CN110261259A

CN110261259A - 水合物溶解度的测量装置和测量方法

Info

Publication number: CN110261259A
Application number: CN201910576558.7A
Authority: CN
Inventors: 高永海; 王迪; 陈野; 姚旺; 周有为; 尹法领; 孙宝江
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110261259B

Abstract

本发明涉及水合物物性测量领域，具体地涉及一种水合物溶解度的测量装置和测量方法。该水合物溶解度的测量装置包括：反应单元包括第一调节机构以及具有出口的反应壳体，第一调节机构设置为能封盖反应壳体并与反应壳体形成容积可调的容纳腔，出口设置为通过第一调节机构的移动以与容纳腔连通或者隔断；取样单元包括第二调节机构以及具有入口的取样壳体，入口与出口连通，第二调节机构设置为能封盖取样壳体并与取样壳体的具有入口的部分形成容积可调的取样腔；测量单元包括温压测量计和体积测量仪；调温单元设置为能调节容纳腔和取样腔的温度。该测量装置能够用于测量水合物的溶解度，通过实验的方式实现了测量水合物在不同温压条件下的溶解度。

Description

水合物溶解度的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及水合物物性测量领域，具体地涉及一种水合物溶解度的测量装置和测量方法。

背景技术

水合物是一种由主体分子(水分子以氢键相互连接为笼型结构)与客体分子(气体或液体)组成的晶体状混合物。在自然界中，常见的是天然气水合物(其中，客体分子主要为甲烷，伴随少量乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、硫化氢等组分)，该水合物具有储量丰富、分布广泛、能量密度高、燃烧后污染较小等特点，因此被当作极具潜力的可替代性清洁能源，受到了全世界范围的广泛关注。但是，水合物通常对环境温度、压力较为敏感，在受到外界扰动时，水合物会在气、液、固三相之间发生相态转化，导致难以预测水合物在不同体系尤其是多孔介质内的流动规律，甚至在生产作业过程中存在诸多安全隐患；此外，虽然水合物的溶解能力并不强，但在储层中会对孔隙的结构、渗流能力、其他物质的溶解能力产生不容忽视的影响，甚至会随着地下水流动，从而实现一定程度上的开采。

在对水合物的溶解性能的研究过程中，存在以下几个难题：首先，水合物常常需要高压、低温才能维持稳定，常规物质溶解度的测量手段难以满足其苛刻环境条件，一旦水合物在测量过程中发生相变，就会影响其溶解效果；其次，水合物在液相体系或多孔介质中往往会有伴生流体(以伴生气为主)存在，伴生流体在特定的温压条件下也具有一定的溶解能力，其相态、组分、浓度等性质都会干扰各类物质在溶剂中的饱和程度，从而影响水合物相应的溶解能力；还有，固态水合物颗粒的微溶性质也对测量的精确度提出了较高的要求。因此，目前国内外针对水合物溶解性能的相关研究较少，对含水合物体系内的客体分子溶解度也主要依赖理论模型计算，均没有相对完善、可靠的测量装置及方法，造成研究水合物的相关问题缺少有力地实验理论依据。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺乏精确测量装置和方法来通过实验研究水合物的溶解性能而导致的水合物相关研究缺少实验指导依据的问题，提供一种水合物溶解度的测量装置和测量方法，该测量装置能够用于测量水合物及其客体分子的溶解度，从而实现了通过实验的方式测量水合物在不同温压条件下的溶解度，为水合物的实际开采作业提供了有力地理论指导依据，并且为精确测量水合物相变提供实验测量依据，提高了在开采水合物的实际作业时的安全性。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种水合物溶解度的测量装置，所述测量装置包括：

反应单元，所述反应单元包括第一调节机构以及具有出口的反应壳体，所述第一调节机构设置为能够封盖所述反应壳体并且贴合所述反应壳体的内壁移动，以与所述反应壳体形成容积可调的容纳腔，所述出口设置为通过所述第一调节机构的移动以与所述容纳腔连通或者隔断；

取样单元，所述取样单元包括第二调节机构以及具有入口的取样壳体，所述入口与所述出口连通，所述第二调节机构设置为能够封盖所述取样壳体并且贴合所述取样壳体的内壁移动，以与所述取样壳体的具有所述入口的部分形成容积可调的取样腔；

测量单元，所述测量单元包括温压测量计和体积测量仪，所述温压测量计分别设置在所述容纳腔和取样腔并且能够相应地实时测量所述容纳腔内的温度和压强以及所述取样腔内的温度和压强，所述体积测量仪设置为能够分别测量所述取样腔中的气体体积和液体体积；

