基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置及方法与流程

本发明属于天然气水合物成藏实验模拟技术领域，具体涉及一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置及方法。

背景技术：

天然气水合物是由天然气和水在较高的压力和较低的温度条件下形成的一种笼型结晶固体化合物，它广泛分布于自然界中的陆地冻土地层和近海陆坡储层中。按照成藏机制的不同，海洋沉积环境中的天然气水合物系统分为扩散型和渗漏型两类。与扩散型天然气水合物相比，渗漏型天然气水合物具有埋藏浅和储量大的特点，具有更大的开采和利用价值，近年来获得了国内外学者专家更多的关注。

渗漏型天然气水合物成藏的必要条件之一是深部天然气源源不断向上渗漏并穿过天然气水合物温度压力适宜沉积层，深部天然气向上渗漏的驱动力包括静水超压梯度和气水密度差导致的浮力。在自然界中，海洋静水超压梯度通常非常小，深部天然气向上渗漏过程受气水密度差导致的浮力控制，气体渗漏通量通常非常小，比如美国水合物海岭南部海域的气体通量仅为5.4×10^-10m³m^-2s^-1，世界上其它海域的气体通量还更小。在实验室内，考虑到时间成本和技术限制，海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验所采用的气体通量通常很大，即使可以选择不同气体通量的实验装置，比如申请号为“201010617478.0”，专利名称为“一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统”的发明专利所公开的技术方案，可选用的最小气体通量也远远大于自然界中真实的气体通量值，此时的气体渗漏受气体出入口压差控制，即受静水超压梯度控制，这与自然界中的真实情况不符，模拟的海洋渗漏型天然气水合物成藏过程代表性较差。

因此，研制一种新的技术方案，以在实验室内实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟，对于天然气水合物成藏室内实验模拟技术的发展具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对现有的室内模拟实验装置及方法难以实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟，导致模拟的海洋渗漏型天然气水合物成藏过程代表性较差的问题，提出一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置及方法，巧妙回避现有的气体微通量供给技术限制，达到实验室内模拟海洋渗漏型天然气水合物成藏过程更具代表性的目的。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置，包括土工离心机、挂篮总成和旋臂搭载设备总成；所述挂篮总成通过挂篮连接轴与土工离心机的旋臂的一端铰接，所述挂篮总成为水合物成藏模拟场所，土工离心机为水合物成藏提供至少几十倍重力加速度的离心加速度场；所述旋臂搭载设备总成固定设置在土工离心机的旋臂上，旋臂搭载设备总成通过管路线缆与挂篮总成相连，用以实现对水合物成藏的温度控制、气源提供及数据采集；

所述挂篮总成包括固定构件、高压仓、水浴夹套、挂篮钢架和测量探头，固定构件设置在高压仓内，水浴夹套设置在高压仓外侧，水浴夹套内冷媒与高压仓之间具有良好的换热条件，用以降低并控制高压仓与其内部构件的温度；高压仓的底部通过固定支柱与挂篮钢架固定连接，保证土工离心机工作和停机时高压仓的稳定；所述挂篮钢架采用高强度金属材质，通过挂篮连接轴连接高压仓与土工离心机旋臂，挂篮钢架六面采用中空设计，在保证刚度和强度足够的前提条件下尽量减小自身的重量；另外，在高压仓底面部分的水浴夹套在适当位置开孔，保证固定支座和在高压仓上开设的气体入口管道顺利穿过；

固定构件包括样品筒和固定框，高压仓包括通过卡套密封连接的高压仓圆筒和高压仓上盖，高压仓用以提供天然气水合物成藏模拟的场所；样品筒的底端与高压仓圆筒底面接触且密封连接，并通过固定框压紧固定，形成一个底端不透水的半开样品仓，用于放置含天然气水合物土体样品，含天然气水合物土体样品的高度小于样品筒的高度；

高压仓圆筒的底面中心开设有一气体入口，高压仓上盖的中心开设有一气体出口，气体出口的一侧安装有航空插头用于引出高压仓内测量线缆；水浴夹套的底部设置一个冷媒入口，上部设置一个冷媒出口，并且水浴夹套内设有导流槽，保证制冷和控温效果；

所述的测量探头包括布置于高压仓内的冷光源摄像头、温度探头和一对声波探头，分别对应的用于观测天然气水合物生长情况、测量含天然气水合物土体样品的温度和声波数据，测量探头线缆经由高压仓上盖的航空插头引出高压仓之外，汇集于挂篮连接轴。

