一种天然气水合物渗透率测定装置的制作方法

本发明涉及天然气水合物开发技术领域，尤其涉及一种天然气水合物渗透率测定装置。

背景技术

天然气水合物广泛存在于海底大陆架和高原冻土，由充足的气源(主要为甲烷)与水在高压低温环境下形成笼形结晶化合物，主要分为ⅰ型和ⅱ型两类。由于1体积天然气水合物可以释放164体积天然气，所以天然气水合物被认为是新世纪最具开发前景的清洁型新能源，储量极其丰富。如何安全开采天然气水合物引起各国科学家与政府的高度重视，成为了解决能源危机的新热点。

但是，若要商业化开采天然气水合物，依然存在很多技术性难点与环境灾害问题。由于开采过程比较复杂，包括传热传质、分解相变、多向渗流、地层变形等过程，致使地层渗透率发生变化，渗透率降低会严重影响气体在基质中的渗透能力，降低了开采效率，导致开采成本增加。除此之外，倘若开采发生了泄露，不仅会对上覆土层造成影响，发生海底滑坡等地质灾害，而且会对海洋生态系统造成无法挽回的损失。可见，天然气水合物储层和覆盖层的渗透率是可燃冰商业化开采过程中的关键参数。

考虑到原状岩样难以获取，成本较高，一般采用实验室人工合成沉积物进行基础物性测量。而水合物沉积物赋存环境条件为高压低温，普通渗透率测量装置无法保证水合物沉积物的生成与稳定存在，因此需要专门的装置来模拟相对应的环境。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种天然气水合物渗透率测定装置，能够保证实验过程中天然气水合物式样的稳定存在，保证实验过程中气相或液相的稳定渗流，且可调控影响渗透率的参量，同时拆卸简单，操作容易。

本发明的实施例提供一种天然气水合物渗透率测定装置，包括渗透室、温度测控系统和空气压缩机，所述渗透室包括外室和收容于所述外室内的内室，所述内室内设有上下开口的橡胶模，两透水石上下设置并卡在所述橡胶模内，天然气水合物式样被所述橡胶模包裹且卡在所述两透水石之间，所述内室的侧壁与所述外室的侧壁之间具有第一空间，所述温度测控系统与所述第一空间连通以向所述第一空间注入冷却剂，所述橡胶模的侧壁与所述内室的侧壁之间具有第二空间，所述空气压缩机通过围压进气管连通所述第二空间以向所述第二空间中注入气体形成一定围压，所述空气压缩机通过渗透系统连接位于下方的所述透水石，一排出管其一端连接位于上方的所述透水石，另一端伸出所述渗透室并通过三通阀分别连接真空泵、气体回收装置和液体流量测量装置，一甲烷气瓶连接所述渗透系统，所述渗透系统中设有测量气体流量的气体流量计，一压差测量系统与所述排出管和所述渗透系统相关联以测量所述渗透室的进出压差。

进一步地，所述渗透系统包括储气罐、与所述储气罐的上端连接的进气管和出气管、与所述储气罐的下端连接的出水管以及渗透进入管，所述渗透进入管的一端同时连接所述出气管和所述出水管，另一端连接位于下方的所述透水石，所述空气压缩机连接第一管系，一第二管系的一端连接所述进气管，另一端同时连接所述围压进气管和所述第一管系，所述甲烷气瓶连接所述进气管，所述进气管、所述围压进气管和所述第二管系上均设有阀门，所述出气管上设有所述气体流量计和进气阀，所述出水管上设有进水阀，所述压差测量系统与所述排出管和所述渗透进入管相关联。

进一步地，所述渗透进入管上设有用于测量所述渗透室的进气压力的压力传感器，所述排出管上设有出气阀和用于测量所述渗透室的出气压力的压力传感器，所述压差测量系统包括位于所述渗透进入管和位于所述排出管上的二所述压力传感器，或者所述压差测量系统包括连接所述渗透进入管和所述排出管的压差表，或者同时包括位于所述渗透进入管和位于所述排出管上的二所述压力传感器及连接所述渗透进入管和所述排出管的压差表。

