專利名稱：海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗裝置，尤其涉及一種聲學響應特征模擬實驗裝置。
背景技術：
目前，根據實驗裝置的不同，水合物在沉 積物中至少能以四種方式形成，即將天然氣通入以下幾種沉積物(I)含部分飽和水沉積物；(2)含飽和水沉積物；(3)含冰粒沉積物；(4)以溶解氣的方式在沉積物中形成水合物。這四種方式形成的水合物在一定程度上都模擬了水合物的自然生長過程，但又有所區別。例如，對于前三種方式而言，大多是氣體在上部，沉積物體系在下部，并不能真實反映氣體以一定的流量從海底向上運移的過程。而且，不一樣的水合物形成方式形成的水合物對沉積物的聲學響應特征具有不同影響，充足的甲烷氣通入粗粒的飽水沉積物形成的水合物可能膠結沉積物顆粒，從而對沉積介質的聲學特性影響較大；溶解氣形成的水合物則可能懸浮在沉積物孔隙流體中，對沉積物聲學特性的影響則較小。如何實現氣體從下向上以一定通量運移，并測量水合物形成過程中縱橫波速度和水合物飽和度參數，關鍵在于實驗裝置的設計與制造。目前國內外實驗室大多研究上述四種生成方式下水合物對沉積物的聲學響應特征，如美國地質調查局的天然氣水合物和沉積物實驗室裝置GHASTLI (Gas Hydrate AndSediment Test Laboratory Instrument),研究了前兩種方式形成水合物的聲學響應特征；英國南安普頓大學的共振柱裝置，研究了后三種方式形成水合物的聲學響應。但由于水合物儲層的復雜性，不同的氣體供應方式可能對實驗結果產生偏差。
實用新型內容本實用新型的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其可實現不同氣體通量水合物形成的聲學響應特征研究。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案其包括壓力控制系統、溫控系統、探測系統、高壓反應釜、計算機采集系統，壓力控制系統與高壓反應釜連通，高壓反應釜設置在溫控系統中，探測系統設置在高壓反應釜內并與計算機采集系統連接。高壓釜包括釜體，釜體內設有上氣室和下氣室，上氣室和下氣室之間為樣品室，樣品室與上氣室和下氣室之間分別設有微孔燒結板。微孔燒結板工作是利用特制的微孔陶瓷板和壓力控制系統結合，可以在裝置中以一定通量的氣體從下部運移至上部，氣體在運移過程中生成水合物，未生成水合物的氣體被釋放；本技術同時結合彎曲元探測技術和時域反射技術(TDR)，可實時監測氣體運移和水合物形成過程中聲學參數和水合物飽和度的變化情況。得出的實驗結果更貼近于海底環境，可實現不同氣體通量水合物形成的聲學響應特征研究。不僅具有重要的學術意義，更具有為我國天然氣水合物勘查服務的實際意義。微孔燒結板具有透氣不透水的功能，可保持樣品水分，同時使氣體能進入樣品室。壓力控制系統包括氣瓶，氣瓶通過TESCOM減壓控制器與下氣室連通；TESC0M減壓控制器通過TESCOM背壓控制器II與TESCOM背壓控制器I連通，TESCOM背壓控制器I的一側與上氣室連通，另ー側與外界連通。溫控系統采用溫控箱，釜體設置在溫控箱內。反應釜放置在溫控箱內，溫控箱與一循環水制冷系統連接，由水冷和風冷結合控溫，提高溫控的穩定性。探測系統包括聲學換能器、時域反射探針、壓カ傳感器I、壓カ傳感器II，聲學換能器、時域反射探針分別通過數字采集卡與計算機采集系統連接，壓カ傳感器I與下氣室連通、壓カ傳感器II與上氣室連通，壓カ傳感器I、壓カ傳感器II分別連接計算機采集系統。探測系統由聲學探測技術(可選擇彎曲元技術或傳統超聲技木)與TDR技術組成，可同時進行聲學探測和時域反射(TDR)探測。其中聲學探測包括縱、橫波一體化的發、收換能器一對，采用加拿大GaGe公司的高速數據采集卡，提高超聲探測靈敏度。TDR探測采用Campbell公司的TDR100儀確定沉積物中天然氣水合物的飽和度。探測系統還包括溫度傳感器，溫度傳感器與計算機采集系統連接，即在樣品探測區表層和內部各安裝PtlOO熱偶ー支，監測溫度。 其中壓カ控制単元和高壓反應釜是最核心的部件。壓カ控制単元經過特別的設計，可使上、下氣室間壓差保持恒定，同時可以高精度流量向下氣室供應氣體，更真實地模擬海底氣體向上運移的條件。高壓反應釜內兩塊微孔燒結板為特制加工而成，可保證氣體通入樣品室內，同時保持樣品內水分不被氣體帶走。
