深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)豐吳擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于海洋天然氣水合物地球化學(xué)參數(shù)原位測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，包括激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)（I)、深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)、液壓系統(tǒng)(III)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)(IV)，深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)分別與激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)（I)、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)(IV)電氣連接，液壓系統(tǒng)(III)設(shè)置在深海環(huán)境模擬系統(tǒng)(II)內(nèi)。消除了取樣和非原位測(cè)定產(chǎn)生的不確定性；簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、高效；可安全地獲取高壓模擬艙內(nèi)的高保真信息。此外，本裝置還可用于水合物開采方法的實(shí)驗(yàn)室模擬及其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【專利說明】深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋天然氣水合物地球化學(xué)參數(shù)原位測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及 一種模擬深海環(huán)境，探測(cè)沉積物中天然氣水合物生成、分解過程中地球化學(xué)參數(shù)變化的模 擬系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 海底水合物在形成或分解過程中釋放的流體和滲漏烴類會(huì)改變其上覆的沉積物 以及孔隙水以及底層海水的一些化學(xué)性質(zhì)，這些異常的地球化學(xué)響應(yīng)可用于指示天然氣水 合物的存在。
[0003] 目前對(duì)海底天然氣水合物地球化學(xué)參數(shù)的研究，一般局限在深海沉積物地質(zhì)取 樣，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。但是，由于受到天然氣水合物穩(wěn)定所需的溫度、壓力條件限制，即 使采用保真采樣方式，也很難確保取樣過程中天然氣水合物的理化性質(zhì)不發(fā)生變化，導(dǎo)致 傳統(tǒng)采樣方式存在較大的探測(cè)誤差。
[0004] 近年來，激光拉曼光譜分析已成功地應(yīng)用于海底沉積物的原位觀測(cè)，通過水下機(jī) 器人將拉曼光纖聚焦在海底的目標(biāo)物上，可以獲取相關(guān)的化學(xué)參數(shù)信息，但這種方法昂貴， 不具有普適性。
[0005] 因此，急需開發(fā)可用于深海環(huán)境的沉積物中天然氣水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè) 的測(cè)試系統(tǒng)，一方面可對(duì)深海沉積物中的天然氣水合物形成和分解過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，另 一方面，可對(duì)過程中形成的沉積物孔隙水離子濃度變化進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，為天然氣水合物資 源勘探提供重要參數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣水合物生成過程中沉積物內(nèi)流體離子參數(shù)原 位檢測(cè)裝置，其技術(shù)效果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓低溫反應(yīng)釜內(nèi)不同層位沉積物中水合物生成/分 解過程的化學(xué)成分與離子的響應(yīng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：其包括激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)、深海 環(huán)境模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)，深海環(huán)境模擬系統(tǒng)分別與激光拉曼光 譜探測(cè)系統(tǒng)、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)電氣連接，液壓系統(tǒng)設(shè)置在深海環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)。
[0008] 本項(xiàng)發(fā)明研制了深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，將激光拉曼原位探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)深 海環(huán)境模擬系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)研究水合物賦存地層的地球化學(xué)微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 高壓低溫反應(yīng)釜內(nèi)不同層位沉積物中水合物生成/分解過程的化學(xué)成分與離子的響應(yīng)情 況進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)，可檢測(cè)沉積物孔隙水中溶解CH 4、H2S/HS_及S0,的等化學(xué)參數(shù)的變 化，具有實(shí)時(shí)性和精確性，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)滿足深海模擬工作環(huán)境要求，尤其是天然氣水合物 形成模擬環(huán)境的低溫、高壓要求。
