专利名称：一种天然气水合物沉积物热导率测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天然气水合物沉积物热导率测量装置。
背景技术：
天然气水合物，又称可燃冰,是天然气和水在一定条件下(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度和PH值等)形成的白色结晶化合物，呈笼形结构，遇火即可燃烧。自然界中存在的天然气水合物中主要气体成分为甲烷，所以又常称为甲烷水合物(MethaneHydrates)0天然气水合物作为一种新型的潜在能源，储量巨大，被认为是最有应用前景的能替代石油等化石能源的新能源之一，并且已经被广泛发现存在于海底沉积物和陆地冻土区。天然气水合物的实地开采商业价值受诸多地质条件影响，其中地层热导率是影响水合物分解和产气速率的关键因素之一。热导率反应了多孔介质热量传递的能力，影响着矿藏中热量向水合物区的传导速率，从而约束着开采过程中水合物分解产气效率。数值模拟结果显示，热导率越低的多孔介质，水合物分解速率越有限，导致其开采价值不理想。此夕卜，多孔介质的有效热导率是一个与多相多组分相关的函数，随着水合物的分解和气液含量的改变，地层热导率随之发生变化。影响地层热导率的主要因素包括孔隙度、流体相饱和度、固相饱和度以及各相导热系数。固相中由于存在水合物的分解和生成等相变过程，使得含水合物多孔沉积物热导率的测量和研究更加复杂，目前关于水合物地层热导率特性的研究还处于理论分析阶段，缺乏足够的实验数据支持和验证，因此含水合物多孔沉积物的传热机理还不是十分完善，对实际水合物开采尚不能提供可靠的理论指导。常规测量物质热导率的实验装置及仪器多在常温常压条件下运行，而对于含水合物多孔沉积物，由于受水合物本身稳定条件的影响(低温、高压)，难以使用常规热导率测量仪器进行测量，需研制专门的实验装置。这样的实验装置需满足以下要求水合物易生成、测量精度高、实验操作简单等。

发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气水合物沉积物热导率测量方法和装置，该方法和装置可以用于测量含水合物多孔沉积物有效热导率，综合研究不同水合物饱和度、不同温度压力及沉积物颗粒下热导率模型，为实际天然气水合物开采提供理论依据。其操作简单，测量准确，安全可控。为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案一种天然气水合物沉积物热导率测量装置，水合物生成和热导率测定在一维高压反应釜中进行，包括用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜中气量的稳压供气模块，用于根据稳压供气模块的供气量控制注入高压反应釜中的气液比的稳压供液模块，用于在热导率测量过程中给高压反应釜中的热探针提供稳定输入功率的稳压供热模块，与热探针连接并记录热探针温度变化的数据采集和处理模块。
所述高压反应釜为圆柱形，高压反应釜顶端和底端分别设有左堵头和右堵头，堵头的内侧设有过滤网，堵头与高压反应釜连接处设有密封圈并通过手动螺栓固定，堵头与高压反应釜连接处设有快开卡箍，所述热探针设在高压反应釜内，在热探针中心位置处设有用于测量加热过程中该热探针中心点温度变化热电阻。反应釜两端采用快开结构，方便拆卸与组装。热电阻用于测量加热时探针中心点的温度变化；通过测量探针内热电阻温度随时间的变化关系，利用瞬态导热原理可计算介质有效热导率。反应釜两端采用快开结构，方便拆卸与组装。反应釜进口处有一小型储气罐，储气罐内部设有一压力传感器和Ptioo热电阻，通过储气罐注气前后温压变化，利用实际气体状态方程可精确计算注入反应釜中的气体量。