一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置，包括鉆探平臺上依次排列的巖心管庫、機械手裝置、鉆桿庫，安裝在鉆進口兩端的X射線接收端和X射線發(fā)射端，連接鉆進口且安裝在鉆進口和鉆探平臺以下的鉆探管，以及安裝于鉆探平臺上的控制系統(tǒng)和鉆桿給進缸；其X射線發(fā)射端包括X射線掃描機，探測窗與抗壓密封艙；探測窗安裝在抗壓密封艙上；X射線接收端包括X射線接收機，探測窗與抗壓密封艙；X射線掃描機、X射線接收機置于抗壓密封艙內。本實用新型能在深海中對巖心進行非接觸式的現場實時分析鑒別，有效的減少了制作成本與廢心率，且該分析裝置的效率較高，可在深海中重復使用，可有效的減少了深海探測成本，能產生較好的經濟效益。
【專利說明】一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及深海探測、能源勘探與信號分析領域，尤其涉及一種天然氣水合物探測樣品的現場測量分析裝置。

【背景技術】
[0002]天然氣水合物又稱為“可燃冰”，其存儲量極為巨大、能量密度高、分布廣且規(guī)模大。根據調查，海底可燃冰分布的范圍約4000萬平方公里，占海洋總面積的10%，海底可燃冰的儲量夠人類使用1000年，因而被科學家譽為“未來能源”、“21世紀能源”，全球至少有30多個國家和地區(qū)在進行可燃冰的研究與調查勘探，我國從1999年起才開始對可燃冰開展實質性的調查和研究，我國可燃冰主要分布在南海海域、東海海域、青藏高原凍土帶以及東北凍土帶，據粗略估算，其資源量分別約為64.97xl0~12m\3.38xl0~ 12m3、12.5xl0~12m3和2.8xl0~12m3。并且已在南海北部和青海省祁連山永久凍土帶取得了可燃冰實物樣品。然而，天然氣水合物從發(fā)現至今雖然已有一百多年歷史，但由于天然水合物分布在永凍帶和深水區(qū)域，復雜的探測和開發(fā)條件給這種資源的探測、開發(fā)和評價帶來巨大困難。
[0003]對于天然氣水何物樣品分析的研究，目前所采取的手段是先經過深海探測，即將巖心樣本采集后通過保壓裝置儲存后運送至海面的探測船進行分析。由于不同地點天然水合物分布面積大小的不同，儲層厚度、孔隙度、水合指數和天然水合物飽和度的影響，造成所采集的巖心為“廢心”的概率不同，若采集的巖心不符合要求，則必須重新采樣，因而會造成采樣成本過高。另外，由于天然氣水合物分布于深海沉積物或陸域永久凍土中，是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質，所以導致了在開采探測過程中，極為容易由于取樣后巖心所處的環(huán)境的變化等原因，恢復過程中會產生壓縮氣體，因此，對天然水合物巖心的測量造成了極大的阻礙。
[0004]為此，我們提出將樣品分析裝置集成于鉆探系統(tǒng)上的解決方案，即天然氣水合物樣品現場保真分析測量系統(tǒng)主要以海底取芯鉆為基礎。該系統(tǒng)與“海底鉆探系統(tǒng)”結合，對取芯裝置所取的水合物進行現場保真分析，鑒別巖心是否為天然氣水合物，并對樣本進行實時參數提取，從而既提高采樣成功率和物質參數測量的準確性與有效性，同時也降低了成本，擴大了應用市場。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置，其可對天然氣水合物樣品做現場非接觸式實時分析，結構簡單，且準確率高，成本較低，且可重復使用。
[0006]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置，該系統(tǒng)包括:鉆探平臺上依次排列的巖心管庫、機械手裝置和鉆桿庫，安裝在鉆進口兩端的X射線接收端和X射線發(fā)射端，與鉆進口相連的鉆探管，以及安裝于鉆探平臺上的控制系統(tǒng)和鉆桿給進缸；