进一步地，所述进气管上设有用于测量所述储气罐内的气压的压力传感器，所述围压进气管上设有用于测量所述第二空间内的围压的压力传感器；所述围压进气管的所述压力传感器位于对应的所述阀门与所述渗透室之间，所述出气管上亦设有一阀门，所述气体流量计位于该阀门和所述进气阀之间，且该阀门更靠近所述储气罐。

进一步地，所述第一管系上连接有第四管系，所述第四管系与氮气瓶连接，所述第四管系上设有阀门；所述空气压缩机通过一气体减压阀与所述第一管系连接，所述甲烷气瓶通过另一气体减压阀与所述进气管连接。

进一步地，所述温度测控系统包括液氮罐和循环泵，所述液氮罐通过第三管系连接所述循环泵，所述循环泵连接有一进液管和一回流管，所述进液管和所述回流管伸入所述第一空间且分置于所述内室的相对两边，液氮在所述循环泵的作用下，在所述进液管、所述第一空间、所述回流管和所述循环泵之间循环，所述温度测控系统还包括温度传感器，所述温度传感器设于所述外室的内壁上且与计算机系统连接。

进一步地，所述第三管系上设有阀门。

进一步地，利用公式(1)计算出天然气水合物式样气相渗透的渗透率，利用公式(2)计算出天然气水合物式样液相渗透的渗透率：

式中：k为气相或液相天然气水合物沉积物渗透率；μ为气体或液体粘滞系数；l为天然气水合物式样的高度；qb为气体流量；q为液体流量；pa、pb分别为所述压差测量系统测量出的所述渗透室的进、出压力；a为天然气水合物式样的截面积。

进一步地，所述透水石与所述橡胶模内壁之间设有密封圈。

进一步地，所述第二空间内的围压为0～30mpa，所述冷却剂使所述渗透室内的温度为-20～4℃。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)所述第二空间内的围压为0～30mpa，所述冷却剂使所述渗透室内的温度为-20～4℃，与自然条件下天然气水合物的赋存环境条件相一致，能够保证实验过程中天然气水合物式样的稳定存在，保证实验过程中气相或液相的稳定渗流，满足室内试验研究需求。

(2)所述渗气室采用双室结构：所述内室和所述外室，所述外室中的所述第一空间与所述温度测控系统连接用于控温，所述内室中的第二空间与所述空气压缩机连接用于控压，不仅拆卸方便，结束试验后还可清洗，同时所述渗气室造价相对便宜。

(3)所述渗气室尺寸较小，携带方便，可与类似天然气水合物系统进行组装，测取天然气水合物的基础水理性质，为以后进一步的模型实验做好基础。

(4)温度测控系统可以快速、精准地控制温度；所述渗透系统可以快速、精准地控制进气压力与压差；所述空气压缩机可以快速、精准地控制围压；通过以上元件和系统调控相应参量，研究其对天然气水合物沉积层渗透率的影响规律与敏感度，从而为天然气水合物安全开采提供坚实的基础。

附图说明

图1是本发明天然气水合物渗透率测定装置的整体示意图；

图2是本发明天然气水合物渗透率测定装置的渗透室的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种天然气水合物渗透率测定装置，包括渗透室9、温度测控系统和空气压缩机14，还包括渗透系统和排出管35，所述温度测控系统与所述渗透室9连接以测控所述渗透室9的温度，所述空气压缩机14与所述渗透室9连接以为其提供适当的围压，通过所述温度测控系统与所述围压来模拟自然环境以保证在实验过程中天然气水合物式样25的稳定存在。所述渗透系统和所述排出管35均与所述渗透室9连接以保证实验过程中气相或液相的稳定渗流。

