CN110068733B - 一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气水合物探测及研究装备技术领域，提供了一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置及方法，该装置包括依次相连的样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱；各功能舱体可拆卸，各功能舱体之间通过球阀隔离或连通；样品电阻率测量电极模块为样品提供电极，用于样品电阻率的测量；数据处理器与样品保压抓取舱信号连接。本发明装置组合方便快捷；适用于多组样品的快速测量；填补了国内对天然气水合物保压取心储层原位样品电阻率测量装置的技术空白；具有广阔的应用前景。

Description

一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物探测及研究装备技术领域，特别涉及一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置及方法。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，主要分布于深海沉积物或陆地永久冻土中，是一种由天然气和水在保压低温下形成的特殊结晶物质。由于其特殊的笼状分子结构，1立方米天然气水合物在常温常压下可以释放164立方米天然气，具有相当高的开采价值及经济效益，因此它愈发成为新兴的清洁能源。据估计，我国南海天然气水合物的含量约为700亿吨油当量，相当于中国目前陆上石油、天然气资源总量的二分之一，因此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。天然气水合物在原始储层高压低温的环境中形成，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。近年来保压取心技术随着科技的进步不断发展，实验室有更多的机会测试在地下原始压力和温度状态下取得的天然气水合物岩心样品。在保压保温原位状态下分析天然气水合物储层岩心各种性质，比如电性，对于正确认识其在沉积层内储存形态，观察降压升温开采时的分解过程，合理地制定开发调整井方案、提高采收率有重要意义。因此开发相应的天然气水合物原位保压岩心分析系统就格外重要。

天然气水合物沉积层电学特性异于常规沉积层，比如中国南海天然气水合物主要赋存于泥质砂岩中保压开采上来的沉积物样品因为天然气水合物的存在，其电阻特性必定会随着温度、压力、水合物相态分布、水合物相态改变等参数变化而改变。因此对天然气水合物地层中和储层原位保压岩心进行电阻率测量，对于宏观勘探可燃冰储层、估算储量，微观掌握孔隙联通分布、水合物相态分布都有重要意义。

但目前我国缺乏直接针对天然气水合物保压取心储层原位样品电阻率的测量装置，制约了我们对天然气水合物储层物性的深入认识及水合物的勘探开发进程。本发明可以应用于天然气水合物的测量、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

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置。

本发明的技术方案如下：

一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，包括：

样品保压转移舱，用于样品的保压运输；

样品保压电阻率测量舱，用于样品电阻率的测量；

样品保压抓取舱，用于样品在所述样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱之间的移动；

压力控制装置，分别对所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱进行液压控制；压力保持和地层内相近的固定值；

样品电阻率测量电极模块，为样品提供电极，用于样品电阻率的测量；

所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱依次可拆卸连接；所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱之间均通过球阀隔离或连通；

所述数据处理器与样品保压抓取舱信号连接。数据处理器处理电极施加在岩心的电压和电流之间的关系；

进一步的，所述样品保压抓取舱内设置有：抓取装置、丝杆伸缩装置、定位装置、可视化装置；

所述抓取装置包括机械手，用于抓取样品；所述丝杆伸缩装置与所述抓取装置连接，实现样品在样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱的推、拉移动；所述定位装置实现机械手的定位；所述可视化装置包括耐高压摄像头和照明系统，位于机械手后端，方便操作样品；

所述样品保压抓取舱一端设置球阀，所述样品保压抓取舱与所述样品保压电阻率测量舱通过可拆卸法兰夹连接；

所述压力控制装置与所述样品保压抓取舱通过分支管路连通。

进一步的，所述样品保压转移舱内设置有卡紧装置；所述样品保压转移舱两端均设置球阀，所述样品保压转移舱与所述样品保压电阻率测量舱通过可拆卸法兰夹连接；所述压力控制装置与所述样品保压转移舱通过分支管路连通。

进一步的，所述卡紧装置采用手动螺丝使半圆形夹板上下移动以固定样品。

进一步的，所述样品保压电阻率测量舱内壁为绝缘层，由PEEK材料包裹；所述样品保压电阻率测量舱内设有卡紧装置，卡紧装置同样采用PEEK材料制成；所述样品保压电阻率测量舱两端均设置球阀；所述样品保压电阻率测量舱两端与所述样品保压转移舱、样品保压抓取舱分别通过可拆卸法兰夹连接；所述压力控制装置与所述样品保压电阻率测量舱通过支管路连通。