[0008]其中，所述的X射線發(fā)射端包括:X射線掃描機，第一探測窗與第一抗壓密封艙；所述X射線掃描機置于第一抗壓密封艙內；所述第一探測窗安裝在第一抗壓密封艙上；所述的X射線接收端包括:χ射線接收機，第二探測窗與第二抗壓密封艙；第二探測窗安裝在第二抗壓密封艙上；所述X射線接收機置于第二抗壓密封艙內；第一抗壓密封艙和第二抗壓密封艙位于鉆進口兩端。
[0009]所述X射線掃描機及X射線接收端分別與控制系統(tǒng)相連。
[0010]進一步優(yōu)化的,鉆桿給進缸安裝在鉆探平臺上方,鉆進口高于鉆探平臺I?3cm,鉆探管連接鉆進口且垂直安裝在鉆探平臺下方，鉆桿給進缸為鉆探管的鉆進提供動力，驅動鉆探管，巖心管庫中的巖心管可由機械手裝置的機械手抓取并提出，巖心管高出鉆進口的部分不被鉆探管包裹。
[0011]進一步優(yōu)化的，機械手裝置提取巖心管時巖心管高出鉆進口部分位于第一探測窗和第二探測窗之間。
[0012]進一步優(yōu)化的，X射線掃描機包括X射線發(fā)射源、前準直器、高壓發(fā)生器、冷卻器；X射線接收機包括X射線檢測器、后準直器、檢測回路、數模轉換器；其中，所述控制系統(tǒng)包括主控計算機、操作控制臺、監(jiān)視器和數據存儲器。
[0013]進一步優(yōu)化的，所述前準直器安裝在X射線發(fā)射源前端，后準直器安裝在X射線檢測器前端。
[0014]進一步優(yōu)化的，X射線發(fā)射源焦點直徑尺寸a與前準直器共同確定了本影區(qū)域；X射線發(fā)射源總是部分地被前準直器擋住；檢測器處于所述本影區(qū)域內，同時，巖心管的巖心放置于本影區(qū)域內；本影區(qū)域半徑、本影區(qū)域與射線源焦點尺寸、前準直器窗口寬度、前后準直器距離的約束關系式如下:
CiL^ I Jr , Cf
I JL-y^ I
^r L,-a 32RL^,
[0015]K= iT+[——=-----
λ , L.’ — Q、、 L — ?
i cos(arc -)) 2
I2L3
[0016]其中，a為X射線發(fā)射源焦點半徑尺寸，L為前后準直器距離，L2S前準直器窗口寬度，L3為X射線發(fā)射源至前準直器的距離，X射線發(fā)射源至本影區(qū)聚焦點的距離，d為檢測器的寬度尺寸，K為本影區(qū)半徑，R為巖心管內徑，S為前準直器至巖心管圓心的距離。
[0017]與現有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術效果:由上述實用新型所提供的技術方案可以看出，當巖心管由取芯機械手從鉆進口提取出來時，由控制系統(tǒng)啟動抗壓密封艙內的X射線發(fā)射端發(fā)射X射線。射線經過探測窗投射到巖心管上，最終由X射線接收端采集，對采集的數據采用現有軟件進行圖像重建，得出巖心管內部結構的CT圖像，供工作人員鑒別分析巖心管內巖心物質情況。
[0018]本實用新型結構簡單，布置合理緊湊，能對巖心管內的巖心樣本(天然氣水合物)做非接觸式的現場實時分析，有效的減少了制作成本與廢心率，且該分析裝置的效率較高，可在深海中重復使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型提供的一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置的平面分布示意圖。
[0020]圖2為本實用新型提供的一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置的示意圖。
[0021]圖3是對圖1所示系統(tǒng)中X射線機與控制系統(tǒng)分布的立體示意圖。
[0022]圖4為圖2所示系統(tǒng)X射線源、X射線接收端的內部系統(tǒng)的示意圖。
[0023]圖5是對圖2所示系統(tǒng)X射線源、X射線接收端、準直器、探測窗與巖心管的位置分布示意圖。