进一步的，所述旋臂搭载设备总成包括低温恒温槽、气体供给罐和数据采集器，低温恒温槽、气体供给罐和数据采集器分别对应的通过相应的管路线缆与挂篮总成相连，低温恒温槽用以为水合物成藏提供低温环境，气体供给罐用以为天然气水合物成藏提供持续稳定的气源，数据采集器用以测量记录水合物成藏过程中的气体压力、温度和声波速度数据，以观察土体样品情况。

进一步的，所述的数据采集器包括声波发生器、声波采集卡、温度采集器、视频采集卡和数据图像存储终端，在保证功能的前提条件下采用集成设计方式以缩小体积，固定于土工离心机的离心旋转轴之上，数据采集器线缆沿旋臂固定并汇集于挂篮连接轴与挂篮总成的测量探头线缆相连接。

进一步的，所述气体供给罐为高强金属材质，固定于土工离心机旋臂上靠近离心旋转轴的位置，用以为天然气水合物成藏提供持续稳定的气源，通过气体供给管路和气体回收管路与高压仓内相连通并形成高压天然气循环回路，气体供给管路与气体入口相连通，而气体出口与气体回收管路相连通。

进一步的，所述低温恒温槽内自带循环泵，固定于土工离心机旋臂上靠近离心旋转轴的位置，通过冷媒供给管路和冷媒回收管路与水浴夹套相连通并形成冷媒循环回路，冷媒供给管路与冷媒入口相连通，而冷媒出口与冷媒回收管路相连通。

进一步的，在水浴夹套以及高压仓上盖外侧还设置有保温层，保温层采用酚醛泡沫材料，用以减少水浴夹套和高压仓与实验环境之间的换热量，提升制冷和控温的效果。

进一步的，所述声波探头采用弯曲元声波探头，即能够采集横波波速，又可以采集纵波波速，满足实验研究的需求。

进一步的，所有的冷媒循环管路、高压气体管路以及数据采集线缆均汇集于挂篮连接轴处，以避免离心机状态转化时导致的线缆管路破坏。

本发明另外还提出一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1、水合物成藏模拟实验准备：

在高压仓圆筒中安装含天然气水合物土体样品固定构件，分层装填土体样品，控制土体样品孔隙率在38％至40％之间，并对其饱和，安装高压仓上盖并固定好卡套；准备好高压气源，分别连接气体和冷媒循环管路、以及数据采集线缆；

步骤2、水合物成藏过程模拟：

开启低温恒温槽，降低高压仓与其内部构件的温度；

开启气源循环供给管路阀门，向饱和土体样品中恒速注入高压天然气；

开启数据采集器，测量记录气体压力、仓内温度和声波速度数据；

开启土工离心机，使其以一定转速高速旋转，制造几十倍甚至几百倍重力加速度的离心加速度场，开始浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟；

步骤3、水合物成藏过程监测：

持续测量气体压力、高压仓内温度和声波速度数据，关注声波速度随时间的变化情况，以此量化成藏过程中天然气水合物含量的变化；

步骤4、样品描述与实验整理：

关闭土工离心机，关闭气源循环管路阀门，放空高压仓内天然气，拆除高压仓的上盖，取出含天然气水合物土体样品进行观察拍照，将部分样品分解后计算天然气水合物饱和度；关闭低温恒温槽，清洗整理实验装置。

进一步的，所述步骤4中，将部分样品放置于密闭容器内升温分解，依据标准状态下产气体积v1计算天然气水合物饱和度sh：

其中，vsl是气体摩尔体积，m是天然气水合物摩尔质量，ρ是天然气水合物密度，以此天然气水合物饱和度为准校正声波速度异常确定的天然气水合物饱和度数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案在实验室内利用离心机高速旋转产生的离心加速度模拟重力场以提高浮力大小，通过设计挂篮总成和旋臂搭载设备总成，在实验室内利用离心机高速旋转产生的离心加速度模拟重力场：

(1)通过挂篮总成与旋臂搭载设备总成的配合，在强离心力的作用下，密度较大的土体颗粒和孔隙水倾向于沿转动径向远离土工离心机转轴的方向运动，而密度最小的注入天然气则沿转动径向被挤往靠近土工离心机转轴的方向，巧妙地实现了海洋渗漏型天然气水合物成藏过程的模拟；

