一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置的制作方法

本发明公开了一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置，涉及天然气水合物开发领域，具体是用于微观观察天然气水合物生成、分解过程中具体参数的一种室内实验装置。

背景技术：

天然气水合物(naturalgashydrate，简称ngh)，是天然气在一定的低温、高压下与水形成的非化学计量笼形化合物，也被称为“可燃冰”。1m³天然气水合物可含164m³甲烷气和0.8m³的水。“可燃冰”是天然气的附生产品，应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代品。“可燃冰”极易燃烧，在同等条件下，“可燃冰”燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要高出数十倍，被誉为“属于末来的超级能源”。

我国的可燃冰储量十分丰富，根据调查研究，我国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。

目前天然气水合物开采技术仍处于摸索阶段，世界各国对天然气水合物的开发尚未制定出一套成型的标准，室内实验研究的方法仍是天然气水合物开采技术研究的主体，但目前针对天然气水合物的研究，更多关注于水合物宏观性质和物理性质的研究，很少有对水合物生成和分解过程的动态微观研究。

光刻玻璃模型是一种透明的二维模型，它采用光化学刻蚀技术，按天然岩心的铸体切片的真实孔隙系统精密地光刻到平面玻璃上制成，在结构上具有储层岩石孔隙系统的真实标配，相似的几何形状和形态分布。利用微观仿真模型，可以直观的观察天然气水合物晶体的生长、分解，对指导室内和现场试验有重要意义。

cn104407649b公布一种用于天然气水合物晶体生长光学观测的控温加压装置，通过在样品台上放置天然气水合物样品，并进行天然气水合物的原位生成与分解，实验参数通过计算机终端进行处理。但其天然气水合物样品放入样品台后，只能通过显微镜观测到样品表面变化，难以观察样品内部水合物生长及分解过程；且其发明装置气体入口、冷却剂入口只有一个，在向样品中饱和天然气和冷却剂时难以做到均匀饱和，对实验结果精度会有一定的影响。有鉴于此，本发明人提出一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置，以满足目前三维模拟实验装置的要求，并克服现有技术的缺陷，本发明实验装置采用三维可视化方式对开采天然气水合物生成、分解过程进行微观观察，本发明所用光刻玻璃采用光化学刻蚀技术，按天然岩心铸体切片的真实孔隙精密地光刻到平面玻璃上制成，保证了实验的精确性，对天然气水合物物性研究有一定的指导作用。

技术实现要素：

本发明公开了一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置，装置包括供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统以及监控系统，本发明采用光刻玻璃作为仿真孔隙模型系统的主体，通过供气系统、供液系统向仿真孔隙模型系统中供给天然气和水形成天然气水合物，通过生产系统对天然气水合物分解产物实施收集，通过监控系统对天然气水合物的生成、分解过程中天然气水合物晶体的生长、分解参数实施全程收集，本发明所用光刻玻璃采用光化学刻蚀技术，按天然岩心铸体切片的真实孔隙精密地光刻到平面玻璃上制成，保证了实验的精确性，对天然气水合物物性研究有一定的指导作用。

其中所述供气系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述供液系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述生产系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统相连接。

所述供气系统用于为所述仿真孔隙模型系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述仿真孔隙模型系统内部合成天然气水合物提供水；所述生产系统用于对仿真孔隙模型系统内部天然气水合物分解产物实施收集，并分析分解产物中天然气及水产量；所述仿真孔隙模型系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，且光刻玻璃作为仿真孔隙模型系统的主体；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

优选的，本发明的供气系统包括天然气瓶、调节阀门、增压装置、气体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；天然气瓶出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于天然气瓶和增压装置之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，气体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述仿真孔隙模型系统相连接。

所述供气系统中天然气瓶为常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述气体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的供液系统包括储水装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；储水装置出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于储水装置和增压装置之间，起到调节水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，液体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述仿真孔隙模型系统相连接。

所述供液系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述储水装置内部液体包括地层水、海水、模拟地层水及其他实验用水，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的生产系统包括密封接头、调节阀门、压力传感器、温度传感器、高压管线、回压阀、气液分离器、储水装置、气体中间容器；回压阀入口与密封接头通过高压管线连接，调节阀门、压力传感器、温度传感器位于密封接头与回压阀之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀起到模拟地层压力作用，所述回压阀出口与气液分离器相连接，气液分离器将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置，产出气供入气体中间容器；密封接头与仿真孔隙模型系统相连接，仿真孔隙模型系统工作产生的产出物通过密封接头进入生产系统。

