用于沉积层中水合物驱替形成各向异性的研究装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于沉积层中水合物驱替形成各向异性研究的研究装置及方法。
【背景技术】
[0002]CO2海洋封存技术是减少大气CO 2的主要措施之一，它通过管道将捕获富集的CO 2直接注入海洋水柱体或海底沉积物中，CO2以液态或固态水合物的形式封存。其中海底沉积层内0)2封存是将CO 2注储于海底多孔床层内，液态的CO 2在沉积层孔隙中溶解、扩散，在物理、化学和矿化作用下大量聚集在沉积层盖层之下，从而形成一个圈闭空间。由于和人类生存空间有海水层的间隔，相对于一般的内陆地质封存方式具有更高的安全性。如果发生海底地质灾害、地壳运动导致储层裂隙，CO2将沿着裂隙向上运移、泄漏(水合物也可能分解成CO2)。当0)2再次渗流进入水合物稳定区域，水合物又在储层内形成和不断长大，使得沉积层孔隙度和渗透率急剧减小，从而封闭CO2的泄漏通道。即使还有部分CO 2渗透过水合物盖层继续运移、上升扩散到海洋中，也会由于CO2与海水密度差异，形成CO 2的“湖泊型”海洋封存。
[0003]由此可见，海底沉积层为0)2的捕集提供了永久储库，重力作用、水合物覆盖层及其它地质化学作用的多重俘获机理可以防止CO2发生大量逸出。近年来有不少学者提出CO2置换开采海底天然气水合物，不但0)2水合物的生成热可用于分解天然气水合物，而且CO 2水合物有助于稳固亏空的储层，防止因水合物开采造成海底滑坡等自然灾害[5]。CO2置换开采方法具有经济和环境上的双重意义，与传统的水合物开采方法相比具有明显的优势。
[0004]无论CO2海底封存还是置换开采天然气水合物，其本质都是多孔介质中CO 2-孔隙水驱替形成水合物并伴有热扩散效应的CO2渗流过程。CO2与孔隙水两相竞争驱替、溶解、运移，并在温度、压力、盐度和孔隙毛细管压力共同约束下形成水合物并继续向周围渗流；CO2水合物形成又会降低地层孔隙度和渗透率，从而影响CO2在海底沉积层中的运移。同时，CO2水合物形成过程中释放大量相变潜热(约65kJ/mol)，而地层多孔骨架、水合物和孔隙流体(CO2、海水)具有不同的热力学性质(如比热容和导热系数)，这些热量在非均相中的热扩散效应不能忽略。因此，深入研究沉积层中水合物驱替形成和CO2运移过程，对CO 2海底封存、天然气水合物置换开采以及评估水合物藏失稳分解都具有重要的意义。从目前报道的文献来看，有关沉积物中0)2水合物研究主要集中在CO2-孔隙水静置模式(这里的“静置模式”是指CO2与孔隙水处于宏观静止状态)形成水合物热力学、动力学实验或数值模拟，缺乏对海底沉积层中液态CO2-孔隙水两相竞争驱替模式形成水合物动力学和热扩散效应研究。因此，获得结论或者模型尚无法直接应用。
【发明内容】
[0005]鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种用于沉积层中水合物驱替形成各向异性研究的研究装置及方法，以获取模拟海底二氧化碳水合物的形成分布规律与相关参数。
[0006]为解决上述技术问题，本发明方案包括:
[0007]—种用于沉积层中水合物驱替形成各向异性研究的研究装置，其包括用于控制研究装置运行的控制中心，其中，研究装置还包括一盘式反应釜，盘式反应釜内布置有多个传感器，盘式反应釜通过对应管路分别与第一平流栗、第二平流栗相连通，第一平流栗通过相应管路与存储罐相连通，第二平流栗选择性与第一气瓶、存储罐相连通；通过存储罐将气体、液体或气液混合物导入盘式反应釜内进行分析。
[0008]所述的研究装置，其中，上述第一平流栗通过第一管路与存储罐下部相连通，第一平流栗通过第二管路与盘式反应釜的总进管相连通，第一管路与第二管路之间设置有第一连接管路；
[0009]盘式反应釜上的多个分支出管均与一总出管相连通，总出管与第二平流栗相连通，第二平流栗通过第三管路与储存瓶上部相连通，总出管与第三管路之间设置有第二连接管路，第三管路连接有第四管路，第四管路与第一气瓶相连通，第四管路与第一管路之间设置有第三连接管路，第三管路上设置有第五管路，第五管路与第二气瓶相连通；
[0010]第一管路在近第一平流栗端设置有第一阀门，在近存储罐端设置有第二阀门；第二管路在近第一平流栗端设置有第三阀门，在近总进管端设置有第四阀门；第一连接管在近第一阀门端设置有第五阀门，第一连接管在近第三阀门端设置有第六阀门；
