CN114216961A - 一种含水合物沉积物低频声学探测装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含水合物沉积物低频声学探测装置及测试方法，所述探测装置包括高压反应釜、温度控制模块、压力控制模块、声波测量模块和数据测量与处理模块。该探测装置的研制能够模拟环境压力、温度、沉积物类型等条件，合成不同类型的天然气水合物储层，并通过低频声波震源发射低频率声波，采用声波测试仪探测水合物沉积物储层的纵横波，获得不同类型水合物储层声波速度特征。采用同野外样品探测频率接近的低频声波探测，对正确理解自然界中天然气水合物的声波响应特征，建立准确的水合物饱和度与其储层的声波参数之间的定量关系具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物资源勘探开发工程技术领域，具体涉及一种含水合物沉积物低频声学探测装置及测试方法。
背景技术
天然气水合物是当今自然界一种非常重要的潜在能源，地球物理勘探仍是目前较为重要的天然气水合物勘探方法，其中声波探测就是其中较为重要的探测方法。实验室内针对含水合物沉积物的声学特性也进行了系列的模拟探测实验，获得了一定的认识。但是受实验样品尺寸的限制，实验室内进行的大多为高频超声波探测。而实际情况是，在低频范围内的测量更贴合野外现场实际测量。
目前，实验室内进行含水合物沉积物声学探测的实验装置有多种，如实用新型专利CN201749073U公开了一种水合物声学特性测试装置，以探测实验样品中水合物的饱和度和声学特性参数；实用新型专利CN202676695U公开了一种用于含水合物沉积物速度剖面结构特性研究的实验装置，该装置将声学探测从一层拓展到四层。实用新型专利CN202661164U公开了一种海底气体运移与水合物形成的声学响应特征模拟实验装置，实现不同气体通量水合物形成的声学响应特征研究。但是，现有的天然气水合物声学探测模拟实验装置主要存在两方面缺陷，一是实验样品尺寸较小，二是实验使用高频率的超声波探测，同野外低频率探测存在差异。
因此，为满足天然气水合物资源勘探和开发的需求，必须从水合物样品尺寸和声波探测频率方面对现有声学测试装置和方法做完善或改造，研制一套能在实验室内进行含水合物沉积物低频声波探测的实验装置，同更接近野外样品的探测频率，对正确理解自然界中天然气水合物的声波响应特征，建立准确的水合物饱和度与其储层的声波参数之间的定量关系具有重要意义。
发明内容
本发明方案为解决实验室内水合物声学探测频率较高，与野外现场实际测量不相符的问题，提出一种含水合物沉积物低频声学探测的实验装置及测试方法，为实验室内与野外探测的天然气水合物样品的声学特征之间关系的建立提供新思路。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种含水合物沉积物低频声学探测装置，包括高压反应釜、温度控制模块、压力控制模块、声波测量模块和数据测量与处理模块，高压反应釜底部设有放空口和流体进出口，所述探测装置还包括起吊架和电机，电机安装在起吊架上；
所述高压反应釜的高度不低于1000mm，高压反应釜采用内外筒设计，包括外筒和生成内筒，生成内筒顶底两端设有探头安装孔，高压反应釜釜体上设有与数据测量与处理模块相连的温度传感器、压力传感器和低频声波探头；
所述声波测量模块包括声波参数测试仪和低频声波探头，所述低频声波探头位于生成内筒的上下两端，低频声波探头上还设有声波探头顶杆，用于压紧生成内筒里的水合物样品。
进一步的，所述生成内筒用来放置沉积物样品，其侧壁布设有多层筛孔，用于气体呈立体式向反应釜内筒扩散气体，生成内筒的内壁铺设有防水透气膜，既能透过外部气体，又能阻止内部沉积物水分向外扩散流出。
进一步的，所述低频声波探头发出声波频率为500Hz-5kHz的低频信号。
进一步的，由于反应釜体纵向较高，为了更好监测水合物在空间的生成状态，所述温度传感器沿高压反应釜纵向均匀设置有多组。
