天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實驗裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油天然氣、生態(tài)環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于模擬海底環(huán)境中 天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實驗裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物作為21世紀的重要能源已受到廣泛認可和高度關(guān)注。與此同時，作 為溫室氣體甲烷的最大載體，天然氣水合物又是一個潛在的氣候致變因子，其分解釋放氣 體可能引發(fā)一系列的負面環(huán)境效應(yīng)，如溫室效應(yīng)的加劇、海洋生態(tài)環(huán)境的變化以及海底滑 塌事件等。海底天然氣水合物發(fā)生分解時，其釋放氣體可在上覆沉積物、海水層中發(fā)生強烈 的好氧、厭氧氧化作用，削弱了向上運移進入海水、大氣層中的通量。因此，研究天然氣水合 物分解釋放氣體在上覆沉積物、海水層中的氧化特性，對準確評估其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有重 要的理論和實際意義。
[0003] 海底天然氣水合物發(fā)生分解后，其釋放的烴類氣體在沉積物層中擴散、運移時，如 果遇到合適的溫壓條件可以二次生成天然氣水合物;不能二次生成水合物的氣體，將繼續(xù) 向上滲逸，在缺氧沉積環(huán)境中將與硫酸鹽發(fā)生厭氧氧化反應(yīng)，或在有氧沉積環(huán)境中發(fā)生好 氧氧化反應(yīng)，進一步被消耗。研究發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境中這些厭氧/好氧氧化作用的發(fā)生，90%以 上的海底滲漏游離烴類氣體可在沉積物層中被氧化而消耗掉，降低了繼續(xù)向上運移進入海 水和大氣層中的通量。由此可見，定量研究天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物中的 氧化過程，有助于更好地認識水合物的異常分解對全球氣候、海洋生態(tài)環(huán)境的負面影響。
[0004] 目前，國內(nèi)外對海底沉積物中烴類氣體厭氧/好氧氧化作用的實驗研究多以靜態(tài) 氧化過程為主，研究對象為單一或混合輕烴氣體，尚未見將天然氣水合物的動態(tài)分解過程 與釋放氣體的連續(xù)高壓氧化過程聯(lián)系起來進行協(xié)同研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為彌補上述領(lǐng)域研究的不足，鑒于天然氣水合物樣品中不同客體分子的差異化分 解以及釋放后在海底沉積物、海水層中的連續(xù)動態(tài)氧化作用有別于單一或整體混合輕烴氣 體的靜態(tài)氧化過程，本發(fā)明提供一種用于模擬海底環(huán)境中天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高 壓氧化實驗裝置和方法，可實現(xiàn)不同實驗條件下天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物 或海水中的厭氧/好氧氧化作用。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實驗裝置，其主要包括生成-分解單 元、氣體連續(xù)高壓氧化單元和數(shù)據(jù)采集處理單元，且生成-分解單元與氣體連續(xù)高壓氧化單 元之間通過氣體質(zhì)量流量計和精密調(diào)壓閥連接;其中，
[0008] ( - )生成-分解單元:包括置于低溫恒溫箱內(nèi)的高壓反應(yīng)釜，釜體外部配有水浴夾 套，釜體底部設(shè)有磁力攪拌器；
