專利名稱：一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測試的裝置，尤其是一種在高壓下低溫下原位測量液體、固體或固液混合物的聲速的裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是一種由氣體(或易揮發(fā)的液體)與水在一定溫度壓力條件下形成的冰狀固體，俗稱可燃冰，廣泛分布于凍土帶地表以下200-2100米和大陸邊緣海底之下0-1100米的沉積物中。天然氣水合物具有巨大的天然氣儲藏能力，理想結(jié)構(gòu)I型的甲烷水合物含有164倍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的甲烷氣，II型結(jié)構(gòu)的天然氣水合物含有184倍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣。全世界天然氣水合物儲量非常巨大，估計水合物中天然氣資源量為2X1016m3，相當(dāng)于2X IO5億噸油當(dāng)量，是全球常規(guī)燃料總碳量的2倍。 在天然氣水合物的勘探開發(fā)過程中，地球物理方法被證明是一種非常有效的方法，國內(nèi)外研究者利用這些信息開展了許多相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)BSR (Bottom SimulatingReflector,似海底反射)、BZ (Blanking Zones,振幅空白)等標(biāo)志與水合物存在著一定的關(guān)系，并對BSR反射系數(shù)、波形特征和BZ的反射強(qiáng)度及地震速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。尤其是近年來，人們借助油氣儲層預(yù)測的思路，利用振幅隨炮檢距變化(AVO)信息技術(shù)和地震的非線性全波形走時反演方法，對BSR反射系數(shù)、反射波形模擬來約束BSR上下地層的地震縱波速度變化，達(dá)到綜合預(yù)測含水合物沉積層的目的，這些技術(shù)方法對于特定條件下天然氣水合物礦藏的發(fā)現(xiàn)取得了一定效果。但是，經(jīng)鉆探后發(fā)現(xiàn)目前公認(rèn)的許多識別標(biāo)志與天然氣水合物礦藏之間并非完全對應(yīng)，兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系及其響應(yīng)機(jī)理尚不清楚，許多解釋的合理性尚存質(zhì)疑。聲波在巖石中的傳播速度是一種能較好反映巖石綜合物性的信息載體，從物探資料分析中可以看出，聲波速度與地層巖性、巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、埋深和地質(zhì)年代都有密切的關(guān)系。因此，天然氣水合物及儲層的聲學(xué)響應(yīng)特性研究以及天然氣水合物的聲學(xué)勘探方法的開發(fā)，對天然氣水合物的勘探、資源評價以及開發(fā)具有重要意義

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，尤其是一種在高壓下低溫下原位測量液體、固體或固液混合物的聲速的裝置，擴(kuò)展了目前所存在裝置的使用范圍，提高測量精度。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，包括內(nèi)置有被測樣品的反應(yīng)釜、為反應(yīng)釜提供氣源的供氣系統(tǒng)、維持反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)溫度的溫控系統(tǒng)、與反應(yīng)釜連接的液壓傳動系統(tǒng)、與反應(yīng)釜連接并用于測試樣品聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有支持樣品并能夠保證氣體與樣品充分接觸的環(huán)形內(nèi)襯套；所述聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)包括有超聲發(fā)生器、超聲發(fā)射換能器、超聲接收換能器和示波器，所述超聲發(fā)生器、示波器、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和反應(yīng)釜依次連接。樣品測量采用的是一發(fā)一收接觸式超聲脈沖測量方法。
在通常的測試系統(tǒng)中要求樣品為柱狀樣，例如海底沉積物柱狀樣、湖泊沉積物柱狀樣、巖石巖芯等，但含水合物樣品需要在高壓低溫狀態(tài)下測量，因此很多時候都無法難保真樣品來測試，因此本發(fā)明選取目標(biāo)區(qū)沉積物后，通過加入相同組分的天然氣在目標(biāo)區(qū)的溫度壓力條件原位合成天然氣水合物，再測試其聲學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明所述的沉積物可以為各種沉積物，例如柱狀樣、表層樣、篩分過的沉積物等。沉積物樣品裝在一個圓柱形的環(huán)形內(nèi)襯套里。所述的內(nèi)襯套由不銹鋼或聚四氟乙烯制成，周圍密布小孔，保證氣體通過，但可使沉積物樣品保持柱狀形態(tài)。所述溫控系統(tǒng)包括恒溫浴及相應(yīng)的連接管道，恒溫浴中的液體分別通過恒溫浴、連接管道和反應(yīng)釜的夾套，再通過連接管道流回恒溫浴完成循環(huán)，維持反應(yīng)釜的溫度恒定。