进一步的，所述样品电阻率测量电极模块包括2个带有丝杆伸缩装置的多孔银质电极片；电极片不接触样品一侧包裹氟橡胶套；丝杆外套有密封端盖，密封端盖在球阀打开后密封样品保压电阻率测量舱舱体；样品电阻率测量电极模块通过可拆卸法兰夹与样品保压电阻率测量舱连接。

进一步的，所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱均通过分支管路与蓄能器连接；所述分支管路上均设置有液压传感器，所述传感器与所述压力控制装置信号连接；所述储能器可对舱内进行压力补偿。

进一步的，当出现压力偏差时，通过蓄能器及分支管路上的截止阀调节压力。

本发明还提供了一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的方法，利用上述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置进行，具体包括：

步骤一、样品转移准备：将样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱通过密封法兰夹依次串联对接，球阀均设置为关闭状态；压力控制装置分别对样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱进行压力控制，达到压力平衡状态；打开除样品保压转移舱中最外侧球阀之外的所有球阀，此时样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱处于连通状态；

步骤二、样品转移：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，利用机械手抓取样品保压转移舱内的样品，并将样品移动至样品保压电阻率测量舱中；之后丝杆伸缩装置连同机械手移出样品保压电阻率测量舱，关闭所有球阀；将样品保压电阻率测量舱单独取出备用；

步骤三、样品电阻率测量：电阻率测量电极模块通过法兰夹连接于样品保压电阻率测量舱两侧，此时球阀均处于关闭状态；压力控制装置对样品保压电阻率测量舱内压力进行控制；之后打开保压测量舱两端球阀，打开电阻率测量电极模块的丝杆伸缩装置，控制两端丝杆伸缩装置将2个多孔银片电极向样品方向移动；待多孔银片电极接触到样品的岩心端面产生压力，且2组多孔银片电极压力相同后停止移动；数据处理器采集实验数据；实验完成后，两组多孔银片电极移出样品保压电阻率测量舱，关闭所有球阀；通过压力控制单元，泄掉样品保压测量舱球阀外侧的压力，打开法兰夹，移除电阻率测量电极模块。

进一步的，步骤三中，数据处理器为计算机，数据处理器采集的数据包括样品水合物合成分解过程中的电阻率参数。

本发明的有益效果为：将保压原位可燃冰岩心物理性质的测量装置模块化，通过直接在保压舱外加装各种功能模块实现不同物理性质的测量，操作程序简化，减少过多操作对岩心原位性质的扰动，提高实验数据真实性；采用样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱依次串联的连接方式，将各个装置模块化，组合方便快捷，采用通用转接口，扩大应用范围；适用于多组样品的快速测量；填补了国内对天然气水合物保压取心储层原位样品电阻率测量装置的技术空白；具有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置的结构示意图。

图2所示为实施例中样品保压抓取舱的结构示意图。

图3所示为实施例中样品保压转移舱的结构示意图。

图4所示为实施例中样品保压电阻率测量舱的结构示意图。

图5所示为实施例中样品电阻率测量电极模块结构示意图。

图6所示为样品转移过程示意图，其中(a)为在样品保压转移舱中抓取样品；(b)为丝杆伸缩装置及机械手退回样品保压抓取舱。

图7所示为样品电阻率测量过程示意图，其中(a)为样品电阻率测量电极模块与样品保压电阻率测量舱连接；(b)为电极片与样品接触；(c)为实验结束后电极片与样品分离。

其中：1-数据处理器；2-抓取装置；3-丝杆伸缩装置；4-可视化装置；5-卡紧装置；6-绝缘层；7-多孔银质电极；8-氟橡胶套；9-密封端盖。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明实施例一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，包括：样品保压转移舱，用于样品的保压运输；样品保压电阻率测量舱用于样品电阻率的测量；样品保压抓取舱用于样品在所述样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱之间的移动；压力控制装置分别对所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱进行液压控制；样品电阻率测量电极模块为样品提供电极，用于样品电阻率的测量；所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱依次可拆卸连接；所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱之间均通过球阀隔离或连通；所述数据处理器与样品保压抓取舱信号连接。

样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱可以采用多种形式实现。下述为一种优选方式：

样品保压抓取舱设有抓取装置2、丝杆伸缩装置3、定位装置、可视化装置4。该舱体端部设有球阀，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2主要包含机械手用于抓取样品保压转移舱中的天然气水合物样品；丝杆伸缩装置3与抓取装置2相连，实现样品在各个舱体中的推、拉移动；定位装置确定机械手的位置，例如可通过确定测量机械手前端至抓取舱体左端部的距离h来确定机械手位置，如图2所示，以确定样品在整个连接舱体中的位置；可视化装置4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；压力控制装置实现样品抓取舱内增压，与其他功能舱体压力平衡。

