CN111380892A - 一种测量可燃冰分解速率的***及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种测量可燃冰分解速率的***及方法，该装置由样品夹持器和恒压装置组成，恒压装置包括泵、压力表、液体收集装置、第一回压阀门和溢流液罐，样品夹持器包括外壳，外壳内设有冷却液流动腔，在冷却液流动腔内设有封闭的样品腔，样品腔表面套设有镂空管，镂空管上绕有射频线圈；泵控制流体从溢流液罐流出至所述样品夹持器的第一端口，在所述样品夹持器中经过所述镂空管之后从所述样品夹持器的第二端口流出，经过所述第一回压阀门流入所述液体收集装置中。利用恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变；测量所述可燃冰样本的磁共振信号；根据所述可燃冰样本的磁共振信号，确定所述可燃冰样品的分解速率。从而更高效地观测可燃冰分解率。

Description

一种测量可燃冰分解速率的***及方法

技术领域

本申请涉及核磁共振测量技术领域，尤其涉及一种测量可燃冰分解速率的***及方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本申请实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

可燃冰作为当今世界各国的重要战略能源之一，日益受到人们的关注。一般而言，富集可燃冰的储层出现在海洋或者极地区域。能源作为世界各国竞争的一个核心资源与经济命脉，其重要性不言而喻。如何推进可燃冰开采技术问题解决的进程，是当前我国乃至世界各国能源命脉的挑战。因此研究可燃冰是世界能源领域的一个极其重要的突破点。在可燃冰开采的一个至关重要的问题就是可燃冰相变分解问题。可燃冰的形成环境为高压低温。在现实中，从地层中取出的可燃冰样品在常温常压下相变速率远远慢于其他物质相变速率。开采可燃冰的主要方式有降压、加热、添加化学、生物药剂，这些方法的主要目的都是为了促使可燃冰分解。因此，研究可燃冰的分解速率非常重要。

观测可燃冰合成与分解的方法非常多，其中就包括电学、光学、声学等。电学观测可燃冰一般用在地层层面的探测，通过观测地层电场的分布获得电阻率的数值来推算是否具有可燃冰。在可燃冰的形成与分解上也可以使用电阻率的变化来进行研究，但是在实验室中可燃冰样品尺寸较小，受环境影响难以获得准确的数据。光学也是研究可燃冰合成与分解的重要方法之一。在可燃冰慢慢形成时，光通率降低；可燃冰升温后分解时，光通率增加。但可燃冰一般赋存在沉积物中，导致一些可燃冰样品不具有透光性，无法采用光学方法测量。还可以通过超声方法，测量声速、振幅等声学参数获得对应的可燃冰相关参数。

如何在高效观测研究可燃冰的分解速率，是亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种测量可燃冰分解速率的***与方法，可以高效观测可燃冰的分解速率。

第一方面，本申请提供一种测量可燃冰分解速率的***，包括样品夹持器和恒压装置，所述恒压装置包括泵、压力表、液体收集装置、第一回压阀门和溢流液罐；所述样品夹持器包括外壳，所述外壳内设有冷却液流动腔，在冷却液流动腔内设有封闭的样品腔，样品腔表面套设有镂空管，所述镂空管上绕有射频线圈；

所述泵控制流体从溢流液罐流出至所述样品夹持器的第一端口，在所述样品夹持器中经过所述镂空管之后从所述样品夹持器的第二端口流出，经过所述第一回压阀门流入所述液体收集装置中。