[0009] (二)氣體連續(xù)高壓氧化單元:包括固體系統(tǒng)(沉積物柱層）、液體系統(tǒng)(海水層）、恒 溫水浴箱和抽真空系統(tǒng)，所述固體系統(tǒng)包括多根反應(yīng)筒，前一根反應(yīng)筒頂部與后一根反應(yīng) 筒的底部連接，所述液體系統(tǒng)包括依次連接的儲液罐、攪拌罐、平流栗和反應(yīng)罐，所述恒溫 水浴箱用于控制反應(yīng)筒和反應(yīng)罐內(nèi)溫度，所述抽真空系統(tǒng)與反應(yīng)筒、攪拌罐和反應(yīng)罐相連； 其中，采用三通連接精密調(diào)壓閥、第一根反應(yīng)筒底部和攪拌罐頂部，且管路上設(shè)置有多個閥 門；
[0010] (三)數(shù)據(jù)采集處理單元：通過光纖成像系統(tǒng)、計量控制系統(tǒng)、氣相色譜(GC-TCD/ FID)與同位素比值質(zhì)譜（IRMS)分析系統(tǒng)和溫壓實時監(jiān)測系統(tǒng)與計算機微處理器連接進行 同步監(jiān)測。
[0011] 所述生成-分解單元中的高壓反應(yīng)釜整體為快開結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍-50~50°C， 最高耐壓20MPa。
[0012] 所述反應(yīng)筒包括固定底座、水浴夾套、2個溫度傳感器和1個精密壓力傳感器，其頂 端設(shè)有1個氣體采樣端口，中部不同層位處設(shè)有4個取樣口，底端內(nèi)置微孔燒結(jié)板。
[0013] 所述儲液罐配有可視窗。
[0014] 所述攪拌罐底部設(shè)有磁力攪拌器，配有可視窗、1個溫度傳感器和1個精密壓力傳 感器。
[0015] 所述反應(yīng)罐底部設(shè)有磁力攪拌器，配有可視窗、水浴夾套、1個溫度傳感器、1個精 密壓力傳感器、1個背壓閥和氣體、液體采集端口。
[0016] -種采用所述裝置的天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實驗方法，其包括下 述實施步驟：
[0017] 1)根據(jù)海底沉積物層、海水層和沉積物-海水復合層三種不同的氧化實驗模式，調(diào) 節(jié)閥門選擇連接方式：當為海底沉積物層氧化實驗模式時，調(diào)節(jié)閥門使氣體僅流向固體系 統(tǒng)，且多根反應(yīng)筒采用串聯(lián)或并聯(lián)連接;當為海水層氧化實驗模式時，調(diào)節(jié)閥門使氣體僅流 向液體系統(tǒng)中的攪拌罐；當為沉積物-海水復合層氧化實驗模式時，調(diào)節(jié)閥門使氣體依次流 經(jīng)攪拌罐、平流栗、多根反應(yīng)筒和反應(yīng)罐；
[0018] 2)先檢查所有管線、電路連接是否正常，再開啟數(shù)據(jù)采集處理單元進入實驗軟件；
[0019] 3)將儲液罐中注入微生物培養(yǎng)液(也可包含海水等實驗液體試劑)并與所需氣體 鋼瓶相連接，然后向反應(yīng)筒中注入實驗沉積物和/或向反應(yīng)罐中注入海水；
[0020] 4)利用抽真空系統(tǒng)對整個實驗容器及管路抽真空；
[0021] 5)調(diào)節(jié)恒溫水浴箱的溫度至實驗設(shè)計溫度，以滿足水合物分解釋放氣體的氧化溫 度；
[0022] 6)在生成-分解單元內(nèi)，按照實驗需要合成天然氣水合物，待水合物生成并平衡一 定時間后，迅速降低溫度，并抽真空除去釜內(nèi)游離氣體，然后采用控溫或控壓的方法使合成 好的水合物樣品按照一定的速率進行分解；
[0023] 7)將分解氣體通過氣體質(zhì)量流量計和精密調(diào)壓閥控制，按照一定的流速輸入氣體 連續(xù)高壓氧化單元，定期采集樣品進行檢測。
[0024]當進行好氧氧化作用時，所需氣體為氧氣和/或氮氣；當進行厭氧氧化作用時，所 需氣體為氮氣和/或二氧化碳。
[0025]其中，所述生成-分解單元能實現(xiàn)天然氣水合物的快速生成與分解功能。所述液體 系統(tǒng)可模擬水合物分解氣體在海水層中的好氧/厭氧氧化反應(yīng)過程；固體系統(tǒng)可模擬水合 物分解氣體在沉積物柱層中的好氧/厭氧氧化反應(yīng)過程。所述數(shù)據(jù)采集處理單元的核心技 術(shù)在于引進了氣相色譜(GC-TCD/FID)與同位素比值質(zhì)譜（IRMS)分析技術(shù)、精密光纖成像技 術(shù)以及各種溫壓實時監(jiān)測技術(shù)，在水合物生成-分解-氧化過程中可同時多功能地對實驗溫 度、壓力、水合物形態(tài)、氣體含量及碳氫氧同位素值等實驗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。
