CN115220126B - 水合物转化界面探测装置及探测方法 - Google Patents

水合物转化界面探测装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水合物技术领域，特别是一种水合物转化界面探测装置及探测方法。包括外壳、压力平衡单元、气囊和控制舱，压力平衡单元设置在外壳内，外壳、气囊分别与控制舱连接，外壳的外壁上沿其圆周方向间隔设置数个水平方向的管道，压力平衡单元密封设置在管道内，压力平衡单元在管道内往复运动；所述外壳的中部设有竖直方向的长管，长管内设有循环通道，长管与外壳的内壁之间形成循环舱，循环通道和循环舱内均充满海水与甲烷气充分混合的液体，循环通道的顶端固定有泵，外壳内设有温度传感器。可以实现对任何海水的水合物检测，方便快捷，成本低，并且通过在水合物转化界面检测到的一系列参数值，实现人工制造大量的可燃冰。

Description

水合物转化界面探测装置及探测方法
技术领域
本发明涉及水合物技术领域，特别是一种水合物转化界面探测装置及探测方法。
背景技术
天然气水合物是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，天然气水合物分布于深海或陆域永久冻土中，其燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水，污染远小于煤、石油等，且储量巨大，因此被国际公认为石油等的接替能源。
海洋一般分为海洋上层和海洋底层，水合物层一般位于海洋底层的沉积物内。现阶段对水合物进行探测的方法主要有地球物理探测法、原位测试技术、化学探测技术等，这些技术是以实际上的水合物为探测依据，例如冷泉等水合物相关标志。而这些物质由于其本身相对体积较小，具有较大的探测难度。此外，水合物的自我制备现在也成为了一个热点话题，水合物的制备需要判断水合物的生成条件，这只能通过室内试验进行不断地尝试，且由于影响因素较多，变量控制起来非常复杂。如果能在海域内找到合适的水合物转化界面与对应的条件，可以为水合物的探究与制备起到至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种水合物转化界面探测装置及探测方法，可以实现对任何海水的水合物检测，方便快捷，成本低，并且通过在水合物转化界面检测到的一系列参数值，实现人工制造大量的可燃冰。
本发明的技术方案是：一种水合物转化界面探测装置，包括外壳，其中，还包括压力平衡单元、气囊和控制舱，压力平衡单元设置在外壳内，外壳、气囊分别与控制舱连接，外壳的外壁上沿其圆周方向间隔设置数个水平方向的管道，压力平衡单元密封设置在管道内，压力平衡单元在管道内往复运动；
所述外壳的中部设有竖直方向的长管，长管内设有循环通道，长管与外壳的内壁之间形成循环舱，循环通道和循环舱内均充满海水与甲烷气充分混合的液体，循环通道的顶端固定有泵，外壳内设有温度传感器。
本发明中，所述外壳呈球形，管道沿外壳的径向设置。
所述压力平衡单元为密封活塞，密封活塞在管道内往复运动，且密封活塞的外表面与管道的内表面之间设有动密封件，从而实现了密封活塞与管道之间的密封连接。
所述管道的一端与外壳内部连通，管道的另一端内部固定有挡板。
所述控制舱分别与泵、气囊连接，通过控制舱对泵和气囊的动作进行控制。
所述控制舱上设有压力传感器、深度传感器和位置传感器。
本发明还包括一种水合物转化界面探测方法，其中，包括以下步骤：
S1.向循环舱内注入甲烷气与海水的气液混合物，气液混合物在泵的作用下，在循环舱和循环通道内循环流动，此时在外壳内形成一个封闭的回路；
S2.将整个装置放入待测海域，在装置自身重力的作用下，装置不断下沉，通过控制气囊的大小，对整个装置所受的浮力进行调整，此时整个装置的下降速度缓慢，外壳内部的气液混合物的温度与外部的海水的温度处于相同的状态；
