CN109958401B - 一种天然气水合物保压取芯样品转移装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气水合物保压取芯样品转移装置及应用方法，属于天然气水合物探测及研究装备领域。该装置包括依次包括第一功能舱、第二功能舱、第三功能舱、以及第四功能舱，各功能舱两端分别设有以及若干球阀，各功能舱与保压取芯高压容器球阀之间用通过可拆卸密封法兰夹连接。本发明技术方案通过在样品高压中转舱设置可拆卸的活动球阀，用来匹配不同种类的保压取芯高压容器，并在样品储层舱中设立卡紧装置，通过调节舱外的控制手柄手动卡紧样品，防止样品左右移动，保持样品的完整性。

Description

一种天然气水合物保压取芯样品转移装置及应用方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物探测及研究装备领域，具体涉及一种保压取芯转移和处理装置及其应用方法。

背景技术

天然气水合物作为未来潜在的能源，具有分布广、埋藏浅、资源量大、能量密度高、能源洁静等特点，有望成为二十一世纪理想的新型能源。近些年来，随着我国能源战略的部署，天然气水合物的研究越来越受到重视。

天然气水合物是水和天然气在高压低温条件下形成的晶态，天然形成的天然气水合物一般赋存于沉积物颗粒之间的孔隙内。当温度升高或者压力下降时，天然气水合物极易分解。正是由于天然气水合物只有在高压低温条件下才能稳定存在，使得获得天然气水合物原位的性质极具挑战。保压取芯技术作为勘探开发水合物最关键的技术手段之一，可以获得真实反应地下高压状态下的水合物样品。但要获得高压状态下的物性，必须对样品在保压条件下先进行样品前处理。这样，保压取芯样品转移技术成为天然气水合物物性研究的重要前提。

我国虽然可以实现保压取芯，但开发适合我国国情的为后续完成物性测试必须的保压取芯样品转移装置却是空白，无法实现实验室内样品保压物性分析。如何将保压取芯后的岩芯样品在没有温压变化的前提下分离、转移并固定在保压转移舱是非常重要的技术。因此，发明一套与多种保压取芯高压容器进行对接的保压取芯转移和处理装置，将推动我国天然气水合物保压取芯样品的转移和测试进程。该发明可以应用于天然气水合物的测试、勘探和开发项目，具有十分广阔的应用和推广前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种兼容多种类型保压取芯高压容器的样品转移和处理装置及其应用方法。

根据本发明的第一方面，提供一种天然气水合物保压取芯转移装置，所述天然气水合物保压取芯转移装置依次包括第一功能舱、第二功能舱、第三功能舱以及第四功能舱，各功能舱两端分别设有球阀，各功能舱之间通过可拆卸密封法兰夹连接，

所述第一功能舱用于在高压下抓取天然气水合物样品；

所述第二功能舱用于在高压下转移天然气水合物样品；

所述第三功能舱用于在高压下切割天然气水合物样品；以及，

所述第四功能舱用于在高压下中转天然气水合物样品，

其中，所述球阀包括固定球阀和活动球阀，

其中，所述第四功能舱的至少一端设有活动球阀，所述活动球阀与所述第四功能舱通过螺纹密闭连接，连接处设有密封圈。

进一步的，各功能舱均与压力控制装置相连，确保舱体间水压平衡，且压力控制装置的保压压力范围为0.1-40MPa。

进一步的，所述第一功能舱内设有抓取装置、丝杆伸缩装置、定位装置、可视化装置，所述第一功能舱一个端部设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第二功能舱密封连接。

进一步的，所述抓取装置用于抓取样品舱体中的天然气水合物样品；丝杆伸缩装置与抓取装置相连，实现样品在各功能舱中的移动；定位装置用于确定样品在整个连接舱体中的位置；可视化装置位于抓取装置后端，用于确定抓取装置和样品的相互位置。

进一步的，所述第二功能舱内设有卡紧装置，所述第二功能舱两端都设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第一功能舱和第三功能舱密封连接。

进一步的，所述卡紧装置用于卡紧样品，使得样品在运输过程中保持固定。

进一步的，所述第三功能舱内设有切割装置，所述第三功能舱两端都设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第二功能舱和第四功能舱密封连接。

