天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油天然气、生态环境技术领域，具体涉及一种用于模拟海底环境中 天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验装置和方法。
【背景技术】
[0002] 天然气水合物作为21世纪的重要能源已受到广泛认可和高度关注。与此同时，作 为温室气体甲烷的最大载体，天然气水合物又是一个潜在的气候致变因子，其分解释放气 体可能引发一系列的负面环境效应，如温室效应的加剧、海洋生态环境的变化以及海底滑 塌事件等。海底天然气水合物发生分解时，其释放气体可在上覆沉积物、海水层中发生强烈 的好氧、厌氧氧化作用，削弱了向上运移进入海水、大气层中的通量。因此，研究天然气水合 物分解释放气体在上覆沉积物、海水层中的氧化特性，对准确评估其生态环境效应具有重 要的理论和实际意义。
[0003] 海底天然气水合物发生分解后，其释放的烃类气体在沉积物层中扩散、运移时，如 果遇到合适的温压条件可以二次生成天然气水合物;不能二次生成水合物的气体，将继续 向上渗逸，在缺氧沉积环境中将与硫酸盐发生厌氧氧化反应，或在有氧沉积环境中发生好 氧氧化反应，进一步被消耗。研究发现，海洋环境中这些厌氧/好氧氧化作用的发生，90%以 上的海底渗漏游离烃类气体可在沉积物层中被氧化而消耗掉，降低了继续向上运移进入海 水和大气层中的通量。由此可见，定量研究天然气水合物分解释放气体在海底沉积物中的 氧化过程，有助于更好地认识水合物的异常分解对全球气候、海洋生态环境的负面影响。
[0004] 目前，国内外对海底沉积物中烃类气体厌氧/好氧氧化作用的实验研究多以静态 氧化过程为主，研究对象为单一或混合轻烃气体，尚未见将天然气水合物的动态分解过程 与释放气体的连续高压氧化过程联系起来进行协同研究。
【发明内容】
[0005] 为弥补上述领域研究的不足，鉴于天然气水合物样品中不同客体分子的差异化分 解以及释放后在海底沉积物、海水层中的连续动态氧化作用有别于单一或整体混合轻烃气 体的静态氧化过程，本发明提供一种用于模拟海底环境中天然气水合物释放气体的连续高 压氧化实验装置和方法，可实现不同实验条件下天然气水合物分解释放气体在海底沉积物 或海水中的厌氧/好氧氧化作用。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验装置，其主要包括生成-分解单 元、气体连续高压氧化单元和数据采集处理单元，且生成-分解单元与气体连续高压氧化单 元之间通过气体质量流量计和精密调压阀连接;其中，
[0008] ( - )生成-分解单元:包括置于低温恒温箱内的高压反应釜，釜体外部配有水浴夹 套，釜体底部设有磁力搅拌器；
[0009] (二)气体连续高压氧化单元:包括固体系统(沉积物柱层）、液体系统(海水层）、恒 温水浴箱和抽真空系统，所述固体系统包括多根反应筒，前一根反应筒顶部与后一根反应 筒的底部连接，所述液体系统包括依次连接的储液罐、搅拌罐、平流栗和反应罐，所述恒温 水浴箱用于控制反应筒和反应罐内温度，所述抽真空系统与反应筒、搅拌罐和反应罐相连； 其中，采用三通连接精密调压阀、第一根反应筒底部和搅拌罐顶部，且管路上设置有多个阀 门；
[0010] (三)数据采集处理单元：通过光纤成像系统、计量控制系统、气相色谱(GC-TCD/ FID)与同位素比值质谱（IRMS)分析系统和温压实时监测系统与计算机微处理器连接进行 同步监测。
[0011] 所述生成-分解单元中的高压反应釜整体为快开结构，工作温度范围-50~50°C， 最高耐压20MPa。
[0012] 所述反应筒包括固定底座、水浴夹套、2个温度传感器和1个精密压力传感器，其顶 端设有1个气体采样端口，中部不同层位处设有4个取样口，底端内置微孔烧结板。
[0013] 所述储液罐配有可视窗。
[0014] 所述搅拌罐底部设有磁力搅拌器，配有可视窗、1个温度传感器和1个精密压力传 感器。
[0015] 所述反应罐底部设有磁力搅拌器，配有可视窗、水浴夹套、1个温度传感器、1个精 密压力传感器、1个背压阀和气体、液体采集端口。
[0016] -种采用所述装置的天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验方法，其包括下 述实施步骤：
[0017] 1)根据海底沉积物层、海水层和沉积物-海水复合层三种不同的氧化实验模式，调 节阀门选择连接方式：当为海底沉积物层氧化实验模式时，调节阀门使气体仅流向固体系 统，且多根反应筒采用串联或并联连接;当为海水层氧化实验模式时，调节阀门使气体仅流 向液体系统中的搅拌罐；当为沉积物-海水复合层氧化实验模式时，调节阀门使气体依次流 经搅拌罐、平流栗、多根反应筒和反应罐；
