一種高飽和度甲烷水合物沉積物試樣的生成裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種天然氣水合物基礎(chǔ)物性測量領(lǐng)域中的試樣制備裝置，特別是 關(guān)于一種用于三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中的高飽和度甲烷水合物沉積物試樣的生成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物是天然氣分子與水分子在低溫度高壓力的條件下形成的一種白色 類冰狀固體物質(zhì)。天然氣的組分很多，主要成分是甲烷氣，甲烷水合物是一種高密度的能源 礦藏，具有很高的開采價(jià)值，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1體積的甲烷水合物理論上可以釋放出164體 積的甲烷氣體。所以水合物礦藏是一種高密度的能源礦藏，具有很高的開采價(jià)值。對天然 氣水合物進(jìn)行開采時(shí)，由于天然氣水合物的不斷分解造成沉積物力學(xué)強(qiáng)度的持續(xù)下降，如 果不加以干預(yù)有可能造成開采過程中的事故（如井架松動(dòng)或者井口塌陷）或者造成開采之 后的地質(zhì)災(zāi)害（地層錯(cuò)位引起地震），所以對水合物力學(xué)強(qiáng)度特性的實(shí)驗(yàn)室研宄十分重要。
[0003] 但是，實(shí)驗(yàn)室采用的傳統(tǒng)方法制取的水合物，飽和度往往不會(huì)高于30%，而實(shí)際 合成的飽和度甚至更低。即便是采用了多種方式來控制條件生成甲烷水合物，例如緩慢加 壓，降低初始溫度，提高樣本孔隙度等生成方式，生成甲烷水合物的飽和度最高也只達(dá)到了 25%。而在我國南?？睖y報(bào)告中的內(nèi)容，在中國南海海域的三個(gè)探測點(diǎn)勘探所獲得的天然 氣水合物試樣的飽和度最高值分別達(dá)到了 25. 5 %、46 %、43 %，這是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的天 然氣水合物儲(chǔ)藏區(qū)域之中甲烷水合物飽和度最高的地區(qū)。所以有開采價(jià)值的水合物礦藏的 飽和度，往往都是高飽和度的，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室制取水合物的方法所獲得的飽和度與自然界 中適合商業(yè)開采的水合物礦藏的飽和度相比較差距非常大，對應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度特性就會(huì)產(chǎn)生 較大的差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種高飽和度甲烷水合物沉積物試樣的 生成裝置，其能有效生成高飽和度甲烷水合物沉積物試樣，為后續(xù)進(jìn)一步的甲烷水合物沉 積物力學(xué)特性測試實(shí)驗(yàn)提供原料，以測試不同飽和度的甲烷水合物的力學(xué)特性之差異。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：一種高飽和度甲烷水合物沉積 物試樣的生成裝置，其特征在于：其包括模具、活塞、熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)、夾持器、換熱器、儲(chǔ)氣罐回路、甲烷氣體充氣回路、抽真空回路、壓力檢測回路、尾氣收集 回路、排氣管路和尾氣壓力控制管路；所述模具內(nèi)部具有一空腔，該空腔內(nèi)設(shè)置有所述活 塞，所述活塞底部與所述空腔形成一用于生成沉積物試樣的容納區(qū)；所述模具空腔內(nèi)還設(shè) 置有所述熱電偶，所述熱電偶將檢測到的溫度信息經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至所述計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)；所述模具外部依次設(shè)置有所述夾持器和所述換熱器，所述模具、活塞、夾持器和 換熱器形成反應(yīng)釜主體；所述反應(yīng)釜主體底部設(shè)置有與其連通的所述儲(chǔ)氣罐回路、甲烷氣 體充氣回路、抽真空回路和壓力檢測回路，所述甲烷氣體充氣回路與所述儲(chǔ)氣罐回路、所述 抽真空回路并聯(lián)后，經(jīng)所述壓力檢測回路與所述模具空腔底部連通；所述活塞上設(shè)置有排 氣孔，所述排氣孔通過連接管路并聯(lián)連接所述尾氣收集回路、排氣管路和尾氣壓力控制管 路。
[0006] 所述換熱器連接用于調(diào)節(jié)反應(yīng)釜主體內(nèi)溫度的第一恒溫水域。
[0007] 所述儲(chǔ)氣罐回路包括儲(chǔ)氣罐、第二恒溫水域、第一緩沖閥、第一氣體流量計(jì)和第一 針閥，所述儲(chǔ)氣罐設(shè)置在所述第二恒溫水域內(nèi)；所述儲(chǔ)氣罐出口端依次連接所述第一緩沖 閥、第一氣體流量計(jì)和第一針閥一端，所述第一針閥另一端與所述抽真空回路、甲烷氣體充 氣回路和壓力檢測回路連通。