[0009] 拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)包括激光拉曼光譜儀、光纖、光學(xué)探頭和探測(cè)倉(cāng)，激光拉曼光 譜儀通過光纖連接光學(xué)探頭，光學(xué)探頭與探測(cè)倉(cāng)連接，光學(xué)探頭設(shè)置在高壓反應(yīng)釜頂端的 蓋體上，探測(cè)倉(cāng)設(shè)置在高壓反應(yīng)釜內(nèi)。激光拉曼光譜儀激光發(fā)射波長(zhǎng)：532nm;激光發(fā)射功 率：100mW;光譜覆蓋范圍：100-4000(^1 ;光譜分辨率McnT1 ;CCD傳感器：增強(qiáng)型CCD，像 素2048*512,光學(xué)探頭采用藍(lán)寶石窗口，可耐受3000PSI壓力，各部件之間采用光纖連接方 式，從而既保證了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，又使探測(cè)裝置高度集成，體積小，以光 譜探針的形式在反應(yīng)釜內(nèi)完成各樣品的原位分析。光路穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜實(shí) 驗(yàn)室環(huán)境下工作性能穩(wěn)定。
[0010] 深海環(huán)境模擬系統(tǒng)包括壓力控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和高壓反應(yīng)釜，高壓反應(yīng)釜設(shè)置 在溫控系統(tǒng)內(nèi)并與壓力控制系統(tǒng)連接，壓力控制系統(tǒng)控制并監(jiān)測(cè)高壓反應(yīng)釜內(nèi)的氣體壓 力，溫控系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)高壓反應(yīng)釜的溫度。
[0011] 壓力控制系統(tǒng)包括氣瓶、增壓設(shè)備和壓力傳感器，氣瓶依次通過壓力傳感器、增壓 設(shè)備后與高壓反應(yīng)釜內(nèi)連通。壓力控制系統(tǒng)控制并監(jiān)測(cè)高壓反應(yīng)釜內(nèi)的氣體壓力。
[0012] 溫控系統(tǒng)包括夾套和水浴槽，夾套設(shè)有內(nèi)外兩層，水浴槽設(shè)置在內(nèi)外兩層夾套之 間，水浴槽外接恒溫循環(huán)裝置，高壓反應(yīng)釜設(shè)置在內(nèi)層的夾套內(nèi)。溫控系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié) 高壓反應(yīng)釜的溫度，溫度控制精確(誤差〈〇. rc)、穩(wěn)定；
[0013] 高壓反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有溫度探針I(yè)和溫度探針I(yè)I，溫度探針I(yè)、溫度探針I(yè)I分別設(shè)置 在高壓反應(yīng)釜的上下兩端，溫度探針I(yè)、溫度探針I(yè)I分別與參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)連接。高 壓反應(yīng)釜：整體為快開結(jié)構(gòu)，容積50L，承受壓力20MPa，釜體外部配有水浴夾套，可準(zhǔn)確控 制釜內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度。釜內(nèi)主要裝有沉積物樣品、海水(或人工海水)、溫度探針(布設(shè)：上覆水中 1個(gè)，沉積物中5個(gè))，可在其內(nèi)進(jìn)行水合物生成和分解實(shí)驗(yàn)，具有耐高壓、密閉性強(qiáng)、安全可 靠的特點(diǎn)。
[0014] 液壓系統(tǒng)設(shè)置在高壓反應(yīng)釜頂端的蓋體上，液壓系統(tǒng)包括四通截止閥、換向閥、壓 力變送器和手動(dòng)液體泵，換向閥分別與四通截止閥、手動(dòng)液體泵連接，四通截止閥分別連接 設(shè)置在高壓反應(yīng)釜內(nèi)不同高度的四個(gè)固態(tài)過濾器。液壓系統(tǒng)即高壓低溫反應(yīng)釜內(nèi)多層沉積 物孔隙水抽取裝置，作為整個(gè)系統(tǒng)的樣品分離與管理子系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)研制的關(guān)鍵核心 技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部孔隙水及上覆水的取樣和管路循環(huán)沖洗。由于取樣、測(cè)試 過程均在高壓低溫反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，拉曼光譜探針、各管路控制組件、液體驅(qū)動(dòng)泵都要以穿壁 件的形式安裝于反應(yīng)釜蓋上，本系統(tǒng)使用的閥門組件均系自主設(shè)計(jì)定制，具有控制精準(zhǔn)、集 成化、體積小的特點(diǎn)。
[0015] 參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)軟件組成。實(shí)驗(yàn)過程中 所有參數(shù)(包括溫度、壓力、光譜分析等數(shù)據(jù)）均可實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。