[0018] 2)先检查所有管线、电路连接是否正常，再开启数据采集处理单元进入实验软件；
[0019] 3)将储液罐中注入微生物培养液(也可包含海水等实验液体试剂)并与所需气体 钢瓶相连接，然后向反应筒中注入实验沉积物和/或向反应罐中注入海水；
[0020] 4)利用抽真空系统对整个实验容器及管路抽真空；
[0021] 5)调节恒温水浴箱的温度至实验设计温度，以满足水合物分解释放气体的氧化温 度；
[0022] 6)在生成-分解单元内，按照实验需要合成天然气水合物，待水合物生成并平衡一 定时间后，迅速降低温度，并抽真空除去釜内游离气体，然后采用控温或控压的方法使合成 好的水合物样品按照一定的速率进行分解；
[0023] 7)将分解气体通过气体质量流量计和精密调压阀控制，按照一定的流速输入气体 连续高压氧化单元，定期采集样品进行检测。
[0024]当进行好氧氧化作用时，所需气体为氧气和/或氮气；当进行厌氧氧化作用时，所 需气体为氮气和/或二氧化碳。
[0025]其中，所述生成-分解单元能实现天然气水合物的快速生成与分解功能。所述液体 系统可模拟水合物分解气体在海水层中的好氧/厌氧氧化反应过程；固体系统可模拟水合 物分解气体在沉积物柱层中的好氧/厌氧氧化反应过程。所述数据采集处理单元的核心技 术在于引进了气相色谱(GC-TCD/FID)与同位素比值质谱（IRMS)分析技术、精密光纤成像技 术以及各种温压实时监测技术，在水合物生成-分解-氧化过程中可同时多功能地对实验温 度、压力、水合物形态、气体含量及碳氢氧同位素值等实验数据进行监测。
[0026] 本发明的创新点如下：
[0027] (1)本发明设计了一套专门适用且不局限适用于海底环境下天然气水合物分解释 放气体连续高压氧化的实验装置，其仪器结构简单、易操作，可模拟单一海底沉积物层、单 一海水层、或沉积物与海水复合层中水合物分解释放气体的连续动态高压氧化过程，包括 厌氧氧化作用和好氧氧化作用。
[0028] (2)本发明开发了一套海洋环境中天然气水合物分解释放气体连续高压氧化的实 验方法，弥补了该领域的实验技术空白，利用该方法可有效模拟海底环境下天然气水合物 分解释放气体的连续高压氧化过程，研究天然气水合物分解过程中其释放气体（如CH 4、 C2H6、C3H8等)在上覆沉积物、海水层中的好氧/厌氧氧化特性，为水合物分解释放气体在海 洋环境中的迀移、转化、碳循环等研究提供理论支持。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的水合物生成-分解-连续高压氧化模拟实验装置示意图。
[0030] 图中各附图标记为：1:生成-分解单元，2:反应筒，3:恒温水浴箱，4:精密压力传感 器，5 :温度传感器，6:气体质量流量计，7:精密调压阀，8-1 :阀门I，8-2 :阀门Π ，8-3 :阀门 ΙΠ ，8_4:阀门 IV，8_5:阀门 V，8_6:阀门 VI，8_7:阀门 VH，8_8:阀门 VI，8_9:阀门 IX，8-10:阀 门X，9:气体钢瓶，10:储液罐，11:搅拌罐，12:磁力搅拌器，13:平流栗，14:反应罐，15:抽真 空系统，16:数据采集处理单元。
【具体实施方式】
[0031] 以下结合附图对本发明作进一步解释：
[0032] -种天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验装置，其主要包括生成-分解单 元1、气体连续高压氧化单元和数据采集处理单元16,且生成-分解单元1与气体连续高压氧 化单元之间通过气体质量流量计6和精密调压阀7连接;其中，
[0033] ( -）生成-分解单元1:包括置于低温恒温箱内的高压反应釜，釜体外部配有水浴 夹套，釜体底部设有磁力搅拌器12;
[0034] (二)气体连续高压氧化单元:包括固体系统、液体系统、恒温水浴箱3和抽真空系 统15,所述固体系统包括多根反应筒2,前一根反应筒2顶部与后一根反应筒2的底部连接， 所述液体系统包括依次连接的储液罐10、搅拌罐11、平流栗13和反应罐14,所述恒温水浴箱 3用于控制反应筒2和反应罐14内温度，所述抽真空系统15与反应筒2、搅拌罐11和反应罐14 相连;其中，采用三通连接精密调压阀7、第一根反应筒2底部和搅拌罐11顶部，且管路上设 置有多个阀门；
[0035](三)数据采集处理单元16:通过光纤成像系统、计量控制系统、气相色谱(GC-TCD/ FID)与同位素比值质谱（IRMS)分析系统和温压实时监测系统与计算机微处理器连接进行 同步监测。
[0036] 所述生成-分解单元1中的高压反应釜整体为快开结构，带透明视窗，工作温度范 围-50~50°C，最高耐压20MPa，有效容积1000mL。
[0037] 所述反应筒2有效内径φ60*400ιηιη，316不锈钢材料，最高耐压lOMPa，包括固定底 座、水浴夹套、2个温度传