海底气体运移与水合物形成的声学响应特征模拟实验装置

摘要

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种声学响应特征模拟实验装置。本发明的海底气体运移与水合物形成的声学响应特征模拟实验装置，其特征在于，包括压力控制系统、温控系统、探测系统、高压反应釜、计算机采集系统，压力控制系统与高压反应釜连通，高压反应釜设置在温控系统中，探测系统设置在高压反应釜内并与计算机采集系统连接。本技术同时结合弯曲元探测技术和时域反射技术（TDR），可实时监测气体运移和水合物形成过程中声学参数和水合物饱和度的变化情况。得出的实验结果更贴近于海底环境，可实现不同气体通量水合物形成的声学响应特征研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种声学响应特征模拟实验装置。

背景技术

目前，根据实验装置的不同，水合物在沉积物中至少能以四种方式形成， 即将天然气通入以下几种沉积物：（1）含部分饱和水沉积物；（2）含饱和水沉 积物；（3）含冰粒沉积物；（4）以溶解气的方式在沉积物中形成水合物。这四 种方式形成的水合物在一定程度上都模拟了水合物的自然生长过程，但又有所 区别。例如，对于前三种方式而言，大多是气体在上部，沉积物体系在下部， 并不能真实反映气体以一定的流量从海底向上运移的过程。而且，不一样的水 合物形成方式形成的水合物对沉积物的声学响应特征具有不同影响，充足的甲 烷气通入粗粒的饱水沉积物形成的水合物可能胶结沉积物颗粒，从而对沉积介 质的声学特性影响较大；溶解气形成的水合物则可能悬浮在沉积物孔隙流体中， 对沉积物声学特性的影响则较小。如何实现气体从下向上以一定通量运移，并 测量水合物形成过程中纵横波速度和水合物饱和度参数，关键在于实验装置的 设计与制造。

目前国内外实验室大多研究上述四种生成方式下水合物对沉积物的声学响 应特征，如美国地质调查局的天然气水合物和沉积物实验室装置GHASTLI(Gas  Hydrate And Sediment Test Laboratory Instrument)，研究了前两种方式形 成水合物的声学响应特征；英国南安普顿大学的共振柱装置，研究了后三种方 式形成水合物的声学响应。但由于水合物储层的复杂性，不同的气体供应方式 可能对实验结果产生偏差。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种海底气体运移与水合物形成 的声学响应特征模拟实验装置，其可实现不同气体通量水合物形成的声学响应特 征研究。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括压力控制系统、温控 系统、探测系统、高压反应釜、计算机采集系统，压力控制系统与高压反应釜 连通，高压反应釜设置在温控系统中，探测系统设置在高压反应釜内并与计算 机采集系统连接。

高压釜包括釜体，釜体内设有上气室和下气室，上气室和下气室之间为样 品室，样品室与上气室和下气室之间分别设有微孔烧结板。微孔烧结板工作是 利用特制的微孔陶瓷板和压力控制系统结合，可以在装置中以一定通量的气体 从下部运移至上部，气体在运移过程中生成水合物，未生成水合物的气体被释 放；本技术同时结合弯曲元探测技术和时域反射技术（TDR），可实时监测气体 运移和水合物形成过程中声学参数和水合物饱和度的变化情况。得出的实验结 果更贴近于海底环境，可实现不同气体通量水合物形成的声学响应特征研究。 不仅具有重要的学术意义，更具有为我国天然气水合物勘查服务的实际意义。 微孔烧结板具有透气不透水的功能，可保持样品水分，同时使气体能进入样品 室。

压力控制系统包括气瓶，气瓶通过TESCOM减压控制器与下气室连通；TESCOM 减压控制器通过TESCOM背压控制器Ⅱ与TESCOM背压控制器Ⅰ连通，TESCOM背 压控制器Ⅰ的一侧与上气室连通，另一侧与外界连通。

温控系统采用温控箱，釜体设置在温控箱内。反应釜放置在温控箱内，温 控箱与一循环水制冷系统连接，由水冷和风冷结合控温，提高温控的稳定性。

探测系统包括声学换能器、时域反射探针、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ， 声学换能器、时域反射探针分别通过数字采集卡与计算机采集系统连接，压力 传感器Ⅰ与下气室连通、压力传感器Ⅱ与上气室连通，压力传感器Ⅰ、压力传 感器Ⅱ分别连接计算机采集系统。探测系统由声学探测技术（可选择弯曲元技 术或传统超声技术）与TDR技术组成，可同时进行声学探测和时域反射(TDR)探 测。其中声学探测包括纵、横波一体化的发、收换能器一对，采用加拿大GaGe 公司的高速数据采集卡，提高超声探测灵敏度。TDR探测采用Campbell公司的 TDR100仪确定沉积物中天然气水合物的饱和度。探测系统还包括温度传感器， 温度传感器与计算机采集系统连接，即在样品探测区表层和内部各安装Pt100 热偶一支，监测温度。