所述反應(yīng)釜包括有連接恒溫浴的換熱夾套、推進(jìn)活塞、端蓋，所述反應(yīng)釜內(nèi)部被推進(jìn)活塞分為兩部分，一部分裝被測樣品，另一部分裝推進(jìn)液；所述超聲發(fā)射換能器安置在推進(jìn)活塞內(nèi)部，且推進(jìn)活塞與一長柄相連，長柄的另一端與定位桿相連，定位桿的另一端與位移傳感器的活動桿相連，位移傳感器主體固定在反應(yīng)釜外壁上，活動的傳感探頭頂端與推 進(jìn)活塞的長柄相連，用來記錄活塞的位移。位移傳感器的引線與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接，長柄中空，超聲發(fā)射換能器的引線從中間穿過。所述超聲接收換能器安裝在反應(yīng)釜靠近樣品側(cè)的端蓋內(nèi)部，端蓋為中軸線對稱并設(shè)置有開孔，超聲接收換能器從開孔弓I出。所述反應(yīng)釜的端蓋與反應(yīng)釜主體采用多個螺栓連接，O型圈密封；推進(jìn)活塞與反應(yīng)釜內(nèi)壁間也采用抗磨O型圈密封。防止液壓油泄漏到樣品所在的腔體中。為了檢測反應(yīng)釜的內(nèi)的溫度和壓力，本發(fā)明裝置布置有溫度傳感器的溫度測試點(diǎn)T和壓力傳感器的壓力監(jiān)測點(diǎn)P，溫度和壓力通過相應(yīng)傳感器將信號傳給測控采集系統(tǒng)，由測控采集系統(tǒng)讀取并處理數(shù)據(jù)。所述壓力傳感器引線與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接，另一端與所述供氣系統(tǒng)連接后與所述反應(yīng)釜連接；所述溫度傳感器插入所述反應(yīng)釜釜體中，溫度傳感器與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接。本裝置使用步驟如下(a)非化學(xué)反應(yīng)的液體或固體熱物性測試事先將樣品放入反應(yīng)釜中，再封口。封口后通過推動手動增壓泵驅(qū)動活塞加壓。通過設(shè)定恒溫浴的溫度則可以測試樣品不同溫度的聲學(xué)參數(shù)。(b)有化學(xué)反應(yīng)體系的熱物性原位測試當(dāng)涉及到高壓氣體時，反應(yīng)前應(yīng)先對整個裝置檢漏；關(guān)閉系統(tǒng)排氣閥門，打開進(jìn)氣閥門往系統(tǒng)中注入一定壓力的氮?dú)?，而后關(guān)閉氣源。將整個系統(tǒng)封閉一天，如果壓力表指示數(shù)值沒有明顯的下降則表示系統(tǒng)的閥門、管道和連接處密封良好，如若不然則表示有漏點(diǎn)。通常使用起泡劑來檢查漏點(diǎn)，漏點(diǎn)的存在嚴(yán)重影響流量計的指示準(zhǔn)確度，因此必須嚴(yán)格查封；檢漏后就可以放掉氮?dú)?，開啟反應(yīng)釜的端蓋，加入需要的樣品。密封好后對系統(tǒng)抽真空，而后注入實(shí)驗(yàn)氣體再放掉，反復(fù)二到三次確保殘留在反應(yīng)釜的空氣可以忽略。最后再注入反應(yīng)氣道所需壓力。加壓完成后靜置一天，以便讓溶液不在殘留在反應(yīng)釜管路和反應(yīng)釜壁以及讓氣體充分溶解；開啟恒溫空氣浴到設(shè)定的反應(yīng)溫度，讓體系進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)中可對體系進(jìn)行聲速等聲學(xué)性質(zhì)測試。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用了帶小孔的環(huán)形內(nèi)襯套，可以對樣品壓實(shí)同時保證氣體可很容易滲透到樣品中，且圍壓和孔隙壓力均可測；2.溫度和壓力分別調(diào)節(jié)，可測量不同溫度和壓力下樣品的聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)；3.可進(jìn) 行化學(xué)反應(yīng)過程中聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的變化，檢測反應(yīng)進(jìn)度；4.系統(tǒng)各部分功能明確，具有良好的可升級性和可擴(kuò)充性，適應(yīng)性廣。


圖I為本發(fā)明裝置系統(tǒng)圖；圖2環(huán)形內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記說明I-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，2-計算機(jī)，3-示波器，4-超聲發(fā)生器，5-溫控系統(tǒng)，6-液壓活塞，7-超聲發(fā)射換能器，8-環(huán)形內(nèi)襯套，81-支撐肩，82-開孔，83-通體，9-樣品，10-換熱夾套，11-端蓋，12-超聲接收換能器，13-溫度傳感器，14-螺栓，15-壓力傳感器，16-抽真空系統(tǒng)，17-氣體壓力表，18-供氣系統(tǒng)，19-液體壓力表，20-手動增壓泵，21-位移傳感器，22-長柄，23-定位桿，24-反應(yīng)釜，f I-閥門，f2-閥門，f3-閥門。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例氣體水合物是氣體或易揮發(fā)的液體與水作用，形成的一種包絡(luò)狀晶體，天然氣水合物需要在高壓和低溫下才存在，因此需要原位測量其物理性質(zhì)。