装置在下降过程中，整个装置受到的外部海水的压力逐渐增大，致使外壳的外部压力大于外壳的内部压力，密封活塞在外部压力的作用下，沿管道向内部滑动，通过对内部气液混合物的挤压，使外壳内的压力逐渐增大，从而使外壳的外部压力和内部压力之间处于平衡状态；
S3.当装置逐渐下降至水合物转化界面时，外壳内部的气液混合物迅速转化为晶体状的水合物，同时使外壳内的温度急剧升高，外壳内的温度传感器感知外壳内温度的实时变化，通过温度的突然变化对水合物转化界面进行判断；
与此同时，外壳内部物质的密度急剧增大，外壳内部的压力急剧减小，导致密封活塞迅速向内部压缩，整个装置迅速向下沉降，此时控制舱发出指令，向气囊中灌入储备的油，使气囊的体积增加，装置的整体浮力随之增大，当整个装置所收到的浮力增大至大于其重力后，装置开始上升，在上升的过程中通过控制舱对灌入气囊的油量进行调节，直至装置处于深度平衡态。
上述步骤S2中，设整套装置外壳的质量为G1，装配的气液态混合物质量为G2，即整套装置的质量为G0，其中，G0＝G1+G2；
设此时装置的排水体积为V0，在下降过程中，假定在到达水合物转化界面之前，整个装置排水体积整体始终为V0，装置此时的浮力为F浮＝ρ海gV0，其中G0>>F浮。
上述步骤S3中，当装置到达水合物转化界面后，装置中的气液态混合物开始发生转化，此时外界的压力为F压＝ρ海gh，其中h为此时装置在海水中的深度值；
设该过程中转化的水合物的晶体体积量为∫Δ，则该过程中转化消耗的气体体积量为∫164Δ，此时装置的重量仍为G0，装置的体积为V'＝V0-∫163Δ，则此时装置的浮力为F浮'＝ρ海gV'，此时浮力急剧减小；
之后，气囊体积增加，此时的垂向作用力为Fn＝G0-F浮'，当气囊的排水体积不断增大，则浮力逐渐增大，当浮力增大至Fn时，装置受力平衡，可以使装置深度平衡状态。
本发明的有益效果是：
(1)将该装置投放至特定海域的指定区域后，通过对该装置在海水下降过程中温度的监控，就可以判断该指定海域是否具备生成水合物的条件，简化了水合物检测过程中，并大大降低了水合物的探测成本；
(2)在对水合物界面进行探测的过程中，对水合物界面的深度、压力、位置进行测量，通过探测过程中得到的一系列参数值，可以利用这个区域的天然环境条件，实现人工制造大量的可燃冰。
综上所述，通过本发明所述的装置和方法，可以实现对任何海水的水合物检测，方便快捷，成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视结构示意图。
图中：1泵；2密封活塞；3循环通道；4外壳；5循环舱；6气囊；7温度传感器；8控制舱。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的水合物转化界面探测装置包括外壳4、压力平衡单元、气囊6和控制舱8，压力平衡单元设置在外壳4内，外壳4、气囊6分别与控制舱8连接，外壳4采用刚性外壳，具有耐高压性、低形变性和较好的导热性。外壳4的外壁上沿其圆周方向间隔设置数个水平方向的管道，本实施例中外壳4呈球形，管道沿外壳4的径向设置。压力平衡单元密封设置在管道内。本实施例中，压力平衡单元为密封活塞2，密封活塞2可以在管道内往复运动，且密封活塞2的外表面与管道的内表面之间设有动密封件，从而实现了密封活塞2与管道之间的密封连接。通过密封活塞2在管道内的运动，使外壳4内部的压力与外界压力始终处于平衡状态。管道的一端与外壳内部连通，管道的另一端内部固定有挡板，对密封活塞2起到了限位作用。
外壳4的中部设有竖直方向的长管，长管内设有循环通道3，长管与外壳4的内壁之间形成循环舱5，循环通道和3和循环舱5内均充满海水与甲烷气充分混合态的液体。循环通道3的顶端固定有泵1，通过泵1，使外壳4内的混合气液不断地在循环通道3和循环舱5内循环流动。同时外壳4内设有温度传感器7，通过温度传感器，可以对循环舱内的温度进行即时感知。