调温单元，所述调温单元设置为能够调节所述容纳腔和所述取样腔的温度。

可选的，所述第一调节机构包括第一伸缩件和第一调节件，所述第一调节件封盖所述反应壳体，以与所述反应壳体形成所述容纳腔，所述第一伸缩件的一端安装于所述反应壳体，所述第一伸缩件的另一端止挡于所述第一调节件，所述第一伸缩件设置为能够进行伸缩运动以带动所述第一调节件移动。

可选的，所述第一调节机构包括设置在所述容纳腔内的过滤件，所述过滤件设置为能够使流经的液体进行过滤处理后排出所述出口。

可选的，所述反应壳体设置为圆筒结构，所述反应单元包括沿所述反应壳体的长度方向间隔设置的两组所述第一调节机构，以使得所述反应壳体与两组所述第一调节机构能够共同形成所述容纳腔。

可选的，所述第二调节机构包括第二伸缩件和第二调节件，所述第二调节件封盖在所述取样壳体内，以与所述取样壳体形成所述取样腔，所述第二伸缩件的一端安装于所述取样壳体，所述第二伸缩件的另一端止挡于所述第二调节件，所述第二伸缩件设置为能够进行伸缩运动以带动所述第二调节件移动。

可选的，所述反应单元包括连通管以及用于控制所述连通管的通断的第一阀门，所述连通管的两端分别与所述出口以及所述入口连通。

可选的，所述连通管内设置有过滤结构。

可选的，所述测量装置包括以下几种形式中的至少一种：

形式一：所述反应单元包括气源、液源和泵送装置，所述反应壳体包括分别与所述容纳腔连通的入液口和入气口，所述泵送装置可通断地连接于所述入液口并且设置为能够将所述液源内的液体泵送到所述入液口，所述泵送装置可通断地连接于所述入气口并且设置为能够将所述气源内的气体泵送到所述入气口；

形式二：所述反应壳体的用于形成为所述容纳腔的侧壁上设置有可视窗；

形式三：所述反应壳体安装在所述旋转天平上；

形式四：所述反应单元包括设置在所述容纳腔内的搅拌件。

本发明第二方面提供了一种水合物溶解度的测量方法，所述测量方法采用所述的水合物溶解度的测量装置进行实验，所述容纳腔储放有体积为V_gi的客体气体以及体积为V_li的主体液体，所述测量方法包括以下步骤：

S1：调节所述调温单元和第一调节机构，使得所述容纳腔调节至温度为T_i以及压强为P_i，并且出口与所述容纳腔始终处于隔断状态，静置以使得所述客体气体充分溶解在所述主体液体中；

S2：调节所述调温单元和第一调节机构，使得所述容纳腔调节至生成所述水合物的相变条件，以生成所述水合物，待所述容纳腔内的温度和压强稳定后，得到所述客体气体和水合物溶解于所述主体液体中所形成的混合液；

S3：调节所述第一调节机构，使得所述出口与所述容纳腔切换为连通状态，以使得所述容纳腔内的所述混合液流入到所述取样腔，同时调节所述第二调节机构，以维持所述容纳腔内的压强不变；

S4：将所述出口与容纳腔调节为隔断状态，并且对所述取样壳体进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gd以及所述气液分离得到的液体为V_ld，其中，气液分离得到的气体为所述水合物的分解气以及所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；

S5：根据公式V_gdg＝V_ld×s_g，计算所述混合液中溶解的客体气体的体积V_gdg，其中，s_g指步骤S1所在温压条件下对应的所述客体气体的溶解度；

S6：根据公式V_hd＝V_gdh/N＝(V_gd–V_gdg)/N，计算所述混合液中溶解的水合物的体积V_hd，其中，N为水合系数；

S7：根据公式s_h＝V_hd/V_ld×100％，计算步骤S1所在温压条件下对应的所述水合物的溶解度。

可选的，步骤S5中的s_g是通过以下两种方法中的任意一种测得：

方法一：

S11：所述反应壳体设置为横截面为S的圆筒结构，在步骤S2之前，测量所述容纳腔中所存在的所述客体气体的高度为H；

S12：根据真实气体状态方程P_iV＝Zn_geRT_i以及体积公式V＝SH，计算得到所述容纳腔内残余的所述客体气体的物质的量n_ge，其中，Z为所述客体气体A的压缩因子；V为在步骤S1中所述客体气体溶解于所述主体液体中的溶解体积；R为理想气体常数。

S13：根据公式V_ge＝n_geV_m以及公式△V_g＝V_gi-V_ge，计算得到标况下所述容纳腔内溶解的所述客体气体的体积V_ge，其中，V_m为标况下的气体摩尔体积；

