本實(shí)用新型屬于非常規(guī)油氣藏工程與巖土工程基礎(chǔ)物性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速測(cè)量水合物沉積物中水合物飽和度的裝置。
背景技術(shù)：
隨著常規(guī)油氣藏可開(kāi)采量的減少，非常規(guī)油氣藏越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注，而天然氣水合物作為一種儲(chǔ)碳量巨大的非常規(guī)油氣藏，不可避免地已經(jīng)成為人們研究的焦點(diǎn)。我國(guó)南海海域和青藏高原有著豐富的天然氣水合物資源，在各國(guó)爭(zhēng)相試采的環(huán)境下，我國(guó)的試采工程迫在眉睫。然而含天然氣水合物的沉積物結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及目前成藏機(jī)理仍存在一定問(wèn)題，所以無(wú)法模擬推算儲(chǔ)層的天然氣水合物含量。而天然氣水合物開(kāi)采的第一步便是需要知道所開(kāi)采礦井的天然氣水合物的含量，即水合物飽和度。
由于海上天然氣水合物取芯的難度大、成本高，轉(zhuǎn)移保真水合物至陸上實(shí)驗(yàn)室難度大、周期長(zhǎng)、易失真，隨船快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置及方法便顯得尤為重要。但現(xiàn)有的水合物飽和度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量幾乎都是使用電導(dǎo)率法、聲波法或者NMR法，這幾種方法均是利用經(jīng)驗(yàn)擬合手段反映水合物飽和度，而非真實(shí)水合物飽和度，且儀器造價(jià)高、誤差大。本實(shí)用新型采用定義法測(cè)量水合物飽和度，更能準(zhǔn)確、真實(shí)地得出沉積物中水合物的飽和度。從而為開(kāi)采天然氣水合物礦井提供相對(duì)準(zhǔn)確的指導(dǎo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)手段存在的上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置及技術(shù)。該裝置體積小、造價(jià)低、操作簡(jiǎn)單方便，能夠隨船現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度。采用定義法測(cè)量水合物飽和度，更能準(zhǔn)確、真實(shí)地得出沉積物中水合物的飽和度。
本實(shí)用新型的另一目的是提供一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的方法。
本實(shí)用新型技術(shù)方案如下。
一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置，包括含水合物沉積物分解反應(yīng)釜、加熱控溫系統(tǒng)、水銀填充系統(tǒng)、蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)、真空泵、溫壓采集系統(tǒng)、閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；所述反應(yīng)釜的底端內(nèi)置有加熱控溫系統(tǒng)且與水銀填充系統(tǒng)相連接，所述反應(yīng)釜頂端連接有蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)，所述蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)同時(shí)與真空泵相連接，所述加熱控溫系統(tǒng)、水銀填充系統(tǒng)以及蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)內(nèi)的溫壓采集系統(tǒng)以及閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)分別與計(jì)算機(jī)相連接；所述加熱控溫系統(tǒng)、水銀填充系統(tǒng)以及蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)間的溫壓采集系統(tǒng)以及閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)分別與計(jì)算機(jī)相連接。
進(jìn)一步地，所述反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有加熱裝置；所述反應(yīng)釜頂端設(shè)有保壓取樣裝置和快速密閉裝置，所述反應(yīng)釜頂部和底部連接口均為快接連接口。
進(jìn)一步地，所述蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)包括蒸汽/氣收集分離冷卻釜和氣體收集瓶，所述蒸汽/氣收集分離冷卻釜內(nèi)置循環(huán)冷卻系統(tǒng)、第一溫度傳感器以及第一壓力傳感器；所述蒸汽/氣收集分離冷卻釜底部連接有第五電磁閥，蒸汽/氣收集分離冷卻釜頂部連接有第四電磁閥；所述氣體收集瓶通過(guò)第四電磁閥與蒸汽/氣收集分離冷卻釜相連接；所述循環(huán)冷卻系統(tǒng)控制模塊與計(jì)算機(jī)相連接。
