含水合物沉积物速度剖面结构特性研究的实验装置

摘要

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种含水合物沉积物速度剖面的实验装置。本发明的含水合物沉积物速度剖面结构特性研究的实验装置，包括压力控制系统、制冷系统、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，高压反应釜设置在制冷系统中，探测系统设置在高压反应釜内并与计算机采集系统连接。本工作将弯曲元技术和时域反射技术（TDR）进行拓展，一方面发展了含水合物沉积物纵横波速度剖面结构的探测技术，另一方面利用TDR技术探测了含水合物沉积物不同层位的含水量和水合物饱和度在此基础上将两者结合，可准确获取水合物生成/分解过程中含水合物沉积物的速度剖面结构和其对应层位的水合物饱和度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种含水合物沉积物速度剖面的实验 装置。

背景技术

天然气水合物与孔隙流体相比，具有较高的弹性模量，因此，含水合物沉积 层在地震和声波测井剖面上表现为高速度异常。水合物的生成和分解是如何影 响沉积层速度变化的？沉积物的分层速度与水合物的含量和分布之间有怎样的 联系？是地球物理探测技术在水合物勘探和资源评价中应用的基础。层速度 （interval velocity）指层状地层中地震波传播的速度，一般由地震勘探或声 波测井获得，多采集的是纵波层速度，没有与之对应的水合物含量和分布的数 据。如何在实验室内通过模拟实验获取水合物生成/分解过程中含水合物沉积层 的纵横波层速度特征和与之对应的水合物饱和度数据，主要取决于实验装置的 设计和制造。

目前，国内外关于含水合物沉积物声学特性的实验研究大多集中于一维模 型中单一层内水合物含量和声速的研究，如英国南安普顿大学的共振柱装置和 青岛海洋地质研究所的地球物理模拟实验装置，可以获取一维的水合物饱和度 与纵横波速度关系的实验数据，取得了很好的效果。但由于水合物在沉积物中 形成具有随机分布特征，单一层位研究的叠加难以阐明水合物对沉积物速度剖 面结构的影响。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种含水合物沉积物速度剖面 结构特性研究的实验装置，其可准确获取水合物生成/分解过程中含水合物沉积 物的速度剖面结构和其对应层位的水合物饱和度。

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、制冷 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，高压反应釜设置在制冷系统中，探测系统设置在高压反应釜内并与计算 机采集系统连接。

压力控制系统包括气瓶，气瓶通过增压设备、阀门与高压反应釜连通，主 要控制和监测高压反应釜内的气体压力。

高压反应釜包括釜体，釜体内主要装有沉积物样品，可在其中进行水合物 生成和分解实验并探测实验过程中各参数。

探测系统包括弯曲元换能器、时域反射探针、压力传感器，弯曲元换能器、 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，压力传感器的一端 与釜体连通，另一端与计算机采集系统连接。时域反射探针设置四对，每对时 域反射探针设置在釜体不同的高度；每对时域反射探针对应一个弯曲元换能器。 采用切换发射方式进行弯曲元探测一发多收的采集，获取每一层位的层速度。 与每对弯曲元换能器对应，布置了四对双棒型时域反射探针，每对时域反射探 针探测每层的水合物饱和度，时域反射探测由Campbell公司的TDR100仪完成。

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。在样品 内部的四个层位中共安装了8支温度传感器（Pt100探针），监测温度。

制冷系统包括水浴箱、制冷装置，水浴箱与制冷装置连通，釜体设置在水 浴箱内，用于控制高压反应釜的温度。

其中高压反应釜是最核心的部件，在其内自上而下四个层位上布置了新型 弯曲元换能器、时域反射探针和温度探针，经过特别的设计与加工，使各参数 可同时进行测量。

本工作将弯曲元技术和时域反射技术（TDR）进行拓展，一方面发展了含水 合物沉积物纵横波速度剖面结构的探测技术，另一方面利用TDR技术探测了含 水合物沉积物不同层位的含水量和水合物饱和度，在此基础上将两者结合，可 准确获取水合物生成/分解过程中含水合物沉积物的速度剖面结构和其对应层 位的水合物饱和度。不仅具有重要的学术意义，更具有为我国天然气水合物勘 探和资源评价服务的实际意义。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图中：1.气瓶；2.阀门；3.增压设备；4.压力传感器；5.数字采集卡；6. 计算机采集系统；7.制冷装置；8.水浴箱；9.温度传感器；10.时域反射探针； 11.弯曲元换能器；12.釜体。

具体实施方式

如图1所示，本发明的含水合物沉积物速度剖面结构研究的实验装置包括 压力控制系统、制冷系统、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，高压反应釜设置在制冷系统中，探测系统设置在高 压反应釜内并与计算机采集系统连接。

压力控制系统包括气瓶1，气瓶1通过增压设备3、阀门2与高压反应釜连 通。高压反应釜包括釜体12。探测系统包括弯曲元换能器11、时域反射探针10、 压力传感器4，弯曲元换能器11、时域反射探针10分别通过数字采集卡5与计 算机采集系统6连接，压力传感器4的一端与釜体12连通，另一端与计算机采 集系统6连接。时域反射探针10设置四对，每对时域反射探针10设置在釜体 不同的高度；每对时域反射探针10对应一个弯曲元换能器12。探测系统还包括 温度传感器9，温度传感器9与计算机采集系统6连接。制冷系统包括水浴箱8、 制冷装置7，水浴箱8与制冷装置7连通，釜体12设置在水浴箱8内。

高压反应釜壁与弯曲元换能器12、时域反射探针10之间经过特别的设计， 使两种探测装置与釜壁之间绝缘、高压密封。沉积物放入釜内与弯曲元换能器 12紧密接触，方便获取纵横波首波；双棒型时域反射探针10与每对弯曲元换能 器12的中心处于同一水平面，每对TDR探针可分别探测每一层位的含水量和水 合物饱和度。为了避免弯曲元换能器12之间的干扰，采用切换采集的方式以一 定的时间间隔（如10秒）分别采集每个层位的声波；同理，时域反射探针10 也采用切换采集的方式进行。高压反应釜的上盖连接气体管道，通过三通连接 压力传感器4，实时监测釜内压力变化情况。高压反应釜的下盖固定着八支温度 传感器9（Pt100温度探针），监测沉积物内部每个层位的温度变化情况。声波 信号、TDR探测信号经数字采集卡5直接进入计算机采集系统6进行数据处理。 把盛沉积物样品的反应釜放入水浴箱8中，冷却液为乙醇溶液，采用风冷系统 制冷。本发明装置实现了声学剖面结构与分层水合物饱和度两种先进技术的同 时探测，大大拓展了声学技术在水合物地球物理勘探和资源评价的应用。

当使用时，其具体步骤为：（1）把沉积物放入高压反应釜内。（2）安装好各 种探测装置。（3）整个系统抽真空后，加入一定压力的气体，放置约24小时使 气体溶入水中。（4）启动降温系统，使水合物生成。（5）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可同时进行声学探测、 时域反射(TDR)探测和温度、压力探测，也可分别选择其中一种技术进行探测。