进一步的，所述第四功能舱通过可拆卸密封法兰夹与保压取芯高压容器和第三功能舱密封连接，所述第四功能舱连接保压取芯高压容器的一端的端口直径在10-250mm范围。

根据本发明的第二方面，提供一种天然气水合物样品的转移方法，所述天然气水合物样品存放在保压取芯高压容器内，其特征在于，所述方法通过如权利要求1至8中任一项所述的天然气水合物保压取芯转移装置进行样品转移，所述保压取芯高压容器内包括依次连接的第一样品，第二样品，……，第n样品，n为整数且n≧1，需要转移的样品是第i样品，1≤i≤n，所述方法包括如下步骤：

(一)将第一功能舱、第二功能舱、第三功能舱、第四功能舱和保压取芯高压容器通过可拆卸密封法兰夹串联对接，将各功能舱的各个球阀均设置为关闭状态；通过压力控制装置调节中各功能舱内的压力，使各功能舱与保压取芯高压容器内的压力一致后，打开所有球阀；

(二)第一功能舱内的抓取装置穿过各功能舱后，抓取保压取芯高压容器内的依次连接的第一样品至第n样品；

(三)将第i样品之前(不包括第i样品)的全部样品分别切下，作为中转样品存放在不同的第四功能舱内并从天然气水合物保压取芯转移装置移除以备后续使用，将第i样品存放于第二功能舱内并夹紧；

(四)将第一功能舱、任意一个存放中转样品的第四功能舱以及保压取芯高压容器连接，通过抓取装置将第四功能舱内的中转样品分别推回至保压取芯高压容器，

其中，所述第四功能舱的至少一端设有活动球阀，所述活动球阀与所述第四功能舱通过螺纹密闭连接，连接处设有密封圈。

进一步的，所述步骤(三)具体包括：

若i>1，抓取装置抓取第一样品至第n样品移动至第三功能舱；在第三功能舱内通过切割装置切下第一样品；所述抓取装置将第一样品至第n样品推回至保压取芯高压容器；抓取装置抓取第一样品移动至第四功能舱内进行中转；从天然气水合物保压取芯转移装置移除已转入样品的第四功能舱，并换上新的第四功能舱；重复上述步骤，直至第i-1样品完成中转且第i样品至第n样品推回至保压取芯高压容器，抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移；

若i＝1且n>1，抓取装置抓取第i样品至第n样品移动至第三功能舱；在第三功能舱内通过切割装置切下第i样品；所述抓取装置将第i样品至第n样品推回至保压取芯高压容器；抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移；

若i＝1且n＝1，通过抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移。

本发明的有益效果是：

通过在样品高压中转舱设置可拆卸的活动球阀，用来匹配不同种类的保压取芯高压容器，并在样品储层舱中设立卡紧装置，通过调节舱外的控制手柄手动卡紧样品，防止样品左右移动，保持样品的完整性。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1示出根据本发明一个实施例的天然气水合物保压取芯转移装置的结构示意图；

图2示出根据本发明一个实施例的天然气水合物样品稳定区间温压条件示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的样品高压抓取舱结构示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的样品高压转移舱结构示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的样品高压切割舱结构示意图；

