CN111982801A - 一种为水合物同时加载围压和覆压的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种为水合物同时加载围压和覆压的装置及方法，包括反应釜、套筒、开采井、注液管和活塞；反应釜包括不锈钢套、顶塞和底塞；不锈钢套上、下两端分别与顶塞和底塞密封连接；套筒设置在不锈钢套内，且套筒下部套设在底塞顶部预留的凸起外侧，套筒上部与顶塞不接触；活塞设置在套筒内，且活塞能够在套筒内上下移动；开采井和注液管设置在顶塞和活塞之间，且能够随活塞的上下移动而伸缩；顶塞下部、套筒上部以及活塞上部形成覆压腔；顶塞下部、底塞上部、套筒外部以及不锈钢套内部之间形成围压腔，且围压腔与覆压腔连通；套筒下部、活塞下部以及底塞上部之间形成用于形成水合物样品的制备腔。本发明可以广泛应用于水合物开采领域。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物样品制备技术领域，具体涉及一种为水合物同时加载围压和覆压的装置及方法，用于还原天然气水合物在自然界的赋存环境，探究围压和覆压环境下水合物的生成和分解特性。
背景技术
广泛分布于大陆边缘海底和永久冻土区沉积物中的天然气水合物，被誉为是未来最有应用前景的新能源之一。但是，由于天然气水合物在自然界赋存条件复杂，并且对水合物的开采特性研究还未完善，限制和延迟了天然气水合物的商业化开发。直接进行自然界中的水合物原位研究技术难度大、成本耗资高，因此通过还原自然界水合物的生成环境，在实验室中研究水合物的性质特点就很有意义。
天然气水合物是由烃类气体和水在低温高压作用下生成的一种笼型晶体化合物。天然气水合物稳定存在所需的地质条件，决定了水合物存在于海平面以下六百米的海底或地平面二百至一千一百米的永久冻土区。包括美国、日本和中国在内的国家都在其近海开展了本国海洋天然气水合物的试采项目。然而，海洋天然气水合物的赋存环境，必须考虑围压和覆压，其中围压与水深、上覆层的厚度和密度有关。目前，实验室所用的水合物生成和分解相关的模拟装置，几乎都不能实现同时加载围压和覆压。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种为水合物同时加载围压和覆压的装置及方法，能够为水合物提供围压和覆压，以实现真实地还原天然气水合物在自然界的赋存环境，从而能更好的开展水合物生成和分解相关的研究。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其包括：反应釜、套筒、开采井、注液管以及活塞；所述反应釜包括不锈钢套、顶塞和底塞；所述不锈钢套上、下两端分别与所述顶塞和底塞密封连接；所述套筒设置在所述不锈钢套内，且所述套筒下部套设在所述底塞顶部预留的凸起外侧，所述套筒上部与所述顶塞不接触；所述活塞设置在所述套筒内，且所述活塞能够在所述套筒内上下移动；所述开采井和注液管设置在所述顶塞和活塞之间，且能够随所述活塞的上下移动而伸缩；所述顶塞下部、套筒上部内壁以及活塞上部形成覆压腔；所述顶塞下部、底塞上部、套筒外部以及不锈钢套内部之间形成围压腔，且所述围压腔与所述覆压腔连通；所述套筒下部、活塞下部以及底塞上部之间形成用于形成水合物样品的制备腔。
进一步地，所述装置还包括位移检测装置，所述位移检测装置包括传动杆和位移传感器，所述传动杆由所述顶塞中部预留的安装孔插入所述套筒内，且所述传动杆下部与所述活塞连接，所述传动杆上部与所述位移传感器连接，由所述位移传感器记录所述活塞的位移。
进一步地，所述开采井、注液管下部均与制备腔连通。
进一步地，所述顶塞上部设置有用于与所述不锈钢套上部连接的凸缘，所述顶塞下部插设在所述不锈钢套上部内侧，且所述顶塞下部与所述不锈钢套上部内侧接触面之间设置有密封圈；所述底塞下部设置有用于与所述不锈钢套下部螺栓连接的凸缘，所述底塞上部插设在所述不锈钢套下部内侧，且所述底塞上部与所述不锈钢套下部内侧接触面之间设置有密封圈。
进一步地，所述顶塞上预留有加压液入口和加压液出口，且所述加压液入口和加压液出口均与所述围压腔连通，用于向所述围压腔和覆压腔注入或排出加压液。
进一步地，所述底塞中部预留有孔压进气口和测温口，所述孔压进气口上端与所述制备腔底部连通，下部与所述充气管连通；所述测温口中设置有温度传感器，用于记录水合物生成和分解过程中的温度。
进一步地，所述活塞与所述套筒接触面之间设置有密封圈。
本发明的第二个方面，是提供一种为水合物同时加载围压和覆压的方法，其包括以下步骤：
第一步，取下所述反应釜的顶塞和活塞，在所述制备腔内放入预制好的沉积物岩心，然后安装所述反应釜的顶塞和活塞；
第二步，通过所述加压液入口向所述覆压腔和围压腔注入加压液，同步利用所述充气管向所述制备腔内充入预设压力的高压气体用于合成水合物样品；
