專利名稱：一種原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種原位測量水合物或含水合物沉積物的電阻率的裝置。
背景技術：
氣體水合物是一種或多種氣體或易揮發的液體與水在一定溫度和壓力下生成的一種冰狀結晶類化合物。地球上存在著大量的天然氣水合物資源(主要成分是甲烷氣體和水)，其主要賦存于海底以下O 1500米的松散沉積物和永凍土帶。天然氣水合物資源被認為是一種富有前景的新能源。含水合物飽和度是天然氣水合物資源估算的一個重要參數。目前，電阻率測井是用來確定水合物賦存位置和估算水合物飽和度的有效方法之一。水合物是一種近乎絕緣體。當水合物在沉積物孔隙中形成時，含水合物的沉積物的電阻率會高于水飽和的沉積物的電阻率。因此，研究含天然氣水合物沉積物的電學特性對天然氣水合物的儲層勘探和儲量的估算都具有重要意義。由于高昂的測井費用，海底天然氣水合物的復雜賦存的環境和天然氣水合物在常溫常壓下的不穩定性，模擬研究含天然氣水合物海底沉積物的電學特性是一種重要的手段。目前，關于含天然氣水合物的海底沉積物的電阻率數據較缺乏。人們一般采用主要采用恒流供電的電極探針法測量二氧化碳或四氫呋喃水合物樣品。該測量方法存在以下兩方面的不足:一方面，二氧化碳或四氫呋喃水合物的生成條件較簡單，但其所形成的水合物樣品與自然界的海底天然氣水合物的賦存條件和特性有很大的區別。另一方面，由于電極系周圍區域水合物的不均勻性，以及溶液在恒流下易產生電極化和電化學反應，因此，得到的測量結果會很不真實。
發明內容
本發明的目的在于克服上述水合物電阻率測量方法的不足，提供一種能夠原位測量水合物或含水合物沉積物電阻率的方法和裝置，為研究實際的海底天然氣水合物沉積物的飽和度研究提供重要參考數據。為實現以上目的，本發明采取了以下的技術方案:一種原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置，包括水合物反應釜、高壓氣瓶、真空泵，所述水合物反應釜內分別設有溫度傳感器和壓力傳感器，水合物反應釜外圍設有恒溫試驗箱；真空泵連接有輸入管路，該輸入管路上依次設有第一截止閥、第二截止閥，輸入管路輸入到反應釜內，在該輸入管路上還設有對應的真空壓力表和進氣壓力表，所述高壓氣瓶通過第三截止閥連接在第一截止閥和第二截止閥之間的輸入管路上；所述溫度傳感器和壓力傳感器另一端分別連接到數據采集儀，所述水合物反應釜的底端分別通過數字交流電橋和信息處理系統連接到數據采集儀。所述水合物反應釜包括通過螺栓連接的法蘭蓋和不銹鋼釜體，法蘭蓋上分別開有測壓口、測溫口、進氣口，測壓口和測溫口分別對應與溫度傳感器和壓力傳感器連接；不銹鋼釜體內側設有聚四氟乙烯內襯，聚四氟乙烯內襯上設銅塊電極，銅塊電極與設在不銹鋼釜體底端的電線出口連接，銅塊電極之間還設有聚四氟乙烯孔板。
水合物反應爸如圖1中所示,它是放置在恒溫試驗箱內。該反應爸包括上端開口的圓筒狀的反應釜主體，設置在反應釜主體開口端的上法蘭蓋，設置在上法蘭蓋進氣口、測壓口和測溫口，放置在反應釜體聚四氟乙烯內筒側面銅塊電極。放置在內筒側面的聚四氟乙烯孔板，氣體通過孔板的孔隙擴散到沉積物孔隙中，促進水合物在沉積物中的生成。設置在反應釜主體底部的電極引線出口，該出口處通過兩個外殼夾夾住外接導線與交流電橋相
RA
連接。電阻率的測量依據為:P = ;，其中r為水合物或水合物沉積物的電阻率，Q.m;R
I