反应釜内有一压力传感器和温度传感器，用于探测水合物生成过程中系统压力、温度变化特性，温度传感器位于热探针所处釜体中心截面接近釜体内壁面处，可监控探针加热过程中热量是否到达釜体壁面。反应釜进出口设置有压紧过滤装置，防止固体颗粒进入管线。反应釜出口处设置有回压装置，用于维持釜体出口压力。出口流体经气液分离器后分别由气体流量控制器和电子天平测量。反应釜和储气罐均置于恒温水浴中。所述稳压供热模块包括稳压电源，所述热探针在高压反应釜内所处的位置为定义偏离度为 =arcsin( Λ r/H), Δ r为热探针端点处偏离高压反应釜轴心线距离，偏离度 〈1.5°，热探针需尽可能完全位于高压反应釜轴心处，热探针内均匀分布有由稳压电源加热的电热丝；探针内均匀分布电热丝，加热丝由稳压供热模块持续加热，加热功率可控。所述稳压供气 模块与稳压供液模块用于调节和控制一维高压反应釜中气液含量，用于生成所需任一水合物饱和度体系，所述热探针的外径r〈2mm，所述高压反应釜长度L与内径D比例满足L/DM，以保证加热过程中热量基本沿径向流动，且热探针(2)长度H不小于O. 95*L，以满足线热源的要求。所述高压反应釜位于恒温水浴中，温度控制范围为-15 20° C，控制精度±0. 1° C，耐压范围为(T50Mpa。所述热探针电热丝与热电偶均由不锈钢套管封装，不与反应釜内部介质或水浴接触，热探针耐压范围为(T50MPa，且具有良好强度，不易变形。为保证测量精度，所述热电阻测温精度±0.2° C。结合瞬态测量技术，可以在高压低温条件下实验测量含水合物多孔沉积物的有效热导率，研究不同水合物饱和度、不同温度压力及沉积物颗粒下热导率模型。所述瞬态测量技术，要求热量在无限介质中传递，即要求测量热量到达釜体壁面之前热探针温度变化特性，热量到达壁面之后不再符合瞬态导热假设。热量是否到达壁面通过位于探针所在釜体截面的另一热电阻进行判断。所述热探针法是一种基于瞬态导热测量的技术，根据单位时间内探针的温升以及加热功率的大小来确定探针所处介质的热导率。其所需测量参数包括Apt2(S)时刻探针的
温度T1, T2( ° C);探针单位长度加热功率q(W/m)，则介质热导率计算公式为& =。
所述瞬态导热的基本前提是热量未到达釜体边界，可以通过所述热探针中心截面热电阻进行监控，当其温度开始上升时瞬态导热实验结束。本发明与现有技术相比，具有如下优势1、可生成不同多孔介质下不同水合物饱和度体系；
2、热探针位于含水合物多孔沉积物内部，可直接在高压条件下对沉积物进行加热，操作安全简单；3、基于瞬态导热原理的热探针法，可以有效测量含水合物沉积物热导率，测量精度高。


图1是热导率测量一维反应爸轴向截面图；图2是本发明工作流程示意图；附图标记说明1、高压反应釜，2、热探针，3、热电阻，4、快开卡箍，5、左堵头，6、右堵头，7、过滤网，8、密封圈，9、手动螺栓，10、恒温水浴，11、高压气源，12、减压阀，13、安全阀，14、热电偶，15、压力传感器，16、储气罐，17、去离子水，18、平流泵，19、回压阀，20、气体流量计，21、气液分尚器，22、电子天平，23、稳压电源。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。实施例请参阅图2所示为测量天然气水合物沉积物热导率的装置，包括稳压供气模块，稳压供液模块，热导率测量模块，稳压供热模块，数据采集和处理模块。其核心部分为热导率测量模块中的一维高压反应釜1，如图1所示，稳压供气模块包括高压气源11和一小型储气罐16，储气罐16位于高压反应釜I与高压气源11之间，用于缓冲气体及精确标定注入釜体气量。稳压供液模块包括一高压平流泵18，与储气罐16共同调节与控制注入反应釜I中的气液比。稳压供热模块主要由稳压电源23组成，其在热导率测量过程中给热探针2中加热丝提供稳定的电压和电流，即提供稳定的输入功率。数据采集和处理模块则包括各传感器、数据采集系统及后处理软件。