请参考图1和图2，所述渗透室9包括外室22和收容于所述外室22内的内室23，所述外室22上下封顶，其底壁安装于底座26上，所述外室22的顶壁上压有压板21。所述温度测控系统包括温度传感器20，所述温度传感器20设于所述外室22的侧壁内侧上且与计算机系统19连接，所述温度传感器20能够检测所述外室22的温度并将检测出的温度传至所述计算机系统19显示出来。所述内室23上下封顶，所述内室23的底壁与所述外室22的底壁连接，且位于所述外室22的底壁的中心位置，所述内室23的顶壁与所述外室22的顶壁之间具有间隙，所述内室23的侧壁与所述外室22的侧壁之间亦具有间隙，所述内室23的侧壁与所述外室22的侧壁之间的间隙和所述内室23的顶壁与所述外室22的顶壁之间间隙共同构成第一空间。所述外室22和所述内室23均采用304不锈钢作为材料，所述外室22高35cm，所述内室23高20cm，所述外室22和所述内室23耐压30mpa。

所述内室23内设有上下开口的橡胶模41，两透水石24a、24b上下设置并卡在所述橡胶模41内，所述天然气水合物式样25被所述橡胶模41包裹且卡在所述两透水石24a、24b之间，每一所述透水石24a、24b与所述橡胶模41的内壁之间设有密封圈，以防止气体和液体从所述透水石24a、24b的边缘通过。所述天然气水合物式样25为高为80mm、直径为40mm的圆柱体。两所述透水石24a、24b均位于所述橡胶模41内部，每一所述透水石24a、24b与与之对应的所述橡胶模41的开口具有适当的距离。所述橡胶模41的下端与所述内室23的底壁连接且位于所述内室23的底壁的中心位置，所述橡胶模41的上端与所述内室23的顶壁之间具有间隔，所述橡胶模41的侧壁与所述内室23的侧壁之间亦具有间隔，所述橡胶模41的侧壁和顶壁与所述内室23的侧壁和顶壁之间的间隔构成第二空间。

一加固管42的下端向下穿过所述内室23的顶壁并延伸至所述橡胶模41的上端开口处，所述加固管42的上端向上依次穿过所述外室22的顶壁和所述压板21并冒出所述压板21，所述排出管35的一端从所述加固管42的内部穿过然后继续向下延伸直至连接位于上方的所述透水石24a，所述排出管35的另一端向外延伸并通过三通阀分别连接真空泵16、气体回收装置17和液体流量测量装置，所述液体流量测量装置为量筒18。

所述温度测控系统还包括液氮罐12和循环泵11，所述液氮罐12通过第三管系33连接所述循环泵11，以为所述循环泵11提供冷却剂液氮，所述循环泵11连接有一进液管27和一回流管28，所述进液管27和所述回流管28穿过所述底座26伸入所述第一空间且所述进液管27和所述回流管28在所述第一空间的出口端分置于所述内室23的相对两边，液氮在所述循环泵11的作用下，在所述进液管27、所述第一空间、所述回流管28和所述循环泵11中循环。通过所述液氮的循环速度，来调控所述渗透室9的温度，使所述渗透室9的温度保持在-20～4℃。所述第三管系33上设有阀门3f，关闭该阀门3f，所述液氮罐12停止供应所述液氮。

一围压进气管29的下端依次穿过所述压板21、所述外室22的顶壁和所述内室23的顶壁伸入所述第二空间，所述空气压缩机14依次通过减压阀2b和第一管系31连接所述围压进气管29的上端，从而所述空气压缩机14可以根据需要通过所述围压进气管29向所述第二空间中注入气体使所述第二空间具有一定围压，所述围压为0～30mpa。所述围压进气管29上设有用于测量所述第二空间内的所述围压的压力传感器4c，还设有阀门3d，所述围压进气管29上的所述压力传感器4c位于所述围压进气管29上的所述阀门3d和所述渗透室9之间。