請參閱圖I所示，一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，包括內(nèi)置有被測樣品9的反應(yīng)釜24、為反應(yīng)釜24提供氣源的供氣系統(tǒng)18、維持反應(yīng)釜24內(nèi)反應(yīng)溫度的溫控系統(tǒng)5、與反應(yīng)釜24連接的液壓傳動系統(tǒng)、與反應(yīng)釜24連接并用于測試樣品聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I ;反應(yīng)釜24內(nèi)設(shè)有支持樣品并能夠保證氣體與樣品充分接觸的環(huán)形內(nèi)襯套8 ;聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)包括有超聲發(fā)生器4、超聲發(fā)射換能器7、超聲接收換能器12和示波器3，超聲發(fā)生器4、示波器3、計算機(jī)2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I和反應(yīng)釜24依次連接。溫控系統(tǒng)6包括恒溫浴及相應(yīng)的連接管道，恒溫浴中的液體分別通過恒溫浴、連接管道和反應(yīng)釜24的夾套10，再通過連接管道流回恒溫浴完成循環(huán)，維持反應(yīng)釜的溫度恒定。反應(yīng)釜24包括有連接恒溫浴的換熱夾套10、推進(jìn)活塞6、端蓋12，反應(yīng)釜24內(nèi)部被推進(jìn)活塞6分為兩部分，一部分裝被測樣品9，另一部分裝推進(jìn)液；超聲發(fā)射換能器7安置在推進(jìn)活塞6內(nèi)部，且推進(jìn)活塞6與一長柄22相連，長柄22的另一端與定位桿23相連，定位桿23的另一端與位移傳感器21的活動桿相連，位移傳感器21主體固定在反應(yīng)釜24外壁上，位移傳感器21的引線與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I電連接，長柄22中空，超聲發(fā)射換能器7的引線從中間穿過?；顒拥膫鞲刑筋^頂端與推進(jìn)活塞的長柄22通過定位桿23相連，用來記錄活塞的位移。超聲接收換能器12安裝在反應(yīng)釜24靠近樣品側(cè)的端蓋11內(nèi)部，端蓋11為中軸線對稱并設(shè)置有開孔，超聲接收換能器12從開孔引出。反應(yīng)釜24的端蓋11與反應(yīng)釜24主體采用多個螺栓14連接，O型圈密封；推進(jìn)活塞6與反應(yīng)釜24內(nèi)壁間也采用抗磨O型圈密封。防止液壓油泄漏到樣品所在的腔體中。在端蓋11上還設(shè)有溫度傳感器13，其一端設(shè)置反應(yīng)釜24內(nèi)，另一端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I連接，還包括有用于測量反應(yīng)釜24壓力的壓力傳感器15，壓力傳感器15與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I連接，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I讀取并處理數(shù)據(jù)在傳輸?shù)接嬎銠C(jī)2進(jìn)行顯示和存儲。請參閱圖2所示，內(nèi)襯套8由不銹鋼或聚四氟乙烯制成的通體8-3，一端設(shè)有支撐肩8-1,通體8-3周圍密布細(xì)小開孔8-2,保證氣體通過,但可使沉積物樣品保持柱狀形態(tài)。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I采用安捷倫公司Agilent_34970A型數(shù)據(jù)采集儀。示波器3采用，Tektronix 3210B數(shù)字示波器。測試用的超聲換能器采用PZT復(fù)合材料換能器，換能器7發(fā)射頻率為IMHz的縱波脈沖信號，該信號穿透樣品后被另外一個接收換能器12接收，接收信號被傳輸?shù)绞静ㄆ?并顯示，數(shù)字示波器3采集到系列的波形數(shù)據(jù)，信號經(jīng) 數(shù)字化和顯示調(diào)整后通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到計算機(jī)2，計算機(jī)2可以顯示和存儲數(shù)據(jù)，并可完成波形和數(shù)據(jù)的后處理。。在本實(shí)施例中，先于把沉積物填入由聚四氟乙烯制成的內(nèi)襯套8，裝入反應(yīng)釜，封上端蓋11。為排除管道中殘余空氣的干擾，打開抽真空系統(tǒng)16及閥門f2開始對系統(tǒng)抽真空，約15分鐘后抽真空完畢，關(guān)閉閥門f2，打開閥門f3進(jìn)氣。等壓力平衡后，打開恒溫空氣浴、數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)I、計算機(jī)2開始監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程。進(jìn)氣完成后，可緩慢推動液壓活塞6使裝有超聲發(fā)射換能器7的液壓活塞8和端蓋11緊貼沉積物樣品，并通過液壓活塞6調(diào)節(jié)沉積物圍壓，圍壓由液體壓力表19讀出?？紫秹毫t由氣壓決定，由氣體壓力表17讀出并由壓力傳感器15將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)I。在此過程中可以測試不同的溫度和壓力條件下聲波在沉積物的傳播速度及衰減情況。在水合物持續(xù)生長階段，可在一定溫度和壓力條件下測試不同水合物飽和度沉積物的聲波傳播速度和衰減情況。上列詳細(xì)說明是針對本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1.