所述温度平衡系统、所述真空泵和所述液压动力系统构成采集装置阵列。

本发明的另一目的是利用上述的快速采集装置实现含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法，供用于上述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，包括：1)被切割装置切割的原位岩芯存储至所述保温保压存储设备的腔体内。2)开启所述压力平衡系统和所述温度平衡系统，使得所述腔体内的温度与所述存储设备的外部温度一致，使得所述腔体内的压力与所述存储设备的外部压力一致。3)所述存储设备嵌入所述嵌入式支架内，通过调节所述液压动力系统，使得套设于所述存储设备上部的所述伸缩密闭活塞动作。4)在维持步骤2)所述的温度和压力一致的状态下，匀速开启所述第一密封阀，通过调节所述液压动力系统使得所述伸缩密闭活塞与所述原位岩芯充分接触。5)开启所述控制阀件，所述气体采集系统采集所述原位岩芯与所述伸缩密闭活塞充分接触后产生的气体，所述孔隙水采集系统采集所述原位岩芯与所述伸缩密闭活塞充分接触后被压榨得到的孔隙水。6)通过调节所述真空泵控制所述存储设备内的真空度，提升所述孔隙水的出水率。步骤3)进一步包括，通过调节所述液压动力系统使得所述伸缩密闭活塞下部无缝嵌入所述保温保压存储设备。

作为上述技术方案的优选，较佳的，步骤5)进一步包括，所述气体采集系统通过一气路将采集到的所述气体存放至所述外置气样袋中。

本发明技术方案提供了一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置及其方法，将被切割的原位岩芯存储至腔体内，通过控制压力和温度平衡系统，使得腔体内的温度和压力与外部温度压力一致。调节液压动力系统，使得存储设备上部的伸缩密闭活塞动作。维持温度和压力相同，匀速开启第一密封阀，通过调节液压动力系统使得伸缩密闭活塞与原位岩芯充分接触。之后气体采集系统采集产生的气体，孔隙水采集系统采集孔隙水。通过调节真空泵控制存储设备内的真空度，提升所述孔隙水的出水率。解决了原位岩芯在采集过程中瞬时受到破坏，使得沉积物物性改变以及孔隙水易被海水污染的问题，相对于现有技术减少原位岩芯的转移步骤，能够确保原位岩芯的原位状态。

具体的，本发明技术方案的优点为：

1、通过切割直接获取原位岩芯，不采取压榨、离心、真空抽滤等手段采集原位岩芯，最大程度保证了原位岩芯的完整性和其原位状态。

2、在密闭环境中从原位岩芯中采集气体和孔隙水，保证了采集的气体和孔隙水的纯净度。

3、由于在提取气体和孔隙水的过程中保证采集装置内部的温度及压力与外部一致，最大程度的保证了采集的气体和孔隙水的原始物性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置中单独保温保压存储设备的结构示意图。

图1a为图1所示的保温保压存储设备的分解结构示意图。

图1b为第一密封阀的结构示意图(正面)。

图1c为滤网的结构示意图(正面)。

图2为本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置中单列采集装置的结构示意图。

图2a为本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置中孔隙水采集系统的结构示意图。

图3为本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法的流程图。

图4为本发明提供的采集装置通过组装构成的孔隙水阵列式采集装置的结构示意图。

其中,保温保压存储设备10、压力平衡系统20、温度平衡系统30、循环组件301、液压动力系统40、伸缩密闭活塞50、嵌入式支架60、孔隙水采集系统70、气体采集系统80、控制阀件90、真空泵100,第一密封阀11、内衬垫12、腔体13、第一滤膜14、滤网15、第二滤膜16和第二密封阀17。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置包括：保温保压存储设备10、压力平衡系统20、温度平衡系统30、液压动力系统40、伸缩密闭活塞50、嵌入式支架60、孔隙水采集系统70、气体采集系统、控制阀件90和真空泵100。

如图1所示，图1为本发明含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置中保温保压存储设备10的结构示意图，如图1所示，包括：第一密封阀11、内衬垫12、腔体13、第一滤膜14、滤网15、第二滤膜16和第二密封阀17。