S14：根据公式s_g＝△V_g/V_li×100％，计算得到所述客体气体的溶解度s_g。

方法二：

S21：在S1步骤以后，直接进行步骤S3的操作；

S22：将所述出口与所述容纳腔调节为隔断状态，并且对所述取样壳体进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gse以及所述气液分离得到的液体为V_lse，其中，气液分离得到的气体为所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；

S23：根据公式s_g＝V_gse/V_lse×100％，计算得到所述客体气体的溶解度s_g。

可选的，在步骤S1之前，向所述容纳腔内填充泥砂，随着步骤S1中调节所述第一调节机构，使得所述反应壳体和第一调节机构共同压实所述泥砂以形成多孔介质体系。

通过上述技术方案，本发明提供的一种水合物溶解度的测量装置，该测量装置能够用于测量水合物的溶解度，从而实现了通过实验的方式测量水合物在不同温压条件下的溶解度，为水合物的实际开采作业提供了有力地理论指导依据，提高了在开采水合物的实际作业时的安全性。

附图说明

图1是本发明提供的一种水合物溶解度的测量装置的结构示意图；

图2是本发明提供的连通管的结构示意图。

附图标记说明

1、反应壳体，101、入液口，102、入气口，103、可视窗，104、上部第一调节件，105、下部第一调节件，106、上部过滤件，107、下部过滤件，108、上部第一伸缩件，109、下部第一伸缩件，110、调节装置，111、出口，112、过滤结构，113、核磁共振成像装置，114、数据采集点，115、第一压力传感器，116、第二温度传感器，117、旋转天平，118、搅拌件，119、容纳腔，120、第一调节机构，121、连通管，2、取样壳体，201、入口，203、排出口，204、第二伸缩件，205、第二调节件，206、第二压力传感器，207、第二温度传感器，208、回收计量气囊，209、流量计，210、取样腔，211、第二调节机构，3、高速摄像机，4、气源，5、液源，6、泵送装置，701、第一背压阀，702、第二背压阀，801、第一阀门，802、第二阀门，803、第三阀门，804、第四阀门，805、第五阀门，806、第六阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明第一方面提供了一种水合物溶解度的测量装置，如图1和2所示，所述测量装置包括：反应单元，所述反应单元包括第一调节机构120以及具有出口111的反应壳体1，所述第一调节机构120设置为能够封盖所述反应壳体1并且贴合所述反应壳体1的内壁移动，以与所述反应壳体1形成容积可调的容纳腔119，所述出口111设置为通过所述第一调节机构120的移动以与所述容纳腔119连通或者隔断；取样单元，所述取样单元包括第二调节机构211以及具有入口201的取样壳体2，所述入口201与所述出口111连通，所述第二调节机构211设置为能够封盖所述取样壳体2并且贴合所述取样壳体2的内壁移动，以与所述取样壳体2的具有所述入口201的部分形成容积可调的取样腔210；测量单元，所述测量单元包括温压测量计和体积测量仪，所述温压测量计分别设置在所述容纳腔119和取样腔210并且能够相应地实时测量所述容纳腔119内的温度和压强以及所述取样腔210内的温度和压强，所述体积测量仪设置为能够分别测量所述取样腔210中的气体体积和液体体积；调温单元，所述调温单元设置为能够调节所述容纳腔119和所述取样腔210的温度。其中，调温单元可以设置为各种合理形式，例如，冷库，则上述的反应单元、取样单元和测量单元均设置在冷库中以便于调整水合物和主体液体的温度；温压测量仪包括第一温压测量仪和第二温压测量仪，其中，第一温压测量仪设置在所述容纳腔119并且包括第二温度传感器116和第一压力传感器115，以用于相应地实时测量所述容纳腔119内的温度和压强，第二温压测量仪设置在取样腔210并且包括第二温度传感器207和第二压力传感器206，以用于相应地实时测量取样腔210内的温度和压强；进一步的，为了准确测量容纳腔内的温度和压力，第一温压测量仪可以设置有多个数据采集点114。

通过上述技术方案，本发明提供的一种水合物溶解度的测量装置，该测量装置能够用于测量水合物及其客体分子的溶解度，从而实现了通过实验的方式测量水合物在不同温压条件下的溶解度，为水合物的实际开采作业提供了有力地理论指导依据，并且为精确测量水合物相变提供实验测量依据，提高了在开采水合物的实际作业时的安全性。

为了实现第一调节机构120能够自如地移动以调节容纳腔119的容积，所述第一调节机构120包括第一伸缩件和第一调节件，所述第一调节件封盖所述反应壳体1，以与所述反应壳体1形成所述容纳腔119，所述第一伸缩件的一端安装于所述反应壳体1，所述第一伸缩件的另一端止挡于所述第一调节件，所述第一伸缩件设置为能够进行伸缩运动以带动所述第一调节件移动。使用时，调节第一伸缩件进行伸长运动，以带动第一调节件远离反应壳体1的用于安装第一伸缩件的部分侧壁，进而压缩容纳腔119的容积；反之，当第一伸缩件进行收缩运动时，容纳腔119的容积相应地增加。