所述生产系统中密封接头为具有连接及密封功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述回压阀为具有回压功能的常规室内实验设备，所述气液分离器为具有气液分离功能的常规室内实验设备，所述储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的仿真孔隙模型系统包括恒温箱、反应容器、螺栓孔、光刻玻璃、压力传感器、温度传感器、测温管、测压管、供气入口、供气管、供液入口、供液管、采出管、调节阀门、密封接头；反应容器由上盖板、底板和密封垫组成，上盖板、底板材质为钢化玻璃，密封垫材质为耐高压橡胶，螺栓孔贯穿上盖板及底板，所述上盖板位于所述底板上部，由螺栓孔用螺栓密封形成的长方体凹槽密闭空间，光刻玻璃放置于反应容器的凹槽中，压力传感器通过测压管连接于光刻玻璃，测压管位于反应容器内部，温度传感器通过测温管连接于光刻玻璃，测温管位于反应容器内部，供气入口通过供气管连接于光刻玻璃，供气管位于反应容器内部，供液入口通过供液管连接于光刻玻璃，供液管位于反应容器内部，密封接头通过采出管连接于光刻玻璃，采出管位于反应容器内部，调节阀门位于反应容器和密封接头之间的采出管上，所述反应容器、螺栓孔、光刻玻璃、压力传感器、温度传感器、测温管、测压管、供气入口、供气管、供液入口、供液管、采出管、调节阀门、密封接头均位于恒温箱内。

所述反应容器为凹槽型长方体钢化玻璃，其长度、宽度范围为10-20cm，高度范围为5-10cm，最高模拟储藏压力15mpa，所述温度传感器为具有温度监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备，所述压力传感器为具有压力监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备。

所述供气系统中分接阀门通过高压管线与所述仿真孔隙模型系统中供气入口相连接，所述供液系统所中分接阀门通过高压管线与所述仿真孔隙模型系统中供液入口相连接，所述生产系统中密封接头与所述仿真孔隙模型系统中密封接头相连接。

优选的，本发明的监控系统包括计算机、显微镜、传输电缆，所述显微镜用于实时观察光刻玻璃内部变化，所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、显微镜、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、显微镜成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

本发明实施例的一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置有益效果为：

1)本发明中供气系统与供液系统相互独立，在反应容器表面有多个供气入口及供液入口，使注入反应容器内部的天然气和水分部更为均匀，且相互独立的供给管路在向仿真孔隙模型系统中注入天然气和水时注入精度较高，通过控制供气系统及供液系统注入量，可模拟不同天然气水合物饱和度储藏。

2)本发明仿真孔隙模型系统中反应容器主体钢化玻璃为透明的，可以观察到天然气水合物生成及分解时不同时间段天然气水合物晶体的变化，对天然气水合物物性研究有一定的指导作用。

3)基于监控系统的应用，可有效采集试验中不同时间区段中温度、压力、产出物流量、显微镜成像及其他实验数据，可实时录入计算机中进行数模分析，用于将物理模拟实验结果与数值模拟实验结果相结合。

4)本发明使用的光刻玻璃模型是一种透明的二维模型，它采用光化学刻蚀技术，按天然岩心的铸体切片的真实孔隙系统精密地光刻到平面玻璃上制成，在结构上具有储层岩石孔隙系统的真实标配，相似的几何形状和形态分布，可提高实验精度及准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实验装置的结构示意图。

图2为供气系统详细结构示意图。

图3为供液系统详细结构示意图。

图4为生产系统详细结构示意图。

图5为仿真孔隙模型系统详细结构示意图。

图6为仿真孔隙模型系统侧视图。

附图标号：1、天然气瓶2、调节阀门3、增压装置4、气体流量计5、压力传感器6、温度传感器7、高压管线8、分接阀门9、储水装置10、液体流量计11、密封接头12、回压阀13、气液分离器14、气体中间容器15、恒温箱16、反应容器17、螺栓孔18、光刻玻璃19、测温管20、测压管21、供气入口22、供气管23、供液入口24、供液管25、采出管26、上盖板27、密封垫28、底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置的结构示意图，包括供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统以及监控系统；其中所述供气系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述供液系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述生产系统与仿真孔隙模型系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统相连接。

所述供气系统用于为所述仿真孔隙模型系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述仿真孔隙模型系统内部合成天然气水合物提供水；所述生产系统用于对仿真孔隙模型系统内部天然气水合物分解产物实施收集，并分析分解产物中天然气及水产量；所述仿真孔隙模型系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，且光刻玻璃作为仿真孔隙模型系统的主体；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、生产系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面对上述的一种天然气水合物光刻玻璃模型微观实验装置进行进一步的描述：

如图2所示，本实施例中，供气系统包括天然气瓶1、调节阀门2、增压装置3、气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

天然气瓶1出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于天然气瓶1和增压装置3之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述仿真孔隙模型系统相连接，用作向仿真孔隙模型系统供应天然气。

如图3所示，本实施例中，供液系统包括储水装置9、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

储水装置9出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于储水装置9和增压装置3之间，起到调节水供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述仿真孔隙模型系统相连接，用作向仿真孔隙模型系统供应水。

如图4所示，本实施例中，生产系统包括密封接头11、调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、回压阀12、气液分离器13、储水装置9、气体中间容器14。

