CN103217316A - 一种天然气水合物钻探现场岩心气体的采集*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种天然气水合物钻探现场岩心气体的采集***，包括集气罐、水浴恒温箱、震动台和集气瓶，所述水浴恒温箱放置于所述震动台上，所述集气罐包括可拆分的罐体和罐体盖，且所述罐体和罐体盖能够密封连接，采用所述采集***采集岩心气体时，装有岩心样品的罐体与罐体盖在水浴恒温箱的恒温饱和盐水环境下密封连接，且所述集气瓶在恒温饱和盐水环境下连接于罐体盖的集气出口，本发明所述的采集***从封装水合物岩心样品、释放气体、气体采集、震荡集气到气体封存，整个过程一次完成，简化了一系列中间过程，大大提高了气体采集工作效率。

Description

一种天然气水合物钻探现场岩心气体的采集***

技术领域

本发明涉及气体采集领域，更具体的涉及一种用于天然气水合物钻探现场快速采集岩心（及水合物）中烃类气体的***。

背景技术

天然气水合物是一种高密度（1 m³可释放164 m³的甲烷）的清洁能源，是全球煤、石油、天然气等常规能源资源总和的2倍，已引起全球许多国家的高度关注。钻探过程中，岩心释放气体量的大小，是现场快速判断水合物存在与否的关键参数之一。因此，水合物钻井岩心现场快速采气装置，是钻探现场气体采集、测量、进而快速判识水合物的重要基础装备。

经过文献检索，目前国内外天然气水合物钻井岩心气体采集方法，主要有顶空气法和静置排气法。前者主要用于采集岩心（或岩屑）中的气体，后者则用于采集水合物岩心的气体，具体方法如下：

1、顶空气法，具体操作是：将5cm长的岩心样品称重并装入配有隔垫的金属罐中，加水使金属罐与样品之间充满水，上部留有一定的空间位置（100ml），水中加入2.3g的杀菌剂（sodium azide），然后把样品和水密封起来，倒置冷藏及运输，送到实验室后，将冷藏的样品温度恢复到20℃，再行5分钟的高速机械振荡，然后取一定量的容器顶部空间气体（15ml）进行烃成分和同位素分析。该方法采用常温机械振荡方式释放气体，优点是：野外操作简单、快捷；缺点是：（1）随着水合物的分解及气体释放，金属罐内的压力越来越大，抑制了水合物的分解，导致气体释放不完全；（2）分解释放出的烃类气体混入了金属罐顶部预留空间的空气，造成一系列分析误差。

2、静置排水法，具体操作是：选择含量较高且肉眼可见的水合物岩心样品，将其浸没在水下，水合物分解释放的气体，用置换水法将释放出的气体收集到可用瓶塞密封的玻璃容器中，或暂时收集于60ml的塑料注射器内，然后导入专用的玻璃瓶中封存。该方法采用常温下自然静置释放，排水取气，优点是野外操作简单，排除了空气的影响；缺点是：（1）静置自然释放速度较慢；（2）样品分解释放受环境温度影响较大，使得水合物分解程度不一，气体释放量误差较大。

综上所述，现有技术中存在的以上两种方法均具有野外操作简单的优点，但也都具有分解速度慢、效率低、不完全，以及易受环境温度影响等缺点，而且还可能受到空气混入污染的影响。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的不足，提供一套能够用于天然气水合物钻探现场岩心中烃类气体的快速采集***，该采集***具备材质优良、操作简便、工作效率高和采集气体样品质量好的优点。

