天然氣水合物釋放氣體的連續高壓氧化實驗裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石油天然氣、生態環境技術領域，具體涉及一種用于模擬海底環境中 天然氣水合物釋放氣體的連續高壓氧化實驗裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 天然氣水合物作為21世紀的重要能源已受到廣泛認可和高度關注。與此同時，作 為溫室氣體甲烷的最大載體，天然氣水合物又是一個潛在的氣候致變因子，其分解釋放氣 體可能引發一系列的負面環境效應，如溫室效應的加劇、海洋生態環境的變化以及海底滑 塌事件等。海底天然氣水合物發生分解時，其釋放氣體可在上覆沉積物、海水層中發生強烈 的好氧、厭氧氧化作用，削弱了向上運移進入海水、大氣層中的通量。因此，研究天然氣水合 物分解釋放氣體在上覆沉積物、海水層中的氧化特性，對準確評估其生態環境效應具有重 要的理論和實際意義。
[0003] 海底天然氣水合物發生分解后，其釋放的烴類氣體在沉積物層中擴散、運移時，如 果遇到合適的溫壓條件可以二次生成天然氣水合物;不能二次生成水合物的氣體，將繼續 向上滲逸，在缺氧沉積環境中將與硫酸鹽發生厭氧氧化反應，或在有氧沉積環境中發生好 氧氧化反應，進一步被消耗。研究發現，海洋環境中這些厭氧/好氧氧化作用的發生，90%以 上的海底滲漏游離烴類氣體可在沉積物層中被氧化而消耗掉，降低了繼續向上運移進入海 水和大氣層中的通量。由此可見，定量研究天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物中的 氧化過程，有助于更好地認識水合物的異常分解對全球氣候、海洋生態環境的負面影響。
[0004] 目前，國內外對海底沉積物中烴類氣體厭氧/好氧氧化作用的實驗研究多以靜態 氧化過程為主，研究對象為單一或混合輕烴氣體，尚未見將天然氣水合物的動態分解過程 與釋放氣體的連續高壓氧化過程聯系起來進行協同研究。
【發明內容】
[0005] 為彌補上述領域研究的不足，鑒于天然氣水合物樣品中不同客體分子的差異化分 解以及釋放后在海底沉積物、海水層中的連續動態氧化作用有別于單一或整體混合輕烴氣 體的靜態氧化過程，本發明提供一種用于模擬海底環境中天然氣水合物釋放氣體的連續高 壓氧化實驗裝置和方法，可實現不同實驗條件下天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物 或海水中的厭氧/好氧氧化作用。
[0006] 本發明采用的技術方案如下：
[0007] -種天然氣水合物釋放氣體的連續高壓氧化實驗裝置，其主要包括生成-分解單 元、氣體連續高壓氧化單元和數據采集處理單元，且生成-分解單元與氣體連續高壓氧化單 元之間通過氣體質量流量計和精密調壓閥連接;其中，
[0008] ( - )生成-分解單元:包括置于低溫恒溫箱內的高壓反應釜，釜體外部配有水浴夾 套，釜體底部設有磁力攪拌器；
[0009] (二)氣體連續高壓氧化單元:包括固體系統(沉積物柱層）、液體系統(海水層）、恒 溫水浴箱和抽真空系統，所述固體系統包括多根反應筒，前一根反應筒頂部與后一根反應 筒的底部連接，所述液體系統包括依次連接的儲液罐、攪拌罐、平流栗和反應罐，所述恒溫 水浴箱用于控制反應筒和反應罐內溫度，所述抽真空系統與反應筒、攪拌罐和反應罐相連； 其中，采用三通連接精密調壓閥、第一根反應筒底部和攪拌罐頂部，且管路上設置有多個閥 門；
[0010] (三)數據采集處理單元：通過光纖成像系統、計量控制系統、氣相色譜(GC-TCD/ FID)與同位素比值質譜（IRMS)分析系統和溫壓實時監測系統與計算機微處理器連接進行 同步監測。
[0011] 所述生成-分解單元中的高壓反應釜整體為快開結構，工作溫度范圍-50~50°C， 最高耐壓20MPa。
[0012] 所述反應筒包括固定底座、水浴夾套、2個溫度傳感器和1個精密壓力傳感器，其頂 端設有1個氣體采樣端口，中部不同層位處設有4個取樣口，底端內置微孔燒結板。
[0013] 所述儲液罐配有可視窗。
[0014] 所述攪拌罐底部設有磁力攪拌器，配有可視窗、1個溫度傳感器和1個精密壓力傳 感器。
[0015] 所述反應罐底部設有磁力攪拌器，配有可視窗、水浴夾套、1個溫度傳感器、1個精 密壓力傳感器、1個背壓閥和氣體、液體采集端口。
[0016] -種采用所述裝置的天然氣水合物釋放氣體的連續高壓氧化實驗方法，其包括下 述實施步驟：
[0017] 1)根據海底沉積物層、海水層和沉積物-海水復合層三種不同的氧化實驗模式，調 節閥門選擇連接方式：當為海底沉積物層氧化實驗模式時，調節閥門使氣體僅流向固體系 統，且多根反應筒采用串聯或并聯連接;當為海水層氧化實驗模式時，調節閥門使氣體僅流 向液體系統中的攪拌罐；當為沉積物-海水復合層氧化實驗模式時，調節閥門使氣體依次流 經攪拌罐、平流栗、多根反應筒和反應罐；