為水合物或水合物沉積物的電阻，Ω ；1為銅塊電極之間的樣品的長度，m;A為與樣品接觸的銅塊電極面積，m2。電阻測量的供電方式有恒流源和恒壓源。該處采用交流電橋測出銅塊電極之間的長方體狀的水合物或含水合物沉積物的電阻R。這種電阻率測量方式減少電極極化和電化學反應，不僅提高了電阻率測量的準確性，也實現了對水合物或含水合物沉積物的電阻率原位測量。測控采集系統由溫度，壓力，電阻測量系統及數據采集儀和電腦組成，可將采集來的溫度，壓力，電阻的測量 數據進行處理，跟蹤反應過程。本系統的使用方法如下:反應氣體由進氣系統進入到浸沒在控溫系統中的反應釜，與釜內的其他反應物在一定的溫度和壓力下反應生成水合物或含水合物沉積物樣品，其中溫度條件由控溫系統控制，并通過測控采集系統，對反應生成的氣體水合物或水合物沉積物的電阻率物性的實時測量。進氣前，先將反應液體或沉積物注入反應釜4中，緊固上法蘭蓋4-1，然后抽真空。將溫度調整到所需的溫度條件，開始進氣，并開啟測控采集系統，即可可對樣品進行實時，原位測量。因此該過程包括兩方面:I)水合物或水合物在沉積物中的生成反應。本實驗裝置的溫度壓力設計可以生成多種類型的氣體水合物；2)電阻率物性測定。本處電阻率測量方法可快速地對原位水合物或含水合物沉積物樣品的電阻率原位、實時、準確測量本系統溫度測量范圍:_20 50°C，最大工作壓力為20Mpa，所測電阻率范圍為 1.7*1(Γ8Ω.πι 1*1012Ω.πι。本發明與現有技術相比，具有 如下優點:1.獨特的水合物生成設置的設計可以滿足不同類型和不同量的水合物合成，特別是在沉積物中的合成。2.實現對原位水合物的電阻率的實時、準確的測量。3.可以對實地采樣的巖心樣品進行保壓、保溫測量，進一步判斷海底水合物的賦存位置。4.通過相應的軟件，配合電阻率數據的測量來確定實地所采樣品中水合物的近似含量，從而對該區域的水合物儲量進行估算。5.也可以測量一些條件較苛刻的物質的電阻率，尤其是低溫，高壓下。6.采用了整體化設計，結構緊湊。
圖1為整個水合物生成測試裝置的結構示意圖；圖2為水合物反應釜的內部結構示意圖3為圖2中，四氟乙烯孔板和銅塊電極的俯視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。按圖1、圖2和圖3設計了一個實驗裝置，除特別說明外，所有連接管道為外徑為3mm的不銹鋼管，使用螺紋連接，卡環卡套密封。反應釜的外筒材質為lCrl8Ni9Ti，內襯為耐腐蝕的聚四氟乙烯。上法蘭蓋通過螺栓連接釜體以及O型密封圈密封。反應釜耐壓20Mpa，高115cm，釜體壁厚25cm，內襯厚20cm。釜體高度95cm。反應釜的最大容積為85ml。兩塊銅電極對稱放置于內筒。紫銅絲穿過內襯從釜體下端引出。一種原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置，包括水合物反應釜4、高壓氣瓶
11、真空泵1，水合物反應釜4內分別設有溫度傳感器2和壓力傳感器6，水合物反應釜4外圍設有恒溫試驗箱3，供氣系統包括真空泵1，高壓甲烷氣瓶11，截止閥第二截止閥5，截止閥7，第一截止閥14，進氣壓力表15，真空壓力表13，該系統的主要功能是實現氣體的流通和氣體狀態參數的檢測，高壓甲烷氣瓶11提供高壓的甲烷氣體，水合物反應前應用真空泵I抽盡釜內和管道的殘留空氣；在反應前需將所有閥門打開，連續快速打開第三截止閥12，讓氣瓶中的氣體連續沖刷管道從而排擠出一部分空氣，此后關閉第三閥12，打開真空泵開始抽真空。