[0024]圖6a、圖6b是對該系統(tǒng)根據CT圖像分析天然氣水合物樣品的直方圖統(tǒng)計與分析示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦偷膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型的保護范圍。以下若有未特別說明的部件或方法，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。
[0026]實施例
[0027]請參閱圖1，本實用新型實施例提供的一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置包括:鉆探平臺108上依次排列的巖心管庫101、機械手102、鉆桿庫103、安裝在鉆進口 106兩端的X射線接收端104和X射線發(fā)射端105，以及安裝于鉆探平臺108的控制系統(tǒng)109和鉆桿給進缸107 ;鉆進口 106連接鉆探管207，鉆探管207位于探測平臺108以下且鉆進海底面(海床面)501，探測平臺108位于海底面501之上。
[0028]如圖2、圖3，所述的X射線發(fā)射端105包括-X射線掃描機204，第一探測窗205與第一抗壓密封艙206 ;所述的X射線接收端104包括:X射線接收機208，第二探測窗與第二抗壓密封艙；X射線發(fā)射機204置于第一抗壓密封艙206內；X射線接收機208置于第二抗壓密封艙內；兩個探測窗均分別安裝在兩個抗壓密封艙上靠近鉆進口 106的一側，第一探測窗205安裝在第一密封艙206上，第二探測窗安裝在第二密封艙上。
[0029]所述的X射線發(fā)射端105、接收端104位于探測平臺108之上；前述的X射線發(fā)射機204與X射線接收機208連接鉆探平臺108上的控制系統(tǒng)109 ；
[0030]如圖4所示，作為實例，X射線掃描機204和X射線接收機208采用X射線CT機實現，X射線CT機由X射線發(fā)射源302、前準直器301、后準直器303，、檢測器304、數模轉換器212、檢測回路211、高壓發(fā)生器210、冷卻器209構成；其中，前準直器301、X射線發(fā)射源302、冷卻器209、高壓發(fā)生器210屬于X射線掃描機204的構成部分，安裝在第一密封艙206內；后準直器303、檢測器304、檢測回路211、數模轉換器212屬于X射線接收機208的構成部分，安裝在第二密封艙內；
[0031]控制系統(tǒng)109可以采用現有主控計算機213、操作控制臺214、監(jiān)視器215、數據存儲器216。
[0032]X射線CT機的工作的基本流程為:先由海面探測船的鉆探平臺108上的操作控制臺214來啟動主控計算機213與高壓發(fā)生器210，高壓發(fā)生器210產生高壓，驅動X射線發(fā)射源302發(fā)射射線，射線經過前準直器301整形后穿過掃描對象(巖心202)，由探測器304與檢測回路211獲得衰減的射線強度轉換為電信號，經過數模轉換器212傳送到主控計算機213,主控計算機上運行著圖像重建軟件(例如VGStud1 Max或者尼康公司的Inspect1nX軟件)，對數據進行相應的處理重建出圖像，并除去偽像；對圖像進行分析識別，判斷巖心類型與對其進行結構分析并作出預設響應，最終將數據歸類存檔到數據存儲器216中。
[0033]作為一個實例，對天然氣水合物樣品的分析主要測量水合物飽和度參數；首先通過該系統(tǒng)獲得CT圖像，然后對CT圖像進行灰度值統(tǒng)計，由于樣品圖像中的水合物、孔隙灰度值、水、砂的灰度值分布都不一樣，所以，根據預先分析所得的閾值，CT圖像中灰度為閾值以下的區(qū)域則為水合物與孔隙，灰度值為閾值以上的判斷為水和砂石，則可以計算得出水合物在樣品中的飽和度。