CN109490504A - 一种天然气水合物岩样物理参数测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种天然气水合物岩样物理参数测量仪，属于天然气水合物实验装置领域。该天然气水合物岩样物理参数测量仪包括天然气水合物生成***和物理参数测试***两大部分；其中天然气水合物生成***包括夹持器反应釜、低温水浴恒温箱及天然气供给气瓶；物理参数测试***包括温压监测装置、声电测试装置、轴向形变和径向形变测试装置和TDR测试及热导率测试装置，其中夹持器反应釜和物理参数测试***安装在一个仪器柜内，方便整套仪器的移动。本发明不仅能模拟天然气水合物的合成与分解，还能实时监测天然气水合物合成过程中的声波、电阻、力学、热导率等多种参数随饱和度改变的变化。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物实验装置领域，特别涉及一种天然气水合物岩样物理参数测量仪。
背景技术
水合物沉积物是指蕴含水合物的粘土、砂以及混合土等土质的沉积物质，主要赋存于浅海陆架坡区的海底沉积物和极地冻土地区的各种碎屑沉积物孔隙之中。自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状，极少以块层状出现。天然气水合物的物理参数是水合物地层稳定性分析及水合物开发评价、资源评估的重要基础参数。目前，现有技术进行水合物沉积物现场取心尚不够成熟，各国研究人员对天然气水合物的研究仍处于实验室模拟阶段，对其物理参数的研究主要是通过室内试验制备模拟水合物沉积物来实现。因此，天然气水合物的合成与分解实验研究，以及天然气水合物物理参数的研究势在必行。为了能够有效模拟天然气水合物的合成与分解以及测试天然气水合物物理参数，很有必要研发出一套苛刻的水合物实验装置，为此，各国科研人员付出了巨大努力，并取得了一定成果。
国外已报道的沉积物中水合物合成与分解及物理参数测试实验一体化装置有：日本先进工业科学和技术国际研究所的水合物沉积物合成与分解及三轴实验一体化装置；美国地质调查局的天然气水合物和沉积物模拟实验装置GHASTLI；英国的水合物沉积物合成和扭剪共振柱实验一体化装置；国内中科院力学研究所使用低温高压三轴仪进行过四氢呋喃水合物沉积物力学性质的实验研究。以上装置均不能实时测量实验过程中天然气水合物的饱和度，因此不能得出天然气水合物饱和度与力学性能的定量关系。
已公布的技术专利中，天然气水合物实验装置实现了模拟天然气水合物的合成与分解，一些装置还能实现实时对天然气水合物某些参数(如声学、电学、力学等)进行测试。但是很多装置都是只针对某一具体研究目标来设计建立的，功能比较单一。CN2014203755687.0公布了含天然气水合物岩样的生成及声电特性测试一体化装置，其装置可在柱塞岩样中生成天然气水合物，并可实现模拟多相流体状态下的声波速度和电阻率动态监测。但其天然气水合物岩样生成装置为在储液罐中通过搅拌器将盐水和甲烷气体混合溶解，在将混合溶解后的溶液注入岩心筒，其生成的水合物岩样中含气量有限，不能很好模拟水合物沉积物实际情况。并且该装置的岩心筒完全置于控温浴槽中，不能快速拆卸取样；该装置也不能测试水合物力学参数。CN201310225265.7公布了天然气水合物沉积物动三轴力学-声学-电学同步测试的实验装置及方法，其装置可对天然气水合物动三轴力学及声波、电学特性同步测试。其力学主要通过声波测试值计算弹性模量和动态泊松比，不能直接反应天然气水合物的抗压强度等性质。CN20102025306.3公布了天然气水合物力学性能实验装置，其装置的三轴仪上端安装有特殊设计的加载杆，加载杆与力传感器相连，还可安装时域反射探针，反应室内设有热电阻。该装置能够得出天然气水合物饱和度与力学性能的定量关系，但该装置不能测试天然气水合物的声学和电学性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种天然气水合物岩样物理参数测量仪，该装置不仅能模拟天然气水合物的合成与分解，还能实时监测天然气水合物合成过程中的声波、电阻、力学、热导率等多种参数随饱和度改变的变化。