第三步，待所述制备腔内水合物样品生成完毕后，通过所述注液管注入预设温度的高温液体或抑制剂分解水合物样品，或者通过调整所述开采井的背压分解水合物样品；
第四步，利用所述位移传感器记录整个实验过程所述活塞随覆压和孔压变化时的移动情况，同时利用所述温度传感器记录整个实验过程中水合物的温度变化。
进一步地，所述第一步中，在合成水合物样品用的沉积物岩心时，包括三种方法：一是将定量的沉积物与水或冰粉混合均匀后装入；二是先装入定量的沉积物，然后通过注液管(12)注入定量的水；三是完全换为冰粉或定量的水。
进一步地，在整个实验过程中围压和覆压始终高于制备腔内水合物样品内的孔压。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明装置可以为水合物加载围压和覆压，以实现真实地还原天然气水合物在自然界的赋存环境，从而能更好的开展水合物生成和分解相关研究。2、本发明反应釜内设置有注液管和开采井，可用于模拟注热法、注抑制法、降压法或联合法开采水合物。3、本发明设置的位移传感器用于记录整个实验过程活塞随覆压和孔压变化时的移动情况，从而推算水合物样品在生成和分解过程中围压和覆压变化时样品的形变特性，可以根据实验需要制备不同类型的含天然气水合物的样品。因此，本发明可以广泛应用于天然气水合物研究领域。
附图说明
图1为本发明水合物同时加载围压和覆压的装置示意图。
其中各附图标记如下：1、反应釜；2、不锈钢套；3、套筒；4、开采井；5、围压腔；6、顶塞；7、加压液入口；8、位移传感器；9、传动杆；10、加压液出口；11、覆压腔；12、注液管；13、活塞；14、制备腔；15、底塞；16、温度传感器；17、充气管；18、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例一
如图1所示，本发明提供的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其包括：反应釜1、套筒3、开采井4、注液管12以及活塞13。具体的，反应釜1包括不锈钢套2、顶塞6和底塞15。其中，不锈钢套2上、下两端分别与顶塞6和底塞15密封连接；套筒3下部套设在底塞15顶部预留的凸起外侧，套筒3上部与顶塞6不接触；活塞13设置在套筒3内，且活塞13能够在套筒3内上下移动；开采井4和注液管12设置在顶塞6和活塞13之间，且能够随活塞13的上下移动而伸缩；顶塞6下部、套筒3上部以及活塞13上部形成覆压腔11，顶塞6下部、底塞15上部、套筒3外部以及不锈钢套2内部之间形成围压腔5，且围压腔5与覆压腔11连通；套筒3下部、活塞13下部以及底塞15上部之间形成用于形成水合物样品的制备腔14。
作为一个优选的实施例，该装置还包括位移检测装置，该位移检测装置包括传动杆9和位移传感器8，其中，传动杆9由顶塞6中部预留的安装孔插入套筒3内，且传动杆9下部与活塞13连接，上部与位移传感器8连接，位移传感器8用于记录活塞13的位移。
作为一个优选的实施例，开采井4、注液管12下部均与制备腔14连通。
作为一个优选的实施例，顶塞6上部设置有用于与不锈钢套2上部连接的凸缘，顶塞6下部插设在不锈钢套2上部内侧，且顶塞6下部与不锈钢套2上部内侧接触面之间设置有密封圈18；底塞15下部设置有用于与不锈钢套2下部螺栓连接的凸缘，底塞15上部插设在不锈钢套2下部内侧，且底塞15上部与不锈钢套2下部内侧接触面之间设置有密封圈18。
作为一个优选的实施例，顶塞6上预留有加压液入口7和加压液出口10，且加压液入口7和加压液出口10均与围压腔5连通，用于向围压腔5和覆压腔11注入或排出加压液。
作为一个优选的实施例，底塞15中部预留有孔压进气口和测温口；孔压进气口上端与制备腔14底部连通，下部与充气管17连通；测温口中设置有温度传感器16，用于记录水合物生成和分解过程中的温度。
作为一个优选的实施例，活塞13与套筒3接触面之间设置有密封圈18。
实施例二
基于上述为水合物同时加载围压和覆压的装置，本发明还提供了一种为水合物同时加载围压和覆压的方法，具体的，包括以下步骤：
第一步，取下反应釜1的顶塞6和活塞13，在制备腔14内放入预制好的沉积物岩心，然后安装反应釜1的顶塞6和活塞13；
第二步，通过加压液入口7向覆压腔11和围压腔5注入加压液，同步利用充气管17向制备腔14内充入高于水合物相平衡压力的高压气体用于合成水合物样品；
第三步，待制备腔14内水合物样品生成完毕后，通过注液管12注入高温液体(注热法)或抑制剂(注抑制剂法)分解水合物样品，或者通过调整开采井4的背压(降压法)分解水合物样品；其中，注入的高温液体的温度、注入量以及抑制剂的种类和注入量均为本领域技术人员公知技术，在此不再赘述；