进一步的，所述高压反应釜外侧壁上设置有用于温度控制的水夹套层，且在水夹套层的外侧设置保温层。
进一步的，所述温度控制模块包括恒温水浴控制箱、制冷液循环导管和反应釜外侧水夹套层；所述恒温水浴控制箱通过制冷液循环导管与水夹套层相连。
进一步的，所述水夹套层内采用环道螺旋设计，可保证釜体的降温效果，确保温度均匀。
进一步的，所述压力控制模块包括高压气瓶、增压泵、缓冲罐和压力传感器，所述增压泵一端与所述高压反应釜相连，另一端连接有高压气瓶；所述增压泵与高压反应装置之间还连接有气体缓冲罐。
进一步的，所述高压反应釜的外筒为耐高压快开反应釜，采用螺母式快开结构设计以快速打开高压反应釜。
本发明另外还提出一种含水合物沉积物低频声学探测装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、连接安装低频声学探测装置各组成模块：准备实验所需物品，包括实验介质、低频声波探头、声波探头顶杆和起吊架；
所述声学探测装置包括包括高压反应釜、温度控制模块、压力控制模块、声波测量模块和数据测量与处理模块；
所述高压反应釜的高度不低于1000mm，高压反应釜包括外筒和生成内筒，生成内筒顶底两端设有探头安装孔，高压反应釜釜体上设有与数据测量与处理模块相连的温度传感器、压力传感器和低频声波探头；
所述声波测量模块包括声波参数测试仪和低频声波探头，所述低频声波探头位于生成内筒的上下两端，低频声波探头发出的信号为频率500Hz-5kHz的低频信号，低频声波探头上还设有声波探头顶杆，用于压紧生成内筒里的水合物样品；
步骤2、密封性检查：
通过起吊架和电机取出高压反应釜内部的生成内筒，将底部低频声波探头安装到生成内筒底部，并检查密封状况；检查无误后，将生成内筒放回反应釜体内部；
步骤3：样品制备：
(1)将实验介质注入生成内筒中；
(2)制备分散状水合物样品：将砂质沉积物与饱和水或非饱和水混合，装入反应釜生成内筒中，向反应釜中注入甲烷气体后，待达到水合物生成所需的温度压力条件，反应釜生成内筒中形成分散状水合物样品；
(3)制备块状水合物样品：先将反应釜内温度降为0℃以下，将泥质沉积物中放入团块状冰粉，将混合状沉积物放入反应釜内筒，通入甲烷气体，水浴控温设置为0℃以下，随后再逐渐升温至水合物生成的相平衡点温度以内，合成块状水合物样品；
步骤4、测试实验：
(1)将高压反应釜上部低频声波探头放在实验介质上端，轻轻压实，将声波探头顶杆放置于低频声波探头之上，确保探头接触沉积介质；
(2)连接数据测量与处理模块，开始测试，记录测试过程中的温度与压力数据；
(3)向高压反应釜注入预期压力的甲烷气体，启动温度控制模块，设定实验所需温度；
(4)打开声波参数测试仪，通过声波震源发射低频信号，开始测量记录声波数据；
(5)记录测试过程中的温度、压力数据变化，完成数据采集与存储。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明方案通过在实验室内研制大尺寸水合物模拟实验装置，可以使用低频的声波震源进行含水合物沉积物低频声学探测，设计大尺寸反应釜并对其结构进行改进设计，高压反应釜内部设置内筒，内筒用来放置沉积物样品，内筒筒壁四周布设多层气孔，用于气体呈立体式向反应釜内筒扩散气体，使气体充分与沉积物接触解决在大型反应釜中生成水合物困难的问题，克服大尺寸样品和高频超声波相矛盾的技术难题，采用同野外储层探测相接近的低频声波发射频率，使得实验室内模拟实验结果同野外探测数据的融合更近一步，解决了实验室内高频超声波探测与野外低频探测结果不能耦合的问题。
附图说明
图1为本发明实施例所述含水合物沉积物低频声学探测装置原理示意图；
图2为本发明实施例所述含水合物沉积物低频声学探测装置结构示意图；
图3为本发明实施例所述高压反应釜的结构示意图；
图4为本发明实施例所述含水合物沉积物低频声学探测装置整体布局示意图；