進(jìn)一步地，所述水銀填充系統(tǒng)包括水銀存儲(chǔ)器、N2緩沖罐以及N2氣瓶；所述水銀存儲(chǔ)器與N2緩沖罐相連接，水銀存儲(chǔ)器底部與第二電磁閥相連接，所述第二電磁閥同時(shí)也與含水合物沉積物分解反應(yīng)釜相連接，所述N2緩沖罐內(nèi)置第二壓力傳感器；所述N2緩沖罐通過(guò)第一電磁閥與N2氣瓶連接。
進(jìn)一步地，所述溫壓采集系統(tǒng)包括第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器；
所述數(shù)據(jù)采集器分別與第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和計(jì)算機(jī)相連接；
所述第一溫度傳感器與蒸汽/氣收集分離冷卻釜相連接；
所述第一壓力傳感器與蒸汽/氣收集分離冷卻釜相連接；所述第二壓力傳感器與N2緩沖罐相連接。
進(jìn)一步地，所述閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)包括第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥和電磁閥控制模塊；
所述電磁閥控制模塊分別與第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥和計(jì)算機(jī)相連接；
所述第一電磁閥分別與水銀存儲(chǔ)器、N2緩沖罐以及N2氣瓶相連接；所述第二電磁閥分別與水銀存儲(chǔ)器和含水合物沉積物分解反應(yīng)釜相連接；所述第三電磁閥分別與含水合物沉積物分解反應(yīng)釜和蒸汽/氣收集分離冷卻釜相連接；所述第四電磁閥分別與蒸汽/氣收集分離冷卻釜、氣體收集瓶以及真空泵相連接；所述第五電磁閥和蒸汽/氣收集分離冷卻釜相連接。
一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的方法，包括以下步驟：
步驟1、抽真空：關(guān)閉第三電磁閥和第五電磁閥，打開(kāi)第四電磁閥，開(kāi)啟真空泵抽氣，抽氣時(shí)長(zhǎng)15~30min，關(guān)閉第四電磁閥；
步驟2、稱重：分別稱量含水合物沉積物分解反應(yīng)釜裝樣前后的總重量；
步驟3、連接：將裝有樣品的含水合物沉積物分解反應(yīng)釜頂部與第三電磁閥相連接，底部與第二電磁閥相連接；
步驟4、降壓排氣：打開(kāi)第三電磁閥；
步驟5、降溫冷凝：開(kāi)啟循環(huán)冷卻系統(tǒng)，維持蒸汽/氣收集分離冷卻釜內(nèi)溫度為0.5~5℃；
步驟6、加熱分解：打開(kāi)加熱控溫系統(tǒng)，逐漸升溫，維持含水合物沉積物分解反應(yīng)釜內(nèi)溫度為101~200℃，恒溫1~5h至第一溫度傳感器和第一壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定；
步驟7、關(guān)閉：關(guān)閉第三電磁閥；
步驟8、停止加熱：關(guān)閉加熱控溫系統(tǒng)；
步驟9、記錄溫、壓：打開(kāi)第四電磁閥，連通蒸汽/氣收集分離冷卻釜和氣體收集瓶，至第一壓力傳感器數(shù)值穩(wěn)定并讀取壓力數(shù)據(jù)；
步驟10、排液稱重：關(guān)閉第四電磁閥，打開(kāi)第五電磁閥，將蒸汽/氣收集分離冷卻釜內(nèi)液體排出后立即關(guān)閉第五電磁閥，排出液體稱重；
步驟11、壓汞：打開(kāi)第二電磁閥，緩慢打開(kāi)第一電磁閥，至第二壓力傳感器數(shù)值穩(wěn)定并讀取第二壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)；
步驟12、退汞：排空N2緩沖罐內(nèi)N2，打開(kāi)第三電磁閥，利用蒸汽/氣收集分離冷卻釜內(nèi)殘余氣體壓力將含水合物沉積物分解反應(yīng)釜內(nèi)汞退回水銀存儲(chǔ)器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)還在于：
1、反應(yīng)釜設(shè)計(jì)壓力為0~30MPa，設(shè)計(jì)溫度為0~200℃，能夠滿足凍土層和海底含水合物沉積物的飽和度現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試；
2、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量與持續(xù)儲(chǔ)存，配合專業(yè)量身設(shè)計(jì)的軟件和閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飽和度測(cè)量流程的自動(dòng)化；
3、反應(yīng)釜頂端設(shè)有保壓取樣裝置和快速密閉裝置，且反應(yīng)釜頂部和底部連接口均為快接連接口；
4、反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有加熱裝置能夠快速分解釜內(nèi)沉積物中的水合物；
5、水銀填充系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量沉積物塊的體積；