在反应壳体中，为了保证水合物能够在主体液体中溶解饱和，需要在反应壳体中制备过量的水合物，这样，待水合物在主体液体中充分溶解后，反应壳体中仍会残留一些固体水合物不能溶解。此时，为了保证取样单元对水合物的溶解度测量精准性，取样单元需要针对性的对溶解有水合物的饱和溶液进行取样操作，并且在取得的样品中应该避免掺杂有残留的固体水合物，为此，所述第一调节机构120包括设置在所述容纳腔119内的过滤件，所述过滤件设置为能够使流经的液体进行过滤处理后排出所述出口111，以过滤掉固体水合物，保证了取样单元的样品无固态杂质。

为了能够更灵活地调节容纳腔119的压强，可以通过设置双第一调节机构120来快速调整容纳腔119的容积实现。例如，如图1所示，所述反应壳体1设置为圆筒结构，所述反应单元包括沿所述反应壳体1的长度方向间隔设置的两组所述第一调节机构120，以使得所述反应壳体1与两组所述第一调节机构120能够共同形成所述容纳腔119，通过将反应壳体1设置为圆筒结构，可以通过直尺等测量工具快速测得两组第一调节机构的调节高度，以便于快速计算得到容纳腔的总容积。根据本发明的一种具体实施方式，两组第一调节机构120分别为上下间隔设置的上部第一调节机构和下部第一调节机构，其中，上部第一调节机构包括上部第一调节件104和上部第一伸缩件108，下部第一调节机构包括下部第一调节件105和下部第一伸缩件109。使用时，首先，可以通过调节上部第一调节机构和/或下部第一调节机构来控制容纳腔119的容积以调节容纳腔119的压强，例如，通过缩小容纳腔119的容积，以增大容纳腔119内的压强，具体操作可以为，调节上部第一伸缩件108和下部第一伸缩件109同时进行伸长运动，以分别带动上部第一调节件104向下移动以及下部第一调节件105向上移动，也就是，使得上部第一调节件104和下部第一调节件105之间彼此靠近以缩小容纳腔119的容积，增大容纳腔119内的压强，当然，也可以通过单独调节上部第一伸缩件108进行伸长运动或者是下部第一伸缩件109进行伸长运动来实现；可以理解的是，还可以通过增加容纳腔119的容积，以减小容纳腔119内的压强，具体操作可以为，调节上部第一伸缩件108和下部第一伸缩件109同时进行缩短运动，容纳腔119内的压强也相应地减少，当然，也可以通过单独调节上部第一伸缩件108进行缩短运动或者是下部第一伸缩件109进行缩短运动来实现；此外，当上部第一伸缩件108进行伸长运动，同时下部第一伸缩件109进行缩短运动，并且上部第一伸缩件108的伸长量和下部第一伸缩件109的缩短量始终保持一致，则容纳腔119内的压强保持不变，例如，在通过第一调节机构120调节出口111和容纳腔119之间连通或者隔断的过程中，采用上述方式调节，以使得容纳腔的容积不变并且处于恒压状态，从而实现了容纳腔内的主体液体所溶解的客体气体和/或水合物的溶解度始终保持不变，进而使得取样单元中取得的样品能够与容纳腔内的主体液体中所溶解的客体气体和/或水合物的溶解度保持一致，提高实验的精准性。当然，上部第一调节件104和下部第一调节件105可以沿反应壳体的径向设置，以便于测量和计算容纳腔的容积。值得一提的是，反应单元还可以相应地设置为两组过滤件，例如，分别为上部过滤件106和下部过滤件107，以避免容纳腔内的固体杂质(例如，不能溶解在主体液体中的水合物)流经出口111进入到取样腔中。其中，该过滤件可以设置为各种合理形式，例如，采用耐腐蚀、耐高压、渗透率低的超低渗烧结板。使用时，在下部第一调节机构调节出口111和容纳腔119之间隔断时，可以用于进行在反应壳体内添加主体液体和客体气体的操作以及填充泥砂的操作；然后，通过调节上部第一调节机构，以调节容纳腔的容积，使得容纳腔处于预定压强；在该预定压强下，使得客体气体充分溶解到主体液体中，或者是，使得主体液体和客体气体生产水合物并且该水合物充分溶解到主体液体中；随后，同时调节上部第一调节机构和下部第一调节机构进行同步下移，以使得容纳腔始终保持为该预定压强不变(容纳腔的体积保持不变)，直至下部第一调节机构的下部第一调节件105移动至略低于出口111的位置，以使得出口111和容纳腔119由原来的隔断状态变换为连通状态，此时，下部过滤件107随着下部第一调节件105移动至出口111的略上方，以便于对流入出口的液体进行过滤处理；待取样腔中取得适量的样品时，再次同时调节上部第一调节机构和下部第一调节机构进行同步上移，以使得出口111和容纳腔119由连通状态变换为隔断状态，以使得取样腔中的样品进行测量操作时不受反应壳体内液体的影响。为了使得下部第一调节件移动至略低于出口111的位置时，下部过滤件107能够移动至出口111的略上方，例如，可以在下部第一调节件和下部过滤件107两者之间设置支架，通过预先计算这两者需要保持的距离来进行设计，结构简单，安装方便；优选地，反应单元还包括设置在上部第一调节件104和下部第一调节件105之间的两组调节装置110，两组调节装置110分别设置在上部过滤件106和下部过滤件107处，以便于用于移动和固定上部过滤件106和下部过滤件107的位置；具体的，该调节装置110包括插杆、滑轨和固定结构，插杆的一端与过滤件连接，插杆的另一端密封的穿出反应壳体并且与滑轨活动连接，插杆设置为能够沿滑轨的延伸方向(例如，竖直方向)移动并且始终与反应壳体密封连接(例如，可以通过设置密封垫等各种合理的密封结构来实现)，并且插杆的另一端能够通过固定结构固定在反应壳体的外壁；使用时，手动调节插杆的另一端相对于反应壳体的位置，以通过插杆带动过滤件在容纳腔内上下移动。值得一提的是，可以通过称重反应壳体的差值的方式，以求得生成水合物晶体的质量，具体的，先称量反应壳体的初始重量，在容纳腔调节至水合物生成的相变条件时，控制上部过滤件贴合上部第一调节件的底壁设置并且下部过滤件贴合下部第一调节件的底壁设置，以使得生成的水合物均落在上部过滤件和下部过滤件之间；然后，维持在水合物的高压低温相平衡条件下，控制上部过滤件和下部过滤件以使得生成的水合物颗粒位于上部过滤件和下部过滤件之间，迅速注入既不溶解客体气体也不溶于主体液体的其他液体，以驱替原有的混合液(包括主体液体以及溶解在主体液体中的客体气体)；随后，称量反应壳体的最终重量，以计算得到反应壳体的重量差。