其中压力控制单元和高压反应釜是最核心的部件。压力控制单元经过特别 的设计，可使上、下气室间压差保持恒定，同时可以高精度流量向下气室供应 气体，更真实地模拟海底气体向上运移的条件。高压反应釜内两块微孔烧结板 为特制加工而成，可保证气体通入样品室内，同时保持样品内水分不被气体带 走。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图中：1.气瓶；2.温控箱；3.样品室；4.下气室；5.压力传感器Ⅰ；6.计算 机采集系统；7.数字采集卡；8.声学换能器；9.釜体；10.微孔烧结板；11.上 气室；12.压力传感器Ⅱ；13.TESCOM背压控制器Ⅰ；14.时域反射探针；15.TESCOM 背压控制器Ⅱ；16.TESCOM减压控制器；17.温度传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的海底气体运移与水合物形成的声学响应特征模拟实验 装置包括压力控制系统、温控系统、探测系统、高压反应釜、计算机采集系统， 压力控制系统与高压反应釜连通，高压反应釜设置在温控系统中，探测系统设 置在高压反应釜内并与计算机采集系统连接。

高压釜包括釜体9，釜体9内设有上气室11和下气室4，上气室11和下气 室4之间为样品室3，样品室3与上气室11和下气室4之间分别设有微孔烧结 板10。压力控制系统包括气瓶1，气瓶1通过TESCOM减压控制器16与下气室4 连通；TESCOM减压控制器16通过TESCOM背压控制器Ⅱ15与TESCOM背压控制 器Ⅰ13连通，TESCOM背压控制器Ⅰ13的一侧与上气室11连通，另一侧与外界 连通。温控系统采用温控箱2，釜体9设置在温控箱2内。探测系统包括声学换 能器8、时域反射探针14、压力传感器Ⅰ5、压力传感器Ⅱ12，声学换能器8、 时域反射探针14分别通过数字采集卡7与计算机采集系统6连接，压力传感器 Ⅰ5与下气室4连通、压力传感器Ⅱ12与上气室11连通，压力传感器Ⅰ5、压 力传感器Ⅱ12分别连接计算机采集系统6。探测系统还包括温度传感器17，温 度传感器17与计算机采集系统6连接。

下进气方式的实现：系统中用了三套TESCOM控制器，其中，下气室4压力 采用了TESCOM减压控制器16来实现，上气室11压力采用TESCOM背压控制器 I13来控制。不论是减压控制器或是背压控制器，其控制精度均可达到全量程 的0.1%，亦即0.03MPa。为了进一步提高控制精度，在减压控制器下游的进气 管上，分出一支气路，通过一个TESCOM背压控制器Ⅱ15与出气管相连，连接口 位于TESCOM减压控制器16的前端。气体进入下气室4后，通过微孔烧结板10 微孔向上运移至沉积物中，以形成水合物，未形成水合物的气体进一步向上运 移，被排出反应釜。上、下两块微孔烧结板10既能使气体通过，又防止了水分 流失。

高压反应釜放置在温控箱2内，通入高压气体后，水合物的生成和分解由温 度控制。高压反应釜的探测区域在样品室3的中间部位，声学换能器8和时域 反射探针14为横向布置，可对同一层位的声学参数和水合物饱和度同时进行探 测。两温度传感器17分别探测区域表层和内部的温度。声学探测技术可以选用 弯曲元纵横波一体化换能器，用于测量松散沉积物样品声学参数，也可选用传 统平板型换能器，测量固结沉积物的纵横波声学特性。声学信号与TDR探测信 号经数字采集卡7直接进入计算机采集系统6内进行数据处理。

本发明装置实现了下进气这种更为接近海底供气方式形成水合物，并能在实 验过程中同时获取声学参数与水合物饱和度，更为有效地研究水合物形成机理 及其声学响应特征。

当使用时，其具体步骤为：（1）安装好各种探测装置。（2）安装下微孔烧结 板10，把沉积物放入反应釜，加水使沉积物刚好饱和，安装上微孔烧结板10， 盖好反应釜。（3）整个系统抽真空后，加入一定压力的气体使上、下气室达到 设定压力，静置约24小时，待气体溶解在水中。（4）打开TESCOM减压控制器 16，关闭TESCOM背压控制器Ⅱ15，以一定流量向下气室继续供气。（5）启动降 温系统，使水合物生成。（6）探测、记录各种参数。

本实验装置操作方便、安全。在实际工作中根据需要进行下进气供应方式 的水合物生成实验，也可进行上文提及的其它四种方式的水合物生成实验，并 在实验过程中同时进行声学参数和水合物饱和度的探测。