用于沉積層中水合物驅(qū)替形成各向異性的研究裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于沉積層中水合物驅(qū)替形成各向異性研究的研究裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]CO2海洋封存技術(shù)是減少大氣CO 2的主要措施之一，它通過管道將捕獲富集的CO 2直接注入海洋水柱體或海底沉積物中，CO2以液態(tài)或固態(tài)水合物的形式封存。其中海底沉積層內(nèi)0)2封存是將CO 2注儲(chǔ)于海底多孔床層內(nèi)，液態(tài)的CO 2在沉積層孔隙中溶解、擴(kuò)散，在物理、化學(xué)和礦化作用下大量聚集在沉積層蓋層之下，從而形成一個(gè)圈閉空間。由于和人類生存空間有海水層的間隔，相對(duì)于一般的內(nèi)陸地質(zhì)封存方式具有更高的安全性。如果發(fā)生海底地質(zhì)災(zāi)害、地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致儲(chǔ)層裂隙，CO2將沿著裂隙向上運(yùn)移、泄漏(水合物也可能分解成CO2)。當(dāng)0)2再次滲流進(jìn)入水合物穩(wěn)定區(qū)域，水合物又在儲(chǔ)層內(nèi)形成和不斷長大，使得沉積層孔隙度和滲透率急劇減小，從而封閉CO2的泄漏通道。即使還有部分CO 2滲透過水合物蓋層繼續(xù)運(yùn)移、上升擴(kuò)散到海洋中，也會(huì)由于CO2與海水密度差異，形成CO 2的“湖泊型”海洋封存。
[0003]由此可見，海底沉積層為0)2的捕集提供了永久儲(chǔ)庫，重力作用、水合物覆蓋層及其它地質(zhì)化學(xué)作用的多重俘獲機(jī)理可以防止CO2發(fā)生大量逸出。近年來有不少學(xué)者提出CO2置換開采海底天然氣水合物，不但0)2水合物的生成熱可用于分解天然氣水合物，而且CO 2水合物有助于穩(wěn)固虧空的儲(chǔ)層，防止因水合物開采造成海底滑坡等自然災(zāi)害[5]。CO2置換開采方法具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上的雙重意義，與傳統(tǒng)的水合物開采方法相比具有明顯的優(yōu)勢。
[0004]無論CO2海底封存還是置換開采天然氣水合物，其本質(zhì)都是多孔介質(zhì)中CO 2-孔隙水驅(qū)替形成水合物并伴有熱擴(kuò)散效應(yīng)的CO2滲流過程。CO2與孔隙水兩相競爭驅(qū)替、溶解、運(yùn)移，并在溫度、壓力、鹽度和孔隙毛細(xì)管壓力共同約束下形成水合物并繼續(xù)向周圍滲流；CO2水合物形成又會(huì)降低地層孔隙度和滲透率，從而影響CO2在海底沉積層中的運(yùn)移。同時(shí)，CO2水合物形成過程中釋放大量相變潛熱(約65kJ/mol)，而地層多孔骨架、水合物和孔隙流體(CO2、海水)具有不同的熱力學(xué)性質(zhì)(如比熱容和導(dǎo)熱系數(shù))，這些熱量在非均相中的熱擴(kuò)散效應(yīng)不能忽略。因此，深入研究沉積層中水合物驅(qū)替形成和CO2運(yùn)移過程，對(duì)CO 2海底封存、天然氣水合物置換開采以及評(píng)估水合物藏失穩(wěn)分解都具有重要的意義。從目前報(bào)道的文獻(xiàn)來看，有關(guān)沉積物中0)2水合物研究主要集中在CO2-孔隙水靜置模式(這里的“靜置模式”是指CO2與孔隙水處于宏觀靜止?fàn)顟B(tài))形成水合物熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬，缺乏對(duì)海底沉積層中液態(tài)CO2-孔隙水兩相競爭驅(qū)替模式形成水合物動(dòng)力學(xué)和熱擴(kuò)散效應(yīng)研究。因此，獲得結(jié)論或者模型尚無法直接應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的一種用于沉積層中水合物驅(qū)替形成各向異性研究的研究裝置及方法，以獲取模擬海底二氧化碳水合物的形成分布規(guī)律與相關(guān)參數(shù)。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括:
[0007]—種用于沉積層中水合物驅(qū)替形成各向異性研究的研究裝置，其包括用于控制研究裝置運(yùn)行的控制中心，其中，研究裝置還包括一盤式反應(yīng)釜，盤式反應(yīng)釜內(nèi)布置有多個(gè)傳感器，盤式反應(yīng)釜通過對(duì)應(yīng)管路分別與第一平流栗、第二平流栗相連通，第一平流栗通過相應(yīng)管路與存儲(chǔ)罐相連通，第二平流栗選擇性與第一氣瓶、存儲(chǔ)罐相連通；通過存儲(chǔ)罐將氣體、液體或氣液混合物導(dǎo)入盤式反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行分析。
[0008]所述的研究裝置，其中，上述第一平流栗通過第一管路與存儲(chǔ)罐下部相連通，第一平流栗通過第二管路與盤式反應(yīng)釜的總進(jìn)管相連通，第一管路與第二管路之間設(shè)置有第一連接管路；
[0009]盤式反應(yīng)釜上的多個(gè)分支出管均與一總出管相連通，總出管與第二平流栗相連通，第二平流栗通過第三管路與儲(chǔ)存瓶上部相連通，總出管與第三管路之間設(shè)置有第二連接管路，第三管路連接有第四管路，第四管路與第一氣瓶相連通，第四管路與第一管路之間設(shè)置有第三連接管路，第三管路上設(shè)置有第五管路，第五管路與第二氣瓶相連通；
[0010]第一管路在近第一平流栗端設(shè)置有第一閥門，在近存儲(chǔ)罐端設(shè)置有第二閥門；第二管路在近第一平流栗端設(shè)置有第三閥門，在近總進(jìn)管端設(shè)置有第四閥門；第一連接管在近第一閥門端設(shè)置有第五閥門，第一連接管在近第三閥門端設(shè)置有第六閥門；
[0011 ] 總出管在近第二平流栗端設(shè)置有第七閥門，第三管路在近第二平流栗端設(shè)置有第八閥門；第二連接管在近第七閥門端設(shè)置有第九閥門，第二連接管在近第八閥門端設(shè)置有第十閥門；第三管路在近存儲(chǔ)罐端設(shè)置有第十一閥門，第五管路與第三管路連接處設(shè)置有備壓閥門，第五管路在近第二氣瓶端設(shè)置有第一減壓穩(wěn)壓閥門；第三連接管路下方的第四管路上設(shè)置有第十二閥門，第三連接管路上設(shè)置有第十三閥門；
[0012]第四管路在近第一氣瓶端設(shè)置有氣體流量計(jì)，氣體流量計(jì)一側(cè)的第四管路上設(shè)置有第二減壓穩(wěn)壓閥，氣體流量計(jì)另一側(cè)的第四管路上設(shè)置有單向閥。
[0013]所述的研究裝置，其中，上述盤式反應(yīng)釜的底部設(shè)置有多個(gè)排污管，每個(gè)排污管上均設(shè)置有排污閥門。
[0014]所述的研究裝置，其中，上述第一管路在存儲(chǔ)罐底部處設(shè)置有第一排出管，第一排出管上設(shè)置有第一排出閥門；第十一閥門與第十二閥門之間的第三管路上設(shè)置有第二排出管，第二排出管上設(shè)置第二排出閥門；總出管上設(shè)置有第三排出管，第三排出管上設(shè)置有第三排出閥門。
[0015]所述的研究裝置，其中，上述盤式反應(yīng)釜包括釜體，總進(jìn)管設(shè)置在釜體中部，釜體配置有一釜蓋，釜蓋與釜體為卡箍式結(jié)構(gòu)，釜蓋與釜體形成反應(yīng)室，反應(yīng)室通過隔板形成多個(gè)反應(yīng)腔，總進(jìn)管與每個(gè)反應(yīng)腔的對(duì)應(yīng)處設(shè)置有一個(gè)進(jìn)口，每個(gè)反應(yīng)腔的側(cè)壁上設(shè)置有一個(gè)出口，每個(gè)出口配置有一個(gè)分支出管，每個(gè)分支出管與總出管的連接處均設(shè)置有控制閥；每個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)配置有一組時(shí)域反射探針、一組溫度傳感器、一組壓力傳感器、一組聲學(xué)換能器與一組鉑電極；時(shí)域反射探針、溫度傳感器、壓力傳感器、聲學(xué)換能器、鉑電極均與控制中心通信連接。