[0016] 本項(xiàng)發(fā)明在實(shí)際工作中，可根據(jù)需要進(jìn)行深海沉積物中水合物合成、分解過程 的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并對(duì)相關(guān)的具拉曼活性的重要地球化學(xué)參數(shù)(如CH 4、H2S/HS_及S0廣等）進(jìn) 行原位、實(shí)時(shí)的定量分析，內(nèi)標(biāo)物選擇較穩(wěn)定的水在-16404(?^附近的0-H振動(dòng)譜峰 (1500-1800 Λ cm1)。與傳統(tǒng)的分析方法相比，使用拉曼光譜原位分析的優(yōu)點(diǎn)在于：1、消除了 取樣和非原位測(cè)定產(chǎn)生的不確定性；2、簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、高效；3、可安全地獲取高壓模擬艙內(nèi)的 高保真信息。此外，本裝置還可用于水合物開采方法的實(shí)驗(yàn)室模擬及其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為液壓系統(tǒng)的樣品采集與分析工作原理圖；
[0019] 圖3為液壓系統(tǒng)的管路循環(huán)沖洗工作原理圖。
[0020] 圖中：I -激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)；II -深海環(huán)境模擬系統(tǒng)；III-液壓系統(tǒng)；IV-參 數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)；
[0021] 1-光纖；2-激光拉曼光譜儀；3-固態(tài)過濾器；4-數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；5-溫度探 針I(yè) ;6_四通截止閥；7-溫度探針I(yè)I ;8_換向閥；9-壓力變送器；10-光學(xué)探頭；11-手動(dòng) 流體泵；12-探測(cè)倉(cāng)；13-低溫恒溫槽；14-夾套；15-高壓反應(yīng)釜；16-氣瓶；17-增壓設(shè)備； 18-壓力傳感器；19-水浴槽。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，包 括激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)、深海環(huán)境模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)，深海環(huán) 境模擬系統(tǒng)分別與激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)電氣連接，液壓系統(tǒng)設(shè) 置在深海環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)。
[0023] 深海環(huán)境模擬系統(tǒng)II包括壓力控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和高壓反應(yīng)釜15,高壓反應(yīng)釜 15設(shè)置在溫控系統(tǒng)內(nèi)并與壓力控制系統(tǒng)連接，壓力控制系統(tǒng)控制并監(jiān)測(cè)高壓反應(yīng)釜15內(nèi) 的氣體壓力，溫控系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)高壓反應(yīng)釜15的溫度。
[0024] 壓力控制系統(tǒng)包括氣瓶16、增壓設(shè)備17和壓力傳感器18,氣瓶16依次通過壓力 傳感器18、增壓設(shè)備17后與高壓反應(yīng)釜15內(nèi)連通。
[0025] 高壓反應(yīng)釜15內(nèi)設(shè)有溫度探針I(yè) 5和溫度探針I(yè)I 7,溫度探針I(yè) 5、溫度探針I(yè)I 7 分別設(shè)置在高壓反應(yīng)釜15的上下兩端，溫度探針I(yè) 5、溫度探針I(yè)I 7分別與參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處 理系統(tǒng)IV連接。
[0026] 溫控系統(tǒng)包括夾套14和水浴槽19,夾套14設(shè)有內(nèi)外兩層，水浴槽19設(shè)置在內(nèi)外 兩層夾套14之間，水浴槽19外接恒溫循環(huán)裝置13,高壓反應(yīng)釜15設(shè)置在內(nèi)層的夾套14 內(nèi)。
[0027] 液壓系統(tǒng)III設(shè)置在高壓反應(yīng)釜15頂端的蓋體上，液壓系統(tǒng)III包括四通截止閥6、 換向閥8、壓力變送器9和手動(dòng)液體泵11，換向閥8分別與四通截止閥6、手動(dòng)液體泵11連 接，四通截止閥6分別連接設(shè)置在高壓反應(yīng)釜15內(nèi)不同高度的四個(gè)固態(tài)過濾器3。
[0028] 拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)包括激光拉曼光譜儀2、光纖1、光學(xué)探頭10和探測(cè)倉(cāng)12,激光 拉曼光譜儀2通過光纖1連接光學(xué)探頭10,光學(xué)探頭10與探測(cè)倉(cāng)12連接，光學(xué)探頭10設(shè) 置在高壓反應(yīng)釜15頂端的蓋體上，探測(cè)倉(cāng)12設(shè)置在高壓反應(yīng)釜15內(nèi)。
[0029] 參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)IV采用計(jì)算機(jī)4。
[0030] 其具體使用步驟為：
[0031] (1)把沉積物放入高壓反應(yīng)釜15內(nèi)，并將固態(tài)過濾器3固定放置于目標(biāo)探測(cè)層位， 注入適量的人工海水(或海水）排出反應(yīng)釜內(nèi)的空氣；
[0032] (2)安裝各探測(cè)裝置；
[0033] (3)將整個(gè)系統(tǒng)密閉，加入一定壓強(qiáng)的甲烷氣體，放置約24小時(shí)使氣體溶入水中；
[0034] (4)啟動(dòng)溫控系統(tǒng)到合適的溫度并保持恒定，使水合物生成；
