[发明专利]天然气水合物释放气体的连续高压氧化实验装置和方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

一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，

(一)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；

(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、平流泵和反应罐，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；

(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。

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℃，最高耐压20MPa。

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。

所述储液罐配有可视窗。

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。

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。

一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：

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、平流泵、多根反应筒和反应罐；

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；