第一密封阀11与腔体13之间有材质为聚四氟乙烯的内衬垫12，用于提升第一密封阀11与腔体13旋接后的牢固度。腔体13下装设有第一滤膜14，第一滤膜14下方装设有第二滤膜16，在第一滤膜14和第二滤膜16之间夹设有滤网15，第二滤膜16与第二密封阀17扣接，如此上述结构件组成保温保压存储设备10。进一步的，第一密封阀11与第二密封阀17的结构相同。

如图2所示，图2为本发明天然气沉积物孔隙水现场快速采集装置的结构示意图，包括：保温保压存储设备10、压力平衡系统20、温度平衡系统30、液压动力系统40、伸缩密闭活塞50、嵌入式支架60、孔隙水采集系统70、气体采集系统80、控制阀件90和真空泵100。

具体的，保温保压存储设备10与孔隙水采集系统70通过控制阀件90连接，控制阀件90与保温保压存储设备10之间，控制阀与孔隙水采集系统70之间均装设有管路，使得在使用此快速采集装置时采集到的孔隙水能够流动。

进一步如图2所示，保温保压存储设备10与孔隙水采集装置连接。将切割后的原位岩芯保存至保温保压存储设备10后，将此保温保压存储设备10嵌入嵌入式支架60中。

操作液压动力系统40使得伸缩密闭活塞50上下运动，同时，操作压力平衡系统20和温度平衡系统30保持保温保压存储设备10内部的温度和压力与当前含天然气水合物的沉积物的温度和压力一致，此时，孔隙水采集系统70进行孔隙水采集工作，气体采集系统收集含天然气水合物的沉积物产生的原位气体。从而本发明技术方案实现了，保证含天然气水合物的沉积物原位状态，减少含天然气水合物的沉积物转移次数，确保含天然气水合物的沉积物测试参数可以实时反映原位地层信息的目的。

现进一步说明本发明提供的装置：

具体的，上述含天然气水合物的沉积物被放置于保温保压存储设备10中，保温保压存储设备10嵌入嵌入式支架60中，嵌入式支架60为固定装置，用于固定保温保压存储设备10。如图2所示，保温保压存储设备10、孔隙水采集系统70、控制阀件90、气体采集系统80和手动真空泵100均固定于嵌入式支架60内，嵌入式支架60与上述各个组件组合后结构的形状匹配。

孔隙水采集系统70包括：外设可插入收集组件，漏斗状孔隙水采集装置，二者通过控制阀件90连接，实现收集孔隙水的目的。外设可插入收集组件还与手动真空泵100和气体采集系统80分别通过管路连接。漏斗状孔隙水采集装置的一端与保温保压存储设备10的下端旋接，另一端通过控制阀件90与外置可插入收集装置连接。

保温保压存储设备10一端套设有伸缩密闭活塞50，通过手动控制液压动力系统40对伸缩密闭活塞50缓慢加压，使得伸缩密闭活塞50进入保温保压存储设备10内对含天然气水合物的沉积物压榨，在压榨过程中含天然气水合物的沉积物缓慢释放其包含的孔隙水和气体。打开控制阀件90，孔隙水采集系统70收集孔隙水，气体采集系统80通过与外设可插入收集组件连通的气路，收集含天然气水合物的沉积物释放的气体，进一步的，气体采集系统80包括一外置气样袋，由于收集上述气体。

在对含天然气水合物的沉积物压榨过程中，压力平衡系统20通过其外置的氮气(二氧化碳)，使得保温保压存储设备10中腔体13内的压力和含天然气水合物的沉积物的压力一致；同时，温度平衡系统30对循环组件301进行温度调整，通过循环组件301与腔体13贴合面进行热传递从而使得保温保压存储设备10的腔体13温度与含天然气水合物的沉积物温度一致，实现了最大程度保证采集的气体和孔隙水的原始物性。

其中，液压动力系统40的压力由手动控制提供，之所以通过手动控制提供压力，是因为若压力过大，将会导致含天然气水合物的沉积物破碎，需要缓慢加压，加压幅度较小，传统的液压装置不适合，现选用手动控制液压系统，能够稳定的控制加压过程，提升采集孔隙水和气体的效率。