一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于包括內(nèi)置有被測樣品(9)的反應(yīng)釜(24)、為反應(yīng)釜(24)提供氣源的供氣系統(tǒng)(18)、維持反應(yīng)釜(24)內(nèi)反應(yīng)溫度的溫控系統(tǒng)(5)、與反應(yīng)釜(24)連接的液壓傳動系統(tǒng)、與反應(yīng)釜(24)連接并用于測試樣品聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I);所述反應(yīng)釜(24)內(nèi)設(shè)有支持樣品并能夠保證氣體與樣品充分接觸的環(huán)形內(nèi)襯套(8);所述聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)包括有超聲發(fā)生器(4)、超聲發(fā)射換能器(7)、超聲接收換能器(12)和示波器(3)，所述超聲發(fā)生器(4)、示波器(3)、計算機(jī)(2)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I)和反應(yīng)釜(24)依次連接。
2.如權(quán)利要求I所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于所述溫控系統(tǒng)(6)包括恒溫浴及相應(yīng)的連接管道，恒溫浴中的液體分別通過恒溫浴、連接管道和反應(yīng)釜(24)的夾套(10)，再通過連接管道流回恒溫浴完成循環(huán)，維持反應(yīng)釜的溫度恒定。
3.如權(quán)利要求2所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于所述反應(yīng)釜(24)包括有連接恒溫浴的換熱夾套(10)、推進(jìn)活塞(6)、端蓋(12)，所述反應(yīng)釜(24)內(nèi)部被推進(jìn)活塞(6)分為兩部分，一部分裝被測樣品(9)，另一部分裝推進(jìn)液；所述超聲發(fā)射換能器(7 )安置在推進(jìn)活塞(6 )內(nèi)部，且推進(jìn)活塞(6 )與一長柄(22 )相連，長柄(22)的另一端與定位桿(23)相連，定位桿(23)的另一端與位移傳感器(21)的活動桿相連，位移傳感器21主體固定在反應(yīng)釜(24)外壁上，位移傳感器(21)的引線與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I)電連接，長柄(22)中空，超聲發(fā)射換能器(7)的引線從中間穿過。
4.如權(quán)利要求I所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于所述超聲接收換能器(12)安裝在反應(yīng)釜(24)靠近樣品側(cè)的端蓋(11)內(nèi)部，端蓋(11)為中軸線對稱并設(shè)置有開孔，超聲接收換能器(12)從開孔弓I出。
5.如權(quán)利要求3所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于所述反應(yīng)釜(24)的端蓋(11)與反應(yīng)釜(24)主體采用多個螺栓(14)連接，O型圈密封；推進(jìn)活塞(6)與反應(yīng)爸(24)內(nèi)壁間也米用抗磨O型圈密封。
6.如權(quán)利要求4所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于在端蓋(11)上還設(shè)有溫度傳感器(13)，其一端設(shè)置反應(yīng)釜(24)內(nèi)，另一端與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I)連接，還包括有用于測量反應(yīng)釜(24)壓力的壓力傳感器(15)，所述壓力傳感器(15 )與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I)連接。
7.如權(quán)利要求I所述的沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，其特征在于所述內(nèi)襯套(8)包括由不銹鋼或聚四氟乙烯制成的通體(8-3)，通體(8-3)—端設(shè)有支撐肩8-1，通體(8-3)周圍內(nèi)密布開孔(8-2)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沉積物中水合物原位合成及其聲特性測量的裝置，包括內(nèi)置有被測樣品的反應(yīng)釜、為反應(yīng)釜提供氣源的供氣系統(tǒng)、維持反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)溫度的溫控系統(tǒng)、與反應(yīng)釜連接的液壓傳動系統(tǒng)、與反應(yīng)釜連接并用于測試樣品聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有支持樣品并能夠保證氣體與樣品充分接觸的環(huán)形內(nèi)襯套；所述聲學(xué)性質(zhì)的測控系統(tǒng)包括有超聲發(fā)生器、超聲發(fā)射換能器、超聲接收換能器和示波器，所述超聲發(fā)生器、示波器、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和反應(yīng)釜依次連接。樣品測量采用的是一發(fā)一收接觸式超聲脈沖測量方法。
文檔編號G01N1/28GK102778508SQ20121025865
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者李棟梁, 梁德青 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所