图6示出根据本发明一个实施例的样品高压中转舱结构示意图；

图7示出根据本发明一个实施例的对接过程示意图；

图8示出根据本发明一个实施例的抓取过程示意图；

图9示出根据本发明一个实施例的切割过程示意图；

图10示出根据本发明一个实施例的暂存过程示意图；

图11示出根据本发明一个实施例的样品储存过程示意图；

图12示出根据本发明一个实施例的还原样品示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

实施例1

一种天然气水合物保压取芯转移装置，包括第一功能舱(样品高压抓取舱)、第二功能舱(样品高压转移舱)、第三功能舱(样品高压切割舱)和第四功能舱(样品高压中转舱)，且样品高压抓取舱、样品高压转移舱、样品高压切割舱、样品高压中转舱与保压取芯高压容器球阀间可依次用法兰夹连接，示于图1。保存或转移天然气水合物样品必须保持一定的温压条件，即合理的高压和低温组合(图2)，环境温度越高，密封舱内所需要的压力也越大。由图2可知，在10℃时保存天然气水合物样品所需压力小于20MPa。在小于0℃时，天然气水合物中的水结成冰，改变原有天然气水合物样品的性质，因此，我们确定0-10℃是天然气水合物样品保存或者转移的适宜温度，且该温度条件容易满足。我们所设计的各个功能舱并不具备温度控制功能，所以各功能舱必须在环境温度为0-10℃度下进行工作。我们设计的各个功能舱都可与压力控制装置相连，确保舱体间水压平衡，且压力控制装置的保压压力范围为0.1-40MPa，用来满足天然气水合物样品保真保存和转移所需要的压力。下面将逐一介绍各个功能舱。

样品高压抓取舱设有抓取装置、丝杆伸缩装置、定位装置、可视化装置。该舱体端部设有固定球阀，可通过可拆卸的法兰夹与其他功能舱体密封连接。抓取装置主要包含机械手，用于抓取样品舱体中的天然气水合物样品；丝杆伸缩装置与抓取装置相连，实现样品在各个舱体中的推、拉移动；定位装置是确定测量机械手前端至抓取舱体左端部的距离h，如图3所示，以确定样品在整个连接舱体中的位置，丝杆上设置有刻度标记，定位装置可以计算出丝杆的进尺，以确定丝杆端部机械手在舱中的具体位置；可视化装置包含有耐高压摄像头和照明系统，位于机械手后端，可以随时确定机械手和样品的相互位置，方便操作样品；压力控制装置是实现抓取舱体内部水压增加，与其他功能舱体内水压平衡。

样品高压转移舱，用于转移保压取芯样品，舱体内设有卡紧装置。该舱体左右两端都设有固定球阀，可通过可拆卸的法兰夹与其他功能舱体密封连接。卡紧装置用于卡紧样品，使得样品在运输过程中保持固定，采用手动螺丝系统使圆形夹板上下移动，如图4所示；压力控制装置是实现抓取舱体内部增压，与其他功能舱体压力平衡。

样品高压切割舱设有切割刀具。该舱体左右两端都设有固定球阀，如图5所示，可通过可拆卸的法兰夹与其他功能舱体密封连接。切割刀具是在腔室内加装线性锯片，实现切割样品的功能，锯切割可以确保切割表面平整，且最大限度的减少对样品的扰动，样品高压切割舱可以通过可拆卸的法兰夹与其他功能舱体密封串联连接；压力控制装置是实现抓取舱体内部增压，与其他功能舱体压力平衡。

样品高压中转舱设有可更换球阀。该舱体左右两端都设有球阀，其中一端为可拆卸球阀(或称为活动球阀)，与腔体通过螺纹密闭连接，连接处设有密封圈，另一端为固定球阀。为了满足不同的需要，保压取芯高压容器尺寸和类型各不相同，我们设计了一种可拆卸球阀，主要体现在连接高压中转舱的一端尺寸保持不变，连接保压取芯高压容器的一端尺寸在10-250mm范围，主要是用于满足高压中转舱与不同种类和尺寸的保压取芯高压容器相连，如图6所示。该舱体可通过可拆卸的法兰夹与保压取芯高压容器和其他功能舱体密封连接；压力控制装置是实现抓取舱体内部增压，与其他功能舱体压力平衡。

上述的四个功能舱都连通有压力控制装置，设计保压压力范围为0.1-40MPa，各功能舱中的流体为人工配置海水，是人工海水盐与纯净水按照一定比例混合而成，尽量与保压取芯高压容器内的流体成分保持一致。该装置设有若干个分支管路，各分支管路上分别设有截止阀和压力传感器，所述压力传感器通过传输线路连接到压力控制箱；压力传感器用于收集各分支管路内的压力信号反馈，当出现压力偏差时，通过蓄能器及各分支管路上的截止阀来调节压力。

