(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211032543.2 (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 青岛海洋地质研究所 地址 266237 山东省青岛市 即墨区观山路 596号 (72)发明人 张永超　刘乐乐　李彦龙　陈强　 胡高伟　李承峰　刘昌岭　 (74)专利代理 机构 青岛汇智海纳 知识产权代理 有限公司 373 35 专利代理师 雷斐　万桂斌 (51)Int.Cl. G01N 1/28(2006.01) G01N 23/046(2018.01) G01N 15/08(2006.01) G06F 30/20(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 海底受力条件下水合物反应过程模拟观测 装置及方法 (57)摘要 本发明涉及天然气水合物 微观探测领域， 特 别是一种海底受力条件下水合物反应过程模拟 观测装置及方法。 所述反应釜内沿其轴向中心设 有腔体， 腔体由上至下分为反应釜上腔体、 反应 釜下腔体和活塞腔体， 反应釜上腔体和反应釜下 腔体之间设有烧 结金属板， 反应釜下腔体的内径 尺寸大于反应釜上腔体内径尺 寸， 内径突变处设 置烧结金属板卡槽， 烧结金属板设置在烧结金属 板卡槽内， 烧 结金属板的外侧壁与烧 结金属板卡 槽的内侧壁之间设有环形密封圈I， 烧结金属板 的下方设有弹簧卡扣， 烧结金属板的下方封装有 反渗透膜。 实现不同静水压力和地层压力条件下 沉积物中水合物的生成和分解过程模拟， 并联合 CT技术实现上述水合物反应过程的实时观测。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115452505 A 2022.12.09 CN 115452505 A 1.一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 包括反应釜模块、 温度控制模 块、 流体注入 模块和应力施加模块， 反应釜模块包括反应釜(1)， 其特 征在于， 所述反应釜(1)内沿其轴向中心设有腔体， 腔体由上至下分为反应釜上腔体(19)、 反应 釜下腔体(23)和活塞腔体(25)， 反应釜上腔体(19)和反应釜下腔体(23)之间设有烧结金属 板(31)， 反应釜下腔体(23)的内径尺寸大于反应釜上腔体(19)内径尺寸， 内径突变处设置 烧结金属板卡槽(20)， 烧结金属板(31)设置在烧结金属板卡槽(20)内， 烧结金属板(31)的 外侧壁与烧结金属板卡槽(20)的内侧壁之间设有环形密封圈I(30)， 烧结金属 板(31)的下 方设有弹簧卡扣(22)， 烧结金属板(31)通过环形密封圈I(30)和弹簧卡扣(22)固定在烧结 金属板卡槽(20)内， 烧结 金属板(31)的下 方封装有反渗透膜(21)； 所述反应釜上腔体(19)的顶部开口处设有反应釜上端密封盖(17)， 反应釜上端密封盖 (17)与反应釜腔体内壁(27)的顶部密封固定连接， 反应釜上端密封盖(17)内贯通设置流体 注入孔(16)， 流体注入孔(16)与流体注入 模块连接； 所述反应釜下腔体(23)的底部设有可移动活塞(24)， 可移动活塞(24)的顶端与反应釜 下腔体内(23)的沉积物样 品直接接触， 其底端与反应釜下端密封盖(26)、 反应釜腔体内壁 (27)组成活塞腔体(25)， 活塞腔体(25)的侧面下部设有驱动流体注入口(28)， 应力施加模 块通过驱动流体注入口(28)与活塞腔体(25)连通； 所述活塞腔体(25)的底部开口处设有反应釜下端密封盖(26)， 反应釜下端密封盖(26) 与反应釜腔体内壁(27)的底部密封固定链连接； 所述反应釜上腔体和反应釜下腔体的外侧设有冷却循环液腔体(32)， 冷却循环液腔体 的侧壁与反应釜外壁之 间密封固定连接， 冷却循环液腔 体侧壁的底部 设有冷却循环液入口 (29)， 冷却循环液腔体侧壁的底顶部设有冷却循环液出口(18)， 冷却循环液入口(29)和冷 却循环液 出口(18)分别与温度控制模块连接 。 2.根据权利要求1所述的海底 受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 其特征在于， 所述反应釜上端密封盖(17)通过螺纹连接的方式与反应釜腔 体内壁(27)固定连接， 反应釜 上端密封 盖(17)和反应釜腔体内壁(27)之间设有环形密封圈I I(33)； 所述反应釜下端密封盖(26)通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁(27)固定连接， 反 应釜下端密封 盖(26)和反应釜腔体内壁(27)之间设有环形密封圈。 