[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

说明书

技术领域

本发明涉及海底沉积物中天然气水合物的实验测试技术，尤其涉及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。

背景技术

天然气水合物是甲烷(CH₄)等天然气体分子在一定压力和温度条件下，被吸入到笼形水分子团结构的空隙中，从而形成一种固体状物质。作为一种战略性替代能源，天然气水合物具有巨大的商业开发价值，预计在本世纪的能源消费结构中将占据主要地位。随着石油和天然气资源的日益短缺，开发天然气水合物这一新型替代能源就显得尤为迫切。同时，天然气水合物不合理的开发会引起海底的地质滑坡和甲烷气体的大量释放进入大气，从而严重危险海洋构筑物的安全并且引起全球变暖。因此，针对海底天然气水合物的研究是未来大规模开发利用天然气水合物的必然要求，具有非常重要的战略意义。

海底天然气水合物稳定于高压低温条件下，在常温常压条件下将分解。从海底取样用于实验室研究要求较高费用，所以实验室内模拟海底天然气水合物的形成制样就显得尤为重要。海底水合物的形成可以分为本地非迁移气体合成和异地气体迁移合成；迁移合成按迁移模式又分为气体扩散迁移和渗漏迁移两种模式。在气体渗漏迁移模式下，天然气水合物的形成实际是非饱和土中的水在一定压力-温度条件下，水与天然气体分子形成天然气水合物。这种模式下形成的天然气水合物胶结于土颗粒之间，是含天然气水合物沉积物强度提高的重要因素之一。

目前针对含天然气水合物沉积物的相关相平衡的研究尚处于起步与探索阶段，已有的测试与制样方法都是主要集中于本地非迁移气体合成水合物。主要有三种：一是将预先制得粉末状固体水合物与土颗粒混合，然后把制成的混合物放入低温的环境中以开展实验；二是向土样施加一定压力天然气体，然后降低温度形成含天然气水合物沉积物试样；三是直接向低温饱和土样中施加高压气体在土孔隙中形成水合物。这三种实验方法与装置只考虑沉积物中气体压力变化对水合物形成与分解的影响。对于孔隙中充满水的饱和土，气体压力等于水压力，以上的试验方法与装置可以模拟与测试含天然气水合物沉积物中水合物的形成与分解以及相平衡关系。当含天然气水合物中水合物生成与分解时，若孔隙中同时具有液态水和游离气体的非饱和态沉积物，由于毛细管作用影响使得气体压力不再等于水压力。因此，独立控制与测量含天然气水合物沉积物中气水压力的含天然气水合物沉积物中水合物生成与分解的相平衡关系具有重要意义。目前尚没有非饱和沉积物中天然气水合物的相平衡测试的数据，更没有在控制非饱和沉积物中吸力情况下的天然气水合物的相平衡数据。

针对于这一问题，本发明将主要解决非饱和沉积物中天然气水合物在不同气体与水压力条件下生成与分解以及相平衡关系的测试问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供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。

本装置能通过独立控制气-水压力来控制沉积物中的吸力状态，测定不同的吸力状态下非饱和沉积物对天然气水合物的相平衡条件；同时，还可以在不需要比较高的精度的情况下，测定非饱和土的土水特性曲线。

本方法能够独立控制沉积物中气水压力，保证准确的吸力控制和沉积物非饱和状态，进行形成非饱和含天然气水合物沉积物样并且进行相平衡测试获得相平衡条件。

本发明的目的是这样实现的：

一、海底沉积物中天然气水合物相平衡测试装置(简称测试装置)

本测试装置主要包括高压反应容器、水压容器、气水分离容器、第1、2活塞泵、真空泵、液体流量计、供气装置、恒温装置和数据采集系统；

其连接关系是：

高压反应容器下部与水压容器下部通过第6阀门和液体流量计相连；

高压反应容器上部与气水分离容器上部通过第7阀门相连；

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

气水分离容器还通过第5阀门和第8阀门与水压容器相连，水压容器还与第一活塞泵相连，第一活塞泵调节水压容器中的气体压力来控制高压反应容器中的水的压力；

多孔陶土板置于高压反应容器的底部，保证气水压力的独立控制与量测；

气源通过高压调节阀、第1阀门和高压气体压力表后，分别通过第5阀门与气水分离容器相连，通过第8阀门与水压容器相连，为装置提供工作气体；

安全阀门与水压容器连接，保证测试工作安全进行；

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