(2)注入天然气在强离心力的作用下，可在极短的时间内穿过土体样品，能够显著提高注入天然气的循环效率，即使选用较小的气体通量，也能够在较短时间内完成海洋渗漏型天然气水合物成藏过程的模拟，大大缩短了实验时间提升了研究效率；

(3)进而在不改变气体通量的前提下实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟，另外，在高压仓内设置耐压冷光源摄像头和声波探头，既能够获得直观的含天然气水合物土体样品图像，又能够量化土体样品中天然气水合物的含量，为海洋渗漏型天然气水合物成藏过程的定量化系统性研究提供了完备的实验数据支撑。

总之，本方案在实验室内实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟，与自然界真实海洋沉积环境中渗漏型天然气水合物的成藏过程更为接近，达到室内模拟实验更符合现场实际情况的目的，对于天然气水合物成藏室内实验模拟技术的发展具有重要参考和借鉴价值。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置结构示意图；

图2为图1中挂篮截面结构示意图；

图3为本发明实施例实验过程中挂篮的状态结构示意图，离心机停机时的挂篮位于b位置，离心机正常高速旋转时的挂篮位于c位置；

其中：1、含天然气水合物土体样品；2、声波探头；3、方形样品筒；4、冷光源摄像头；5、温度探头；6、固定框；7、固定螺栓；8、气体入口；9、气体出口；10、航空插头；11、高压仓圆筒；12、水浴夹套；13、保温层；14、高压仓上盖；15、卡套；16、冷媒入口；17、冷媒出口；18、挂篮钢架；19、固定支座；20、挂篮连接轴；21、低温恒温槽；22、气体供给罐；23、数据采集器；24、气体回收管路；25、气体供给管路；26、冷媒回收管路；27、冷媒供给管路；28、数据采集线；29、离心旋转臂；30、配重；31、离心机底座；32、离心旋转轴。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

实施例1、一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验装置，如图1和图2所示，包括土工离心机、挂篮总成和旋臂搭载设备总成，所述挂篮总成通过挂篮连接轴20与土工离心机的土工离心机旋臂29的一端铰接，所述挂篮总成为水合物成藏模拟场所，土工离心机为水合物成藏提供至少几十倍重力加速度的离心加速度场(图1中虚线部分的土工离心机旋臂29、配重30、土工离心机底座31和离心旋转轴32的结构组成为成熟设备土工离心机核心部件，本发明对此不做限定)；所述旋臂搭载设备总成固定设置在土工离心机旋臂29上，挂篮总成与旋臂搭载设备总成之间连接有高压气体管路24和25、冷媒循环管路26和27、以及数据采集线缆28，用以实现对水合物成藏的温度控制、气源提供及数据采集，管路线缆均汇集于挂篮连接轴20以避免损毁。具体的：

如图1和图2所示，所述挂篮总成包括含天然气水合物土体样品1及其固定构件、高压仓、水浴夹套12、保温层13、挂篮钢架18和测量探头；含天然气水合物土体样品1的固定构件包括方形样品筒3、固定框6和固定螺栓7；方形样品筒3底端与高压仓圆筒11底面接触，两者之间布置有密封圈，通过固定框6和四根螺栓7进行压紧固定，形成一个底端不透水的半开样品仓，用于安置含天然气水合物土体样品1，且含天然气水合物土体样品1的高度小于方形样品筒3的高度。本实施例中，方形样品筒3的内部截面边长为240mm，深度为340mm，壁厚为5mm；固定框6为铜钱形状，外直径为360mm，内部方形镂空的边长为220mm，厚度为10mm；土体样品1横截面边长为240mm，高度可设置为300mm。

其中，高压仓为钛合金材质，设计工作压力上限为20mpa，可在零下5℃的低温条件下正常工作，用以提供一个天然气水合物成藏模拟的场所。所述高压仓由高压仓圆筒11和高压仓上盖14组成，两者之间布置有o型圈，通过卡套15实现固定密封。高压仓圆筒11的底面中心开孔设置一个气体入口8，高压仓上盖14的中心开孔设置一个气体出口9，在气体出口9的旁边开孔安装一个航空插头10用于引出高压仓内测量线缆。高压仓圆筒11的底面通过四根固定支座19与挂篮钢架18固接，保证土工离心机工作和停机时高压仓的稳定。本实施例中优选的，高压仓圆筒11的内直径为370mm，外直径为470mm，深度为370mm；高压仓上盖14的厚度为50mm，外直径为540mm；气体入口8和气体出口9均连接的高压管路，航空插头10采用12针式。