為了更好地說該系統(tǒng)如何判斷天然氣水合物飽和度測量，以下對甲烷水合物(CH4)進行實例說明，對溫度278K、壓力5.1MPa條件下的甲烷水合物樣品的進行X射線CT掃描獲取了 CT 二維圖像，對該二維圖像進行預處理去偽后，獲得完整的灰度圖像；對該二維圖像進行灰度統(tǒng)計，如圖6a所示，設該灰度直方圖由分別代表四類物質(氣體、水合物、水、砂)的四個高斯直方圖組成，如圖6b所示；該二維圖像代表樣品的某一切面圖，設在該切面，砂石的體積為Vsand,孔隙的體積為Vp_，甲烷水合物體積為Vhyd，孔隙氣體的體積為Vgas’水的體積為VpOTe = VwatOT+Vhyd+Vgas，樣品總體積為V = Vsand+Vpore,以上四類的體積可以通過計算各類物質的直方圖面積來得到；甲烷氣體密度為Pgas(0g/cm3)，甲烷水合物密度為P hyd(0.91g/cm3)，水密度為P wate(0g/cm3)，砂的密度為P sand(2.4g/cm3)，甲烷氣體轉換為甲烷水合物的計算式為:Vg_h = 22400 X VhydX P ，其中，Mtj為甲烷水合物的摩爾質量，因而，飽和度 k 可以計算為:k = (Vg_h+Vhyd) P hyd/[Vwater* P water+Vsand* P sand+(Vg-h+Vhyd)
P hyd]，對多個切面進行計算，得到kl、k2……kn，則可得總的平均飽和度為K = ^k, η，若





/-1 /
K大于等于預設閾值，則達到保存的要求，則對巖心進行保真存儲，若小于預設閾值，則放棄保存。
[0034]前述的X射線CT機的核心部件在于X射線發(fā)射源302與檢測器304的選擇，而準直器(301、303)與X線源是配套的，主要作用是對X射線發(fā)射源302發(fā)出的射線進行整形，并擋住大部分從射線源發(fā)射出的射線。所以，選用密度大、耐輻照的材料，并能保證它的厚度能使射線衰減至1/1000。
[0035]如圖5所示，由于前準直器301、后準直器303的作用，X射線強度分布會不均勻，出現本影半影區(qū)域401。X射線發(fā)射源302焦點直徑尺寸a與前準直器301共同確定了本影區(qū)域403。
[0036]前述的本影區(qū)域403中，X射線束流的強度分布均勻，從X射線源焦點任何位置發(fā)出的X射線都能在本影區(qū)域403見到。
[0037]前述的半影區(qū)域401的X射線束的強度是非均勻的，X射線源焦點總是部分地被前準直器301擋住。在設計與安裝過程中，檢測器304(探測器陣列)處于X射線的本影區(qū)域403內，同時，巖心管的巖心202放置于本影區(qū)域403內，可使獲取到的圖像更加完美，提高了后期數據處理的精確度。
[0038]前述的本影區(qū)域403與半影區(qū)域401示意圖如圖5所示，結合示意圖圖2作較為詳細的實施例說明:X射線由射線源302發(fā)射，經過前準直器301整形后，通過鵬硅酸鹽玻璃透視窗即第一探測窗205投射到巖心管203上，最后X射線穿過巖心202，匯集到檢測器304的探測器陣列。
[0039]所述的前準直器301與后準直器303之間的距離為L，巖心管203內徑為R，K為本影區(qū)域403半徑。
[0040]從前述的X射線強度分布圖402可以看出，只有在本影區(qū)域內403的X射線強度分布才是均勻的，而X射線強度分布是否均勻，對X射線成像的質量起到重要作用，所以，應盡量保證巖心管中的巖心202處于X射線強度分布均勻的區(qū)域，即在本影區(qū)域403中。
[0041]前準直器301與后準直器303的距離L是影響檢測的重要參數，因此，本影區(qū)域與射線源焦點尺寸a、前準直器窗口寬度L2、前后準直器距離L的參數關系極為重要。各參數代表意義如下:a為射線源焦點尺寸，L為前后準直器距離，L2為前準直器窗口寬度，L3為射線源至前準直器的距離，X為射線源至本影區(qū)聚焦點的距離，d為檢測器尺寸，K為本影區(qū)半徑，R為巖心管內徑，S為前準直器至巖心管圓心的距離；則影區(qū)域半徑、本影區(qū)域與射線源焦點尺寸、前準直器窗口寬度、前后準直器距離等之間的約束關系式如下:

of

I r , V

1- j-^2"?