本发明提供的一种天然气水合物岩样物理参数测量仪通过以下技术方案实现上述目的：
一种天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，包括天然气水合物生成***和物理参数测试***；其中天然气水合物生成***包括夹持器反应釜、低温水浴恒温箱及天然气供给气瓶；所述夹持器反应釜包括釜体堵头和釜体，所述釜体通过釜体堵头上的螺纹和密封圈与釜体堵头连接，釜体内设有冷却水循环通道；低温水浴恒温箱内的冷却水通过釜体上的进口水嘴进入釜体内，再由出口水嘴回到低温水浴恒温箱内，如此循环使得整个夹持器反应釜温度降低并控制在天然气水合物生成的最佳温度范围；将天然气水合物岩样装在渗透岩套内，天然气供给气瓶中的天然气通过釜体堵头上安装的注气入口进入釜体内，再透过渗透岩套进入多孔介质中，实现天然气水合物的生成；物理参数测试***包括温压监测装置、声波电阻测试装置、轴向形变和径向形变测试装置和TDR测试及热导率测试装置，所述夹持器反应釜和物理参数测试***安装在一个仪器柜内。
所述仪器柜顶部设置升降装置，所述夹持器反应釜通过该升降装置完成上下升降运动，且使用绝缘底板将夹持器反应釜与仪器柜隔开。
所述温压监测装置包括安装在釜体内的温度探针和差压传感器，所述温度探针用于获取整个夹持器反应釜温度；在釜体内的稳压气罐与釜体堵头上的测差压稳压罐孔连接，测差压稳压罐孔管线和注气入口管线连接并同时连接到天然气供给气瓶，稳压气罐腔体与釜体腔体分别连接到差压传感器两端；合成天然气水合物时，同时向稳压气罐和釜体中充入天然气，待压力稳定后，此时差压传感器读值为零；关闭稳压气罐和釜体的天然气注入阀门，随着天然气水合物的形成，釜体中的天然气被消耗，压力降低，差压传感器读取稳压气罐与釜体形成的压差值。
所述声波电阻测试装置包括低阻抗声波探头、示波器和电桥仪，所述低阻抗声波探头分为上探头与下探头，探头端面贴有不锈钢薄片；下探头通过下探头座与釜体堵头连接在一起，下探头座与釜体堵头间设有密封挡圈和密封圈，下探头座和下探头之间设有密封圈，下探头的电阻、声波引线通过釜体堵头中心的下探头电阻声波引线器连接；上探头通过探头盖与轴压加载装置连接；上探头的电阻、声波引线与釜体堵头上的上探头电阻声波引线器连接；轴压加载装置由活塞缸与活塞组成，轴压加载装置通过螺钉与釜体堵头连接；活塞缸上安装有轴压加载管线，液压油通过加载管线进入活塞缸中，推动活塞移动，活塞推动上探头移动，上探头对天然气水合物施加轴向压力。
所述轴向形变和径向形变测试装置包括轴向形变器和径向形变器，所述轴向形变器与绝缘底板和活塞缸连接；所述径向形变器安装在渗透岩套外。
所述TDR测试及热导率测试装置包括安装在釜体内的TDR探针和热导率测试探针，该TDR探针和热导率测试探针伸入用于合成天然气水合物的多孔介质中。
所述渗透岩套为聚四氟乙烯滤网。
所述釜体堵头上钻有通孔，用于轴压加载管线、天然气注入管线及物理参数测试数据线引线器的安装。
本发明提供了一种天然气水合物岩样物理参数测量仪，与目前使用的技术相比，具有以下优点：
1、本发明提供的一种天然气水合物岩样物理参数测量仪不仅能用于生成天然气水合物，还能实时监测天然气水合物合成过程中各物理参数的变化情况，包括电阻、声波、轴向形变、径向形变、热导率、时域反射、温度和压力。其中声波和电阻的测试使用一种端面贴有不锈钢薄片的低阻抗声波探头，解决了如何减小常用高阻抗声波探头基体与被测水合物岩样之间因声阻抗较大的差异而造成的反射衰减的问题。
2、所使用的岩样胶套为聚四氟乙烯滤网，用于合成天然气水合物的多孔介质(砂)装在岩样胶套中，充入釜体内的天然气从四周透过岩样胶套进入多孔介质中，提高了天然气水合物的合成速度。
3、所设计的釜体体积大小与设计的岩样胶套的大小呈一定关系，釜体内充入满足天然气水合物生成压力条件下的天然气量，足够使岩样胶套中多孔介质中的模拟海水完全生成天然气水合物，且釜体内的天然气压力变化不大，但能被连接在稳压气罐和釜体的差压传感器检测。如此的设计主要是为了一次性充气，更能准确计量天然气消耗量，也就更能精确计算天然气水合物饱和度，减小了常规手段中反复多次充气的计量误差及理论计算误差。
附图说明
图1为天然气水合物岩样物理参数测量仪结构示意图；
图2为夹持器反应釜结构主视剖面图；