为了实现第二调节机构211能够自如地移动以调节取样腔210的容积，所述第二调节机构211包括第二伸缩件204和第二调节件205，所述第二调节件205封盖在所述取样壳体2内，以与所述取样壳体2形成所述取样腔210，所述第二伸缩件204的一端安装于所述取样壳体2，所述第二伸缩件204的另一端止挡于所述第二调节件205，所述第二伸缩件204设置为能够进行伸缩运动以带动所述第二调节件205移动。具体的操作原理和操作方法，可以参照第一调节机构120。

为了保证液体能够从容纳腔稳定地流入到取样腔，如图1和2所示，所述反应单元包括连通管121以及用于控制所述连通管121的通断的第一阀门，所述连通管121的两端分别与所述出口111以及所述入口201连通。使用时，出口111和容纳腔119由隔断状态变换为连通状态时，打开第一阀门，使得溶解有客体气体和/或水合物的主体液体能够顺利地从容纳腔经过连通管121的缓冲作用流入取样腔。其中，为了避免液体从取样腔回流到容纳腔中，第一阀门可以设置为第五阀门805(即为普通开关阀)和第一背压阀701的组合形式；为了控制流入到取样腔内的液体量，可以在连通管上设置流量计209，以便于直观精确地得到取样腔内的样品总量。

为了保证取样腔内液体的洁净度，彻底过滤流入取样腔内的液体中所掺杂的固体杂质，所述连通管121内设置有过滤结构112，以便于对流入取样腔内的液体进行二次过滤。其中，过滤结构112可以设置为各种合理结构，例如，可以采用耐腐蚀、耐高压、渗透率低的超低渗烧结板，还可以设置为双层结构，如图2所示，两个超低渗烧结板分别设置在连通管的入口侧和出口侧。