其中，1、高压反应釜；11、反应釜外筒；12、反应釜内筒；13、放空口；14、流体进出口；15、声波外接快接接头；16、声波探头顶杆；17、生成内筒筛孔；18、反应釜端盖；2、温度控制模块；21、恒温水浴控制箱；22、制冷液循环导管；23、反应釜外侧水夹套层；24、温度传感器；3、压力控制模块；31、高压气瓶；32、增压泵；33、缓冲罐；34、压力传感器；4、声波测量模块；41、声波参数测试仪；42、声波探头；5、数据测量与处理模块；61、可移动支架；62、电机。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：
本发明方案的设计思路是：针对(1)传统实验样品尺寸较小，以及(2)实验室使用高频率的超声波探测，同野外低频率探测存在差异，提出创新方案：从水合物样品尺寸和声波探测频率方面对现有声学测试装置和方法做完善，研制了一套能在实验室内进行含水合物沉积物低频声波探测的大尺寸实验装置。实验样品在大尺寸反应釜内原位合成，实验过程中声波震源发射低频率声波，透过含水合物沉积物接收声波信号，获得低频探测的声波信息，同野外样品的探测频率接近，从而对正确理解自然界中天然气水合物的声波响应特征具有重要意义。
实施例1，一种含水合物沉积物低频声学探测装置，如图1至图4所示，包括高压反应釜1、温度控制模块2、压力控制模块3、声波测量模块4和数据测量与处理模块5；温度控制模块2、压力控制模块3、声波测量模块4与高压反应釜1相连。
如图2、图3所示，高压反应釜1采用内外筒设计，包括外筒11和生成内筒12，反应釜1底部预留放空口13和流体进出口14，内筒顶底两端预留探头安装孔用于定制安装声波探头42，反应釜顶部预留声波外接绝缘快接接头15等测试接口，高压反应釜1用以实现在实验室内对天然气水合物储层样品的制备。生成内筒12的侧壁布设有筛孔17，生成内筒12的内壁铺设有防水透气膜，既能透过外部气体，又能阻止内部沉积物水分向外扩散流出。高压反应釜1釜体上设有与数据测量与处理模块5相连的温度传感器24、压力传感器34和声波探头42，高压反应釜1外侧壁上设置有用于温度控制的水夹套层23，且在水夹套层23的外侧设置保温层。
本实施例中，所述高压反应釜1的外筒11为耐高压快开反应釜，采用螺母式快开结构设计以快速打开高压反应釜1，外筒11外壁开孔，生成内筒12侧壁同样开孔，用于安装温度传感器24，用于探测反应釜内部沉积物的温度。高压反应釜1的高度不低于1000mm，由于反应釜体纵向较高，为了更好监测水合物在空间的生成状态，在沉积物纵向上布设多组温度传感器，由于水合物生成过程为放热过程，通过监测反应过程中温度的变化，获取水合物生成情况的信息，本实施例中，安装10组温度传感器24，通过不同层位温度传感器的布设能够实时监测水合物储层不同层位的温度变化情况，进而反应不同层位水合物的生成情况。
高压反应釜1选用材质316L不锈钢，确保了设备的耐用性及安全性；高压反应釜1最高工作压力30MPa，精度±0.1％，内径φ300mm，内部空间高度1200mm，采用水夹套23制冷，低温恒温循环水浴箱21控温，生成内筒12采用绝缘度为MΩ级尼龙材质加工，生成内筒12内径200mm，内部高度1000mm。
如图2和图4所示，所述温度控制模块2包括恒温水浴控制箱21、制冷液循环导管22和反应釜外侧水夹套层23；所述恒温水浴控制箱21通过制冷液循环导管22与反应釜外侧水夹套层23相连。水夹套23内采用环道螺旋设计，可保证釜体的降温效果，确保温度均匀，设计有保温棉组成的保温层，确保了温度的稳定性。
继续参考图2，所述压力控制模块3包括高压气瓶31、增压泵32、缓冲罐33和压力传感器34，所述增压泵32一端与所述高压反应釜1相连，另一端连接有高压气瓶31；所述增压泵32与高压反应装置1之间还连接有气体缓冲罐33。所述声波测量模块4包括声波参数测试仪41、声波探头42和通讯数据线，所述声波探头42位于高压反应釜内筒12的上下两端，声波探头顶杆16用于压紧生成内筒12里的水合物样品，所述声波参数测试仪41通过通讯数据线与所述声波探头42相连。其中，采用声波探头主频为：500Hz--5kHz，本实施例采用5kHz。