本发明的具体技术方案如下：

一种天然气水合物钻探现场岩心气体的采集***，包括集气罐、水浴恒温箱、震动台和集气瓶，所述水浴恒温箱放置于所述震动台上，所述集气罐包括可拆分的罐体和罐体盖，且所述罐体和罐体盖能够密封连接，采用所述采集***收集岩心气体时，装有岩心样品的罐体与罐体盖在水浴恒温箱的恒温饱和盐水环境下密封连接，且所述集气瓶在恒温饱和盐水环境下连接于罐体盖的集气出口。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述罐体为上端开口、下端封闭的筒式结构，开口端用于放入岩心样品和注入饱和盐水，开口端外壁设有两个以上的密封圈卡槽，且在所述密封圈卡槽内嵌有密封圈。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述罐体盖为套装在罐体开口端的可拆卸式集气和导气装置，并通过所述密封圈与所述罐体形成滑动式密封连接。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述罐体盖下部为圆筒状、中部为圆台状、上部为圆管状，且罐体盖下部圆筒内壁直径略大于所述罐体开口端外壁直径，罐体盖中部圆台内壁光滑，罐体盖上部圆管作为集气导管伸入倒置的集气瓶中。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中在所述集气导管的底部设置有集气导管开关，用于控制集气罐内气体经过集气导管通过，所述集气导管开关之上的集气导管外壁设置有三个以上的集气瓶托架，通过固定螺丝将所述集气瓶扣卡固定于所述集气瓶托架上，并保证所述集气导管伸入所述集气瓶内且其外壁与集气瓶内壁间留有间隙。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述水浴恒温箱包括水槽、集气罐卡槽和温度控制面板，所述水槽用于盛放饱和盐水，所述集气罐卡槽设置于所述水槽内，用于固定集气罐，所述温度控制面板设置于水槽外壁面上，用于自动调节水槽内的盐水温度。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述震动台包括减震器、震动台托盘、震动台控制开关和震动台基座，所述震动台托盘通过减震器设置于震动台基座上，所述震动台控制开关用于控制震动台托盘的震动，水浴恒温箱卡扣于所述震动台托盘的台面上。

进一步的根据本发明所述的采集***，其中所述集气瓶为测试分析专用的集气瓶，瓶盖带有取气孔和密封垫。

本发明所述天然气水合物钻探现场岩心气体采集***的用途，用所述采集***对天然气水合物钻探现场的岩心中烃类气体进行收集，具体包括：首先将钻探取出的岩心样品清洗后放入所述罐体内，接着在水浴恒温箱的饱和盐水下将罐体盖扣置在罐体上、将集气瓶扣置在罐体盖的集气出口，并排除其中的空气，然后在预设温度和震动频率下对岩心样品的释放气体收集预定时间。

通过本发明所述的岩心气体采集***至少能够达到以下技术效果：

1、材质优良

（1）本发明所述装置中的集气罐1所用材质为不锈钢质，内表面光滑，既抗磨耐用，又抗腐蚀，还能避免对岩心释放出气体的污染；

（2）本发明所述装置中的水浴恒温箱2外体和震动台3主体均为型钢（刷漆），水槽2-1和集气罐卡槽为PPR塑料，前者经久耐用，后者耐腐蚀，可长时间反复使用。

2、操作简便

（1）本发明所述装置在用集气罐1取气前，样品放入、封盖方便。将待采集气体的水合物岩心样品直接放入集气罐罐体1-1后，将罐体盖1-2套在罐体开口端轻轻按下即可封盖，操作十分方便。填补了本领域尚无此类装置的空白，也克服了相近领域类似装置操作复杂之不足；

（2）本发明所述装置的取气过程简单方便。样品放入集气罐罐体1-1后，连同后者浸没水浴恒温箱的饱和盐水下，并置于集气罐卡槽2-2内，然后用罐体盖1-2封盖后，在水下将集气瓶倒置套在集气导管1-7上，固定后即开始了取气，取气结束后，在水下将集气瓶拧紧密封即可送往现场实验室直接测试或放入冰箱冷藏室存放，操作十分方便。避免了用注射器扎入集气罐抽取，再注入专用集气瓶的繁琐过程，也避免了转置过程中空气的混入。

3、工作效率高

（1）本发明所述装置中的集气罐1在装入、封盖岩心样品时，操作简单轻松，中间环节少，提高了采气样品的封装效率；

（2）本发明所述装置中的集气罐1中的样品在释放气体的同时，专用集气瓶即开始了排水采气，脱气与取气同时进行，克服了现有取气、转置等系列中间过程，提高了取气效率；

（3）本发明所述装置中的集气罐1在水浴恒温箱2内加温，可显著加快水合物岩心的气体释放速度，提高了气体采集效率；

（4）本发明所述装置中利用震动台3震荡集气罐1，既加快了集气罐1中水合物岩心样品释放气体的速度，也可促进集气罐1内壁上吸附的气体汇集到集气导管1-7，还保持了所有样品采气环境温度的恒定。不仅保证了气体收集的完全高效，而且保证了不同岩心采气量的可比性；

（5）本发明所述装置从封装水合物岩心样品、释放气体、气体采集、震荡集气到气体封存，整个过程一次完成，简化了一系列中间过程，大大提高了气体采集效率。

4、采集气体样品质量好

利用本发明所述装置进行水合物岩心释放气体采集的所有操作，都是在饱和盐水下操作完成的，既克服了混入空气的污染，又可用盐水即刻封存，可防止微生物对所采集水合物释放气体的破坏和改造，保证了所采集气体样品的质量。