、 L, — ? ~2RL^，
[0042]K= R-+ [——=^^ -1 cos(qrctan(-[.!)) L，；a
I2L3
[0043]進一步的，如圖2所示，【具體實施方式】步驟如下:
[0044](I)啟動天然氣水合物現場保真分析裝置并輸入工作指令參數；
[0045](2)取芯機械手將巖心管從與鉆探管207頂部連接的鉆進口 106中抽取出來；
[0046](3)X射線掃描機發(fā)射X射線，穿透巖心管與內部巖心，生成CT圖像；
[0047](4)對巖心管巖心的CT圖像進行分析鑒別；
[0048](5)對符合條件的巖心進行環(huán)境保真；
[0049](6)裝載存儲巖心管；
[0050](7)回收天然氣水合物現場保真分析裝置。
[0051]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種天然氣水合物樣品現場測量分析裝置，其特征在于包括:鉆探平臺(108)上依次排列的巖心管庫(101 )、機械手裝置(102)和鉆桿庫(103)，安裝在鉆進口( 106)兩端的X射線接收端(104)和X射線發(fā)射端(105)，與鉆進口( 106)相連的鉆探管(207)，以及安裝于鉆探平臺(108)上的鉆桿給進缸(107)； 其中，所述的X射線發(fā)射端(105)包括-X射線掃描機(204),第一探測窗(205)與第一抗壓密封艙(206);所述X射線掃描機(204)置于第一抗壓密封艙(206)內；所述第一探測窗(205)安裝在第一抗壓密封艙(206)上；所述的X射線接收端(104)包括:X射線接收機(208)，第二探測窗與第二抗壓密封艙；第二探測窗安裝在第二抗壓密封艙(206)上；所述X射線接收機(208)置于第二抗壓密封艙內；第一抗壓密封艙和第二抗壓密封艙位于鉆進口(106)兩端。
2.根據權利要求1所述的測量分析裝置，其特征在于，還包括安裝于鉆探平臺(108)上的控制系統(tǒng)(109)，X射線掃描機(204)及X射線接收端(104)分別與控制系統(tǒng)(109)相連；所述控制系統(tǒng)包括現有的主控計算機、監(jiān)視器和數據存儲器。
3.根據權利要求1所述的測量分析裝置，其特征在于，鉆桿給進缸(107)安裝在鉆探平臺(108 )上方，鉆進口( 106 )高于鉆探平臺f 3cm，鉆探管(207 )連接鉆進口( 106 )且垂直安裝在鉆探平臺(108)下方，鉆桿給進缸(107)為鉆探管(207)的鉆進提供動力，驅動鉆探管(207)，巖心管庫(101)中的巖心管(203)可由機械手裝置(102)的機械手(201)抓取并提出，巖心管高出鉆進口( 106)的部分不被鉆探管(207)包裹。
4.根據權利要求1所述的測量分析裝置，其特征在于，機械手裝置(102)提取巖心管(203)時巖心管高出鉆進口(106)部分位于第一探測窗和第二探測窗之間。
5.根據權利要求1所述的測量分析裝置，其特征在于，X射線掃描機(204)包括X射線發(fā)射源(302)、前準直器(301)、高壓發(fā)生器(210)、冷卻器(209); X射線接收機(208)包括X射線檢測器(304 )、后準直器(303 )、檢測回路(211)、數模轉換器(212)。
6.根據權利要求5所述的測量分析裝置，其特征在于，所述前準直器(301)安裝在X射線發(fā)射源(302)前端，后準直器(303)安裝在X射線檢測器(304)前端。
7.根據權利要求6所述的測量分析裝置，其特征在于，X射線發(fā)射源(302)焦點直徑尺寸a與前準直器(301)共同確定了本影區(qū)域(403) ;X射線發(fā)射源總是部分地被前準直器(301)擋?。粰z測器(304)處于所述本影區(qū)域(403)內，同時，巖心管的巖心(202)放置于本影區(qū)域(403)內；本影區(qū)域半徑、本影區(qū)域與射線源焦點尺寸、前準直器窗口寬度、前后準直器距離的約束關系式如下:,十 Α + Λ.j
K=.....................................-........^......^,---1 P￡ ―― ( ^JJiyI cos(t?*c Ian( )) 一4 其中，a為X射線發(fā)射源焦點半徑尺寸，L為前后準直器距離，L2為前準直器窗口寬度，L3為X射線發(fā)射源至前準直器的距離，X射線發(fā)射源至本影區(qū)聚焦點的距離，d為檢測器的寬度尺寸，K為本影區(qū)半徑，R為巖心管內徑，S為前準直器至巖心管圓心的距離。
【文檔編號】G01N23/04GK203965352SQ201420343902
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】劉偉平, 劉飛, 鄭冠雄, 徐旭卿 申請人:暨南大學