第二方面，本申请提供一种基于第一方面所述的测量可燃冰分解速率的***的测量可燃冰速率的方法，包括：

将可燃冰样品放入样品夹持器的样品腔，利用恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变；

测量所述可燃冰样本的磁共振信号；

根据所述可燃冰样本的磁共振信号，确定所述可燃冰样品的分解速率。

因此在本申请实施例中，通过样品夹持器和恒压装置，所述恒压装置包括泵、压力表、液体收集装置、第一回压阀门和溢流液罐；所述样品夹持器包括外壳，所述外壳内设有冷却液流动腔，在冷却液流动腔内设有封闭的样品腔，样品腔表面套设有镂空管，所述镂空管上绕有射频线圈；所述泵控制流体从溢流液罐流出至所述冷却液流动腔的第一端，在冷却液流动腔中经过所述镂空管之后从所述冷却液流动腔的第二端流出，经过所述第一回压阀门流入所述液体收集装置中。从而基于上述***，利用恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变，再通过核磁共振分析仪测量所述可燃冰样品的横向磁化矢量，通过控制所述恒压装置直至所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化；从而根据所述可燃冰样品的横向磁化矢量随时间变化情况确定所述可燃冰样品的分解速率。从而更高效地观测可燃冰分解率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例中提供的一种测量可燃冰分解速率的***结构示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种样品夹持器的结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的一种可燃冰压力随时间变化的曲线图；

图4为本申请实施例中提供的恒压条件下磁化矢量随时间变化的曲线图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

可燃冰是烷类或者烃类与水在一定的温度压力下结合形成的一种物质。因此，可燃冰富含氢原子。而氢原子核是进行核磁共振观测的重要条件。降压法作为一个最早的可燃冰开采方法，在可燃冰的开采研究上有着不可磨灭的历史地位与物理意义。但如何控制压力稳定，并且在足够短的时间内获得可燃冰的分解速率是当前最亟需解决的问题。

近年来，核磁共振在岩石分析上的成熟，提供了一个全新的可燃冰观测方法。核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR)现象由Stanford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell等人与1946年各自独立发现，之后很快应用在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域。随着核磁共振技术的日益成熟，研究人员发现其能够很好地应用在可燃冰的研究上。核磁共振的快速响应很好地支持了在足够短时间内获得数据这一条件。另外，通过核磁共振技术，没有可燃冰样品是否压实、孔隙尺寸要求等问题。测量结束后，样品没有任何损伤。核磁共振测量后的可燃冰样品能够进行其它一些破坏性的实验，这对样品的利用率大大提高。并且，在进行其它实验之前，可燃冰样品都保持着其完好的特点。这也对其它实验的准确性提供了保障。

目前来看，可燃冰分解速率的研究相对较少，能够精确控制可燃冰所处压力条件的仪器的研究也比较少。在对样品核磁共振进行测量时，大多数情况下无法保证可燃冰的压力环境恒定。在进行控制压力装置设计时，装置的精度必须达到足够高才具有一定的意义。在利用核磁进行测量时，也要考虑实验测量是否对仪器的正常运作有影响。因此，本申请提供的测量可燃冰分解速率的***，利用***中的恒压装置来提供恒压条件，在压力稳定条件下通过核磁共振的快速观测特性研究可燃冰的分解速率。

如图1所示，本申请提供的一种测量可燃冰分解速率的***，由样品夹持器和恒压装置组成，恒压装置由泵11、压力表12、液体收集装置13、第一回压阀门14和溢流液罐组成。如图2所示，所述样品夹持器包括装配件21、射频线圈22、镂空管23、外壳24、样品腔25和冷却液流动腔26。样品夹持器通过装配件21，射频线圈22，镂空管23，外壳24，样品腔25形成了一个圆柱体夹持器。

所述样品夹持器的外壳24内设有冷却液流动腔26，在冷却液流动腔26内设有封闭的样品腔25，样品腔25表面套设有镂空管23，所述镂空管23上绕有射频线圈22。所述泵控制流体从溢流液罐流出至所述样品夹持器的第一端口，在所述样品夹持器中经过所述镂空管23之后从所述所述样品夹持器的第二端口流出，经过所述第一回压阀门14流入所述液体收集装置13中。

需要说明的是，样品夹持器的所有部件(除线圈外)均在磁场中不产生核磁信号。样品夹持器能够在低温高压条件下使用，并且能够提供一个相对严格温度环境。

其中，镂空管23与射频线圈22组成一个整体，装配到样品夹持器上形成一个整体，避免了在样品夹持器外再添加一个射频线圈来进行测量。本申请实施例提供的样品夹持器与射频线圈形成一体化结构，使得射频线圈仅仅测量中间样品腔25与可燃冰样品的信号，可以大大减少其余部件所产生的噪声。因此，该设置节省了器件空间，避免了射频线圈与样品夹持器分离导致的多余噪声，使得核磁共振分析仪可以获得更准确的数据，从而利于分析可燃冰分解时的规律。