为了便于在反应壳体的容纳腔内分别添加适量的主体液体和客体气体，反应单元包括加料结构，例如，所述反应单元包括气源4、液源5和泵送装置6，所述反应壳体1包括分别与所述容纳腔119连通的入液口101和入气口102，所述泵送装置6可通断地连接于所述入液口101并且设置为能够将所述液源5内的液体泵送到所述入液口101，所述泵送装置6可通断地连接于所述入气口102并且设置为能够将所述气源4内的气体泵送到所述入气口102。进一步的，入液口101设置在反应壳体的上方，入气口102设置在反应壳体的下方，以便于利用气液密度差异使得气液混合更为均匀；为了上述加料结构在完成添加主体液体和客体气体的加料操作以后能够与容纳腔处于隔断状态，以使得容纳腔处于密封状态，则在泵送装置6和入液口101之间的管道上设置第三阀门803，在泵送装置6和入气口102之间的管道上设置第四阀门804，当然，还可以在液源5与泵送装置6之间的管道上设置第一阀门801，在气源4与泵送装置6之间的管道上设置第二阀门802。使用时，在标况下，先打开第一阀门801和第三阀门803，通过泵送装置6向容纳腔内注入液源5内主体液体，并将容纳腔内的原有气体全部排出；随后，打开第二阀门802和第四阀门804，向容纳腔内注入气源4内的客体气体，驱替预设好的部分主体液体。

为了促进容纳腔内的水合物的生成，反应单元包括设置在所述容纳腔119内的搅拌件118；和/或，反应壳体1安装在所述旋转天平117上。其中，该搅拌件118可以设置为磁悬浮搅拌转子。使用时，通过旋转天平117令反应壳体不断地剧烈旋转震荡，同时搅拌件118搅拌(填充泥砂时不用)，有利于加快水合物的生成速率，还能使水合物与客体气体均不发生溶解，以提高水合物的产量。

为了观测反应壳体的容纳腔内的水合物的生成进度，反应壳体1的用于形成为所述容纳腔119的侧壁上设置有可视窗103，以便于通过人为凭经验认定不再生成水合物的时机。进一步的，如图1所示，可以在可视窗103附件安装高速摄像机3，以便于记录容纳腔内的水合物生成情况；如图1所示，还可以在反应壳体的底壁和下部第一调节件之间所形成的空间内安装核磁共振成像装置113，以便于实时观测容纳腔内的水合物生成情况。

本发明提供了一种水合物溶解度的测量方法，所述测量方法采用所述的水合物溶解度的测量装置进行实验，所述容纳腔119储放有体积为V_gi的客体气体以及体积为V_li的主体液体，所述测量方法包括以下步骤：

S1：调节所述调温单元和第一调节机构120，使得所述容纳腔119调节至温度为T_i以及压强为P_i，并且出口111与所述容纳腔119始终处于隔断状态，静置以使得所述客体气体充分溶解在所述主体液体中；其中，压强P_i指的是容纳腔内的气体压强；

S2：调节所述调温单元和第一调节机构120，使得所述容纳腔119调节至生成所述水合物的相变条件，以生成所述水合物，待所述容纳腔119内的温度和压强稳定后，得到所述客体气体和水合物溶解于所述主体液体中所形成的混合液；此外，还可以通过人为观察以辅助判断停止生成水合物的时机，例如，在静置足够长时间后，从可视窗观察不到新的水合物生成时，即可判断水合物不再生成；

S3：调节所述第一调节机构120，使得所述出口111与所述容纳腔119切换为连通状态，以使得所述容纳腔119内的所述混合液流入到所述取样腔210，同时调节所述第二调节机构211，以维持所述容纳腔119内的压强不变；此外，调节下部过滤件移动至略高于出口的位置处；值得一提的是，在步骤S3中(或者说，在步骤S2中，待容纳腔119内的温度和压强稳定后)，需要保证混合液所处环境的温度和压强保持不变，可以通过控制冷库调节温度不变，此外，在出口111与所述容纳腔119切换为连通状态时，可以同时调节第一调节机构120和第二调节机构211，以使得取样腔和容纳腔的总容积(如果设置有连通管，则也包括连通管的容积)与容纳腔在步骤S2中的温度和压强稳定后的容积保持一致，此时认为混合液所处环境中的温压不改变，未发生明显扰动；可以理解的是，此时，残余的客体气体漂浮在容纳腔的顶部，水合物固体颗粒固定在上部过滤件和下部过滤件之间；

S4：将所述出口111与容纳腔119调节为隔断状态，并且对所述取样壳体2进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gd以及所述气液分离得到的液体为V_ld，其中，气液分离得到的气体为所述水合物的分解气以及所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；进一步的，取样单元包括回收计量气囊208，回收计量气囊208与取样壳体的顶部排出口203连通，并且设置在两者之间的管路上安装有第二背压阀702和第六阀门806；更进一步地，可以将第二调节机构设置在取样腔的底部，这样，在气液分离前，关闭第二背压阀702和第六阀门806，在气液分离后，开启第二背压阀702和第六阀门806，通过调节第二调节件上移以使得气液分离得到的气体全部进入到回收计量气囊208中进行体积测量，通过体积测量仪测量气液分离得到的液体的体积，具体的，可以将取样壳体2设置为圆筒结构(横截面已知)，通过体积测量仪(例如，直尺等测量工具)测量取样腔在只容纳气液分离得到的液体时的高度，可以通过计算得到液体的体积；