实施例2

本发明中，还提供一种保压取芯高压容器内天然气水合物样品转移方法，以转移保压取芯高压容器内样品中的B段子样到样品高压转移舱为例，包括如下步骤：

(一)对接过程：将样品高压抓取舱、样品高压转移舱、样品高压切割舱、样品高压中转舱和保压取芯高压容器通过密封法兰夹串联对接，此时将各个球阀均设置为关闭状态。打开压力控制装置通过各分支管路向保压取芯转移装置中各功能舱体内加压力，通过各个功能舱体内的压力传感器来控制压力的增减，待各功能舱体与保压取芯高压容器内的压力一致时，加压完毕，使得整个串联的各个功能舱体内压力平衡，之后打开所有球阀，示于图7。

(二)抓取过程：打开丝杆伸缩装置、定位装置和可视化装置，控制丝杆伸缩装置将带有抓取装置的丝杆向样品方向移动，通过定位装置确定抓取装置的移动位置，待抓取装置靠近样品后，根据可视化装置确定抓取装置和样品的相互位置，利用机械手抓取保压取芯高压容器内的样品，具体过程示于图8。

(三)切割过程：机械手抓住保压取芯高压容器内的样品后，控制丝杆伸缩装置带动抓取装置和样品穿过样品高压中转舱向样品高压切割舱一起移动，根据定位装置将要切割的位置对准锯片，启动样品高压切割舱外接电源，使电动锯片开始工作，锯片从中间通过天然气水合物样品，完成样品初次切割，如图9所示。

(四)暂时存储过程：样品第一次切割完成后，此时机械手仍抓牢子样品A，通过控制丝杆伸缩装置，依据定位装置，将样品推至保压取芯高压容器(图10a)，之后再控制丝杆伸缩装置，依据定位装置，将前端的子样品A移至样品高压中转舱，子样品B和C仍处于保压取芯高压容器中(图10b)。此时关闭保压取芯高压容器的球阀，样品高压中转舱的2个球阀以及样品高压切割舱与样品高压中转舱连接的球阀(图10c)。泄掉与样品高压中转舱球阀连接处的压力，打开与样品高压中转舱的法兰夹，从整个串联的功能舱体中移除含有子样A的样品高压中转舱，以备后用。将移除的部分用一个新的样品高压中转舱代替，根据(一)步骤中的压力控制装置使得新移入的样品高压中转舱内压力与其他各功能舱体内的压力一致，依次打开所有球阀(图10d)。

(五)样品储存过程：通过步骤(二)再次抓取样品(图11a)，抓住样品后，依据步骤(三)根据定位装置将要切割的位置对准锯片，启动样品高压切割舱电源，完成样品的切割(图11b)，之后通过控制丝杆伸缩装置将切割后的2个子样品先全部推至保压取芯高压容器(图11c)，再通过控制丝杆伸缩装置将切割后的子样品B移动至样品高压转移舱，并通过夹紧装置将样品夹紧(图11d)。之后松开机械手，通过控制丝杆伸缩装置将机械手移至抓取移动舱体内。关闭所有球阀，泄掉与样品高压转移舱和样品高压中转舱球阀连接处的压力，打开与样品高压转移舱和样品高压中转舱的法兰夹，从整个串联的功能舱体中移除样品高压转移舱和样品高压中转舱。这样子样品B就存在于样品高压转移舱中，以备下一步测试(图11e)，可以将其保压移动至实验室。

(六)还原保压取芯高压容器：连接样品高压抓取舱、存有子样品A的样品高压中转舱和保压取芯高压容器(图12a)，按照步骤(一)进行加压，待各舱内的压力一致后，打开所有球阀，使得整个串联的各个功能舱体内压力平衡，通过控制丝杆伸缩装置将暂存样品舱内的样品移动至保压取芯高压容器(图12b)，再控制丝杆伸缩装置将机械手移至样品高压抓取舱内。关闭所有球阀，再通过压力控制装置将样品高压抓取舱和样品高压中转舱内的压力泄掉(图12c)，并拆除法兰夹，以备今后使用(图12d)。重复步骤(一)～步骤(六)，可实现多次转移保压取芯高压容器中的样品。

Claims (5)

1.一种天然气水合物保压取芯转移装置，其特征在于，所述天然气水合物保压取芯转移装置依次包括第一功能舱、第二功能舱、第三功能舱以及第四功能舱，各功能舱两端分别设有球阀，各功能舱之间通过可拆卸密封法兰夹连接，