另外，在高压反应釜周边布置有起吊架，用于高压反应釜端盖18与生成内筒12的安装与拆卸；所述起吊架包括可移动支架61与位于支架顶部的电机62，实验过程中通过电机62的工作起吊反应釜端盖18和内筒12。
本实施例通过在实验室内研制大尺寸水合物模拟实验装置，采用同野外储层探测相接近的低频声波发射频率，使得实验室内模拟实验结果同野外探测数据的融合更近一步，解决了实验室内高频超声波探测与野外低频探测结果不能耦合的问题。
实施例2、基于实施例1所提出的一种含水合物沉积物低频声学探测装置，本实施例提供了一种含水合物沉积物低频声学测试方法，包括以下步骤：
步骤1、连接安装低频声学探测装置各组成模块：按照图2将实验装置连接好，准备好实验所需的各类物品，包括实验介质、声波探头42、声波探头顶杆16、起吊架61；
步骤2、密封性检查：
(1)实验开始前，打开釜盖螺栓，使用配套电动起吊62架取下釜盖18；
(2)之后使用起吊架61和电机62慢慢取出内部的生成内筒12，起吊架整体高度要大于2200mm，以便于将φ200mm×1000mm的内筒12整体提起，将底部声波探头42安装到生成内筒12底部，并检查密封状况；
(3)检查无误后，将生成内筒12放回反应釜体1内部；
步骤3：样品制备：
(1)将实验介质注入生成内筒12中；
(2)分散状水合物样品制备方法为：将砂质沉积物与饱和水或非饱和水混合，装入反应釜生成内筒中，向反应釜中注入甲烷气体后，待达到水合物生成所需的温度压力条件，反应釜生成内筒中便形成分散状水合物样品。
(3)块状水合物样品制备方法为：先将反应釜内温度降为0℃以下，将泥质沉积物中放入团块状冰粉，将混合状沉积物放入反应釜内筒，通入甲烷气体，水浴控温设置为0℃以下，随后再逐渐升温至水合物生成的相平衡点温度以内，合成块状水合物样品。
步骤4、测试实验：
(1)将上部声波探头42放在实验介质上端，轻轻压实，将声波探头顶杆16放置于声波探头42之上，确保探头接触沉积介质；
(2)将耐高压通讯插头15与穿板多芯接头连接好之后，关上釜盖18，按对角顺序拧紧螺栓；
(3)打开温度压力监控软件，开始记录温度与压力数据；
(4)向高压反应釜1注入预期压力的甲烷气体；
(5)打开总电源，启动循环水浴箱21，设定实验所需温度；
(6)打开声波采集软件41，区别于传统超声波测试，低频声波探测器配备有低频声波震源发射器，通过声波震源发射信号，开始测量记录声波数据；
(7)完成数据采集后，将数据导入配套处理软件进行数据处理。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种含水合物沉积物低频声学探测装置，包括高压反应釜(1)、温度控制模块(2)、压力控制模块(3)、声波测量模块(4)和数据测量与处理模块(5)，高压反应釜(1)底部设有放空口(13)和流体进出口(14)，其特征在于：还包括起吊架(61)和电机(62)，电机(62)安装在起吊架(61)上；
所述高压反应釜(1)位于起吊架(61)的下方，其高度不低于1000mm，高压反应釜(1)采用内外筒设计，包括外筒(11)和生成内筒(12)，高压反应釜(1)釜体上设有与数据测量与处理模块(5)相连的温度传感器(24)、压力传感器(34)和低频声波探头(42)；
所述声波测量模块(4)包括声波参数测试仪(41)和低频声波探头(42)，低频声波探头(42)位于生成内筒(12)的上下两端，低频声波探头(42)上还设有声波探头顶杆(16)，用于压紧生成内筒(12)里的水合物样品。
2.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述生成内筒(12)用来放置沉积物样品，其侧壁布设有多层筛孔(17)，生成内筒(12)的内壁铺设有防水透气膜。
3.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述低频声波探头(42)发出声波频率为500Hz-5kHz的低频信号。