一第二管系32的一端同时连接所述第一管系31和所述围压进气管29，所述第二管系32的另一端连接所述渗透系统，所述第二管系32亦设有阀门3c。

所述渗透系统包括储气罐5、与所述储气罐5的上端连接的进气管和出气管37、与所述储气罐5的下端连接的出水管36以及渗透进入管38，所述渗透进入管38的一端同时连接所述出气管37和所述出水管36，另一端连接位于下方的所述透水石24b，所述第二管系32连接所述进气管，一甲烷气瓶1通过对应的减压阀2a连接所述进气管。所述进气管上亦设有阀门3a，并且还设有用于测量所述储气罐5内的气压的压力传感器4a。所述出气管37上设有所述气体流量计6和进气阀7，还设有一阀门3b，所述气体流量计6位于该阀门3b和所述进气阀7之间，且该阀门7更靠近所述储气罐6。所述出水管36上设有进水阀8，所述气体流量计6用于测量所述出气管37中的气体流量。

一压差测量系统与所述排出管35和所述渗透系统相关联以测量所述渗透室的进出压差。具体的，所述渗透进入管38上设有用于测量所述渗透室9的进气压力的压力传感器4b，所述排出管35上设有出气阀13和用于测量所述渗透室9的出气压力的压力传感器4d，所述压差测量系统包括位于所述渗透进入管38和位于所述排出管35上的二所述压力传感器4b、4d，或者所述压差测量系统包括连接所述渗透进入管38和所述排出管35的压差表10，或者同时包括位于所述渗透进入管38和位于所述排出管35上的二所述压力传感器4b、4d及连接所述渗透进入管38和所述排出管35的压差表10。本实施例中，所述压差测量系统同时包括位于所述渗透进入管38和位于所述排出管35上的二所述压力传感器4b、4d及连接所述渗透进入管38和所述排出管35的压差表10。所述压差表10能够直接测量出所述排出管35与所述渗透进入管38之间的压差。

所述第一管系31上连接有第四管系34，所述第四管系34与氮气瓶15连接，所述第四管系34上设有阀门3e。

将所述天然气水合物式样25放入本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置中的所述渗透室9的流程为：将制好的所述天然气水合物式样25用所述橡胶模41包装好后，上下两端分别用二所述透水石24a、24b封顶和封底，再用所述密封圈套在所述透水石24a、24b周围，以防止气体和液体从所述透水石24a、24b的边缘通过。将所述橡胶模41放入所述内室23内，将所述内室23与所述外室22和所述底座26组装，最后连接其他系统管道与线路。然后可以利用所述渗透室进行渗气实验或者渗水实验。

本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置中的所述渗透室9为可拆卸装置，使用时，将其按照上述流程组装，不使用时，按照上述流程相反的流程拆卸，从而所述渗透室不仅方便收纳和携带，而且还方便使用完毕后对所述渗透室的清洗和清洁，有利于对所述渗透室9的保养和维护，使其具有更长的使用寿命，同时保持清洁的所述渗透室9不会影响本次实验和下次实验的实验效果，有助于提升实验结果的准确率和可信度。

利用本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置做渗水实验时：

首选，打开所述氮气瓶15和所述第四管系34上的阀门3e，利用所述氮气瓶15内的氮气来检验整个所述天然气水合物渗透率测定装置的密封性。在确认密封性无误后，打开所述液氮罐12，通过所述第三管系33上的阀门3f，经所述循环泵11将冷却剂(液氮)通入所述第一空间22中，保证试验所需温度-20～4℃，温度由所述温度传感器20读取并传至所述计算机系统19显示出来；往所述储气罐5下部注入一定量的蒸馏水，水量约为所述储气罐5容积的1/5；然后用使所述排出管35与所述真空泵16连通，打开所述出气阀13，同时关闭所述进水阀7和所述进气阀8；打开所述真空泵16，抽真空半个小时，使所述内室23达到真空状态，然后上部一直保持抽真空，这时打开所述进水阀8，吸水使所述天然气水合物式样25饱和，使所述天然气水合物式样25中不存在气相；关闭所述出气阀13，向所述储气罐5内再次存入足够量的蒸馏水，打开所述空气压缩机14，经与之对应的减压阀2b、所述第二管系32上的阀门3c、所述进气管上的阀门3a向所述储气罐内5打入一定压力，使蒸馏水可以流经所述天然气水合物式样25，并被所述排出管35排出；关闭所述真空泵16，所述排出管35连接橡胶管道，所述橡胶管道插入所述量筒18内，当流出水速度达到稳定后，记录液体流量。