附图说明

图1为本发明所述天然气水合物钻探现场岩心气体采集***的组件拆分示意图；

图2为使用本发明所述天然气水合物钻探现场岩心气体采集***进行气体采集的示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1为集气罐：1-1为罐体、1-2为罐体盖、1-3为密封圈卡槽、1-4为密封圈、1-5为集气瓶托架、1-6为固定螺丝、1-7为集气导管、1-8为集气导管开关；

2为水浴恒温箱：2-1为水槽、2-2为集气罐卡槽、2-3为温度控制面板；

3为震动台：3-1为减震器、3-2为震动台托盘、3-3为震动台控制开关、3-4为震动台基座；

4为集气瓶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述天然气水合物钻探现场岩心中烃类气体采集***进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。

如附图1所示，本发明所述天然气水合物钻探现场岩心中烃类气体采集***总体包括集气罐1、水浴恒温箱2、震动台3和集气瓶4四部分（图1）。其中，集气罐1又包括罐体1-1、罐体盖1-2、密封圈卡槽1-3、密封圈1-4、集气瓶托架1-5、固定螺丝1-6、集气导管1-7、集气导管开关1-8；水浴恒温箱2具体又包括水槽2-1、集气罐卡槽2-2和温度控制面板2-3；震动台3具体又包括减震器3-1、震动台托盘3-2、震动台控制开关3-3和震动台基座3-4。各部分的（图1）进一步说明如下：

所述集气罐1包括的罐体1-1为上端开口、下端封闭的筒式结构，开口端用于放入岩心样品和注入饱和盐水；开口端外壁设有两个以上、优选为三个密封圈卡槽1-3，用于固定密封圈1-4，所述的密封圈1-4优选采样橡胶密封圈。

集气罐1包括的罐体盖1-2为套装在罐体1开口端的可拆卸式集气和导气装置，用于汇集水合物岩心释放的气体进入专用集气瓶4；罐体盖1-2通过橡胶密封圈1-4与罐体1-1形成滑动的密封连接，以防气体从连接处外漏。罐体盖1-2下部为圆筒状、中部为圆台状、上部为圆管状，罐体盖1-2下部圆筒内壁直径略大于罐体1-1开口端外壁直径，确保罐体盖1-2能轻松套在罐体1-1上；罐体盖1-2中部为圆台状，利于气体汇集并进入集气导管1-7，这部分内壁要求光滑，以减少吸着在内壁上的气体量；罐体盖1-2上部圆管可直接作为集气导管1-7，用于将罐体1-1中释放、罐体盖1-2中汇集的气体全部导入倒置的集气瓶4，所述集气瓶4为收集烃类气体的专用集气瓶；在集气导管1-7底部设置有集气导管开关1-8，用于控制集气罐内气体经过集气导管通过，在集气导管开关之上的集气导管外壁设置有三个集气瓶托架1-5，用于扣卡专用集气瓶4，集气瓶托架1-5的位置应以满足集气导管1-7伸入专用集气瓶4为宜，固定螺丝1-6用于固定专用集气瓶4，避免集气瓶4内因气体过多漂浮、歪斜造成气体泄漏，集气导管1-7深入集气瓶内且其外壁与集气瓶4内壁间留有间隙，以保证气体进入集气瓶4时，瓶内盐水实时排出。

所述集气瓶4为测试分析专用的进气瓶，瓶盖带有取气孔和密封垫，收集到的气体带水倒置在水下拧紧瓶盖密封后，即刻送往现场实验室直接分析。

所述水浴恒温箱2包括的水槽2-1用于盛放饱和盐水，盛放的饱和盐水用于排替集气罐1和集气瓶4内的空气并取气，同时可抑制水中细菌的生长及细菌对瓶中烃类气体的改造；包括的集气罐卡槽2-2设置于所述水槽2-1内，用于固定集气罐1，可根据需要设置多个卡槽2-2以使水浴恒温箱2能够同时放置多个集气罐1；所包括的温度控制面板2-3用于自动调节水浴恒温箱的水槽2-1内的盐水温度，设置于水槽壁面上。