[0011 ] 总出管在近第二平流栗端设置有第七阀门，第三管路在近第二平流栗端设置有第八阀门；第二连接管在近第七阀门端设置有第九阀门，第二连接管在近第八阀门端设置有第十阀门；第三管路在近存储罐端设置有第十一阀门，第五管路与第三管路连接处设置有备压阀门，第五管路在近第二气瓶端设置有第一减压稳压阀门；第三连接管路下方的第四管路上设置有第十二阀门，第三连接管路上设置有第十三阀门；
[0012]第四管路在近第一气瓶端设置有气体流量计，气体流量计一侧的第四管路上设置有第二减压稳压阀，气体流量计另一侧的第四管路上设置有单向阀。
[0013]所述的研究装置，其中，上述盘式反应釜的底部设置有多个排污管，每个排污管上均设置有排污阀门。
[0014]所述的研究装置，其中，上述第一管路在存储罐底部处设置有第一排出管，第一排出管上设置有第一排出阀门；第十一阀门与第十二阀门之间的第三管路上设置有第二排出管，第二排出管上设置第二排出阀门；总出管上设置有第三排出管，第三排出管上设置有第三排出阀门。
[0015]所述的研究装置，其中，上述盘式反应釜包括釜体，总进管设置在釜体中部，釜体配置有一釜盖，釜盖与釜体为卡箍式结构，釜盖与釜体形成反应室，反应室通过隔板形成多个反应腔，总进管与每个反应腔的对应处设置有一个进口，每个反应腔的侧壁上设置有一个出口，每个出口配置有一个分支出管，每个分支出管与总出管的连接处均设置有控制阀；每个反应腔内配置有一组时域反射探针、一组温度传感器、一组压力传感器、一组声学换能器与一组铂电极；时域反射探针、温度传感器、压力传感器、声学换能器、铂电极均与控制中心通信连接。
[0016]所述的研究装置，其中，上述一组时域反射探针包括两个时域反射探针，时域反射探针安装在对应反应腔之竖向中间位置的一个平面上，时域反射探针以釜体中心径向辐射均匀地安装；一组声学换能器包括两套声学换能器，两套声学换能器分别处于位于对应反应腔之径向1/3、2/3位置处；一组铂电极包括两对铂电极，两对铂电极分别处于位于对应反应腔径向1/3、2/3位置处；一组温度传感器包括三个温度传感器，一组压力传感器包括三个压力传感器，一个温度传感器与一个压力传感器形成一个测量单元，三个测量单元均匀布置在对应的进口处、出口处以及进口与出口之间的反应腔；时域反射探针均与TDR采集转换器通信连接，声学换能器均与声学采集转换器通信连接，铂电极均与阻抗采集转换器通信连接，测量单元、TDR采集转换器、声学采集转换器、阻抗采集转换器均通过数据采集仪与控制中心通信连接。
[0017]所述的研究装置，其中，上述盘式反应釜配置有第一恒温水浴设备，存储罐配置有第二恒温水浴设备；在每个反应腔的进口处、出口处之间设置有第一压差计，在总进管与总出管之间设置有第二压差计，第一压差计与第二压差计上均配置有电磁阀；进口、出口上均设置有滤塞。
[0018]所述的研究装置，其中，上述盘式反应釜内均匀布置有六个反应腔，每个隔板与釜体对应处设置有用于插入隔板的插槽，插槽通过密封处理。
[0019]—种使用所述研究装置的方法，其包括以下步骤:
[0020]A、打开存储罐顶部的快插头，将存储罐装满蒸馏水，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门与第四阀门，将存储罐的蒸馏水通过第一平流栗送入盘式反应釜中的总进管，然后通过进口进入盘式反应釜内的对应反应腔内，待反应腔充满蒸馏水后，蒸馏水通过分支出管排出，汇集到总出管，此时分支出管上的控制阀处于打开状态，打开第七阀门、第八阀门、第十一阀门，经第二平流栗送入存储罐，此时第二排出阀门处于开启状态，第十二阀门处于关闭状态，使整个系统充满蒸馏水，将整个系统中的空气通过第二排出阀门排出，消除空气对水合物反应过程的影响；
[0021]B、关闭第一平流栗与第二平流栗，关闭第二排出阀门、第十一阀门、第二阀门，再次打开存储罐顶部的快插头，将存储罐再次装满蒸馏水，打开第十二阀门，开启存储有二氧化碳的第一气瓶，通过第二减压稳压阀，设置压力为2MPa，气体会通过气体流量计经单向阀进入存储罐，此时打开第一排出阀门，在压力的作用下将存储罐中的一部分蒸馏水排出，为反应气体二氧化碳留出存储空间，以保证整个系统中不会有空气进入，待排出一定体积蒸馏水后，关闭第一排出阀门；重新设置第二减压稳压阀，通过第一气瓶向存储罐中充入二氧化碳，待第二减压稳压阀的指针稳定后，关闭第二减压稳压阀及