6、所述的測(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)含水合物沉積物中水合物飽和度的快速測(cè)量，采用定義法測(cè)量水合物飽和度，更能準(zhǔn)確、真實(shí)地得出沉積物中水合物的飽和度，從而為開(kāi)采天然氣水合物礦井提供快速、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各個(gè)部件如下：含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1，蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2，氣體收集瓶E3，真空泵E4，水銀存儲(chǔ)器E5，N2緩沖罐E6，N2氣瓶E7，計(jì)算機(jī)E8，第一電磁閥V1，第二電磁閥V2，第三電磁閥V3，第四電磁閥V4，第五電磁閥V5；第一溫度傳感器T1，第一壓力傳感器P1，第二壓力傳感器P2，加熱控溫系統(tǒng)S1，循環(huán)冷卻系統(tǒng)S2，水銀填充系統(tǒng)S3，蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4，溫壓采集系統(tǒng)S5，閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)S6。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1所示為一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置的流程圖，本實(shí)用新型的快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置結(jié)構(gòu)如下：一種快速測(cè)量含水合物沉積物中水合物飽和度的裝置，包括含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1，反應(yīng)釜E1的底端內(nèi)置有加熱控溫系統(tǒng)S1且與水銀填充系統(tǒng)S3相連接，反應(yīng)釜頂端連接有蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4，蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4同時(shí)與真空泵E4相連接，所述加熱控溫系統(tǒng)S1、水銀填充系統(tǒng)S3以及蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4內(nèi)（間）的溫壓采集系統(tǒng)S5（該部件可以同時(shí)采集溫度和壓力數(shù)據(jù)）以及閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)S6分別與計(jì)算機(jī)E8相連接。
反應(yīng)釜E1內(nèi)設(shè)有加熱裝置以及頂端設(shè)有保壓取樣裝置和快速密閉裝置，反應(yīng)釜E1頂部和底部連接口均為快接連接口。
蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4包括蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2和氣體收集瓶E3，蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2內(nèi)置循環(huán)冷卻系統(tǒng)S2以及第一溫度傳感器T1、第一壓力傳感器P1，蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2底部連接有第五電磁閥V5，蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2頂部連接有第四電磁閥V4，氣體收集瓶E3通過(guò)第四電磁閥V4與蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2相連接。
水銀填充系統(tǒng)S3包括水銀存儲(chǔ)器E5、N2緩沖罐E6以及N2氣瓶E7，水銀存儲(chǔ)器E5頂部與N2緩沖罐E6相連接，水銀存儲(chǔ)器E5底部與第二電磁閥V2相連接，第二電磁閥V2同時(shí)也與含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1相連接，N2緩沖罐E6內(nèi)置第二壓力傳感器P2。
溫壓采集系統(tǒng)S5包括第一溫度傳感器T1、第一壓力傳感器P1和第二壓力傳感器P2和數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34972A）；
數(shù)據(jù)采集器分別與第一溫度傳感器T1、第一壓力傳感器P1、第二壓力傳感器P2和計(jì)算機(jī)E8相連接；
第一溫度傳感器T1與蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2相連接；
第一壓力傳感器P1與蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2相連接；第二壓力傳感器P2與N2緩沖罐E6相連接。
閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)S6包括第一電磁閥V1、第二電磁閥V2、第三電磁閥V3、第四電磁閥V4、第五電磁閥V5和電磁閥控制模塊（Siemens S7-200）；
電磁閥控制模塊分別與第一電磁閥V1、第二電磁閥V2、第三電磁閥V3、第四電磁閥V4、第五電磁閥V5和計(jì)算機(jī)E8相連接；
第一電磁閥V1分別與水銀存儲(chǔ)器E5、N2緩沖罐E6以及N2氣瓶E7相連接；第二電磁閥V2分別與水銀存儲(chǔ)器E5和含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1相連接；第三電磁閥V3分別與含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1和蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2相連接；第四電磁閥V4分別與蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2、氣體收集瓶E3以及真空泵E4相連接；第五電磁閥V5和蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2相連接。
其中，通過(guò)對(duì)含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1裝樣前后重量的稱量得出含水合物沉積物樣品重量；通過(guò)水銀填充系統(tǒng)S3的壓汞、退汞過(guò)程，測(cè)量第二壓力傳感器P2的變化，計(jì)算得到進(jìn)入含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1的汞的體積，已知含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1容積的情況下，得出含水合物沉積物樣品體積；設(shè)定沉積物中砂巖的密度，稱量得出質(zhì)量，便可得出沉積物中砂巖所占的體積，從而得出孔隙體積；通過(guò)蒸汽/氣收集分離冷卻系統(tǒng)S4內(nèi)第一溫度傳感器T1和第一壓力傳感器P1的變化，可以得出含水合物沉積物樣品分解出的氣體量；通過(guò)稱量第五電磁閥V5排出的水的重量，可以得出含水合物沉積物樣品分解出的水量；根據(jù)得到的氣量和水量計(jì)算得出水合物體積；將水合物體積與孔隙體積相比，便可得出含水合物沉積物樣品的水合物飽和度。
所有的過(guò)程均通過(guò)軟件自動(dòng)讀取溫、壓，當(dāng)條件達(dá)到時(shí)控制各電磁閥的開(kāi)閉，計(jì)算各讀取數(shù)據(jù)，從而得到含水合物沉積物樣品的水合物飽和度。
下面對(duì)其具體的實(shí)施步驟加以說(shuō)明：
步驟1、抽真空：關(guān)閉第三電磁閥V3和第五電磁閥V5，打開(kāi)第四電磁閥V4，開(kāi)啟真空泵E4抽氣15min，關(guān)閉第四電磁閥V4；
步驟2、稱重：分別稱量含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1裝樣前后的總重量；
步驟3、連接：將裝有樣品的含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1頂部與第三電磁閥V3相連接，底部與第二電磁閥V2相連接；
步驟4、降壓排氣：打開(kāi)第三電磁閥V3；
步驟5、降溫冷凝：開(kāi)啟循環(huán)冷卻系統(tǒng)S2，維持蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2內(nèi)溫度為2℃；
步驟6、加熱分解：打開(kāi)加熱控溫系統(tǒng)S1，逐漸升溫，維持含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1內(nèi)溫度為120℃，恒溫1h至第一溫度傳感器T1和第一壓力傳感器P1示數(shù)穩(wěn)定；
步驟7、關(guān)閉：關(guān)閉第三電磁閥V3；
步驟8、停止加熱：關(guān)閉加熱控溫系統(tǒng)S1；
步驟9、記錄溫、壓：打開(kāi)第四電磁閥V4，連通蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2和氣體收集瓶E3，至第一壓力傳感器P1數(shù)值穩(wěn)定并讀取壓力數(shù)據(jù)；
步驟10、排液稱重：關(guān)閉第四電磁閥V4，打開(kāi)第五電磁閥V5，將蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2內(nèi)液體排出后立即關(guān)閉第五電磁閥V5，排出液體稱重；
步驟11、壓汞：打開(kāi)第二電磁閥V2，緩慢打開(kāi)第一電磁閥V1，至第二壓力傳感器P2數(shù)值穩(wěn)定并讀取第二壓力傳感器P2的壓力數(shù)據(jù)；
步驟12、退汞：排空N2緩沖罐E6內(nèi)N2，打開(kāi)第三電磁閥V3，利用蒸汽/氣收集分離冷卻釜E2內(nèi)殘余氣體壓力將含水合物沉積物分解反應(yīng)釜E1內(nèi)汞退回水銀存儲(chǔ)器E5。
本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。