另外，水浴夹套12布置于高压仓圆筒11之外，水浴夹套12内冷媒与高压仓圆筒11具有良好的换热条件，用以降低并控制高压仓与其内部构件的温度。高压仓圆筒11底面部分的水浴夹套12在适当位置开孔，保证固定支座19和气体入口8管道顺利穿过。水浴夹套12的底部设置一个冷媒入口16，上部设置一个冷媒出口17，并且水浴夹套12内设有导流槽，保证制冷和控温效果。优选的，水浴夹套12外直径为540mm，高度为440mm，内部冷媒填充空间的厚度不小于30mm；冷媒入口16与冷媒供给管路27连通，冷媒出口17与冷媒回收管路26连通。

本实施例中，所述测量探头包括布置于高压仓内的一个冷光源摄像头4、一个温度探头5和一对声波探头2，耐高压15mpa以上，分别用于观测天然气水合物生长情况、测量含天然气水合物土体样品1的温度和声波数据。测量探头线缆经由高压仓上盖14的航空插头10引出高压仓之外，汇集于挂篮连接轴20。一对声波探头2采用弯曲元声波探头，即能够采集横波波速，又可以采集纵波波速，满足实验研究的需求。其中，一个冷光源摄像头4光源无明显热量输出，最低38万像素；一个温度探头5的量程为零下20℃至100℃，温度测量精度为±0.1℃；一对声波探头2选用弯曲元探头，耐低温高压，频率范围1khz～100khz，采样频率60mhz，垂直分辨率为12bit，探头轴线距离土体样品1底面距离为150mm。

所述挂篮钢架18采用高强度金属材质，通过挂篮连接轴20连接高压仓与土工离心机旋臂29；挂篮钢架18六面采用中空设计，在保证刚度和强度足够的前提条件下尽量减小自身的重量。如图2所示，挂篮钢架18为正方体形状，边长均为650mm，尺寸主要由土工离心机的大小控制。另外，本实施例中，所述的保温层13采用酚醛泡沫材料，紧密包裹于水浴夹套12之外以及高压仓上盖14之外，以减少水浴夹套12和高压仓与实验环境之间的换热量，提升制冷和控温的效果；保温层13的顶层和底层均在相应位置开孔，保证气体管路24和25、测量线缆28和固定支座19的顺利通过，优选的，保温层13的厚度不小于10mm。

继续参考图1，所述旋臂搭载设备总成主要包括低温恒温槽21、气体供给罐22和数据采集器23等，所述低温恒温槽21内自带循环泵，冷媒采用乙二醇，固定于土工离心机旋臂29上靠近离心旋转轴32的位置，通过冷媒供给管路27和冷媒回收管路26与水浴夹套12相连通并形成冷媒循环回路。冷媒供给管路27与冷媒入口16相连通，而冷媒出口17与冷媒回收管路26相连通。优选的，低温恒温槽21的控温范围是零下10℃至室温，控温精度不大于±0.5℃，在保证制冷控温效果的前提下尽可能选用小体积产品。

所述气体供给罐22为高强金属材质，耐压20mpa，固定于土工离心机旋臂29上靠近离心旋转轴32的位置，用以为天然气水合物成藏提供持续稳定的气源，通过气体供给管路25和气体回收管路24与高压仓内相连通并形成高压天然气循环回路。气体供给管路25与气体入口8相连通，而气体出口9与气体回收管路24相连通。优选的，气体供给罐22的有效容积为1l，气体循环管路规格为

所述数据采集器23包括声波发生器、声波采集卡、温度采集器、视频采集卡和数据图像存储终端等，在保证功能的前提条件下采用集成设计方式以缩小体积，固定于土工离心机的离心旋转轴32之上。数据采集器线缆28沿旋臂29固定并汇集于挂篮连接轴20与挂篮总成的测量探头线缆相连接。

需要说明的是，本实施例对某些部件的材质及具体尺寸等做了详细介绍，在未做特殊说明的情况下，仅表示举例说明，具体实施时，不以上述材质及参数范围做限制，以满足实际实验需求为准。

综上可知，本方案在实验室内利用离心机高速旋转产生的离心加速度模拟重力场，在强离心力的作用下，密度较大的土体颗粒和孔隙水倾向于沿转动径向远离土工离心机转轴的方向运动，而密度最小的注入天然气则沿转动径向被挤往靠近土工离心机转轴的方向，巧妙地实现了海洋渗漏型天然气水合物成藏过程的模拟，能够显著提高气与水密度差导致的浮力大小，进而可在不改变气体通量的前提下实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的模拟，巧妙回避了现有的气体微通量供给技术限制，最终达到实验室内模拟海洋渗漏型天然气水合物成藏过程更接近于自然界真实情况的目的。