控制舱8分别与泵1、气囊6连接，通过控制舱8对泵1和气囊6的动作进行控制。在控制舱8的控制作用下，实现了向气囊6内灌入液体或抽走液体，使气囊6的体积增加或减小，进而改变整套装置的浮力大小，控制整个装置的上升或下降。
控制舱8上设有压力传感器、深度传感器和位置传感器，其中压力传感器用于实时检测整个装置的环境里压力，深度传感器用于实时检测整个装置在海水中的深度，位置传感器用于实时检测整个装置的位置信息。
本发明还包括一种水合物转化界面探测方法，该方法包括以下步骤。
第一步，向循环舱5内注入甲烷气与海水的气液混合物，气液混合物在泵1的作用下，在循环舱5和循环通道2内循环流动，此时在外壳4内形成一个封闭的回路。
第二步，将整个装置放入待测海域。在装置自身重力的作用下，装置不断下沉，同时通过控制气囊6的大小，对整个装置所受的浮力进行调整，此时整个装置的下降速度比较缓慢。在装置的下降过程中，由于装置下降缓慢，且外壳4具有较好的导热性，因此外壳4内部的气液混合物的温度与外部的海水的温度处于近乎相同的状态。同时，装置在下降过程中，整个装置受到的外部海水的压力逐渐增大，致使外壳4的外部压力大于外壳4的内部压力。此时，密封活塞2在外部压力的作用下，沿管道向内部滑动，通过对内部气液混合物的挤压，使外壳4内的压力逐渐增大，从而使外壳的外部压力和内部压力之间处于平衡状态。
设整套装置外壳的质量为G1，装配的气液态混合物质量为G2，即整套装置的质量为G0，其中，G0＝G1+G2。
设此时装置的排水体积为V0，在下降过程中，体积略有变化但是变化不大，所以假定在到达水合物转化界面之前，整个装置排水体积整体始终为V0，装置此时的浮力为F浮＝ρ海gV0。其中，G0>>F浮。
第三步，当装置逐渐下降至水合物转化界面时，外壳4内部的气液混合物迅速转化为晶体状的水合物，同时使外壳4内的温度急剧升高。由于外壳4内设有温度传感器7，可以感知外壳内温度的实时变化，所以可以通过温度的突然变化对该水合物转化界面进行判断。
与此同时，外壳4内部物质的密度急剧增大，外壳内部的压力急剧减小，导致密封活塞2迅速向内部压缩，整个装置迅速向下沉降。此时控制舱8发出指令，向气囊6中灌入储备的油，使气囊6的体积增加，装置的整体浮力随之增大，当整个装置所收到的浮力增大至大于其重力后，装置开始上升。在上升的过程中通过控制舱8对灌入气囊6的油量进行调节，直至寻找到一个合适的界面，可以使装置处于深度平衡态。
当装置到达水合物转化界面后，装置中的气液态混合物开始发生转化，此时外界的压力为F压＝ρ海gh，其中h为此时装置在海水中的深度值。设该过程中转化的水合物的晶体体积量为∫Δ，则该过程中转化消耗的气体体积量为∫164Δ。此时装置的重量不变，为G0；装置的体积为V'＝V0-∫163Δ，则此时装置的浮力为F浮'＝ρ海gV'。此时浮力急剧减小。
之后，气囊6开始发挥作用。由于此时的垂向作用力为Fn＝G0-F浮'，当气囊6的排水体积不断增大，则浮力逐渐增大，当浮力增大至Fn时，装置受力平衡，可以使装置深度平衡状态。
以上对本发明所提供的水合物转化界面探测装置及探测方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种水合物转化界面探测装置，包括外壳(4)，其特征在于，还包括压力平衡单元、气囊(6)和控制舱(8)，压力平衡单元设置在外壳(4)内，外壳(4)、气囊(6)分别与控制舱(8)连接，外壳(4)的外壁上沿其圆周方向间隔设置数个水平方向的管道，压力平衡单元密封设置在管道内，压力平衡单元在管道内往复运动；