本发明装置在使用时，具体操作步骤如下I)将填好多孔沉积物的高压反应釜I垂直固定于支架上，启动恒温水浴10并设置一恒定温度，将高压反应釜I抽真空；2)打开平流泵18出口阀门，向高压反应釜I注入指定质量的去离子水；3)关闭平流泵18出口阀门，打开储气罐16进口阀门，由高压气源11向储气罐16注入指定压力的纯甲烷气，然后关闭储气罐16进出口阀门并静置半小时；4)待储气罐16温度压力稳定后，打开高压反应釜I进口阀门，然后打开储气罐16出口阀门，甲烷气由储气罐16注入高压反应釜I，根据其温压变化及气体状态方程可计算注入高压反应釜I的气体量；5)关闭高压反应釜I进口阀门，再次降低恒温水浴10温度，水合物开始生成；6)待高压反应釜I压力降低至一稳定值，打开稳压电源23，热探针2开始加热，利用数据采集系统记录探针2温度随时间变化曲线、加热功率及釜内热电偶温升，当反应釜中外围热电偶开始出现明显温升时，瞬态导热实验过程结束。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种天然气水合物沉积物热导率测量装置，其特征在于包括用于缓冲气体及精确标定注入高压反应釜(I)中气量的稳压供气模块，用于根据稳压供气模块的供气量控制注入高压反应釜(I)中的气液比的稳压供液模块，用于在热导率测量过程中给高压反应釜(O中的热探针(2)提供稳定输入功率的稳压供热模块，与热探针(2)连接并记录热探针(2)温度变化的数据采集和处理模块。
2.如权利要求1所述的天然气水合物沉积物热导率测量装置，其特征在于所述高压反应釜(I)为圆柱形，高压反应釜(I)顶端和底端分别设有左堵头(5)和右堵头(6)，左堵头(5 )和右堵头(6 )的内侧均设有过滤网(7 )，左堵头(5 )和右堵头(6 )与高压反应釜(I)连接处设有密封圈(8 )并通过手动螺栓(9 )固定，左堵头(5 )和右堵头(6 )与高压反应釜(I)连接处设有快开卡箍(4)，所述热探针(2)设在高压反应釜(I)内，在热探针(2)中心位置处设有用于测量加热过程中该热探针(2)中心点温度变化热电阻(3)。
3.如权利要求2所述的天然气水合物沉积物热导率测量装置，其特征在于所述稳压供热模块包括稳压电源(23)，所述热探针(2)在高压反应釜(I)内所处的位置为定义偏离度为Θ =arcsin ( Δ r/H)，Δ r为热探针(2)端点处偏离高压反应釜(I)轴心线距离，偏离度 〈1.5°，热探针(2)内均匀分布有由稳压电源(23)加热的电热丝；。
4.如权利要求1所述的天然气水合物沉积物热导率测量装置，其特征在于所述热探针(2 )的外径r〈2mm，所述高压反应釜(I)长度L与内径D比例满足L/DM，且热探针(2 )长度H不小于O. 95*L。
5.如权利要求1所述的天然气水合物沉积物热导率测量装置，其特征在于所述高压反应釜(I)位于恒温水浴(10)中，温度控制范围为-15 20° C，控制精度±0.1° C，反应釜(I)耐压范围为0 50Mpa。
全文摘要
本发明公开了一种天然气水合物沉积物热导率测量装置。本发明装置包括稳压供气模块，稳压供液模块，热导率测量模块，稳压供热模块，数据采集和处理模块。水合物生成和热导率测定在一维高压反应釜中进行。反应釜轴心处为一热探针，探针内均匀分布电热丝，探针中心处有一热电阻，用于测量加热时探针中心点的温度变化。本发明结合瞬态测量技术，可以用于测量含水合物多孔沉积物有效热导率，综合研究不同水合物饱和度、不同温度压力及沉积物颗粒下热导率模型，为实际天然气水合物开采提供理论依据。
文档编号G01N25/20GK103063701SQ20121057572
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者李小森, 李波, 李刚, 张郁, 陈朝阳 申请人:中国科学院广州能源研究所