[0018] 2)先檢查所有管線、電路連接是否正常，再開啟數據采集處理單元進入實驗軟件；
[0019] 3)將儲液罐中注入微生物培養液(也可包含海水等實驗液體試劑)并與所需氣體 鋼瓶相連接，然后向反應筒中注入實驗沉積物和/或向反應罐中注入海水；
[0020] 4)利用抽真空系統對整個實驗容器及管路抽真空；
[0021] 5)調節恒溫水浴箱的溫度至實驗設計溫度，以滿足水合物分解釋放氣體的氧化溫 度；
[0022] 6)在生成-分解單元內，按照實驗需要合成天然氣水合物，待水合物生成并平衡一 定時間后，迅速降低溫度，并抽真空除去釜內游離氣體，然后采用控溫或控壓的方法使合成 好的水合物樣品按照一定的速率進行分解；
[0023] 7)將分解氣體通過氣體質量流量計和精密調壓閥控制，按照一定的流速輸入氣體 連續高壓氧化單元，定期采集樣品進行檢測。
[0024]當進行好氧氧化作用時，所需氣體為氧氣和/或氮氣；當進行厭氧氧化作用時，所 需氣體為氮氣和/或二氧化碳。
[0025]其中，所述生成-分解單元能實現天然氣水合物的快速生成與分解功能。所述液體 系統可模擬水合物分解氣體在海水層中的好氧/厭氧氧化反應過程；固體系統可模擬水合 物分解氣體在沉積物柱層中的好氧/厭氧氧化反應過程。所述數據采集處理單元的核心技 術在于引進了氣相色譜(GC-TCD/FID)與同位素比值質譜（IRMS)分析技術、精密光纖成像技 術以及各種溫壓實時監測技術，在水合物生成-分解-氧化過程中可同時多功能地對實驗溫 度、壓力、水合物形態、氣體含量及碳氫氧同位素值等實驗數據進行監測。
[0026] 本發明的創新點如下：
[0027] (1)本發明設計了一套專門適用且不局限適用于海底環境下天然氣水合物分解釋 放氣體連續高壓氧化的實驗裝置，其儀器結構簡單、易操作，可模擬單一海底沉積物層、單 一海水層、或沉積物與海水復合層中水合物分解釋放氣體的連續動態高壓氧化過程，包括 厭氧氧化作用和好氧氧化作用。
[0028] (2)本發明開發了一套海洋環境中天然氣水合物分解釋放氣體連續高壓氧化的實 驗方法，彌補了該領域的實驗技術空白，利用該方法可有效模擬海底環境下天然氣水合物 分解釋放氣體的連續高壓氧化過程，研究天然氣水合物分解過程中其釋放氣體（如CH 4、 C2H6、C3H8等)在上覆沉積物、海水層中的好氧/厭氧氧化特性，為水合物分解釋放氣體在海 洋環境中的迀移、轉化、碳循環等研究提供理論支持。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明的水合物生成-分解-連續高壓氧化模擬實驗裝置示意圖。
[0030] 圖中各附圖標記為：1:生成-分解單元，2:反應筒，3:恒溫水浴箱，4:精密壓力傳感 器，5 :溫度傳感器，6:氣體質量流量計，7:精密調壓閥，8-1 :閥門I，8-2 :閥門Π ，8-3 :閥門 ΙΠ ，8_4:閥門 IV，8_5:閥門 V，8_6:閥門 VI，8_7:閥門 VH，8_8:閥門 VI，8_9:閥門 IX，8-10:閥 門X，9:氣體鋼瓶，10:儲液罐，11:攪拌罐，12:磁力攪拌器，13:平流栗，14:反應罐，15:抽真 空系統，16:數據采集處理單元。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖對本發明作進一步解釋：
[0032] -種天然氣水合物釋放氣體的連續高壓氧化實驗裝置，其主要包括生成-分解單 元1、氣體連續高壓氧化單元和數據采集處理單元16,且生成-分解單元1與氣體連續高壓氧 化單元之間通過氣體質量流量計6和精密調壓閥7連接;其中，
[0033] ( -）生成-分解單元1:包括置于低溫恒溫箱內的高壓反應釜，釜體外部配有水浴 夾套，釜體底部設有磁力攪拌器12;
[0034] (二)氣體連續高壓氧化單元:包括固體系統、液體系統、恒溫水浴箱3和抽真空系 統15,所述固體系統包括多根反應筒2,前一根反應筒2頂部與后一根反應筒2的底部連接， 所述液體系統包括依次連接的儲液罐10、攪拌罐11、平流栗13和反應罐14,所述恒溫水浴箱 3用于控制反應筒2和反應罐14內溫度，所述抽真空系統15與反應筒2、攪拌罐11和反應罐14 相連;其中，采用三通連接精密調壓閥7、第一根反應筒2底部和攪拌罐11頂部，且管路上設 置有多個閥門；
[0035](三)數據采集處理單元16:通過光纖成像系統、計量控制系統、氣相色譜(GC-TCD/ FID)與同位素比值質譜（IRMS)分析系統和溫壓實時監測系統與計算機微處理器連接進行 同步監測。
[0036] 所述生成-分解單元1中的高壓反應釜整體為快開結構，帶透明視窗，工作溫度范 圍-50~50°C，最高耐壓20MPa，有效容積1000mL。
[0037] 所述反應筒2有效內徑φ60*400ιηιη，316不銹鋼材料，最高耐壓lOMPa，包括固定底 座、水浴夾套、2個溫度傳