CN210835263U - 裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，包括高压反应装置、声学测量装置、温度控制装置、压力控制装置和数据采集装置，高压反应装置设置在温度控制装置中，并分别与声学测量装置和压力控制装置相连接；高压反应装置的反应釜内部设置有用于盛放沉积物样品的内筒，反应釜的釜体上安装有可视窗；声学测量装置包括超声波换能器，超声波换能器纵向方向上对称安装在反应釜釜体的两端，横向方向上对称安装在反应釜釜体的侧面。该实验装置可从多个方向对裂隙充填型水合物的声学特征进行探测，获得裂隙发育方向和角度对裂隙充填型水合物声学特性的影响，同时可实时对裂隙充填型水合物的生成过程进行可视化观测。

Description

裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置

技术领域

本实用新型属于海洋天然气水合物资源勘探开发工程技术领域，具体涉及一种裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置。

背景技术

当今随着人们对天然气水合物的需求逐渐增加，针对天然气水合物资源的勘探方法也逐步发展，地球物理勘探是天然气水合物资源勘探的重要方法，实验室内针对含水合物沉积物储层也进行了系列的声学探测模拟实验。目前实验室声学探测模拟实验大多是针对孔隙充填型水合物，水合物在沉积物中分布较为均匀，所采用的实验装置都只具有一对超声换能器探头，从一个方向对含水合物储层进行探测。但是裂隙充填型水合物储层具有与孔隙充填型水合物储层不同的水合物分布和声学响应特征，如果仅用一对探头从一个方向对含水合物储层探测，具有片面性，难以建立相同实验条件下裂隙发育方向与倾角同声学特性之间的关系，不利于进行裂隙充填型水合物声学各向异性的研究。

因此，为了在同样实验条件下针对裂隙充填型水合物进行声学特性的各向异性研究，研制一套能从不同方向探测含水合物沉积物储层声学特性的实验装置非常有必要性，对正确理解自然界中裂隙充填型天然气水合物发育的方向和角度对声学的响应特性，建立准确的水合物发育角度与声学特性之间的定量关系具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的单一方向探头探测裂隙充填型水合物储层具有片面性以及难以探测裂隙充填型水合物声学各向异性的问题，提出一种裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，该实验装置能够从多个方向同时探测含水合物沉积物储层声学特性，为裂隙充填型天然气水合物声学各向异性探测提供新思路。

本实用新型的技术方案是：

裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，包括高压反应装置、声学测量装置、温度控制装置、压力控制装置和数据采集装置，所述高压反应装置设置在所述温度控制装置中，并分别与所述声学测量装置和压力控制装置相连接，所述数据采集装置分别与所述声学测量装置、温度控制装置和压力控制装置相连接；所述高压反应装置包括反应釜和用于支撑反应釜的支架，所述反应釜内部设置有用于盛放沉积物样品的内筒，所述反应釜的釜体上安装有可视窗；所述声学测量装置包括超声波换能器，所述超声波换能器纵向方向上对称安装在所述反应釜釜体的两端，横向方向上对称安装在所述反应釜釜体的侧面。

进一步的，所述高压反应装置还包括封装组件和密封端盖，所述密封端盖上设置有起固定作用的螺纹，所述密封端盖包括上密封端盖和下密封端盖，所述上密封端盖设置在所述反应釜的上端部，所述下密封端盖设置在所述反应釜的下端部；所述封装组件包括固定调节螺母和压紧顶杆，所述固定调节螺母和压紧顶杆之间通过螺丝丝扣连接，所述固定调节螺母固定安装在所述密封端盖和反应釜的釜体侧面，所述压紧顶杆直接接触所述超声波换能器并将其固定在所述反应釜釜体上。

进一步的，所述超声波换能器的探头外侧设置有用于放置密封圈的凹槽。

进一步的，所述声学测量装置还包括声波参数测试仪，所述声波参数测试仪通过信号线与所述超声波换能器相连。

进一步的，所述可视窗包括视窗和压盖，所述视窗的材质为蓝宝石，所述可视窗与反应釜釜体密封固结。

进一步的，所述温度控制装置包括空气浴温度控制箱和循环水浴制冷机，所述反应釜安装在所述空气浴温度控制箱中，所述循环水浴制冷机通过循环导管与所述空气浴温度控制箱相连，所述循环导管和循环水浴制冷机中循环有制冷剂。

进一步的，所述压力控制装置包括增压泵，所述增压泵一端与所述反应釜相连，另一端连接有高压气瓶；所述增压泵与反应釜之间还安装有背压阀。

进一步的，所述反应釜釜体上设置有气体进出口，所述气体进出口一侧并排安装温度传感器探针。

进一步的，所述内筒由透明材料制成，所述内筒的材质为亚克力板材。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的一种裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，采用声波测试仪通过多个方向对裂隙充填型水合物的声学特征进行探测，探测含水合物沉积物的纵横波特征，可获得裂隙发育方向和角度对裂隙充填型水合物声学特性的影响，有助于理解裂隙充填型水合物声学响应特性的各向异性；同时，通过对声学探测高压反应釜釜体的设计，通过反应釜釜体上可视窗的设计可实时对裂隙充填型水合物的生成过程进行可视化观测。