圖I為本實用新型的內部結構示意圖。圖中1.氣瓶；2.溫控箱；3.樣品室；4.下氣室；5.壓カ傳感器I ;6.計算機采集系統；7.數字采集卡；8.聲學換能器；9.釜體；10.微孔燒結板；11.上氣室；12.壓カ傳感器II ; 13. TESCOM背壓控制器I ；14.時域反射探針；15. TESCOM背壓控制器II ；16. TESCOM減壓控制器；17.溫度傳感器。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置包括壓カ控制系統、溫控系統、探測系統、高壓反應釜、計算機采集系統，壓カ控制系統與高壓反應釜連通，高壓反應釜設置在溫控系統中，探測系統設置在高壓反應釜內并與計算機采集系統連接。高壓釜包括釜體9，釜體9內設有上氣室11和下氣室4，上氣室11和下氣室4之間為樣品室3，樣品室3與上氣室11和下氣室4之間分別設有微孔燒結板10。壓カ控制系統包括氣瓶1，氣瓶I通過TESCOM減壓控制器16與下氣室4連通；TESC0M減壓控制器16通過TESCOM背壓控制器II 15與TESCOM背壓控制器I 13連通，TESCOM背壓控制器I 13的ー側與上氣室11連通，另ー側與外界連通。溫控系統采用溫控箱2，釜體9設置在溫控箱
2內。探測系統包括聲學換能器8、時域反射探針14、壓カ傳感器I 5、壓カ傳感器II 12，聲學換能器8、時域反射探針14分別通過數字采集卡7與計算機采集系統6連接，壓カ傳感器I 5與下氣室4連通、壓カ傳感器II 12與上氣室11連通，壓カ傳感器I 5、壓カ傳感器
II12分別連接計算機采集系統6。探測系統還包括溫度傳感器17，溫度傳感器17與計算機采集系統6連接。[0015]下進氣方式的實現系統中用了三套TESCOM控制器，其中，下氣室4壓力采用了TESCOM減壓控制器16來實現，上氣室11壓力采用TESCOM背壓控制器I 13來控制。不論是減壓控制器或是背壓控制器，其控制精度均可達到全量程的O. 1%，亦即O. 03MPa。為了進一步提高控制精度，在減壓控制器下游的進氣管上，分出一支氣路，通過一個TESCOM背壓控制器II 15與出氣管相連，連接口位于TESCOM減壓控制器16的前端。氣體進入下氣室4后，通過微孔燒結板10微孔向上運移至沉積物中，以形成水合物，未形成水合物的氣體進一步向上運移，被排出反應釜。上、下兩塊微孔燒結板10既能使氣體通過，又防止了水分流失。高壓反應釜放置在溫控箱2內，通入高壓氣體后，水合物的生成和分解由溫度控制。高壓反應釜的探測區域在樣品室3的中間部位，聲學換能器8和時域反射探針14為橫向布置，可對同一層位的聲學參數和水合物飽和度同時進行探測。兩溫度傳感器17分別探測區域表層和內部的溫度。聲學探測技術可以選用彎曲元縱橫波一體化換能器，用于測量松散沉積物樣品聲學參數，也可選用傳統平板型換能器，測量固結沉積物的縱橫波聲學特 性。聲學信號與TDR探測信號經數字采集卡7直接進入計算機采集系統6內進行數據處理。本實用新型裝置實現了下進氣這種更為接近海底供氣方式形成水合物，并能在實驗過程中同時獲取聲學參數與水合物飽和度，更為有效地研究水合物形成機理及其聲學響應特征。當使用時，其具體步驟為(I)安裝好各種探測裝置。(2)安裝下微孔燒結板10，把沉積物放入反應釜，加水使沉積物剛好飽和，安裝上微孔燒結板10，蓋好反應釜。(3)整個系統抽真空后，加入一定壓力的氣體使上、下氣室達到設定壓力，靜置約24小時，待氣體溶解在水中。(4)打開TESCOM減壓控制器16，關閉TESCOM背壓控制器II 15，以一定流量向下氣室繼續供氣。(5)啟動降溫系統，使水合物生成。(6)探測、記錄各種參數。本實驗裝置操作方便、安全。在實際工作中根據需要進行下進氣供應方式的水合物生成實驗，也可進行上文提及的其它四種方式的水合物生成實驗，并在實驗過程中同時進行聲學參數和水合物飽和度的探測。