样品保压转移舱设有卡紧装置5。该舱体左右两端都设有球阀，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5用于卡紧样品，使得样品在运输过程中保持固定，例如卡紧装置5采用手动螺丝系统使半圆形夹板上下移动，如图3所示；压力控制装置可实现样品高压转移舱内增压，与其他功能舱体压力平衡。

样品保压电阻率测量舱设有卡紧装置5，舱体内壁为绝缘层6，由PEEK材料包裹。该舱体左右两端都设有球阀，可通过可拆卸的法兰夹与其他功能舱体密封连接。半圆形卡紧装置5用于卡紧样品，使得样品在测量过程中保持固定，采用手动螺丝系统使圆形夹板上下移动，如图4所示，卡紧装置5同样采用PEEK材料制成；压力控制装置是实现样品保压转移舱内增压，与其他功能舱体压力平衡。该舱体左右两端都设有球阀，可通过可拆卸的法兰夹与电阻率测量电极模块连接。

样品保压电阻率测量舱左右两侧还可分别与电阻率测量电极模块通过法兰夹连接，如图7(a)所示。

电阻率测量电极模块包括2个带有丝杆伸缩装置3的多孔银质电极片7，电极片7不接触样品一侧包裹氟橡胶套8；丝杆外套有密封端盖9，用于电极模块连接样品保压电阻率测量舱，球阀打开后密封舱体。电阻率测量电极模块可通过可拆卸的法兰夹与样品保压电阻率测量舱密封连接。当连接样品保压电阻率测量舱后，丝杆伸缩装置3带动银质电极片7在舱体内沿轴向移动；丝杆伸缩装置3上设有压力传感器，可以显示电极与样品岩心端面接触压力；丝杆装置内置电路，末端与数据处理器1相连。如图5所示。

数据处理器1的主要作用是实时采集样品水合物合成分解过程中的电阻率参数并进行相关的数据处理，得到水合物合成分解过程中电阻率参数与时间的关系变化规律。

上述的功能舱体(样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱)均连接压力(液压)控制装置，该压力(液压)控制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液压传感器，所述液压传感器通过传输线路连接到压力控制箱；液压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。

本发明实施例还提供了一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的方法，包括如下步骤：

步骤一、样品转移准备：将样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱样品保压电阻率测量舱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。打开液压控制装置通过各分支管路向保压取心转移装置中各功能舱室内加压力，通过各个功能舱体内的液压传感器来控制压力的增减，待各功能舱体与样品保压转移舱内的压力一致时，加压完毕，使得整个串联的各个功能舱体内压力平衡，之后打开除样品保压转移舱中最右侧球阀之外的所有球阀。

步骤二、样品转移：打开丝杆伸缩装置3、定位装置和可视化装置4，控制丝杆伸缩装置3将带有抓取装置2的丝杆向样品方向移动，通过定位装置确定抓取装置2的移动位置(图7a)，待抓取装置2靠近样品后，根据可视化装置4确定抓取装置2和样品的相互位置，利用机械手抓取保压转移舱内的样品，并将样品移动至样品保压电阻率测量舱中，之后丝杆伸缩装置3连同机械手移出样品保压电阻率测量舱，关闭所有球阀，将样品保压电阻率测量舱单独取出备用，具体过程示于图6。

步骤三、电阻率测量过程：分别两组电阻率测量电极模块通过法兰夹连于样品保压电阻率测量舱样品保压电阻率测量舱两侧(图7a)。此时球阀均处于关闭状态，打开压力控制装置通过分支管路向测量舱室加压，通过测量舱体内的液压传感器来控制压力的增减，待测量舱两端球阀内侧与外侧压力与样品保压电阻率测量舱样品保压电阻率测量舱内的压力一致时，加压完毕，使得整个串联的各个空间内压力平衡，之后打开保压测量舱两端球阀。打开两组电阻率测量电极模块的丝杆伸缩装置3，控制两端丝杆伸缩装置3将多孔银质电极7向样品方向移动，待电极接触到岩心端面产生压力，且两组电极压力相同后停止移动(图7b)。打开电路，数据采集处理器1开始工作。实验完成后，两组电极移出样品测量舱，关闭所有球阀(图7c)，通过压力控制单元，泄掉保压测量舱球阀外侧的压力，打开法兰夹，移除电极模块。

重复步骤一～步骤三，可实现多个样品的电阻率测量。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，包括：