如图1所示，测量可燃冰分解速率的***还包括：恒温装置，用于控制所述样品夹持器的温度，包括冷水浴装置、第二回压阀门、限制液体罐、注射泵和加热浴装置；其中，所述冷却液流动腔的第一端与所述冷水浴装置的第一端口连接，在所述样品夹持器的第一端口和所述冷水浴装置之间设置有压力表，所述冷水浴装置的第二端口与所述限制液体罐的第一端口连接，所述冷水浴装置的第二端口与所述限制液体罐之间设置有压力表和第二回压阀门，所述限制液体罐的第二端口与所述注射泵的第一端口连接，所述注射泵的第二端口与所述加热浴装置的第一端口连接，所述加热浴装置的第二端口与所述冷却液流动腔的第二端连接。所述恒温装置各部件之间通过管线连接，所述管线的外侧可以包裹隔热材料。冷却液从所述冷却液流动腔的第一端流出，依次经所述冷水浴装置、所述第二回压阀门、所述限制液体罐、所述注射泵和所述加热浴装置，流入所述冷却液流动腔的第二端。

可选地，样品夹持器中的样品腔可以采用无铁磁性(无氢无磁)材料来制作，以符合核磁共振腔体材料的要求。

可选地，管线裸漏在环境中会与空气进行热交换使得流体温度发生变化。而温度也是一个影响可燃冰相变的重要因素，因此需在管线外包裹一层足够厚的隔热材料(例如气凝胶、玻璃纤维等)。

可选地，恒压装置的泵可采用柱塞泵，例如ISCO高压高精度柱塞泵，具有高精度的流速和压力控制。通过调节泵的压力，压入流体进入样品夹持器。

可选地，在整个恒压装置中需保证管线以及密封程度足以承受高压条件，因此，在管线的选材上可以选用不锈钢材质。

可选地，泵入流体要求在核磁仪器中不产生信号，并且在低温条件下不易相变。本申请实施例中，样品夹持器腔体外的流动液体可以选取氮气(或者达到要求的其他流体)，氮气不会与可燃冰发生物理化学反应。

基于上述测量可燃冰分解速率的***，测量可燃冰分解速率的方法具体包括：

步骤101：将可燃冰样品放入所述样品夹持器的样品腔，利用所述恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变。

步骤102：通过核磁共振分析仪测量所述可燃冰样品的横向磁化矢量，通过控制所述恒压装置直至所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化。

步骤103：根据所述可燃冰样品的横向磁化矢量与时间确定所述可燃冰样品的分解速率。

可选地，在步骤101之前，通过循环所述样品夹持器的腔体外的流体，使得所述样品夹持器温度稳定。其中，本申请对稳定条件不作具体限定，温度更稳定则需要耗费更长的时间，温度精度要求低则有时间短的优势。通过调节样品夹持器的腔体外的循环流体的温度来确保恒定的温度。通过调节冷浴和热浴中的流体的温度，流体与内部的管线接触，从而可以改变管线内部循环流体温度。在恒定温度下，一旦可燃冰的压力条件改变，可燃冰就会相变。

可选地，在步骤101中，将可燃冰样品放入样品夹持器，将恒压装置打开进行压力控制，利用所述恒压装置控制所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化；在足够长的时间内，样品腔压力恒定，可燃冰不发生相变。

可选地，在步骤102中，通过核磁共振分析仪测量可燃冰样品的横向磁化矢量，通过控制所述恒压装置的压力，如图3所示，压力越来越低导致可燃冰分解。需要说明的是，控制恒压装置的压力越来越高也在本申请实施例的保护范围内，但压力越来越高使得可燃冰的形成过程难以控制。

通过设置核磁共振分析仪的相关参数，连续不断测量横向磁化矢量的变化，通过压力的变化所述可燃冰样品发生相变，直至在预定的时长后，所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化，则所述可燃冰样品分解结束，可获得横向磁化矢量随时间变化的曲线图，如图4所示。通过观察横向磁化矢量随时间变化的点图，可获得可燃冰的分解速率。所述点图是含量与时间的关系图，可燃冰分解速率等于含量除以时间。