第四步，利用位移传感器8记录整个实验过程活塞13随覆压和孔压变化时的移动情况，同时利用温度传感器16记录整个实验过程中水合物的温度变化。
作为一个优选的实施例，在合成水合物样品用的沉积物岩心时，可以将定量的沉积物与水(或冰粉)混合均匀后装入；也可以先装入定量的沉积物，然后通过注液管12注入定量的水；还可以完全换为冰粉或定量的水。
作为一个优选的实施例，在整个实验过程中围压和覆压都要始终高于制备腔14内水合物样品内的孔压。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于，包括：反应釜、套筒、开采井、注液管以及活塞；
所述反应釜包括不锈钢套、顶塞和底塞；所述不锈钢套上、下两端分别与所述顶塞和底塞密封连接；
所述套筒设置在所述不锈钢套内，且所述套筒下部套设在所述底塞顶部预留的凸起外侧，所述套筒上部与所述顶塞不接触；
所述活塞设置在所述套筒内，且所述活塞能够在所述套筒内上下移动；
所述开采井和注液管设置在所述顶塞和活塞之间，且能够随所述活塞的上下移动而伸缩；
所述顶塞下部、套筒上部内壁以及活塞上部形成覆压腔；
所述顶塞下部、底塞上部、套筒外部以及不锈钢套内部之间形成围压腔，且所述围压腔与所述覆压腔连通；
所述套筒下部、活塞下部以及底塞上部之间形成用于形成水合物样品的制备腔。
2.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：所述装置还包括位移检测装置，所述位移检测装置包括传动杆和位移传感器，所述传动杆由所述顶塞中部预留的安装孔插入所述套筒内，且所述传动杆下部与所述活塞连接，所述传动杆上部与所述位移传感器连接，由所述位移传感器记录所述活塞的位移。
3.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：开采井、注液管下部均与制备腔连通。
4.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：所述顶塞上部设置有用于与所述不锈钢套上部连接的凸缘，所述顶塞下部插设在所述不锈钢套上部内侧，且所述顶塞下部与所述不锈钢套上部内侧接触面之间设置有密封圈；
所述底塞下部设置有用于与所述不锈钢套下部螺栓连接的凸缘，所述底塞上部插设在所述不锈钢套下部内侧，且所述底塞上部与所述不锈钢套下部内侧接触面之间设置有密封圈。
5.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：所述顶塞上预留有加压液入口和加压液出口，且所述加压液入口和加压液出口均与所述围压腔连通，用于向所述围压腔和覆压腔注入或排出加压液。
6.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：所述底塞中部预留有孔压进气口和测温口，所述孔压进气口上端与所述制备腔底部连通，下部与所述充气管连通；所述测温口中设置有温度传感器，用于记录水合物生成和分解过程中的温度。
7.如权利要求1所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的装置，其特征在于：所述活塞与所述套筒接触面之间设置有密封圈。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述装置的为水合物同时加载围压和覆压的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，取下所述反应釜的顶塞和活塞，在所述制备腔内放入预制好的沉积物岩心，然后安装所述反应釜的顶塞和活塞；
第二步，通过所述加压液入口向所述覆压腔和围压腔注入加压液，同步利用所述充气管向所述制备腔内充入预设压力的高压气体用于合成水合物样品；
第三步，待所述制备腔内水合物样品生成完毕后，通过所述注液管注入预设温度的高温液体或抑制剂分解水合物样品，或者通过调整所述开采井的背压分解水合物样品；
第四步，利用所述位移传感器记录整个实验过程所述活塞随覆压和孔压变化时的移动情况，同时利用所述温度传感器记录整个实验过程中水合物的温度变化。
9.如权利要求8所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的方法，其特征在于：所述第一步中，在合成水合物样品用的沉积物岩心时，包括三种方法：一是将定量的沉积物与水或冰粉混合均匀后装入；二是先装入定量的沉积物，然后通过注液管注入定量的水；三是完全换为冰粉或定量的水。
10.如权利要求8所述的一种为水合物同时加载围压和覆压的方法，其特征在于：在整个实验过程中围压和覆压始终高于制备腔内水合物样品内的孔压。
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