[发明专利]一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用

说明书

本发明公开了一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用，它包括微量流体注射与压力控制单元、耐压微流控水合物反应单元、温度控制单元、生成气体处理单元及实时显示单元，各单元间通过管线或数据线相连，并通过相应阀门或开关进行控制，本发明应用微流控技术可模拟地层多孔介质中天然气水合物所处的真实低温高压环境；并可对水合物反应的微观过程进行实时的清晰观测；且能够针对气体水合物在微孔隙/喉道内的反应特征完成多种类型的实验，具有良好的实验可操作性与综合性。

技术领域

本发明属于水合物技术研究领域，具体涉及一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置及其应用。

背景技术

气体水合物是一类非化学计量笼形固态晶体，是由一种或几种气体或易挥发的液体和水在高压、低温的环境下相互作用而形成的包络状晶体。其中，天然气水合物是指由水分子和烃类气体分子组成的晶体化合物，属于一种清洁能源，在空气中燃烧后生成水和CO₂，对环境的污染小。天然气水合物分布广泛，大多分布于深水沉积物和陆上永冻土内。目前，在世界各地已经探明的天然气水合物储量约为全球不可再生能源的2.84倍左右。与传统能源(煤、石油)相比，天然气水合物具有清洁、储量丰富、能量密度高等特点，具有极高的资源价值。因此，天然气水合物具有极高的研究价值，已成为国内外学者研究的热点。

关于水合物的实验研究，当前大多集中在相态研究、抑制剂评价、开采方式优选等方面。这些方面的研究多采用大尺寸反应釜或密闭填砂筒进行实验探究，实验过程中难以精确模拟多孔介质的微孔隙形态，且不能直观的对水合物微观反应过程进行实时观测。

微流控技术是一种精确操控微量流体的新兴技术。由于它比传统实验手段分析时间短、灵敏度高、误差小，微流控已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片的诸多优点使它适用于模拟地层多孔介质内水合物相行为的相关研究：(1)微流控芯片的透明材质消除了传统方法的“黑盒效应”，实现了对体系内部的实时观测；(2)微米级的孔道刻蚀技术，可以精确地复制复杂的水合物地层微孔隙结构；(3)微量流体调控技术可以精确控制芯片内的流体压力与流速，以便更好的量化研究微孔隙内水合物的相态反应。

中国专利文献CN106969957A公开了一种多功能气体水合物实验系统，包括反应釜单元、温度控制单元、压力控制单元、数据采集单元和监测单元。反应釜单元包括核心设备高压可视反应釜；温度控制单元由恒温水浴控制反应釜内的温度；压力控制单元向反应釜通入/排出气体或溶液并控制反应釜内的压力；数据采集单元采集以上各单元的数据并进行分析；监测单元通过多种不同的测试手段如气相色谱和拉曼光谱等对实验进行监测。但是，该专利所述的高压可视反应釜无法模拟地层条件下的多孔介质环境，难以对微孔隙内水合物真实的反应情况进行研究。且所述的一种多功能气体水合物实验系统装置与管线阀门十分复杂，操作较为繁琐。

中国专利文献CN108519384A公开了一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法，包括低温恒温控制系统、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示系统；常压可视化反应装置包括温控循环箱、上下嵌出两个反应槽、循环液入口、循环液出口。两个反应槽可分别对砂岩多孔介质内水合物生成和分解过程，微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程进行观测。但是，该专利所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置使用环戊烷在大气压条件下进行实验，而天然气水合物主要由甲烷气体水合物在低温高压条件下生成与储存，因此该装置无法模拟真实地层条件下气体水合物的反应环境及反应过程；且该装置所使用的体式显微镜光学性能有限，难以对水合物反应过程中的相界面进行清晰的表征。

发明内容

本发明为了探究气体水合物在微孔隙内的微观反应过程，针对现有的技术缺陷，提供一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置。

与现有实验装置相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明应用微流控技术可精确模拟地层多孔介质中天然气水合物所处的真实低温高压环境；