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置的连接关系示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置的框架图；

图3为本实用新型实施例所提供的高压反应釜的结构示意图；

图4为本实用新型实施例所提供的高压反应釜的主视图；

图5为本实用新型实施例所提供的高压反应釜的侧面示意图；

以上各图中：1、高压反应装置；2、温度控制装置；3、压力控制装置；4、声学测量装置；5、数据采集装置；11、反应釜；12、支架；13、可视窗；14、上密封端盖；15、下密封端盖；16、固定调节螺母；17、压紧顶杆；21、空气浴温度控制箱；22、循环导管；23、循环水浴制冷机；31、高压气瓶；32、增压泵；33、背压阀；41、声波参数测试仪；42、超声波换能器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1至图3所示，本实用新型涉及裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，包括高压反应装置1、声学测量装置4、温度控制装置2、压力控制装置3和数据采集装置5，高压反应装置1设置在温度控制装置2中，并分别与声学测量装置4和压力控制装置3相连接，数据采集装置5分别与声学测量装置4、温度控制装置2和压力控制装置3相连接；高压反应装置1包括反应釜11和用于支撑反应釜11的支架12，反应釜11内部设置有用于盛放沉积物样品的内筒，反应釜11的釜体上安装有可视窗13；声学测量装置4包括超声波换能器42，超声波换能器42纵向方向上对称安装在反应釜11釜体的两端，横向方向上对称安装在反应釜11釜体的侧面。

上述裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置中，通过温度控制装置2和压力控制装置3可以控制高压反应装置1中反应釜11内部的高压、低温环境，通过降低温度增加压力的方法合成水合物，并在此基础上对水合物样品的各向异性进行探测；反应釜11釜体的上下左右四个方向上设置的超声波换能器42，可以使超声波换能器42的探头从纵向和横向全方位的对含水合物沉积物进行声学探测，实现裂隙充填型水合物的各项异性研究；同时在反应釜11釜体上增加可视窗13，可以使实验人员能够实时观察水合物裂隙的发育方向，同步进行裂隙发育情况的观测。

在一具体实施例中，高压反应装置1还包括封装组件和密封端盖，密封端盖上设置有起固定作用的螺纹，密封端盖包括上密封端盖14和下密封端盖15，上密封端盖14设置在反应釜11的上端部，下密封端盖15设置在反应釜11的下端部；封装组件包括固定调节螺母16和压紧顶杆17，固定调节螺母16和压紧顶杆17之间通过螺丝丝扣连接，固定调节螺母16固定安装在密封端盖和反应釜11的釜体侧面，压紧顶杆17直接接触超声波换能器42并将其固定在反应釜11釜体上。

封装组件所起的作用是将超声波换能器42与反应釜11内筒中的沉积物压实压紧，因此反应釜11上安装超声波换能器42的上下左右四个方位均安装有封装组件；安装于反应釜11上端部和下端部的超声波换能器42用密封端盖压紧，并通过密封端盖上的螺纹将密封端盖同反应釜11连接密封，同时，固定调节螺母16通过螺丝固定于上密封端盖14和下密封端盖15上；通过调节压紧顶杆17与固定调节螺母16之间螺丝丝扣的旋进、旋出将超声波换能器42的探头顶紧；左右两侧的固定调节螺母16通过螺丝固定在反应釜11外壁上，同样可通过调节压紧顶杆17与固定调节螺母16之间螺丝丝扣的旋进、旋出将超声波换能器42的探头顶紧。

进一步的，超声波换能器42的探头外侧设置有用于放置密封圈的凹槽，密封圈的设置可以保证超声波换能器42与反应釜11釜体之间无缝隙连接，在反应釜11内达到高压环境时保证高压反应装置1的整体密封性。

在上述实验装置中，声学测量装置4还包括声波参数测试仪41，声波参数测试仪41通过信号线与超声波换能器42相连；超声波换能器42通过其探头获得反应釜11内沉积物样品的声波数据，并利用信号线传递到声波参数测试仪41中，声波参数测试仪41接收到数据后测试样品的声波参数。

进一步的，可视窗13包括视窗和压盖，视窗的材质为蓝宝石，能够保证耐压可视，而压盖则用于将可视窗13与反应釜11釜体压紧固定，在反应釜11处于高压状态时仍能够保证可视窗13与反应釜11釜体之间的密封性。

如图2所示，温度控制装置2包括空气浴温度控制箱21和循环水浴制冷机23，反应釜11安装在空气浴温度控制箱21中，循环水浴制冷机23通过循环导管22与空气浴温度控制箱21相连，循环导管22和循环水浴制冷机23中循环有制冷剂。高压反应装置1的反应釜11安装在空气浴温度控制箱21中，制冷剂在冷却液循环导管22和循环水浴制冷机23中循环，用来控制空气浴温度控制箱21的温度，从而控制实验过程中反应釜11内的温度，保证反应釜11内的低温环境。

