[发明专利]一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置及其方法

权利要求书

1.一种海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置，其特征在于：

本试验装置主要包括高压反应容器(10)、水压容器(20)、气水分离容器(30)、第1、2活塞泵(41、42)、真空泵(50)、液体流量计(60)、供气装置(70)、恒温装置(80)和数据采集系统(90)；

其连接关系是：

高压反应容器(10)下部与水压容器(20)下部通过第6阀门(V6)和液体流量计(60)相连；

高压反应容器(10)上部与气水分离容器(30)上部通过第7阀门(V7)相连；

气水分离容器(30)上部又与第2活塞泵(42)相连，第2活塞泵(42)调节汽水分离器(30)中的气体压力来控制高压反应容器(10)中土样的气体压力；

气水分离容器(30)还通过第5阀门(V5)和第8阀门(V8)与水压容器(20)相连，水压容器(20)还与第一活塞泵(41)相连，第一活塞泵(41)调节水压容器(20)中的气体压力来控制高压反应容器(10)中的水的压力；

多孔陶土板(I)置于高压反应容器(10)的底部，保证气水压力的独立控制与量测；

气源(71)通过高压调节阀(72)、第1阀门(V1)和高压气体压力表(74)后，分别通过第5阀门(V5)与气水分离容器(30)相连，通过第8阀门(V8)与水压容器(20)相连，为装置提供工作气体；

安全阀门(73)与水压容器(20)连接，保证测试工作安全进行；

恒温装置(80)通过软管分别与高压反应容器(10)、汽水分离容器(30)和第2活塞泵(42)的水浴夹套相连，实行对高压反应容器(10)、汽水分离容器(30)和第2活塞泵(42)的恒温控制；

真空泵(50)通过第3阀门(V3)、第4阀门(V4)与水压容器(20)相连，对整个装置实行抽真空排杂气处理，还可以进行土样的抽真空饱和处理； 

第1压力传感器(P1)与气水分离容器(30)相连，测量其气体压力；

第1温度传感器(T1)与高压反应容器(10)相连，测量其温度；

第2压力传感器(P2)、第2温度传感器(T2)分别与水压容器(20)相连，分别测量其气体压力和温度；

数据采集系统(90)通过数据线分别与第1、2压力传感器(P1、P2)和第1、2温度传感器(T1、T2)相连，实时监测装置的温度和压力动态。

2.按权利要求1所述装置的相平衡测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①安装试样，即将土样按设定干密度：模拟海底水合物稳定层土壤密度1.0～2.5g/cm³和含水率：2～40％，均匀装入高压反应容器中，向水压容器中再加入为水压容器体积的3/4的蒸馏除离子水；

②检查气密性，即往测试装置中充入氮气至6～8Mpa，若测试装置能维持压力3～4小时不变，则认为测试装置气密性完好；

③抽真空，即抽真空15～30min，排出测试装置中的杂异气；

④注水饱和，即抽气完成后，打开第6阀门使水压容器中的水进入到高压反应容器中使土样饱和；

⑤施加气体，即打开第1、5、7、8阀门，调节压力调节阀将压力调至设定压力值，即设定值必须保证高压反应容器中形成水合物并且维持水合物的稳定压力，二氧化碳为2～4Mpa，甲烷为6～10Mpa，后关闭第1阀门和压力调节阀；

⑥调节吸力大小，即调节第1、2活塞泵，使汽水分离容器中的压力大于水压容器中的压力，并且其差值为一设定值，即0.1～1.5Mpa；

⑦降温制样，即启动恒温装置，降低高压反应容器的温度值至设定值：温度值设定必须保证在上面压力的条件下，高压反应容器的温压条件在相平衡边界以内合成气体水合物，一般设定为-2～4℃，利用低温冷液：利用酒精作为冷冻液，凝固点为-114℃，在高压反应容器的夹套中循环降低土样温度至设定值并保持恒定；

⑧样本制备完成，即如果高压反应容器和水压容器中的气体压力保持稳定不变时，则可判定在相应的温度压力条件下：温度即天然气水合物的合成温度，压力即最后的稳定压力，一般温度为-2～4℃，压力为0.5～4Mpa，高压反应容器中土样中的水合物合成完成，即样本制备完成；

⑨测量水合物相平衡条件

A、关闭第5、6阀门，打开第7阀门，提高恒温装置的温度设定值，使高压反应容器中的水合物分解，分解后产生的气体使高压反应容器和气水分离容器中的压力升高，并3～4小时后保持压力稳定，此时的压力和温度即为水合物相平衡条件；

B、调节温度，测试不同温度条件下土样中水合物的相平衡条件，即可绘制温度-压力曲线。

C、利用数据采集系统进行试验数据的自动采集、传输和记录。