进一步的，当气体和孔隙水的流量减小时，通过手动控制真空泵100来增加本装置内部的真空度，进一步提高孔隙水出水率，以实现提升孔隙水出水率的目的。手动控制真空泵100是为了能够通过缓慢提升真空度过程，使得本装置内的压力差和温度差变化缓慢，能够对温度和压力平衡系统20进行协同调节，在提升出水率的前提下最大程度保证气体和孔隙水的原始物性。

现对本发明提供的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法进行详细说明，如图3所示:

步骤101、将被切割装置切割的原位岩芯存储至保温保压存储设备10的腔体13内。

其中，原位岩芯暨为上述含天然气水合物的沉积物，二者为等价概念。其中，切割装置包括切割设备与传输管路，传输管路的一端与腔体13连通另一端与切割设备连通，切割设备内有临时容置腔能够临时存放原位岩芯。

步骤102、开启压力平衡系统20使得腔体13内的压力与原位岩芯的压力一致。

具体的，压力平衡系统20是通过外置氮气(非易燃气体即可)，保证本发明提供的采集装置内部的腔体13压力与原位岩芯的压力一致。其中，原位岩芯内具有原位岩芯内压，腔体13压力可以理解为原位岩芯外压，压力一致指的是原位岩芯内压与原位岩芯外压一致。

步骤103、开启温度平衡系统30使得腔体13内的温度与原位岩芯的温度一致。

具体的，温度平衡系统30包括循环组件，此循环组件与腔体13贴合，循环组件具体为流体循环系统，可以通过热传递的方式实现循环组件和腔体13间的温度交换，从而保证腔体13温度与原位岩芯的温度一致。其中，温度一致指的是，腔体13内的温度与原位岩芯本身的温度一致。

步骤104、将已存储有原位岩芯的保温保压存储设备10嵌入嵌入式支架60内。

步骤105、手动调节液压动力系统40，使得伸缩密闭活塞50嵌入保温保压存储设备10上部。

具体的，伸缩密闭活塞50下部无缝嵌入保温保压存储设备10上部。

步骤106、开启第一密封阀11并调节液压动力系统40，使伸缩密闭活塞50充分接触原位岩芯。其中，充分接触指的是伸缩密闭活塞与原位岩芯的接触程度达到其能够对原位岩芯进行压榨。

其中，在通过液压动力调节系统调节伸缩密闭活塞50动作的同时，动态调节压力平衡系统20和温度平衡系统30，使得腔体13与原位岩芯的温度和压力动态平衡。

步骤107、开启控制阀件90和第二密封阀17，气体采集系统80采集气体，孔隙水采集系统70采集孔隙水。

具体的，伸缩密闭活塞50充分接触原位岩芯后，原位岩芯被压榨，在压榨过程中产出气体和孔隙水。

气体采集系统80包括一外置气样袋，用于气路将采集到的气体由保温保压存储设备10传输至外置气样袋中。

进一步的，针对步骤107：当孔隙水流量变小时，调节真空阀上调保温保压存储设备10内的真空度，真空度上升后，被压榨的原位岩芯进一步析出孔隙水和气体，提升孔隙水的出水率和气体的出气率。通常情况下，孔隙水的出水率和气体的出气率随着真空度的提升而提高。

现对在伸缩密闭活塞50对保温保压存储设备10中的原位岩芯进行压榨时，保温保压存储设备10中各个组件的状态进行说明。具体的：当伸缩密闭活塞50准备对原位岩芯压榨时，第一密封阀11开启使得伸缩密闭活塞50能够伸入保温保压存储设备10中。在原位岩芯被压榨过程中，除了上述孔隙水和气体，还有岩芯残渣，第一滤膜14对孔隙水进行第一次过滤，之后依次经过滤网15和第二滤膜16进行进一步过滤，过滤完成后，第二密封阀17开启，孔隙水采集系统70采集经过滤的孔隙水，气体采集系统80收集原位岩芯被压榨时产生的气体。

进一步的，如图4所示，本发明技术方案提供的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置可以通过组装构成孔隙水阵列式采集装置。在组装过程中，各个采集装置通过共用同一个压力平衡系统20、温度平衡系统30、真空泵100和液压动力系统40实现在采集过程中对各个采集装置的统一控制，还提高了采集效率。其中，图4中最右侧采集装置右侧方框为控制组件用于对图中所示的3列单列采集装置的压力平衡系统温度平衡系统真空泵液压动力系统进行统一控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其特征在于，其包括有一个以上的单列采集装置，各单列采集装置均独自配设或共用配设压力平衡系统、温度平衡系统、液压动力系统、气体采集系统和真空泵；