如图2所示，压力控制装置3包括增压泵32，增压泵32一端与反应釜11相连，另一端连接有高压气瓶31；增压泵32与反应釜11之间还安装有背压阀33。通过增压泵32调高高压气瓶31中输出气体的压力，并根据实验需求，调整背压阀33获得输出气体压力。

需要说明的是，反应釜11釜体上设置有气体进出口，用于向反应釜11内盛有沉积物的内筒中加入和排出高压气体；气体进出口一侧并排安装温度传感器探针，用于探测反应釜11内部温度。反应釜11的内筒由透明材料制成，可保证实验人员从可视窗13处观察反应釜11内筒中水合物裂隙的发育方向；内筒的材质为透明的亚克力板材，技术人员也可以选择其他类似材质，只要能够达到既保证观察的视角清晰，又避免反应釜11壁对超声探测产生影响的作用即可。

上述裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置的操作方法为：

(1)按照图1至图2的示意图将整个实验装置连接好，其中需要将反应釜11放置在支架12上，将反应釜11上端部、下端部和釜体左右两侧面的超声波换能器42安装并密封好；

(2)向反应釜11的内筒中放入饱和水沉积物；

(3)从气体进出口通入甲烷气体，用甲烷气体冲洗反应釜11，排出反应釜11内的空气；

(4)使用压力控制装置3向反应釜11内加入甲烷气体，控制并保持反应釜11内的高压状态；

(5)开启空气浴温度控制箱21和循环水浴制冷机23，对反应釜11进行控温；

(6)启动数据采集装置5对整个声学特性测试实验装置的温度、压力进行监测，同时开启声波参数测试仪41对沉积物进行声学探测，与此同时，通过可视窗13对裂隙充填型水合物在沉积物中的分布模式进行观测；

(7)随着水合物的生成，不断进行探测，获取裂隙充填型水合物声学的各向异性特性。

上述内容仅是针对本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡在不脱离本实用新型构思的前提下所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，包括高压反应装置(1)、声学测量装置(4)、温度控制装置(2)、压力控制装置(3)和数据采集装置(5)，所述高压反应装置(1)设置在所述温度控制装置(2)中，并分别与所述声学测量装置(4)和压力控制装置(3)相连接，所述数据采集装置(5)分别与所述声学测量装置(4)、温度控制装置(2)和压力控制装置(3)相连接；

所述高压反应装置(1)包括反应釜(11)和用于支撑反应釜(11)的支架(12)，所述反应釜(11)内部设置有用于盛放沉积物样品的内筒，所述反应釜(11)的釜体上安装有可视窗(13)；

所述声学测量装置(4)包括超声波换能器(42)，所述超声波换能器(42)纵向方向上对称安装在所述反应釜(11)釜体的两端，横向方向上对称安装在所述反应釜(11)釜体的侧面。

2.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述高压反应装置(1)还包括封装组件和密封端盖，所述密封端盖上设置有起固定作用的螺纹，所述密封端盖包括上密封端盖(14)和下密封端盖(15)，所述上密封端盖(14)设置在所述反应釜(11)的上端部，所述下密封端盖(15)设置在所述反应釜(11)的下端部；所述封装组件包括固定调节螺母(16)和压紧顶杆(17)，所述固定调节螺母(16)和压紧顶杆(17)之间通过螺丝丝扣连接，所述固定调节螺母(16)固定安装在所述密封端盖和反应釜(11)的釜体侧面，所述压紧顶杆(17)直接接触所述超声波换能器(42)并将其固定在所述反应釜(11)釜体上。

3.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述超声波换能器(42)的探头外侧设置有用于放置密封圈的凹槽。

4.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述声学测量装置(4)还包括声波参数测试仪(41)，所述声波参数测试仪(41)通过信号线与所述超声波换能器(42)相连。

5.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述可视窗(13)包括视窗和压盖，所述视窗的材质为蓝宝石，所述可视窗(13)与反应釜(11)釜体密封固结。

6.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述温度控制装置(2)包括空气浴温度控制箱(21)和循环水浴制冷机(23)，所述反应釜(11)安装在所述空气浴温度控制箱(21)中，所述循环水浴制冷机(23)通过循环导管(22)与所述空气浴温度控制箱(21)相连，所述循环导管(22)和循环水浴制冷机(23)中循环有制冷剂。

7.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述压力控制装置(3)包括增压泵(32)，所述增压泵(32)一端与所述反应釜(11)相连，另一端连接有高压气瓶(31)；所述增压泵(32)与反应釜(11)之间还安装有背压阀(33)。

8.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述反应釜(11)釜体上设置有气体进出口，所述气体进出口一侧并排安装温度传感器探针。

9.根据权利要求1所述的裂隙充填型水合物各向异性研究的声学特性测试实验装置，其特征在于，所述内筒由透明材料制成，所述内筒的材质为亚克力板材。

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