综上所述，本申请实施例提供一种测量可燃冰分解速率的***，包括样品夹持器和恒压装置，所述恒压装置包括泵、压力表、液体收集装置、第一回压阀门和溢流液罐；所述样品夹持器包括外壳，所述外壳内设有冷却液流动腔，在冷却液流动腔内设有封闭的样品腔，样品腔表面套设有镂空管，所述镂空管上绕有射频线圈；所述泵控制流体从溢流液罐流出至所述冷却液流动腔的流入端，在冷却液流动腔中经过所述镂空管之后从所述冷却液流动腔的流出端流出，经过所述第一回压阀门流入所述液体收集装置中。从而基于测量可燃冰分解速率的***，通过控制所述恒压装置直至所述可燃冰样品不发生相变，再通过核磁共振分析仪测量所述可燃冰样品的横向磁化矢量，通过控制所述恒压装置直至所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化；从而根据所述可燃冰样品的横向磁化矢量随时间变化情况确定所述可燃冰样品的分解速率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量可燃冰分解速率的***，其特征在于，包括样品夹持器和恒压装置，所述恒压装置包括泵、压力表、液体收集装置、第一回压阀门和溢流液罐；所述样品夹持器包括外壳，所述外壳内设有冷却液流动腔，在冷却液流动腔内设有封闭的样品腔，样品腔表面套设有镂空管，所述镂空管上绕有射频线圈；

所述泵控制流体从溢流液罐流出至所述样品夹持器的第一端口，在所述样品夹持器中经过所述镂空管之后从所述样品夹持器的第二端口流出，经过所述第一回压阀门流入所述液体收集装置中。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：恒温装置，所述恒温装置用于控制所述样品夹持器的温度，包括冷水浴装置、第二回压阀门、限制液体罐、注射泵和加热浴装置；所述恒温装置各部件之间通过管线连接；其中，所述冷却液流动腔的第一端与所述冷水浴装置的第一端口连接，在所述样品夹持器的第一端口和所述冷水浴装置之间设置有压力表，所述冷水浴装置的第二端口与所述限制液体罐的第一端口连接，所述冷水浴装置的第二端口与所述限制液体罐之间设置有压力表和第二回压阀门，所述限制液体罐的第二端口与所述注射泵的第一端口连接，所述注射泵的第二端口与所述加热浴装置的第一端口连接，所述加热浴装置的第二端口与所述冷却液流动腔的第二端连接；

冷却液从所述冷却液流动腔的第一端流出，依次经所述冷水浴装置、所述第二回压阀门、所述限制液体罐、所述注射泵和所述加热浴装置，流入所述冷却液流动腔的第二端。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述管线的外侧包裹隔热材料。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述流体为氮气。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述泵为柱塞泵。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述样品夹持器的样品腔腔体为无铁磁性材质。

7.一种利用权利要求1至6任一项所述的测量可燃冰分解速率的***的测量可燃冰分解速率的方法，其特征在于，包括：

将可燃冰样品放入样品夹持器的样品腔，利用恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变；

测量所述可燃冰样本的磁共振信号；

根据所述可燃冰样本的磁共振信号，确定所述可燃冰样品的分解速率。

8.如权利要求7所述的测量可燃冰分解速率的方法，其特征在于，利用恒压装置控制所述可燃冰样品不发生相变，包括：利用所述恒压装置控制所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化；

所述测量所述可燃冰样本的磁共振信号，包括：通过核磁共振分析仪测量所述可燃冰样品的横向磁化矢量；

根据所述可燃冰样本的磁共振信号，确定所述可燃冰样品的分解速率，包括：根据所述可燃冰样品的横向磁化矢量随时间变化情况确定所述可燃冰样品的分解速率。

9.如权利要求8所述的测量可燃冰分解速率的方法，其特征在于，利用所述恒压装置控制所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化，包括：

通过控制所述恒压装置的压力使得所述可燃冰样品发生相变，直至在预定的时长后所述可燃冰样品的横向磁化矢量不再变化。

10.如权利要求7所述的测量可燃冰分解速率的方法，其特征在于，在所述将可燃冰样品放入所述样品夹持器之前，还包括：

恒温装置通过循环所述样品夹持器的样品腔腔体外的液体，使得所述样品夹持器温度保持稳定。

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