所述第一功能舱用于在高压下抓取天然气水合物样品，所述第一功能舱内设有抓取装置、丝杆伸缩装置、定位装置、可视化装置，所述第一功能舱一个端部设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第二功能舱密封连接；

所述第二功能舱用于在高压下转移天然气水合物样品，所述第二功能舱内设有卡紧装置，所述卡紧装置用于卡紧样品，使得样品在运输过程中保持固定，所述第二功能舱两端都设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第一功能舱和第三功能舱密封连接；

所述第三功能舱用于在高压下切割天然气水合物样品，所述第三功能舱内设有切割装置，所述第三功能舱两端都设有固定球阀，通过可拆卸密封法兰夹与第二功能舱和第四功能舱密封连接；以及，

所述第四功能舱用于在高压下中转天然气水合物样品，所述第四功能舱通过可拆卸密封法兰夹与保压取芯高压容器和第三功能舱密封连接，所述第四功能舱连接保压取芯高压容器的一端的端口直径在10-250mm范围，

其中，所述球阀包括固定球阀和可拆卸的活动球阀，

其中，所述第四功能舱的至少一端设有可拆卸的活动球阀，所述活动球阀与所述第四功能舱通过螺纹密闭连接，连接处设有密封圈。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物保压取芯转移装置，其特征在于，各功能舱均与压力控制装置相连，确保舱体间水压平衡，且压力控制装置的保压压力范围为0.1-40MPa。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物保压取芯转移装置，其特征在于，所述抓取装置用于抓取样品舱体中的天然气水合物样品；丝杆伸缩装置与抓取装置相连，实现样品在各功能舱中的移动；定位装置用于确定样品在整个连接舱体中的位置；可视化装置位于抓取装置后端，用于确定抓取装置和样品的相互位置。

4.一种天然气水合物样品的转移方法，所述天然气水合物样品存放在保压取芯高压容器内，其特征在于，所述方法通过如权利要求1至3中任一项所述的天然气水合物保压取芯转移装置进行样品转移，所述保压取芯高压容器内包括依次连接的第一样品，第二样品，……，第n样品，n为整数且n≧1，需要转移的样品是第i样品，1≤i≤n，所述方法包括如下步骤：

一)将第一功能舱、第二功能舱、第三功能舱、第四功能舱和保压取芯高压容器通过可拆卸密封法兰夹串联对接，将各功能舱的各个球阀均设置为关闭状态；通过压力控制装置调节中各功能舱内的压力，使各功能舱与保压取芯高压容器内的压力一致后，打开所有球阀；

二)第一功能舱内的抓取装置穿过各功能舱后，抓取保压取芯高压容器内的依次连接的第一样品至第n样品；

三)将第i样品之前的全部样品分别切下，作为中转样品存放在不同的第四功能舱内并从天然气水合物保压取芯转移装置移除以备后续使用，将第i样品存放于第二功能舱内并夹紧；

四)将第一功能舱、任意一个存放中转样品的第四功能舱以及保压取芯高压容器连接，通过抓取装置将第四功能舱内的中转样品分别推回至保压取芯高压容器，

其中，所述第四功能舱的至少一端设有活动球阀，所述活动球阀与所述第四功能舱通过螺纹密闭连接，连接处设有密封圈。

5.根据权利要求4所述的天然气水合物样品的转移方法，其特征在于，所述步骤三)具体包括：

若i>1，抓取装置抓取第一样品至第n样品移动至第三功能舱；在第三功能舱内通过切割装置切下第一样品；所述抓取装置将第一样品至第n样品推回至保压取芯高压容器；抓取装置抓取第一样品移动至第四功能舱内进行中转；从天然气水合物保压取芯转移装置移除已转入样品的第四功能舱，并换上新的第四功能舱；重复上述步骤，直至第i-1样品完成中转且第i样品至第n样品推回至保压取芯高压容器，抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移；

若i＝1且n>1，抓取装置抓取第i样品至第n样品移动至第三功能舱；在第三功能舱内通过切割装置切下第i样品；所述抓取装置将第i样品至第n样品推回至保压取芯高压容器；抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移；

若i＝1且n＝1，通过抓取装置抓取第i样品移动至第二功能舱内，通过夹紧装置将第i样品夹紧进行转移。

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