4.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述温度传感器(24)沿高压反应釜(1)纵向均匀设置有多组。
5.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述高压反应釜(1)外侧壁上设置有用于温度控制的水夹套层(23)，且在水夹套层(23)的外侧设置保温层。
6.根据权利要求5所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述温度控制模块(2)包括恒温水浴控制箱(21)、制冷液循环导管(22)和反应釜外侧水夹套层(23)；所述恒温水浴控制箱(21)通过制冷液循环导管(22)与水夹套层(23)相连。
7.根据权利要求5所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述水夹套层(23)内采用环道螺旋设计。
8.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述压力控制模块(3)包括高压气瓶(31)、增压泵(32)、缓冲罐(33)和压力传感器(34)，所述增压泵(32)一端与高压反应釜(1)相连，另一端连接高压气瓶(31)；缓冲罐(33)连接在增压泵(32)与高压反应釜(1)之间。
9.根据权利要求1所述的含水合物沉积物低频声学探测装置，其特征在于：所述高压反应釜(1)的外筒(11)为耐高压快开反应釜，采用螺母式快开结构设计。
10.一种含水合物沉积物低频声学探测装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、连接安装低频声学探测装置各组成模块：准备实验所需物品，所需物品包括实验介质、低频声波探头(42)、声波探头顶杆(16)和起吊架(61)；
所述声学探测装置包括包括高压反应釜(1)、温度控制模块(2)、压力控制模块(3)、声波测量模块(4)和数据测量与处理模块(5)；
所述高压反应釜(1)的高度不低于1000mm，高压反应釜(1)包括外筒(11)和生成内筒(12)，高压反应釜(1)釜体上设有与数据测量与处理模块(5)相连的温度传感器(24)、压力传感器(34)和低频声波探头(42)；所述声波测量模块(4)包括声波参数测试仪(41)和低频声波探头(42)，低频声波探头(42)位于生成内筒(12)的上下两端，低频声波探头(42)上还设有声波探头顶杆(16)；
步骤2、密封性检查：
通过起吊架(61)和电机(62)取出高压反应釜内部的生成内筒(12)，将底部低频声波探头(42)安装到生成内筒(12)底部，并检查密封状况；
步骤3：样品制备：
(1)将实验介质注入生成内筒中；
(2)制备分散状水合物样品：将砂质沉积物与饱和水或非饱和水混合，装入反应釜生成内筒中，向反应釜中注入甲烷气体后，并设定水合物生成所需的温度压力条件，形成分散状水合物样品；
(3)制备块状水合物样品：先将反应釜内温度降为0℃以下，将泥质沉积物中放入团块状冰粉，将混合状沉积物放入反应釜内筒，通入甲烷气体，水浴控温设置为0℃以下，随后再逐渐升温至水合物生成的相平衡点温度以内，合成块状水合物样品；
步骤4、测试实验：
(1)将高压反应釜上部低频声波探头(42)放在实验介质上端，并压实，将声波探头顶杆(16)放置于低频声波探头(42)之上，确保探头接触沉积介质；
(2)连接数据测量与处理模块，开始测试，记录测试过程中的温度与压力数据；
(3)向高压反应釜(1)注入预期压力的甲烷气体，启动温度控制模块，设定实验所需温度；
(4)打开声波参数测试仪(41)，通过声波震源发射低频信号，开始测量记录声波数据；
(5)记录测试过程中的温度、压力数据变化，完成数据采集与存储。
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