回压阀12入口与密封接头11通过高压管线7连接，调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6位于密封接头11与回压阀12之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀12起到模拟地层压力作用，所述回压阀12出口与气液分离器13相连接，气液分离器13将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置9，产出气供入气体中间容器14，密封接头11与仿真孔隙模型系统相连接，仿真孔隙模型系统工作产生的产出物通过密封接头11进入生产系统。

如图5、6所示，本实施例中，仿真孔隙模型系统包括恒温箱15、反应容器16、螺栓孔17、光刻玻璃18、压力传感器5、温度传感器6、测温管19、测压管20、供气入口21、供气管22、供液入口23、供液管24、采出管25、调节阀门2、密封接头11、上盖板26、密封垫27、底板28。

反应容器16由上盖板26、底板28和密封垫27组成，上盖板26、底板28材质为钢化玻璃，螺栓孔17贯穿上盖板26及底板28，所述上盖板26位于所述底板28上部，由螺栓孔17用螺栓密封形成的长方体凹槽密闭空间，光刻玻璃18放置于反应容器16的凹槽中，压力传感器5通过测压管20连接于光刻玻璃18，测压管20位于反应容器16内部，温度传感器6通过测温管19连接于光刻玻璃18，测温管19位于反应容器16内部，供气入口21通过供气管22连接于光刻玻璃18，供气管22位于反应容器16内部，供液入口23通过供液管24连接于光刻玻璃18，供液管24位于反应容器16内部，密封接头11通过采出管25连接于光刻玻璃18，采出管25位于反应容器16内部，调节阀门2位于反应容器16和密封接头11之间的采出管25上，所述反应容器16、螺栓孔17、光刻玻璃18、压力传感器5、温度传感器6、测温管19、测压管20、供气入口21、供气管22、供液入口23、供液管24、采出管25、调节阀门2、密封接头11、上盖板26、密封垫27、底板28均位于恒温箱15内；

所述供气系统中分接阀门8通过高压管线7与所述仿真孔隙模型系统中供气入口21相连接，所述供液系统所中分接阀门8通过高压管线7与所述仿真孔隙模型系统中供液入口23相连接，所述生产系统中密封接头11与所述仿真孔隙模型系统中密封接头11相连接。

在本实施例中，所述监控系统包括计算机(图中未视)、显微镜(图中未视)、传输电缆(图中未视)，所述供气系统、供液系统、仿真孔隙模型系统、显微镜、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、显微镜成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面基于上述附图对本发明实施例装置工作流程进行如下介绍，本发明实施例工作流程分成以下步骤：

步骤一：采用光化学刻蚀技术，按天然岩心的铸体切片的真实孔隙系统光刻至平面玻璃上，制成待使用光刻玻璃18，将光刻玻璃18放入反应容器16，通过螺栓孔17对上盖板26、密封垫27、底板28实施密封，将压力传感器5连接于测压管20，将温度传感器6连接于测温管19，关闭与采出管25相连接的调节阀门2，将仿真孔隙模型系统放入恒温箱15。

步骤二：通过供气系统、供液系统向仿真孔隙模型系统中供入天然气和水生成天然气水合物，供气系统、供液系统中的增压装置3为仿真孔隙模型系统提供工作压力，将恒温箱15调节至模拟温度，将供液系统中调节阀门2开启，储水装置9中供给水进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接仿真孔隙模型系统中供液入口23，开启增压装置3将供给水供入仿真孔隙模型系统中，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测供液参数，供给水到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；将供气系统中调节阀门2开启，天然气瓶1中天然气进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接仿真孔隙模型系统中供气入口21，开启增压装置3将天然气供入仿真孔隙模型系统中，通过气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6实时监测供气参数，供入天然气到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；待天然气及供给水进入仿真孔隙模型系统后，将仿真孔隙模型系统恒温放置，待生成的天然气水合物物性稳定后进行下一步操作，通过监控系统实时采集实验过程中温度、压力、微镜成像及其他实验数据。

步骤三：通过生产系统实施水合物分解收集，将生产系统中密封接头11与仿真孔隙模型系统中密封接头11连接，将回压阀12调制模拟储藏压力，将调节阀门2开启，提高恒温箱15内部温度，使天然气水合物分解，通过气液分离器13对产出物实施气液分离，通过储水装置9对采出水进行收集，通过气体中间容器14对产出气进行收集，通过压力传感器5、温度传感器6实时记录实验参数；通过仿真孔隙模型系统中压力传感器5、温度传感器6实时记录水合物分解过程中实验参数；通过监控系统实时采集实验过程中温度、压力、产出物流量、微镜成像及其他实验数据。

上述步骤进行过程中，所述监控系统通过压力传感器5、温度传感器6、气体流量计4、液体流量计10及显微镜进行实时监测，并记录实验各个阶段具体参数，通过连接调节阀门2对实验过程进行操控。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。