图3为夹持器反应釜结构左视剖面图；
图4为夹持器反应釜结构右视剖面图；
图5为夹持器反应釜结构俯视图。
其中，1—夹持器反应釜；2—升降装置的吊缆部件；3—升降装置的转筒；4—控制仪表；5—仪器柜；6—电桥仪；7—示波器；
1-1—绝缘底板；1-2—釜体堵头；1-3—釜体；1-4—密封部件；1-5—温度探针；1-6—轴向形变传感器；1-7—低阻抗声波下探头；1-8—热导率测量探头；1-9—径向形变传感器；1-10—渗透岩套；1-11—低阻抗声波上探头；1-12—轴压活塞；1-13—轴压活塞缸；1-14—吊环；1-15—低温循环水道；1-16—稳压气罐；1-17—下探头电阻声波引线器；1-18—注气管线；1-19—TDR探针；1-20—低温循环水进口水嘴；；1-21—低温循环水进口水嘴；1-22—差压传感器；1-23—测差压稳压罐孔；1-24—固定螺钉；1-25—轴压入口；1-26—注气入口；1-27内温探测口。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种天然气水合物岩样物理参数测量仪包括天然气水合物生成***和物理参数测试***两大部分。其中天然气水合物生成***包括夹持器反应釜、低温水浴恒温箱及天然气供给气瓶；物理参数测试***包括温压监测装置、声波电阻测试装置、轴向形变和径向形变测试装置、TDR测试及热导率测试装置、数据采集线，以及专用数据采集处理软件。夹持器反应釜和物理参数测试***均安装在一个仪器柜内，方便整套仪器的移动。
所述夹持器反应釜如图2-5所示，包括釜体堵头、釜体、低阻抗声波探头、渗透岩套、稳压气罐和轴压加载装置。所述釜体通过釜体堵头上的螺纹和密封圈与釜体堵头连接，由于釜体较重，所以釜体上端设有有吊环，吊环与仪器柜顶部的升降装置连接，釜体的升降由升降装置完成。夹持器反应釜安装在仪器柜上，并使用绝缘底板将夹持器反应釜与仪器柜隔开。釜体堵头上钻有通孔，用于轴压加载管线、天然气注入管线及物理参数测试数据线引线器的安装。釜体内设有冷却水循环通道，低温水浴恒温箱内的冷却水通过釜体上的进口水口进入釜体内，再由出口水口回到低温水浴恒温箱内，如此循环使得整个夹持器反应釜温度降低并控制在天然气水合物生成的最佳温度范围。
温压监测装置包括在釜体内的温度探针和差压传感器，在釜体内设有内温探测口，用于温度探针获取整个夹持器反应釜温度；在釜体内的稳压气罐与釜体堵头上的测差压稳压罐孔连接，测差压稳压罐孔管线和注气入口管线连接并同时连接到天然气供给气瓶，稳压气罐腔体与釜体腔体分别连接到差压传感器端；合成天然气水合物时，同时向稳压气罐和釜体中充入天然气，待压力稳定后，此时差压传感器读值为零；关闭稳压气罐和釜体的天然气注入阀门，随着天然气水合物的形成，釜体中的天然气被消耗，压力降低，差压传感器读取稳压气罐与釜体形成的压差值，由此可得到天然气水合物形成过程中天然气的消耗量。
声波电阻测试装置由低阻抗声波探头、示波器和电桥仪等组成，所用的低阻抗声波探头相较于一般的声波探头能够得到天然气水合物较好的声波波形。低阻抗声波探头分为上探头与下探头，探头端面贴有不锈钢薄片，可实现天然气水合物的声波速度与电阻测试。下探头通过下探头座与釜体堵头连接在一起，下探头座与釜体堵头间设有密封挡圈和密封圈，下探头座和下探头之间设有密封圈，防止充入釜体内的天然气外渗。下探头座与下探头上均钻有通孔，方便安装TDR探针及热导率测试探针，下探头的电阻、声波引线由下探头座中心的通孔与下探头引线器连接，方便下探头的拆卸不受声电测试数据线影响。上探头通过探头盖与轴压加载装置连接，上探头的电阻、声波引线与釜体堵头上的上探头引线器连接；轴压加载装置由活塞缸与活塞组成，轴压加载装置通过螺钉与釜体堵头连接；活塞缸上安装有轴压加载管线，液压油通过加载管线进入活塞缸中，推动活塞移动，活塞推动上探头移动，上探头对天然气水合物施加轴向压力。渗透岩套为聚四氟乙烯滤网，用于合成天然气水合物多孔介质或者将天然气水合物岩样装在渗透岩套内，天然气供给气瓶中的天然气通过釜体堵头上安装的注气入口进入釜体内，再透过渗透岩套从四周进入多孔介质中，增大了天然气与多孔介质的接触面积，加快了天然气水合物的生成。