3.根据权利要求1所述的海底 受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 其特征在于， 所述流体注入模块用于水合物反应实验中的流体注入和静水压力控制， 包括供气瓶(3)、 供 气阀门(4)、 气体增压泵(5)、 平流泵(6)、 三通阀门(8)和压力表I(9)， 供气瓶(3)通过进气管 路与流体注入孔(16)连接， 该进气管路上依次设有供气阀门(4)、 气体增压泵(5)、 平流泵 (6)和三通阀门(8)。 4.根据权利要求1所述的海底 受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 其特征在于， 所述温度控制模块包括控温仪(10)， 控温仪(10)分别通过橡胶软管与冷却循环液入口(29) 和冷却循环液 出口(18)连接 。 5.根据权利要求1所述的海底 受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 其特征在于， 所述应力施加模块包括高压流体注入泵(11)、 压力表II(12)和流体注入阀门(13)， 高压流 体注入泵(11)通过连接管路与驱动流体注入口(28)连通， 连接管路上依次设有压力表II (12)和流体注入阀门(13)。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115452505 A 26.根据权利要求1所述的海底 受力条件下水合物反应过程模拟观测装置， 其特征在于， 该装置还包括尾气处理单元(2)， 尾气处理单元(2)通过三通阀门(8)与反应釜(1)连接， 尾 气处理单元(2)与三 通阀门(8)的连接管路上设有尾气阀门(7)。 7.一种利用权利要求1 ‑6任一权利要求所述装置进行海底 受力条件下水合物反应过程 模拟观测的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1.实验准备： 对装置进行连接和装配,依据实验目的配置沉积物岩土样品和孔隙水， 将岩土样品与 孔隙水充分 混合后， 量取合 适体积样品装入反应釜下腔体内； S2.排空： 将反应釜置于CT设备样品台上， 并将真空泵通过流体注入孔与反应釜连接， 逐步增加 真空泵的抽气速率， 对沉积物样品进行抽真空处理， 直至通过CT叠加投影观测到沉积物样 品中不再有气泡产生； S3.脱水过程及其观测： 打开流体注入阀门,开启高压流体注入泵， 向反应釜活塞腔体 内注入带压流体， 通过可 移动活塞对反应釜下腔 体内的沉积物样品施加轴向应力， 施加压力从常压逐步增加至预设 定地层压力， 压力施加过程中通过压力表I I观测压力变化； 当达到设定的地层压力后， 关闭流体注入阀门， 轴向施压过程促使沉积物脱水， 沉积物 样品中的孔隙水会缓慢流出， 并通过反渗透膜和烧结金属板流入反应釜上腔体中； 在脱水 过程前后以及脱水过程中， 对沉积物样品进行CT扫描， 获得饱和水沉积物在脱水过程中的 孔隙空间灰度图像； S4.水合物生成过程模拟与观测： 沉积物脱水过程完成 以后， 打开供气阀门、 气体增压泵、 平流泵和三通阀门， 通过气体 增压泵和平流泵向反应釜上腔体中注入高压气体， 增加施加在沉积物样品上 的静水压力， 通过压力表 Ⅰ观测到反应釜内压力稳定后， 关闭三 通阀门； 然后， 开启控温仪， 利用冷却液控制反应釜内的温度， 静置反应釜， 直至水合物生成， 水 合物生成过程中通过CT扫描获取 水合物生成过程中的沉积物孔隙空间灰度图像； S5.尾气处 理和装置清洗 。 8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于， 上述步骤S4完成后， 如需观测水合物分解 过程中的沉积物孔隙性质变化， 可以通过降低反应釜内的静水压力或通过控温仪增加反应 釜内的温度诱发水合物发生分解， 打开尾气阀门， 通过尾气处理单元对水合物分解产生的 有害气体进行处理； 水合物分解的过程中， 通过CT扫描获得沉积物样品孔隙空间的灰度图 像。 9.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于， 上述步骤S5中， 通过尾气处理单元观测到 不再有气泡产生视作水合物分解过程结束； 拆卸反应釜上下端密封盖， 取出可移动活塞、 金 属烧结板， 对反应釜腔体和管线 进行清洗和烘干 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115452505 A 3