样品保压转移舱，用于样品的保压运输；

样品保压电阻率测量舱，用于样品电阻率的测量；

样品保压抓取舱，用于样品在所述样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱之间的移动；

压力控制装置，分别对所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱进行液压控制；

样品电阻率测量电极模块，为样品提供电极，用于样品电阻率的测量；

所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱依次可拆卸连接；所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱之间均通过球阀隔离或连通；

所述样品电阻率测量电极模块包括2个带有第一丝杆伸缩装置的多孔银质电极片；电极片不接触样品的一侧包裹氟橡胶套；丝杆外套有密封端盖，密封端盖在球阀打开后密封样品保压电阻率测量舱舱体；样品电阻率测量电极模块通过可拆卸法兰夹与样品保压电阻率测量舱连接；

数据处理器与样品保压抓取舱信号连接。

2.如权利要求1所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，所述样品保压抓取舱内设置有：抓取装置、第二丝杆伸缩装置、定位装置、可视化装置；

所述抓取装置包括机械手，用于抓取样品；所述第二丝杆伸缩装置与所述抓取装置连接，实现样品在样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱的推、拉移动；所述定位装置实现机械手的定位；所述可视化装置包括耐高压摄像头和照明系统，位于机械手后端，方便操作样品；

所述样品保压抓取舱一端设置球阀，所述样品保压抓取舱与所述样品保压电阻率测量舱通过可拆卸法兰夹连接；

所述压力控制装置与所述样品保压抓取舱通过分支管路连通。

3.如权利要求1所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，所述样品保压转移舱内设置有卡紧装置；所述样品保压转移舱两端均设置球阀，所述样品保压转移舱与所述样品保压电阻率测量舱通过可拆卸法兰夹连接；所述压力控制装置与所述样品保压转移舱通过分支管路连通。

4.如权利要求3所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，所述卡紧装置采用手动螺丝使半圆形夹板上下移动以固定样品。

5.如权利要求1所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，所述样品保压电阻率测量舱内壁为绝缘层，由PEEK材料包裹；所述样品保压电阻率测量舱内设有卡紧装置，卡紧装置同样采用PEEK材料制成；所述样品保压电阻率测量舱两端均设置球阀；所述样品保压电阻率测量舱两端与所述样品保压转移舱、样品保压抓取舱分别通过可拆卸法兰夹连接；所述压力控制装置与所述样品保压电阻率测量舱通过分支管路连通。

6.如权利要求1-5任一项所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，所述样品保压转移舱、样品保压电阻率测量舱、样品保压抓取舱均通过分支管路与蓄能器连接；所述分支管路上均设置有液压传感器，所述传感器与所述压力控制装置信号连接。

7.如权利要求6所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置，其特征在于，当出现压力偏差时，通过蓄能器及分支管路上的截止阀调节压力。

8.一种测量天然气水合物保压取心样品电阻率的方法，其特征在于，利用如权利要求1-7任一项所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的装置进行，具体包括：

步骤一、样品转移准备：将样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱通过密封法兰夹依次串联对接，球阀均设置为关闭状态；压力控制装置分别对样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱进行压力控制，达到压力平衡状态；打开除样品保压转移舱中最外侧球阀之外的所有球阀，此时样品保压抓取舱、样品保压转移舱和样品保压电阻率测量舱处于连通状态；

步骤二、样品转移：控制第二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，利用机械手抓取样品保压转移舱内的样品，并将样品移动至样品保压电阻率测量舱中；之后第二丝杆伸缩装置连同机械手移出样品保压电阻率测量舱，关闭所有球阀；将样品保压电阻率测量舱单独取出备用；

步骤三、样品电阻率测量：电阻率测量电极模块通过法兰夹连接于样品保压电阻率测量舱两侧，此时球阀均处于关闭状态；压力控制装置对样品保压电阻率测量舱内压力进行控制；之后打开保压测量舱两端球阀，打开电阻率测量电极模块的第一丝杆伸缩装置，控制两端第一丝杆伸缩装置将2个多孔银片电极向样品方向移动；待多孔银片电极接触到样品的岩心端面产生压力，且2组多孔银片电极压力相同后停止移动；数据处理器采集实验数据；实验完成后，两组多孔银片电极移出样品保压电阻率测量舱，关闭所有球阀；通过压力控制单元，泄掉样品保压测量舱球阀外侧的压力，打开法兰夹，移除电阻率测量电极模块。

9.如权利要求8所述的测量天然气水合物保压取心样品电阻率的方法，其特征在于，步骤三中，数据处理器为计算机，数据处理器采集的数据包括样品水合物合成分解过程中的电阻率参数。

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