[0026] 本發(fā)明的創(chuàng)新點如下：
[0027] (1)本發(fā)明設(shè)計了一套專門適用且不局限適用于海底環(huán)境下天然氣水合物分解釋 放氣體連續(xù)高壓氧化的實驗裝置，其儀器結(jié)構(gòu)簡單、易操作，可模擬單一海底沉積物層、單 一海水層、或沉積物與海水復合層中水合物分解釋放氣體的連續(xù)動態(tài)高壓氧化過程，包括 厭氧氧化作用和好氧氧化作用。
[0028] (2)本發(fā)明開發(fā)了一套海洋環(huán)境中天然氣水合物分解釋放氣體連續(xù)高壓氧化的實 驗方法，彌補了該領(lǐng)域的實驗技術(shù)空白，利用該方法可有效模擬海底環(huán)境下天然氣水合物 分解釋放氣體的連續(xù)高壓氧化過程，研究天然氣水合物分解過程中其釋放氣體（如CH 4、 C2H6、C3H8等)在上覆沉積物、海水層中的好氧/厭氧氧化特性，為水合物分解釋放氣體在海 洋環(huán)境中的迀移、轉(zhuǎn)化、碳循環(huán)等研究提供理論支持。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的水合物生成-分解-連續(xù)高壓氧化模擬實驗裝置示意圖。
[0030] 圖中各附圖標記為：1:生成-分解單元，2:反應(yīng)筒，3:恒溫水浴箱，4:精密壓力傳感 器，5 :溫度傳感器，6:氣體質(zhì)量流量計，7:精密調(diào)壓閥，8-1 :閥門I，8-2 :閥門Π ，8-3 :閥門 ΙΠ ，8_4:閥門 IV，8_5:閥門 V，8_6:閥門 VI，8_7:閥門 VH，8_8:閥門 VI，8_9:閥門 IX，8-10:閥 門X，9:氣體鋼瓶，10:儲液罐，11:攪拌罐，12:磁力攪拌器，13:平流栗，14:反應(yīng)罐，15:抽真 空系統(tǒng)，16:數(shù)據(jù)采集處理單元。
【具體實施方式】
[0031] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步解釋：
[0032] -種天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實驗裝置，其主要包括生成-分解單 元1、氣體連續(xù)高壓氧化單元和數(shù)據(jù)采集處理單元16,且生成-分解單元1與氣體連續(xù)高壓氧 化單元之間通過氣體質(zhì)量流量計6和精密調(diào)壓閥7連接;其中，
[0033] ( -）生成-分解單元1:包括置于低溫恒溫箱內(nèi)的高壓反應(yīng)釜，釜體外部配有水浴 夾套，釜體底部設(shè)有磁力攪拌器12;
[0034] (二)氣體連續(xù)高壓氧化單元:包括固體系統(tǒng)、液體系統(tǒng)、恒溫水浴箱3和抽真空系 統(tǒng)15,所述固體系統(tǒng)包括多根反應(yīng)筒2,前一根反應(yīng)筒2頂部與后一根反應(yīng)筒2的底部連接， 所述液體系統(tǒng)包括依次連接的儲液罐10、攪拌罐11、平流栗13和反應(yīng)罐14,所述恒溫水浴箱 3用于控制反應(yīng)筒2和反應(yīng)罐14內(nèi)溫度，所述抽真空系統(tǒng)15與反應(yīng)筒2、攪拌罐11和反應(yīng)罐14 相連;其中，采用三通連接精密調(diào)壓閥7、第一根反應(yīng)筒2底部和攪拌罐11頂部，且管路上設(shè) 置有多個閥門；
[0035](三)數(shù)據(jù)采集處理單元16:通過光纖成像系統(tǒng)、計量控制系統(tǒng)、氣相色譜(GC-TCD/ FID)與同位素比值質(zhì)譜（IRMS)分析系統(tǒng)和溫壓實時監(jiān)測系統(tǒng)與計算機微處理器連接進行 同步監(jiān)測。
[0036] 所述生成-分解單元1中的高壓反應(yīng)釜整體為快開結(jié)構(gòu)，帶透明視窗，工作溫度范 圍-50~50°C，最高耐壓20MPa，有效容積1000mL。
[0037] 所述反應(yīng)筒2有效內(nèi)徑φ60*400ιηιη，316不銹鋼材料，最高耐壓lOMPa，包括固定底 座、水浴夾套、2個溫度傳