在對整個系統抽完真空后，關閉第一閥門14，打開第三閥12開始進氣；真空泵I連接有輸入管路，該輸入管路上依次設有第一截止閥14、第二截止閥5，輸入管路輸入到反應釜4內，在該輸入管路上還設有對應的真空壓力表13和進氣壓力表15，高壓氣瓶11通過第三截止閥12連接在第一截止閥14和第二截止閥5之間的輸入管路上；溫度傳感器2和壓力傳感器6另一端分別連接到數據采集儀10，水合物反應釜4的底端分別通過數字交流電橋8和信息處理系統9連接到數據采集儀10。控溫系統包括恒溫試驗箱3,該恒溫箱的型號為ACS公司的Challenge250低溫氣候試驗箱。可為水合物的反應提供所需的溫度條件。水合物反應釜的結構如圖2所示，銅塊電極和聚四氟乙烯孔板的俯視圖如圖3所示。4-1是上法蘭蓋，它通過螺栓與反應釜體相連，并采用雙層O型氟膠圈密封；4-2是放置于內襯側面的銅塊電極；銅塊電極為半圓柱狀，其底面積為10.5cm2,高度為3.5cm,寬度為
3.47cm。4-3為可承受高壓的不銹鋼爸體；4_4為耐腐蝕的聚四氟乙烯內襯；4_5為連接銅塊并穿過內襯從底部引出的紫銅絲；4-6為測壓口，其可連接用來測量反應釜內的氣體壓力壓力傳感器；4_7為測溫口，其可連接用來測量反應釜內樣品溫度溫度傳感器；4-8為進氣口。這3個出口都是通過螺紋連接，卡環卡套密封。4-9為尼龍壓鼓，用來密封紫銅絲，保證高壓下氣體不會從電極線出口泄露出去；4-10為電線出口，通過兩個外殼夾夾住外接導線與交流電橋相連接；4_11為螺栓，用來連接密封法蘭蓋和釜體；4-12為放置在內襯另一側面的聚四氟乙烯長方形孔板。其長度為2.5cm,寬度為3.0cm,厚為0.5cm,板上有小圓孔，氣體可通過圓孔擴散至樣品，促進水合物在孔隙中的形成。這套裝置所形成的水合物樣品為長方體狀，樣品的量不受反應釜容積的限制。測控采集系統包括用于測量樣品溫度的溫度傳感器2，壓力傳感器6，數字交流電橋8及數據采集儀10和電腦9組成。數據采集儀為由美國Agilent公司制造的Agilent34901A數據采集系統。
實施例一:在圖1、2和3中，以甲烷氣體和純凈水來合成甲烷水合物。用純凈水清洗反應釜
4,然后加入25克的純凈水,蓋上上法蘭蓋4-1密封。將第三截止閥12打開,讓氣瓶11中的甲烷氣體連續沖刷管道從而排擠出一部分空氣，此后關閉第三截止閥12，打開第一截止閥14，開啟真空泵，把管道和釜內的空氣抽走。待真空表穩定后，關閉第一截止閥14，打開第三截止閥12開始進氣，待系統壓力穩定后，停止進氣。本反應使用的甲烷壓力為lOMpa。然后打開恒溫試驗箱3，將反應的溫度設定為0°C。并開啟測控采集系統，進行壓力，位移，溫度，電阻信號的采集。甲烷通過水合物反應釜4上的進氣口 4-8進入反應釜4內，經過一定的誘導時間，甲烷與釜內的水進行反應。等完全反應后(溫度，壓力不再變化)，繼續保持反應所用的溫度壓力參數2 3天，保證樣品的老化。隨后結束測量實驗。結果顯示，甲烷水合物樣品的電阻率范圍為11.6*10_3 Ω.m-5*103 Ω.m,實驗結果表明，該裝置能較好地形成水合物，所用測量方法能夠較好地合成甲烷水合物，所用的測量方法能很好地完成對水合物的電阻率的原位測量。實施例二:以3.5%氯化鈉溶液，60 100目的石英砂和甲烷合成多填充于多孔介質孔隙的天然氣水合物。這個實例是模擬海底天然氣水合物沉積物樣品的電阻率測量。首先篩選60 100目的石英砂，清洗干凈，放入反應釜4，同時加入3.5%氯化鈉溶液，使砂粒達到一定的飽和。開啟真空泵1，進行抽真空以除去反應釜4內的氣體，然后通入所需的甲烷氣體，使壓力達到水合物生成所需的反應壓力，關閉進氣閥。放置過一段時間，使甲烷氣體充分溶于水。然后調整將恒溫試驗箱3的溫度設定為2V，開始在沉積物中合成水合物。