S7：根据公式s_h＝V_hd/V_ld×100％，计算步骤S1所在温压条件下对应的所述水合物的溶解度。当然，还可以改变各种实验条件进行重复实验，例如，可改变的实验条件包括：壳体气体的组分以及浓度、主体液体组分和浓度、温度条件和压力条件等，以求得不同条件下的水合物及其客体气体的溶解度。

进一步的，步骤S5中的s_g是通过以下两种方法中的任意一种测得：

方法一：

S11：所述反应壳体1设置为横截面为S的圆筒结构，在步骤S2之前，测量所述容纳腔119中所存在的所述客体气体的高度为H；

S12：根据真实气体状态方程P_iV＝Zn_geRT_i以及体积公式V＝SH，计算得到所述容纳腔119内残余的所述客体气体的物质的量n_ge，其中，Z为所述客体气体A的压缩因子；V为在步骤S1中所述客体气体溶解于所述主体液体中的溶解体积；R为理想气体常数；此时，假定液体不可压缩且体积不变；

S13：根据公式V_ge＝n_geV_m以及公式△V_g＝V_gi-V_ge，计算得到标况下所述容纳腔119内溶解的所述客体气体的体积V_ge，其中，V_m为标况下的气体摩尔体积；

方法二：

S21：在S1步骤以后，直接进行步骤S3的操作；也就是说，此时并不存在水合物的生成，客体气体分成两部分，一部分溶解在主体液体中以形成饱和混合液，一部分仍漂浮在反应壳体的顶部；

S22：将所述出口111与所述容纳腔119调节为隔断状态，并且对所述取样壳体2进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gse以及所述气液分离得到的液体为V_lse，其中，气液分离得到的气体为所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；

值得一提的是，上述的水合物溶解度的测量装置以及测量方法还适用于多孔介质体系下。例如，在步骤S1之前，向所述容纳腔119内填充泥砂，随着步骤S1中调节所述第一调节机构120，使得所述反应壳体1和第一调节机构120共同压实所述泥砂以形成多孔介质体系。根据本发明的一些具体实施方式，可以通过下述操作步骤来实现：先提前在反应壳体1内填入预设量的泥砂，然后，通过上部第一调节机构和下部第一调节机构分别带动上部过滤件和下部过滤件沿靠近彼此的方向移动，以压实该泥砂储层，再利用调节装置110固定上部过滤件和下部过滤件，随后，向容纳腔内缓慢注入客体气体和主体液体，此后，则可以进行步骤S1的具体操作。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

反应单元，所述反应单元包括第一调节机构(120)以及具有出口(111)的反应壳体(1)，所述第一调节机构(120)设置为能够封盖所述反应壳体(1)并且贴合所述反应壳体(1)的内壁移动，以与所述反应壳体(1)形成容积可调的容纳腔(119)，所述出口(111)设置为通过所述第一调节机构(120)的移动以与所述容纳腔(119)连通或者隔断；

取样单元，所述取样单元包括第二调节机构(211)以及具有入口(201)的取样壳体(2)，所述入口(201)与所述出口(111)连通，所述第二调节机构(211)设置为能够封盖所述取样壳体(2)并且贴合所述取样壳体(2)的内壁移动，以与所述取样壳体(2)的具有所述入口(201)的部分形成容积可调的取样腔(210)；

测量单元，所述测量单元包括温压测量计和体积测量仪，所述温压测量计分别设置在所述容纳腔(119)和取样腔(210)并且能够相应地实时测量所述容纳腔(119)内的温度和压强以及所述取样腔(210)内的温度和压强，所述体积测量仪设置为能够分别测量所述取样腔(210)中的气体体积和液体体积；

调温单元，所述调温单元设置为能够调节所述容纳腔(119)和所述取样腔(210)的温度。

2.根据权利要求1所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述第一调节机构(120)包括第一伸缩件和第一调节件，所述第一调节件封盖所述反应壳体(1)，以与所述反应壳体(1)形成所述容纳腔(119)，所述第一伸缩件的一端安装于所述反应壳体(1)，所述第一伸缩件的另一端止挡于所述第一调节件，所述第一伸缩件设置为能够进行伸缩运动以带动所述第一调节件移动。

3.根据权利要求2所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述第一调节机构(120)包括设置在所述容纳腔(119)内的过滤件，所述过滤件设置为能够使流经的液体进行过滤处理后排出所述出口(111)。