所述的各单列采集装置中包括有以下组件：

一保温保压存储设备，其至少包括有一个腔体，腔体内至少置有一个滤网及两级滤膜，两级滤膜分置于滤网的上、下侧，腔体的入口端设置有第一密封阀和出口端设置有第二密封阀，至少在入口端的密封阀内侧置有内衬垫；

一可进入该保温保压存储设备内进行孔隙水压榨的伸缩密闭活塞；

一用于收集压榨所得孔隙水的孔隙水采集系统，该孔隙水采集系统置于所述保温保压存储设备出水口的下方；

所述保温保压存储设备的入口端通过一控制阀件与所述的孔隙水采集系统连接，所述的伸缩密闭活塞与所述保温保压存储设备上部入口端的密封阀配套使用；

所述的压力平衡系统及温度平衡系统均与各保温保压存储设备中的腔体连通；所述各保温保压存储设备中的伸缩密闭活塞受控于所述的液压动力系统；所述真空泵分别与所述气体采集系统和所述孔隙水采集系统通过管路连接；其中，所述压力平衡系统装设有非易燃气体，所述压力平衡系统通过管路与所述保温保压存储设备的腔体连通，当所述液压动力系统动作时，所述压力平衡系统配合所述液压动力系统的动作，使得所述腔体内的压力与所述保温保压存储设备内的含天然气水合物的沉积物的压力一致；其中，所述温度平衡系统包括有一组循环组件，所述循环组件与所述保温保压存储设备接触，使得所述腔体温度与含天然气水合物的沉积物的温度一致；

所述的各单列采集装置分别通过一个嵌入式支架固定，该嵌入式支架的形状与所述的各单列采集装置的轮廓相匹配；或所述的各单列采集装置相互一起整体通过一个嵌入式支架固定，该嵌入式支架的形状与它们整体轮廓相匹配。

2.根据权利要求1所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其特征在于：所述孔隙水采集系统包括孔隙水采集装置和外设孔隙水采集组件，所述孔隙水采集装置与外设孔隙水采集组件连接。

3.根据权利要求1所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其特征在于：所述气体采集系统与一外置的气样袋通过气路连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其特征在于，还包括：复数个所述单列采集装置通过共用同一个所述压力平衡系统、同一个所述温度平衡系统、所述真空泵和所述液压动力系统构成采集装置阵列。

5.一种含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法，供用于如权利要求1-4任一项所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集装置，其特征在于，包括：

1）将被切割装置切割的原位岩芯存储至所述保温保压存储设备的腔体内；

2）开启所述压力平衡系统和所述温度平衡系统，使得所述腔体内的温度与所述含天然气水合物的沉积物的温度一致，使得所述腔体内的压力与所述含天然气水合物的沉积物的压力一致；

3）将所述保温保压存储设备嵌入所述嵌入式支架内，通过调节所述液压动力系统，使得套设于所述保温保压存储设备上部的所述伸缩密闭活塞动作；

4）在维持步骤2）所述的温度和压力一致的状态下，匀速开启所述第一密封阀，通过调节所述液压动力系统使得所述伸缩密闭活塞与所述原位岩芯充分接触；

5）开启所述控制阀件，所述气体采集系统采集所述原位岩芯受伸缩密闭活塞充分接触后产生的气体，所述孔隙水采集系统采集所述原位岩芯受所述伸缩密闭活塞充分接触后被压榨得到的孔隙水；

6）通过调节所述真空泵控制所述存储设备内的真空度，提升所述孔隙水的出水率。

6.根据权利要求5所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法，其特征在于，还包括：

所述步骤3）进一步包括，通过调节所述液压动力系统使得所述伸缩密闭活塞下部无缝嵌入所述保温保压存储设备。

7.根据权利要求5或6所述的含天然气水合物的沉积物孔隙水现场快速采集方法，其特征在于，还包括：

所述步骤5）进一步包括，所述气体采集系统通过一气路将采集到的气体存放至外置气样袋中。