利用本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置做渗气实验时：

打开所述氮气瓶15和所述第四管系34上的阀门3e，利用所述氮气瓶15内的氮气来检验整个所述天然气水合物渗透率测定装置的密封性。在确认密封性无误后，打开所述液氮罐12，通过所述第三管系33上的阀门3f，经所述循环泵11将冷却剂(液氮)通入所述第一空间22中，保证试验所需温度-20～4℃，温度由所述温度传感器20读取并传至所述计算机系统19显示出来；打开所述围压进气管29上的阀门3d，通过所述空气压缩机14，与所述空气压缩机14相应的减压阀2b向所述内室23注入一定压力的空气，作为围压，压力由所述围压进气管29上压力传感器4c测得；将所述排出管31与所述气体回收装置17连接，打开所述出气阀13，压力由所述排出管31上的压力传感器4d测得，该压力即为所述渗气室9的出气压力；随后打开所述进气管上的阀门3a，先用所述甲烷气瓶1通过对应的减压阀2a向所述储气罐5打入一定压力的气体，压力由所述进气管上的压力传感器4a测得；关闭所述围压进气管29上的阀门3d，此时围压已经保持固定，打开所述第二管系32上的阀门3c、所述出气管37上的阀门3b和所述进气阀7，使所述渗气室9的下部与所述储气罐5的上部相通，通过所述空气压缩机14向所述储气罐内5中打入设定的压力，压力由所述渗透进入管38上的压力传感器4b测得，该压力即为所述渗气室的进气压力；待压力稳定后，维持一定气压进行渗气试验，观测所述出气管37中的气体流量随时间的变化，并绘制实时气体流量曲线，直至气体流量稳定，获得所述天然气水合物式样25在给定围压和所述天然气水合物式样25两端差压下的稳定流量，气体流量通过所述气体流量计6读取。

利用公式(1)计算出天然气水合物式样气相渗透25的渗透率，利用公式(2)计算出天然气水合物式样液相渗透25的渗透率：

式中：k为气相或液相天然气水合物式样25的渗透率；μ为气体或液体粘滞系数；l为天然气水合物式样的高度；qb为气体流量；q为液体流量；pa、pb分别为所述压差测量系统测量出的所述渗透室9的进、出压力；a为天然气水合物式样25的截面积。所述天然气水合物式样25的高度与横截面积有统一的尺寸；气体流量由所述气体流量计6获得；液体流量由量筒18获得；气体或液体的粘滞系数可通过实验手册查询。利用本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置，通过改变所述渗透室9的温度、所述天然气水合物式样25的饱和度、所述渗透室9围压等参量来做所述渗水实验和所述渗气实验，来观察各类参量对天然气水合物沉积物的渗透率的影响规律与敏感性。

本发明所述的天然气水合物渗透率测定装置可以完成测取天然气水合物沉积物(天然气水合物式样25)气相或液相渗透率的试验。另外通过调控多个参数变量，从而可以分析天然气水合物沉积物中气(液)渗透与扩散及机理，观察各类参量对天然气水合物沉积物的渗透率的影响规律与敏感性，从而为天然气水合物的安全开采与海底滑坡评判模式提供基础。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。