所述轴向形变和径向形变测试装置包括轴向形变传感器和径向形变传感器，所述轴向形变传感器与绝缘底板和活塞缸连接；所述径向形变传感器安装在渗透岩套外；所述轴向形变传感器和径向形变传感器的引线通过釜体堵头上设置引线器引出。
所述TDR测试及热导率测试装置包括安装在釜体内的TDR探针和热导率测试探针，其中TDR探针和热导率测试探针通过下探头通孔伸入用于合成天然气水合物的多孔介质中。
仪器柜面板上设置有各个设备的控制开关，以便操作人员操作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，包括天然气水合物生成***和物理参数测试***；其中天然气水合物生成***包括夹持器反应釜、低温水浴恒温箱及天然气供给气瓶；所述夹持器反应釜包括釜体堵头和釜体，所述釜体通过釜体堵头上的螺纹和密封圈与釜体堵头连接，釜体内设有冷却水循环通道；低温水浴恒温箱内的冷却水通过釜体上的进口水嘴进入釜体内，再由出口水嘴回到低温水浴恒温箱内，如此循环使得整个夹持器反应釜温度降低并控制在天然气水合物生成的最佳温度范围；将天然气水合物岩样装在渗透岩套内，天然气供给气瓶中的天然气通过釜体堵头上安装的注气入口进入釜体内，再透过渗透岩套进入多孔介质中，实现天然气水合物的生成；物理参数测试***包括温压监测装置、声波电阻测试装置、轴向形变和径向形变测试装置和TDR测试及热导率测试装置，所述夹持器反应釜和物理参数测试***安装在一个仪器柜内。
2.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述仪器柜顶部设置升降装置，所述夹持器反应釜通过该升降装置完成上下升降运动，且使用绝缘底板将夹持器反应釜与仪器柜隔开。
3.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述温压监测装置包括安装在釜体内的温度探针和差压传感器，所述温度探针用于获取整个夹持器反应釜温度；在釜体内的稳压气罐与釜体堵头上的测差压稳压罐孔连接，测差压稳压罐孔管线和注气入口管线连接并同时连接到天然气供给气瓶，稳压气罐腔体与釜体腔体分别连接到差压传感器；合成天然气水合物时，同时向稳压气罐和釜体中充入天然气，待压力稳定后，此时差压传感器为零；关闭稳压气罐和釜体的天然气注入阀门，随着天然气水合物的形成，釜体中的天然气被消耗，压力降低，差压传感器读取稳压气罐与釜体形成的压差值。
4.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述声波电阻测试装置包括低阻抗声波探头、示波器和电桥仪，所述低阻抗声波探头分为上探头与下探头，上述探头端面贴有不锈钢薄片；下探头通过下探头座与釜体堵头连接在一起，下探头座与釜体堵头间设有密封挡圈和密封圈，下探头座和下探头之间设有密封圈；上探头通过探头盖与轴压加载装置连接；上探头的电阻、声波引线与釜体堵头上的上探头引线器连接；轴压加载装置由活塞缸与活塞组成，轴压加载装置通过螺钉与釜体堵头连接；活塞缸上安装有轴压加载管线，液压油通过加载管线进入活塞缸中，推动活塞移动，活塞推动上探头移动，上探头对天然气水合物施加轴向压力。
5.如权利要求4所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述轴向形变和径向形变测试装置包括轴向形变器和径向形变器，所述轴向形变器与绝缘底板和活塞缸连接；所述径向形变器安装在渗透岩套外。
6.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述TDR测试及热导率测试装置包括安装在釜体内的TDR探针和热导率测试探针，该TDR探针和热导率测试探针伸入用于合成天然气水合物的多孔介质中。
7.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述渗透岩套为聚四氟乙烯滤网。
8.如权利要求1所述的天然气水合物岩样物理参数测量仪，其特征在于，所述釜体堵头上钻有通孔，用于轴压加载管线、天然气注入管线及物理参数测试数据线引线器的安装。
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