4.根据权利要求3所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述反应壳体(1)设置为圆筒结构，所述反应单元包括沿所述反应壳体(1)的长度方向间隔设置的两组所述第一调节机构(120)，以使得所述反应壳体(1)与两组所述第一调节机构(120)能够共同形成所述容纳腔(119)。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述第二调节机构(211)包括第二伸缩件(204)和第二调节件(205)，所述第二调节件(205)封盖在所述取样壳体(2)内，以与所述取样壳体(2)形成所述取样腔(210)，所述第二伸缩件(204)的一端安装于所述取样壳体(2)，所述第二伸缩件(204)的另一端止挡于所述第二调节件(205)，所述第二伸缩件(204)设置为能够进行伸缩运动以带动所述第二调节件(205)移动。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述反应单元包括连通管(121)以及用于控制所述连通管(121)的通断的第一阀门，所述连通管(121)的两端分别与所述出口(111)以及所述入口(201)连通。

7.根据权利要求6所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述连通管(121)内设置有过滤结构(112)。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的水合物溶解度的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括以下几种形式中的至少一种：

形式一：所述反应单元包括气源(4)、液源(5)和泵送装置(6)，所述反应壳体(1)包括分别与所述容纳腔(119)连通的入液口(101)和入气口(102)，所述泵送装置(6)可通断地连接于所述入液口(101)并且设置为能够将所述液源(5)内的液体泵送到所述入液口(101)，所述泵送装置(6)可通断地连接于所述入气口(102)并且设置为能够将所述气源(4)内的气体泵送到所述入气口(102)；

形式二：所述反应壳体(1)的用于形成为所述容纳腔(119)的侧壁上设置有可视窗(103)；

形式三：所述反应壳体(1)安装在所述旋转天平(117)上；

形式四：所述反应单元包括设置在所述容纳腔(119)内的搅拌件(118)。

9.一种水合物溶解度的测量方法，其特征在于，所述测量方法采用根据权利要求1-8中任意一项所述的水合物溶解度的测量装置进行实验，所述容纳腔(119)储放有体积为V_gi的客体气体以及体积为V_li的主体液体，所述测量方法包括以下步骤：

S1：调节所述调温单元和第一调节机构(120)，使得所述容纳腔(119)调节至温度为T_i以及压强为P_i，并且出口(111)与所述容纳腔(119)始终处于隔断状态，静置以使得所述客体气体充分溶解在所述主体液体中；

S2：调节所述调温单元和第一调节机构(120)，使得所述容纳腔(119)调节至生成所述水合物的相变条件，以生成所述水合物，待所述容纳腔(119)内的温度和压强稳定后，得到所述客体气体和水合物溶解于所述主体液体中所形成的混合液；

S3：调节所述第一调节机构(120)，使得所述出口(111)与所述容纳腔(119)切换为连通状态，以使得所述容纳腔(119)内的所述混合液流入到所述取样腔(210)，同时调节所述第二调节机构(211)，以维持所述容纳腔(119)内的压强不变；

S4：将所述出口(111)与容纳腔(119)调节为隔断状态，并且对所述取样壳体(2)进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gd以及所述气液分离得到的液体为V_ld，其中，气液分离得到的气体为所述水合物的分解气以及所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；

10.根据权利要求9所述的水合物溶解度的测量方法，其特征在于，步骤S5中的s_g是通过以下两种方法中的任意一种测得：

方法一：

S11：所述反应壳体(1)设置为横截面为S的圆筒结构，在步骤S2之前，测量所述容纳腔(119)中所存在的所述客体气体的高度为H；

S12：根据真实气体状态方程P_iV＝Zn_geRT_i以及体积公式V＝SH，计算得到所述容纳腔(119)内残余的所述客体气体的物质的量n_ge，其中，Z为所述客体气体A的压缩因子；V为在步骤S1中所述客体气体溶解于所述主体液体中的溶解体积；R为理想气体常数。

S13：根据公式V_ge＝n_geV_m以及公式△V_g＝V_gi-V_ge，计算得到标况下所述容纳腔(119)内溶解的所述客体气体的体积V_ge，其中，V_m为标况下的气体摩尔体积；

方法二：

S21：在S1步骤以后，直接进行步骤S3的操作；

S22：将所述出口(111)与所述容纳腔(119)调节为隔断状态，并且对所述取样壳体(2)进行加热、降压、振荡处理以使其气液分离，通过所述体积测量仪在标况下测量得到所述气液分离得到的气体的体积为V_gse以及所述气液分离得到的液体为V_lse，其中，气液分离得到的气体为所述客体气体，分离得到的液体为所述主体液体；

11.根据权利要求9或10所述的水合物溶解度的测量方法，其特征在于，在步骤S1之前，向所述容纳腔(119)内填充泥砂，随着步骤S1中调节所述第一调节机构(120)，使得所述反应壳体(1)和第一调节机构(120)共同压实所述泥砂以形成多孔介质体系。