所述震动台3包括减震器3-1、震动台托盘3-2、震动台控制开关3-3和震动台基座3-4。所述震动台托盘3-2通过减震器3-1设置于震动台基座3-4上，所述震动台控制开关3-3用于控制震动台托盘3-2的震动。具体的所述减震器3-1用于减少和缓冲震动台托盘3-2的剧烈震动；所述震动台托盘3-2具体结构由电机加一对偏心轮组成，并通过一对吊架联轴器安装在台面（反面）中心位置，用于产生上下震动，托盘的台面（正面）上卡扣水浴恒温箱2；震动台控制开关3-3用于控制震动时间，打开开关3-3时，震动台托盘3-2即可带动装有集气罐1的水浴恒温箱2做高频震动，利于集气罐内气体的汇聚和收集。

本发明所述天然气水合物钻探现场岩心中烃类气体采集***的操作使用方法如附图2所示的：

首先将水浴恒温箱2卡扣在震动台托盘3-2的台面（正面）上，检验震动台3震动是否正常。

接着将饱和盐水倒入水浴恒温箱的水槽2-1内，并确保水位能在取气瓶4的瓶底之上，如附图2所示。然后打开水浴恒温箱温度控制开关2-3，将温度调至40℃，使水槽2-1内的饱和盐水温度恒定，并检查橡胶密封圈1-4是否全部都装在了罐体的密封圈卡槽1-3内。

然后进入取气阶段：将钻探取出的岩心样品迅速放入装有清水的水桶清洗掉钻井液及表面杂物，接着将样品放入不锈钢罐体1-1内，将装有样品的罐体1-1放置于水浴恒温箱水槽2-1内的集气罐卡槽2-2中，让罐体1-1内充满饱和盐水，此操作的目的是排除罐体1-1内的空气。打开罐体盖1-2的集气导管开关1-8，并将罐体盖1-2完全浸没在水槽2-1内的饱和盐水中，充分排出内部空气，然后在水下将罐体盖1-2扣置在罐体1-1上面。此时通过罐体上面自带的橡胶密封圈1-4，可以充分保证罐体盖1-2与罐体1-1紧密对接，不致让释放出的气体从两者之间的接合部溢出。然后根据岩心样品特征（岩性、裂隙等特征）和在清洗样品时是否有气体释放（气泡）等情况的观察，选取匹配岩心产气量大小的集气瓶4，保证收集到的气体体积不应超过集气瓶容积的4/5，使得集气瓶内保留有一定量的饱和盐水，避免气体溢失，把选取的合适的集气瓶4放入水槽2-1内的饱和盐水中，将其充满饱和盐水，排出集气瓶4中的空气，在饱和盐水水面以下将集气瓶4扣置在罐体盖1-2上面的集气导管1-7上，并置于集气瓶托架5上，拧紧固定螺丝1-6，确保集气瓶4不会漂移或倾倒，这样也保证了集气导管1-7完全伸入到集气瓶4的内部，保证了岩心释放出的气体全部进入到集气瓶4。集气导管7与集气瓶8之间保持有一定的间隔，可确保气体进入到集气瓶4时将集气瓶4中的饱和盐水排出，在此状态下开始取气。

样品气体采集时间为2个小时，所有样品都是在等温(40℃)等压（1个大气压）条件下进行，保证采气温度的一致样品解吸条件的一致。采气期间不断开动震动台控制开关3-2，使震动台3进行上下高速震动，震动频率为3000次/分钟，震动幅度3mm左右，目的是加快岩心气体释放速度，同时也可促进少量吸着在罐体1和罐体盖1-2的内壁上气体进入到集气瓶4内，采气期间，若气体采集量超过集气瓶容积4/5时，可关闭集气导管开关1-8，更换新的集气瓶，接着打开集气导管开关1-8继续采集气体，直至采气结束。

2小时后，在水下倒置拧紧收集气体的集气瓶4的瓶盖，集气瓶4瓶口朝下送到野外实验室进行分析或存放在冰箱里冷藏，样品冷餐的原则，一是温度尽量低，这样能更好地抑制细菌活动和增长，二是确保集气瓶4中的饱和盐水不结冰，结冰可造成集气瓶破裂，冷藏温度在0-4℃之间比较合适。

本发明所述的天然气水合物钻探现场岩心中烃类气体采集***的创新特点和技术效果有以下几个方面：

1）、利用水浴恒温箱水槽内装有的饱和盐水，排出集气罐中的空气，既克服了混入空气的污染，又利用盐水防止了微生物对所采集水合物释放气体的破坏和改造，保证了所采集气体样品的质量。