[0008] 所述甲烷氣體充氣回路包括甲烷氣瓶、第二緩沖閥、第二針閥、氣體增壓器、第二 針閥和第一止回閥；所述甲烷氣瓶出口端依次連接所述第二緩沖閥、第二針閥、氣體增壓 器、第二針閥和第一止回閥一端，所述第一止回閥另一端與所述儲(chǔ)氣罐回路、抽真空回路和 壓力檢測回路連通。
[0009] 所述抽真空回路包括真空泵和第三針閥，所述真空泵經(jīng)所述第三針閥與所述儲(chǔ)氣 罐回路、甲烷氣體充氣回路和壓力檢測回路連通。
[0010] 所述壓力檢測回路包括壓力傳感器和第四針閥，所述儲(chǔ)氣罐回路、抽真空回路和 甲烷氣體充氣回路末端經(jīng)所述壓力傳感器與所述第四針閥一端連接，所述第四針閥另一端 經(jīng)管路與所述反應(yīng)釜主體連接；所述壓力傳感器經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所述計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)電連接。
[0011] 所述尾氣收集回路包括尾氣收集瓶、第三緩沖閥、第五針閥、第二止回閥和第二氣 體流量計(jì)；所述尾氣收集瓶入口端依次連接所述第三緩沖閥、第五針閥、第二止回閥和第二 氣體流量計(jì)一端，所述第二氣體流量計(jì)另一端與所述排氣管路和尾氣壓力控制管路并聯(lián)。
[0012] 所述排氣管路由設(shè)置在管路上的第六針閥構(gòu)成。
[0013] 所述尾氣壓力控制管路由設(shè)置在管路上的背壓閥構(gòu)成。
[0014] 本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、由于在生成水合物時(shí)參 與反應(yīng)的氣體是甲烷氣體，影響反應(yīng)進(jìn)行的速度和最終生成的比例即飽和度的因素之一是 甲烷氣的氣體分壓而不是氣體總壓力（甲烷氣體分壓就是甲烷分子濃度，影響分子擴(kuò)散速 度，進(jìn)而影響反應(yīng)速率和產(chǎn)率）。為了提高甲烷氣分壓，本實(shí)用新型采用以下兩種措施，一是 通過提高氣體總壓力的方式提高甲烷氣分壓，具體做法是在向反應(yīng)釜主體內(nèi)充入甲烷氣時(shí) 使用氣體增壓器來增加甲烷氣的分壓力；二是通過提高甲烷氣在充入氣體中的比例的方式 提高甲烷氣分壓，具體做法是在充入甲烷氣之前對反應(yīng)釜主體用甲烷氣進(jìn)行排氣并且抽真 空，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)使用更高純度的甲烷氣來做甲烷水合物生成實(shí)驗(yàn)。2、由于參與反應(yīng)的另一 個(gè)反應(yīng)物是冰，而非純水在結(jié)冰時(shí)由于液體中的離子濃度發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)冰情況的復(fù) 雜化，本實(shí)用新型為了盡可能的排除其他影響因素以研宄單一因素對水合物特性的影響， 在實(shí)驗(yàn)開始之前使用蒸餾水清洗反應(yīng)釜內(nèi)壁和試樣成型模具，在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用去離子水來生 成甲烷水合物。3、本實(shí)用新型在甲烷水合物生成過程中，為了防止甲烷氣與冰顆粒相接觸 的界面上生成的甲烷水合物形成壁皇阻礙甲烷氣體和冰顆粒的進(jìn)一步接觸，采用控制溫度 的方法解決這一問題。提升反應(yīng)釜主體內(nèi)環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度高于冰的熔點(diǎn)273. 15K，但 低于甲烷水合物的分解溫度293K，促使部分冰顆粒逐步融化成液態(tài)水，使甲烷氣和部分融 化的液態(tài)水進(jìn)行反應(yīng)。由于液態(tài)水具有流動(dòng)性，能夠產(chǎn)生水合物形成的壁皇的縫隙，所以這 種加熱反應(yīng)物的方法可以促使水完全轉(zhuǎn)化成甲烷水合物，并且該方法可以控制晶體顆粒的 生長方式，最終得到的甲烷水合物還是顆粒狀的固體聚集物。4、本實(shí)用新型采用由活塞、模 具、夾持器和換熱器構(gòu)成的反應(yīng)釜主體來制取高飽和度甲烷水合物沉積物試樣，可直接制 得力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的試樣，制得力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需體積大小的含冰的沉積物試樣之后，隨即進(jìn)行 甲烷水合物生成過程，最終形成高飽和度的尺寸為9 61. 8 X 125mm的甲烷水合物沉積物 試樣。本實(shí)用新型可以廣泛在天然氣水合物基礎(chǔ)物性測量領(lǐng)域中應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型