[发明专利]一种天然气水合物沉积物热导率测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物沉积物热导率测量装置。

背景技术

天然气水合物，又称可燃冰，是天然气和水在一定条件下（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度和pH值等）形成的白色结晶化合物，呈笼形结构，遇火即可燃烧。自然界中存在的天然气水合物中主要气体成分为甲烷，所以又常称为甲烷水合物（Methane Hydrates）。天然气水合物作为一种新型的潜在能源，储量巨大，被认为是最有应用前景的能替代石油等化石能源的新能源之一，并且已经被广泛发现存在于海底沉积物和陆地冻土区。

天然气水合物的实地开采商业价值受诸多地质条件影响，其中地层热导率是影响水合物分解和产气速率的关键因素之一。热导率反应了多孔介质热量传递的能力，影响着矿藏中热量向水合物区的传导速率，从而约束着开采过程中水合物分解产气效率。数值模拟结果显示，热导率越低的多孔介质，水合物分解速率越有限，导致其开采价值不理想。此外，多孔介质的有效热导率是一个与多相多组分相关的函数，随着水合物的分解和气液含量的改变，地层热导率随之发生变化。影响地层热导率的主要因素包括孔隙度、流体相饱和度、固相饱和度以及各相导热系数。固相中由于存在水合物的分解和生成等相变过程，使得含水合物多孔沉积物热导率的测量和研究更加复杂，目前关于水合物地层热导率特性的研究还处于理论分析阶段，缺乏足够的实验数据支持和验证，因此含水合物多孔沉积物的传热机理还不是十分完善，对实际水合物开采尚不能提供可靠的理论指导。

常规测量物质热导率的实验装置及仪器多在常温常压条件下运行，而对于含水合物多孔沉积物，由于受水合物本身稳定条件的影响（低温、高压），难以使用常规热导率测量仪器进行测量，需研制专门的实验装置。这样的实验装置需满足以下要求：水合物易生成、测量精度高、实验操作简单等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物沉积物热导率测量方法和装置，该方法和装置可以用于测量含水合物多孔沉积物有效热导率，综合研究不同水合物饱和度、不同温度压力及沉积物颗粒下热导率模型，为实际天然气水合物开采提供理论依据。其操作简单，测量准确，安全可控。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种天然气水合物沉积物热导率测量装置，水合物生成和热导率测定在一维高压反应釜中进行，包括用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜中气量的稳压供气模块，用于根据稳压供气模块的供气量控制注入高压反应釜中的气液比的稳压供液模块，用于在热导率测量过程中给高压反应釜中的热探针提供稳定输入功率的稳压供热模块，与热探针连接并记录热探针温度变化的数据采集和处理模块。

所述高压反应釜为圆柱形，高压反应釜顶端和底端分别设有左堵头和右堵头，堵头的内侧设有过滤网，堵头与高压反应釜连接处设有密封圈并通过手动螺栓固定，堵头与高压反应釜连接处设有快开卡箍，所述热探针设在高压反应釜内，在热探针中心位置处设有用于测量加热过程中该热探针中心点温度变化热电阻。反应釜两端采用快开结构，方便拆卸与组装。热电阻用于测量加热时探针中心点的温度变化；通过测量探针内热电阻温度随时间的变化关系，利用瞬态导热原理可计算介质有效热导率。

反应釜两端采用快开结构，方便拆卸与组装。反应釜进口处有一小型储气罐，储气罐内部设有一压力传感器和Pt100热电阻，通过储气罐注气前后温压变化，利用实际气体状态方程可精确计算注入反应釜中的气体量。反应釜内有一压力传感器和温度传感器，用于探测水合物生成过程中系统压力、温度变化特性，温度传感器位于热探针所处釜体中心截面接近釜体内壁面处，可监控探针加热过程中热量是否到达釜体壁面。反应釜进出口设置有压紧过滤装置，防止固体颗粒进入管线。反应釜出口处设置有回压装置，用于维持釜体出口压力。出口流体经气液分离器后分别由气体流量控制器和电子天平测量。反应釜和储气罐均置于恒温水浴中。

所述稳压供热模块包括稳压电源，所述热探针在高压反应釜内所处的位置为：定义偏离度为Θ=arcsin(△r/H)，△r为热探针端点处偏离高压反应釜轴心线距离，偏离度Θ<1.5°，热探针需尽可能完全位于高压反应釜轴心处，热探针内均匀分布有由稳压电源加热的电热丝；探针内均匀分布电热丝，加热丝由稳压供热模块持续加热，加热功率可控。

所述稳压供气模块与稳压供液模块用于调节和控制一维高压反应釜中气液含量，用于生成所需任一水合物饱和度体系，所述热探针的外径r<2mm，所述高压反应釜长度L与内径D比例满足L/D>4，以保证加热过程中热量基本沿径向流动，且热探针（2）长度H不小于0.95*L，以满足线热源的要求。