[0035] (5)將換向閥轉(zhuǎn)至"工作"位，分別調(diào)節(jié)四通截止閥至"A"、"B"、"C"、"D"工位對(duì)應(yīng) 如圖1中的采樣位置，操作手動(dòng)液壓泵提取孔隙水樣品至探測(cè)倉(cāng)，如圖2所示；
[0036] (6)使用激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，獲取相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理；
[0037] (7)探測(cè)完目標(biāo)層位更換研究對(duì)象前，將換向閥轉(zhuǎn)動(dòng)至"反沖"工位，操作手動(dòng)流體 泵，泵取上覆水對(duì)管路進(jìn)行沖洗，如圖3所示。重復(fù)上述流程（5 )、（ 6 )即可對(duì)其他層位進(jìn)行 取樣測(cè)試。
【權(quán)利要求】
1. 一種深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括激光 拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)（I )、深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)、液壓系統(tǒng)(III)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng) (IV)，深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)分別與激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)（I )、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng) (IV)電氣連接，液壓系統(tǒng)(III)設(shè)置在深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（II)包括壓力控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和高壓反應(yīng)釜（15)，高壓反應(yīng) 釜（15)設(shè)置在溫控系統(tǒng)內(nèi)并與壓力控制系統(tǒng)連接，壓力控制系統(tǒng)控制并監(jiān)測(cè)高壓反應(yīng)釜 (15)內(nèi)的氣體壓力，溫控系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)高壓反應(yīng)釜（15)的溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，壓力控制系統(tǒng)包括氣瓶（16)、增壓設(shè)備（17)和壓力傳感器（18)，氣瓶（16)依次通 過壓力傳感器（18)、增壓設(shè)備（17)后與高壓反應(yīng)釜（15)內(nèi)連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，高壓反應(yīng)釜（15)內(nèi)設(shè)有溫度探針I(yè) (5)和溫度探針I(yè)I (7)，溫度探針I(yè) (5)、溫度探 針I(yè)I (7)分別設(shè)置在高壓反應(yīng)釜（15)的上下兩端，溫度探針I(yè) (5)、溫度探針I(yè)I (7)分別與 參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)(IV)連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，溫控系統(tǒng)包括夾套（14)和水浴槽（19)，夾套（14)設(shè)有內(nèi)外兩層，水浴槽（19)設(shè)置 在內(nèi)外兩層夾套（14)之間，水浴槽（19)外接恒溫循環(huán)裝置（13)，高壓反應(yīng)釜（15)設(shè)置在內(nèi) 層的夾套（14)內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，液壓系統(tǒng)(III)設(shè)置在高壓反應(yīng)釜（15)頂端的蓋體上，液壓系統(tǒng)(III)包括四通截止 閥（6)、換向閥（8)、壓力變送器（9)和手動(dòng)液體泵（11)，換向閥（8)分別與四通截止閥（6)、 手動(dòng)液體泵（11)連接，四通截止閥（6)分別連接設(shè)置在高壓反應(yīng)釜（15)內(nèi)不同高度的四個(gè) 固態(tài)過濾器（3)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其 特征在于，拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)包括激光拉曼光譜儀（2)、光纖（1)、光學(xué)探頭（10)和探測(cè)倉(cāng) (12)，激光拉曼光譜儀（2)通過光纖（1)連接光學(xué)探頭（10)，光學(xué)探頭（10)與探測(cè)倉(cāng)（12) 連接，光學(xué)探頭（10)設(shè)置在高壓反應(yīng)釜（15)頂端的蓋體上，探測(cè)倉(cāng)（12)設(shè)置在高壓反應(yīng)釜 (15)內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海沉積物中水合物地球化學(xué)參數(shù)原位探測(cè)模擬系統(tǒng)，其特 征在于，參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理系統(tǒng)(IV)采用計(jì)算機(jī)（4 )。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK104215622SQ201310219999
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月5日
【發(fā)明者】劉昌嶺, 張?chǎng)? 程軍, 田陟賢, 孟慶國(guó) 申請(qǐng)人:青島海洋地質(zhì)研究所