实施例2、基于实施例1所公开的水合物成藏模拟实验装置，本实施例公开一种基于土工离心机的海洋渗漏型天然气水合物成藏模拟实验方法，具体的：

步骤1.实验前准备：

在高压仓圆筒11中放置方形样品筒3，盖上固定框6后上紧四根螺栓7进行固定；分层装填土体样品1并压实至300mm高度，控制土体样品孔隙率在38％至40％之间，并从土体样品1底部注水对其进行饱和；安装好冷光源摄像头4和温度探头5，安装高压仓上盖14并用卡套15固定；向气体供给罐22中注入天然气至10mpa，准备好循环供气高压气源后移除气瓶等构件，连接循环供气管路24和25、冷媒循环管路26和27、以及数据采集线缆28。

步骤2.成藏过程模拟：

开启低温恒温槽21，使冷媒在低温恒温槽21和水浴夹套12之间循环，降低高压仓、土体样品1、方形样品筒3和固定框6等构件的温度；开启气体供给罐22连接气体供给管路25和气体回收管路24阀门，从饱和土体样品1底部气体入口8恒速注入高压天然气，天然气透过土体样品1后，通过高压仓上盖14气体出口9经由气体回收管路24返回气体供给罐22，实现高压天然气的持续循环供应；开启数据采集器23，测量记录气体压力、仓内温度和声波速度数据，观察土体样品情况；开启土工离心机，使其以一定转速高速旋转，制造250倍重力加速度的离心加速度场，挂篮总成由初始的竖向位置b变为近似水平位置c，如图3所示，开始浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟。

在此需要说明的是，通过相关研究表明，通过无量纲参数rg的大小可以判断气体渗漏是由静水超压梯度控制还是浮力控制，其表达式为

式中，k0是土体样品的本征渗透率，是液相相对渗透率，qtot是气液两相流的总流量，μl是液相粘滞系数，ρl和ρg分别是液相和气相的密度，g是重力加速度。当rg＞＞1时，气体渗漏由浮力所控制，而当rg＜＜1时，气体渗漏由静水超压梯度所控制。可见，当参数恒定而采用较大的qtot时，如常规室内模拟实验的情况，无量纲参数rg＜＜1，气体渗漏由静水超压梯度所控制；如果利用土工离心机产生250倍重力加速度的离心加速度场，那么rg＞＞1将实现室内模拟实验气体渗漏由浮力所控制。特别地，250倍重力加速度的离心加速度场由小型土工离心机即可实现，如果采用更大型的土工离心机，产生的离心加速度最大甚至可达几千倍重力加速度，此时本发明提供的实验装置及方法将能够获得更好的应用效果。

步骤3.成藏过程监测：

持续测量气体压力、仓内温度和声波速度数据，观察含天然气水合物土体样品1上表面的变化情况，重点关注横波波速和纵波波速随时间的变化情况，以此量化成藏过程中天然气水合物含量的变化。

步骤4.样品描述与实验整理：

关闭土工离心机，待旋臂29静止后关闭气体供给管路25和气体回收管路24阀门，断开气源循环管路，从高压仓上盖14的气体出口9放空高压仓内天然气，拆除高压仓的上盖14，拆除四根固定螺栓7和固定框6，取出含天然气水合物土体样品1进行观察拍照，将部分样品放置于密闭容器内升温分解，依据标准状态下产气体积v1计算天然气水合物饱和度sh，计算式为其中，气体摩尔体积vsl＝22.4l，天然气水合物摩尔质量m＝124g/mol，天然气水合物密度ρ＝0.91g/ml。以此天然气水合物饱和度为准校正声波速度异常确定的天然气水合物饱和度数据；关闭低温恒温槽21，断开冷媒循环管路，清洗整理方形样品筒3和高压仓圆筒11等实验装置构件。

可见，本方案能够实现浮力控制的气体渗漏条件下天然气水合物成藏过程的快速高效模拟，与自然界真实海洋沉积环境中渗漏型天然气水合物的成藏过程更为接近，达到室内模拟实验更符合现场实际情况的目的，对于天然气水合物成藏室内实验模拟技术的发展具有重要参考和借鉴价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。