2）利用罐体盖1-2的特殊外形设计，将罐体1-1中岩心释放出的气体汇集到水下倒扣的专用集气瓶4内，利于气体收集，提高了取气效率。

3）利用恒温加热、机械震动不仅加快了岩心中水合物的分解释放速度，还保持了所有岩心样品气体采集过程中温度的恒定性，保证了气体采集量的可比性。

4）通过震动台的机械震动减少了罐体1-1和罐体盖1-2内壁上的气体吸附，保证释放出的气体最大限度进入到专用集气瓶4内，提高气体的收集能力和效率。

5）本发明所述装置从封装水合物岩心样品、释放气体、气体采集、震荡集气到气体封存，整个过程一次完成，简化了一系列中间过程，大大提高了气体采集工作效率。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (9)

1.一种天然气水合物钻探现场岩心气体的采集***，其特征在于，包括集气罐（1）、水浴恒温箱（2）、震动台（3）和集气瓶（4），所述水浴恒温箱（2）放置于所述震动台（3）上，所述集气罐（1）包括可拆分的罐体（1-1）和罐体盖（1-2），且所述罐体（1-1）和罐体盖（1-2）能够密封连接，采用所述采集***采集岩心气体时，装有岩心样品的罐体（1-1）与罐体盖（1-2）在水浴恒温箱（2）的恒温饱和盐水环境下密封连接，且所述集气瓶（4）在恒温饱和盐水环境下连接于罐体盖（1-2）的集气出口。

2.根据权利要求1所述的采集***，其特征在于，所述罐体（1-1）为上端开口、下端封闭的筒式结构，开口端用于放入岩心样品和注入饱和盐水，开口端外壁设有两个以上的密封圈卡槽（1-3），且在所述密封圈卡槽（1-3）内嵌有密封圈（1-4）。

3.根据权利要求2所述的采集***，其特征在于，所述罐体盖（1-2）为套装在罐体（1-1）开口端的可拆卸式集气和导气装置，并通过所述密封圈（1-4）与所述罐体（1-1）形成滑动式密封连接。

4.根据权利要求3所述的采集***，其特征在于，所述罐体盖（1-2）下部为圆筒状、中部为圆台状、上部为圆管状，且罐体盖（1-2）下部圆筒内壁直径略大于所述罐体（1-1）开口端外壁直径，罐体盖（1-2）中部圆台内壁光滑，罐体盖（1-2）上部圆管作为集气导管（1-7）伸入倒置的集气瓶（4）中。

5.根据权利要求4所述的采集***，其特征在于，在所述集气导管（1-7）的底部设置有集气导管开关（1-8），在所述集气导管开关之上的集气导管外壁设置有三个以上的集气瓶托架（1-5），通过固定螺丝（1-6）将所述集气瓶（4）扣卡固定于所述集气瓶托架（1-5）上，并保证所述集气导管（1-7）伸入所述集气瓶（4）内且其外壁与集气瓶（4）内壁间留有间隙。

6.根据权利要求1-5任一项所述的采集***，其特征在于，所述水浴恒温箱（2）包括水槽（2-1）、集气罐卡槽（2-2）和温度控制面板（2-3），所述水槽（2-1）用于盛放饱和盐水，所述集气罐卡槽（2-2）设置于所述水槽（2-1）内，用于固定集气罐（1），所述温度控制面板（2-3）设置于水槽外壁面上，用于自动调节水槽（2-1）内的盐水温度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的采集***，其特征在于，所述震动台（3）包括减震器（3-1）、震动台托盘（3-2）、震动台控制开关（3-3）和震动台基座（3-4），所述震动台托盘（3-2）通过减震器（3-1）设置于震动台基座（3-4）上，所述震动台控制开关（3-3）用于控制震动台托盘（3-2）的震动，水浴恒温箱（2）卡扣于所述震动台托盘（3-2）的台面上。

8.根据权利要求1-7任一项所述的采集***，其特征在于，所述集气瓶（4）为测试分析专用的集气瓶，瓶盖带有取气孔和密封垫。

9.权利要求1-8任一项所述天然气水合物钻探现场岩心气体采集***的用途，其特征在于，用所述采集***对天然气水合物钻探现场的岩心中烃类气体进行采集，具体包括：首先将钻探取出的岩心样品清洗后放入所述罐体（1-1）内，接着在水浴恒温箱（2）的饱和盐水下将罐体盖（1-2）扣置在罐体（1-1）上、将集气瓶（4）扣置在罐体盖（1-2）的集气出口，并排除其中的空气，然后在预设温度和震动频率下对岩心样品的释放气体采集预定时间。

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