[0016]所述的研究裝置，其中，上述一組時(shí)域反射探針包括兩個(gè)時(shí)域反射探針，時(shí)域反射探針安裝在對(duì)應(yīng)反應(yīng)腔之豎向中間位置的一個(gè)平面上，時(shí)域反射探針以釜體中心徑向輻射均勻地安裝；一組聲學(xué)換能器包括兩套聲學(xué)換能器，兩套聲學(xué)換能器分別處于位于對(duì)應(yīng)反應(yīng)腔之徑向1/3、2/3位置處；一組鉑電極包括兩對(duì)鉑電極，兩對(duì)鉑電極分別處于位于對(duì)應(yīng)反應(yīng)腔徑向1/3、2/3位置處；一組溫度傳感器包括三個(gè)溫度傳感器，一組壓力傳感器包括三個(gè)壓力傳感器，一個(gè)溫度傳感器與一個(gè)壓力傳感器形成一個(gè)測量單元，三個(gè)測量單元均勻布置在對(duì)應(yīng)的進(jìn)口處、出口處以及進(jìn)口與出口之間的反應(yīng)腔；時(shí)域反射探針均與TDR采集轉(zhuǎn)換器通信連接，聲學(xué)換能器均與聲學(xué)采集轉(zhuǎn)換器通信連接，鉑電極均與阻抗采集轉(zhuǎn)換器通信連接，測量單元、TDR采集轉(zhuǎn)換器、聲學(xué)采集轉(zhuǎn)換器、阻抗采集轉(zhuǎn)換器均通過數(shù)據(jù)采集儀與控制中心通信連接。
[0017]所述的研究裝置，其中，上述盤式反應(yīng)釜配置有第一恒溫水浴設(shè)備，存儲(chǔ)罐配置有第二恒溫水浴設(shè)備；在每個(gè)反應(yīng)腔的進(jìn)口處、出口處之間設(shè)置有第一壓差計(jì)，在總進(jìn)管與總出管之間設(shè)置有第二壓差計(jì)，第一壓差計(jì)與第二壓差計(jì)上均配置有電磁閥；進(jìn)口、出口上均設(shè)置有濾塞。
[0018]所述的研究裝置，其中，上述盤式反應(yīng)釜內(nèi)均勻布置有六個(gè)反應(yīng)腔，每個(gè)隔板與釜體對(duì)應(yīng)處設(shè)置有用于插入隔板的插槽，插槽通過密封處理。
[0019]—種使用所述研究裝置的方法，其包括以下步驟:
[0020]A、打開存儲(chǔ)罐頂部的快插頭，將存儲(chǔ)罐裝滿蒸餾水，打開第一閥門、第二閥門、第三閥門與第四閥門，將存儲(chǔ)罐的蒸餾水通過第一平流栗送入盤式反應(yīng)釜中的總進(jìn)管，然后通過進(jìn)口進(jìn)入盤式反應(yīng)釜內(nèi)的對(duì)應(yīng)反應(yīng)腔內(nèi)，待反應(yīng)腔充滿蒸餾水后，蒸餾水通過分支出管排出，匯集到總出管，此時(shí)分支出管上的控制閥處于打開狀態(tài)，打開第七閥門、第八閥門、第十一閥門，經(jīng)第二平流栗送入存儲(chǔ)罐，此時(shí)第二排出閥門處于開啟狀態(tài)，第十二閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)充滿蒸餾水，將整個(gè)系統(tǒng)中的空氣通過第二排出閥門排出，消除空氣對(duì)水合物反應(yīng)過程的影響；
[0021]B、關(guān)閉第一平流栗與第二平流栗，關(guān)閉第二排出閥門、第十一閥門、第二閥門，再次打開存儲(chǔ)罐頂部的快插頭，將存儲(chǔ)罐再次裝滿蒸餾水，打開第十二閥門，開啟存儲(chǔ)有二氧化碳的第一氣瓶，通過第二減壓穩(wěn)壓閥，設(shè)置壓力為2MPa，氣體會(huì)通過氣體流量計(jì)經(jīng)單向閥進(jìn)入存儲(chǔ)罐，此時(shí)打開第一排出閥門，在壓力的作用下將存儲(chǔ)罐中的一部分蒸餾水排出，為反應(yīng)氣體二氧化碳留出存儲(chǔ)空間，以保證整個(gè)系統(tǒng)中不會(huì)有空氣進(jìn)入，待排出一定體積蒸餾水后，關(guān)閉第一排出閥門；重新設(shè)置第二減壓穩(wěn)壓閥，通過第一氣瓶向存儲(chǔ)罐中充入二氧化碳，待第二減壓穩(wěn)壓閥的指針穩(wěn)定后，關(guān)閉第二減壓穩(wěn)壓閥及