所述外壳(4)的中部设有竖直方向的长管，长管内设有循环通道(3)，长管与外壳(4)的内壁之间形成循环舱(5)，循环通道(3)和循环舱(5)内均充满海水与甲烷气充分混合的液体，循环通道(3)的顶端固定有泵(1)，外壳(4)内设有温度传感器(7)。
2.根据权利要求1所述的水合物转化界面探测装置，其特征在于，所述外壳(4)呈球形，管道沿外壳(4)的径向设置。
3.根据权利要求1所述的水合物转化界面探测装置，其特征在于，所述压力平衡单元为密封活塞(2)，密封活塞(2)在管道内往复运动，且密封活塞(2)的外表面与管道的内表面之间设有动密封件。
4.根据权利要求1所述的水合物转化界面探测装置，其特征在于，所述管道的一端与外壳内部连通，管道的另一端内部固定有挡板。
5.根据权利要求1所述的水合物转化界面探测装置，其特征在于，所述控制舱(8)分别与泵(1)、气囊(6)连接，通过控制舱(8)对泵(1)和气囊(6)的动作进行控制。
6.根据权利要求1所述的水合物转化界面探测装置，其特征在于，所述控制舱(8)上设有压力传感器、深度传感器和位置传感器。
7.一种利用权利要求1-6任一权利要求所述水合物转化界面探测装置进行探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.向循环舱内注入甲烷气与海水的气液混合物，气液混合物在泵的作用下，在循环舱和循环通道内循环流动，此时在外壳内形成一个封闭的回路；
S2.将整个装置放入待测海域，在装置自身重力的作用下，装置不断下沉，通过控制气囊的大小，对整个装置所受的浮力进行调整，此时整个装置的下降速度缓慢，外壳内部的气液混合物的温度与外部的海水的温度处于相同的状态；
装置在下降过程中，整个装置受到的外部海水的压力逐渐增大，致使外壳的外部压力大于外壳的内部压力，密封活塞在外部压力的作用下，沿管道向内部滑动，通过对内部气液混合物的挤压，使外壳内的压力逐渐增大，从而使外壳的外部压力和内部压力之间处于平衡状态；
S3.当装置逐渐下降至水合物转化界面时，外壳内部的气液混合物迅速转化为晶体状的水合物，同时使外壳内的温度急剧升高，外壳内的温度传感器感知外壳内温度的实时变化，通过温度的突然变化对水合物转化界面进行判断；
与此同时，外壳内部物质的密度急剧增大，外壳内部的压力急剧减小，导致密封活塞迅速向内部压缩，整个装置迅速向下沉降，此时控制舱发出指令，向气囊中灌入储备的油，使气囊的体积增加，装置的整体浮力随之增大，当整个装置所受到的浮力增大至大于其重力后，装置开始上升，在上升的过程中通过控制舱对灌入气囊的油量进行调节，直至装置处于深度平衡态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述步骤S2中，设整套装置外壳的质量为G1，装配的气液态混合物质量为G2，即整套装置的质量为G0，其中，G0＝G1+G2；
设此时装置的排水体积为V0，在下降过程中，假定在到达水合物转化界面之前，整个装置排水体积整体始终为V0，装置此时的浮力为F浮＝ρ海gV0，其中G0>>F浮。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述步骤S3中，当装置到达水合物转化界面后，装置中的气液态混合物开始发生转化，此时外界的压力为F压＝ρ海gh，其中h为此时装置在海水中的深度值；
设该过程中转化的水合物的晶体体积量为∫Δ，则该过程中转化消耗的气体体积量为∫164Δ，此时装置的重量仍为G0，装置的体积为V'＝V0-∫163Δ，则此时装置的浮力为F浮'＝ρ海gV'，此时浮力急剧减小；
之后，气囊体积增加，此时的垂向作用力为Fn＝G0-F浮'，当气囊的排水体积不断增大，则浮力逐渐增大，当浮力增大至Fn时，装置受力平衡，整个装置处于深度平衡状态。
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