權利要求1.ー種海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，包括壓カ控制系統、溫控系統、探測系統、高壓反應釜、計算機采集系統，壓カ控制系統與高壓反應釜連通，高壓反應釜設置在溫控系統中，探測系統設置在高壓反應釜內并與計算機采集系統連接。
2.根據權利要求I所述的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，高壓釜包括釜體(9)，釜體(9)內設有上氣室(11)和下氣室(4)，上氣室(11)和下氣室(4)之間為樣品室(3)，樣品室(3)與上氣室(11)和下氣室(4)之間分別設有微孔燒結板(10)。
3.根據權利要求2所述的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，壓カ控制系統包括氣瓶(I )，氣瓶(I)通過TESCOM減壓控制器(16)與下氣室(4)連通；TESC0M減壓控制器(16)通過TESCOM背壓控制器II (15)與TESCOM背壓控制器I(13)連通，TESCOM背壓控制器I (13)的ー側與上氣室(11)連通，另ー側與外界連通。
4.根據權利要求2所述的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在干，溫控系統采用溫控箱(2 )，釜體(9 )設置在溫控箱(2 )內。
5.根據權利要求2所述的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，探測系統包括聲學換能器(8)、時域反射探針(14)、壓カ傳感器I (5)、壓カ傳感器II (12)，聲學換能器(8)、時域反射探針(14)分別通過數字采集卡(7)與計算機采集系統(6)連接，壓カ傳感器I (5)與下氣室(4)連通、壓カ傳感器II (12)與上氣室(11)連通，壓カ傳感器I (5)、壓カ傳感器II (12)分別連接計算機采集系統(6)。
6.根據權利要求5所述的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，探測系統還包括溫度傳感器(17)，溫度傳感器(17)與計算機采集系統(6)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種實驗裝置，尤其涉及一種聲學響應特征模擬實驗裝置。本實用新型的海底氣體運移與水合物形成的聲學響應特征模擬實驗裝置，其特征在于，包括壓力控制系統、溫控系統、探測系統、高壓反應釜、計算機采集系統，壓力控制系統與高壓反應釜連通，高壓反應釜設置在溫控系統中，探測系統設置在高壓反應釜內并與計算機采集系統連接。本技術同時結合彎曲元探測技術和時域反射技術(TDR)，可實時監測氣體運移和水合物形成過程中聲學參數和水合物飽和度的變化情況。得出的實驗結果更貼近于海底環境，可實現不同氣體通量水合物形成的聲學響應特征研究。
文檔編號G01N29/00GK202661164SQ201220231550
公開日2013年1月9日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者胡高偉, 程軍, 業渝光, 劉昌嶺 申請人:青島海洋地質研究所