等完全反應后(溫度，壓力不再變化)，繼續保持反應所用的溫度壓力參數2 3天，隨后結束測量實驗。開啟數據采集系統記錄整個水合物生成過程中的溫度，壓力，電阻的測量值變化情況，結果表明:所生成的天然氣水合物沉積物的電阻率范圍為1.5 Ω.m-5 Ω.m。實驗證明，該裝置能夠較好地測量多孔介質水合物的電阻率。當測試結束后，配合相應的計算機軟件來求多孔介質中水合物的含量。該軟件是基于天然氣水合物電阻率測井用的阿爾奇公式和使用Visual Basic語言編制的，在模型中假設水合物是均勻分布的，通過阿爾奇公式，對實例2的計算結果為:天然氣水合物的飽和度為15%。這個結果與自然界海底天然氣水合物沉積物的飽和度相比，還是比較合理的。這證明該裝置配合相應的軟件可以估算樣品中的水合物含量。上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。
權利要求
1.一種原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置，其特征在于:包括水合物反應釜(4)、高壓氣瓶(11)、真空泵(1)，所述水合物反應釜(4)內分別設有溫度傳感器(2)和壓力傳感器(6 )，水合物反應釜(4 )外圍設有恒溫試驗箱(3 ); 真空泵(I)連接有輸入管路，該輸入管路上依次設有第一截止閥(14)、第二截止閥(5)，輸入管路輸入到反應釜(4)內，在該輸入管路上還設有對應的真空壓力表(13)和進氣壓力表(15)，所述高壓氣瓶(11)通過第三截止閥(12)連接在第一截止閥(14)和第二截止閥(5)之間的輸入管路上； 所述溫度傳感器(2)和壓力傳感器(6)另一端分別連接到數據采集儀(10)，所述水合物反應釜(4)的底端分別通過數字交流電橋(8)和信息處理系統(9)連接到數據采集儀(10)。
2.如權利要求1所述的原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置，其特征在于:所述水合物反應釜(4)包括通過螺栓(4-11)連接的法蘭蓋(4-1)和不銹鋼釜體(4-3)，法蘭蓋(4-1)上分別開有測壓口(4-6)、測溫口(4-7)、進氣口(4-8)，測壓口(4-6)和測溫口(4_7)分別對應與溫度傳感器(2)和壓力傳感器(6)連接；不銹鋼釜體(4-3)內側設有聚四氟乙烯內襯(4-4)，聚四氟乙烯內襯(4-4)上設銅塊電極(4-2)，銅塊電極(4-2)與設在不銹鋼釜體(4-3)底端的電線出口(4-10)連接，銅塊電極(4-2)之間還設有聚四氟乙烯孔板(4-12)。
全文摘要
本發明公開了一種原位測量含水合物沉積物的電阻率的裝置，包括水合物反應釜、高壓氣瓶、真空泵，所述水合物反應釜內分別設有溫度傳感器和壓力傳感器，水合物反應釜外圍設有恒溫試驗箱；真空泵連接有輸入管路，該輸入管路上依次設有第一截止閥、第二截止閥，輸入管路輸入到反應釜內，在該輸入管路上還設有對應的真空壓力表和進氣壓力表，所述高壓氣瓶通過第三截止閥連接在第一截止閥和第二截止閥之間的輸入管路上；所述溫度傳感器和壓力傳感器另一端分別連接到數據采集儀，所述水合物反應釜的底端分別通過數字交流電橋和信息處理系統連接到數據采集儀。獨特的水合物生成設置的設計可以滿足不同類型和不同量的水合物合成，特別是在沉積物中的合成。
文檔編號G01R27/02GK103116077SQ20131001832
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者梁德青, 陳玉鳳, 李棟梁 申請人:中國科學院廣州能源研究所