一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統

《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》是中國地質調查局油氣資源調查中心於2013年4月26日申請的發明專利，該專利的申請號為2013202180989，公告號為CN203216761U，公告日為2013年9月25日，發明人是趙省民、鄧堅、饒竹、陸程、苗忠英、劉晨，該專利涉及氣體採集領域。

《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》包括集氣罐、水浴恆溫箱、震動台和集氣瓶，所述水浴恆溫箱放置於所述震動台上，所述集氣罐包括可拆分的罐體和罐體蓋，且所述罐體和罐體蓋能夠密封連線，採用所述採集系統採集岩心氣體時，裝有岩心樣品的罐體與罐體蓋在水浴恆溫箱的恆溫水浴環境下密封連線，且所述集氣瓶在恆溫水浴環境下連線於罐體蓋的集氣出口，該實用新型所述的採集系統從封裝水合物岩心樣品、釋放氣體、氣體採集、震盪集氣到氣體封存，整個過程一次完成，簡化了一系列中間過程，提高了氣體採集工作效率。

2014年11月6日，《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統
• 公告號：CN203216761U
• 公告日：2013年9月25日
• 申請號：2013202180989
• 申請日：2013年4月26日
• 專利權人：中國地質調查局油氣資源調查中心
• 地址：北京市朝陽區安外小關東里10號院東小樓
• 發明人：趙省民、鄧堅、饒竹、陸程、苗忠英、劉晨
• 分類號：G01N1/22（2006.01）I
• 代理機構：北京五月天專利商標代理有限公司
• 類別：實用新型專利
• 代理人：王振華

專利背景

天然氣水合物是一種高密度（1立方米可釋放164立方米的甲烷）的清潔能源，是全球煤、石油、天然氣等常規能源資源總和的2倍，已引起全球許多國家的高度關注。鑽探過程中，岩心釋放氣體量的大小，是現場快速判斷水合物存在與否的關鍵參數之一。因此，水合物鑽井岩心現場快速採氣裝置，是鑽探現場氣體採集、測量、進而快速判識水合物的重要基礎裝備。

經過文獻檢索，2013年4月前，中國國內外天然氣水合物鑽井岩心氣體採集方法，主要有頂空氣法和靜置排氣法。前者主要用於採集岩心（或岩屑）中的氣體，後者則用於採集水合物岩心的氣體，具體方法如下：

1、頂空氣法，具體操作是：將5厘米長的岩心樣品稱重並裝入配有隔墊的金屬罐中，加水使金屬罐與樣品之間充滿水，上部留有一定的空間位置（100毫升），水中加入2.3克的殺菌劑（sodiumazide），然後把樣品和水密封起來，倒置冷藏及運輸，送到實驗室後，將冷藏的樣品溫度恢復到20℃，再行5分鐘的高速機械振盪，然後取一定量的容器頂部空間氣體（15毫升）進行烴成分和同位素分析。該方法採用常溫機械振盪方式釋放氣體，優點是：野外操作簡單、快捷；缺點是：（1）隨著水合物的分解及氣體釋放，金屬罐內的壓力越來越大，抑制了水合物的分解，導致氣體釋放不完全；（2）分解釋放出的烴類氣體混入了金屬罐頂部預留空間的空氣，造成一系列分析誤差。

2、靜置排水法，具體操作是：選擇含量較高且肉眼可見的水合物岩心樣品，將其浸沒在水下，水合物分解釋放的氣體，用置換水法將釋放出的氣體收集到可用瓶塞密封的玻璃容器中，或暫時收集於60毫升的塑膠注射器內，然後導入專用的玻璃瓶中封存。該方法採用常溫下自然靜置釋放，排水取氣，優點是野外操作簡單，排除了空氣的影響；缺點是：（1）靜置自然釋放速度較慢；（2）樣品分解釋放受環境溫度影響較大，使得水合物分解程度不一，氣體釋放量誤差較大。

綜上所述，2013年4月前已有技術中存在的以上兩種方法均具有野外操作簡單的優點，但也都具有分解速度慢、效率低、不完全，以及易受環境溫度影響等缺點，而且還可能受到空氣混入污染的影響。

發明內容

專利目的

《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》為克服上述2013年4月前已有技術中的不足，提供一套能夠用於天然氣水合物鑽探現場岩心中烴類氣體的快速採集系統，該採集系統具備材質優良、操作簡便、工作效率高和收集氣體樣品質量好的優點。

技術方案

《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》包括集氣罐、水浴恆溫箱、震動台和集氣瓶，所述水浴恆溫箱放置於所述震動台上，所述集氣罐包括可拆分和密封連線的罐體和罐體蓋，採用所述採集系統採集岩心氣體時，裝有岩心樣品的罐體與罐體蓋在水浴恆溫箱的恆溫飽和鹽水環境下密封連線，且所述集氣瓶在恆溫飽和鹽水環境下連線於罐體蓋的集氣出口。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述罐體為上端開口、下端封閉的筒式結構，開口端用於放入岩心樣品和注入飽和鹽水，開口端外壁設有兩個以上的密封圈卡槽，且在所述密封圈卡槽內嵌有密封圈。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述罐體蓋為套裝在罐體開口端的可拆卸式集氣和導氣裝置，並通過所述密封圈與所述罐體形成滑動式密封連線。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述罐體蓋下部為圓筒狀、中部為圓台狀、上部為圓管狀，且罐體蓋下部圓筒內壁直徑略大於所述罐體開口端外壁直徑，罐體蓋中部圓台內壁光滑，罐體蓋上部圓管作為集氣導管伸入倒置的集氣瓶中。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中在所述集氣導管的底部設定有集氣導管開關，在所述集氣導管開關之上的集氣導管外壁設定有三個以上的集氣瓶托架，通過固定螺絲將所述集氣瓶扣卡固定於所述集氣瓶托架上，並保證所述集氣導管伸入所述集氣瓶內且其外壁與集氣瓶內壁間留有間隙。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述水浴恆溫箱包括水槽、集氣罐卡槽和溫度控制臺，所述水槽用於盛放飽和鹽水，所述集氣罐卡槽設定於所述水槽內，用於固定集氣罐，所述溫度控制臺設定於水槽外壁面上，用於自動調節水槽內的鹽水溫度。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述震動台包括減震器、震動台托盤、震動台控制開關和震動台基座，所述震動台托盤通過減震器設定于震動台基座上，所述震動台控制開關用於控制震動台托盤的震動，水浴恆溫箱卡扣於所述震動台托盤的檯面上。

進一步的根據該實用新型所述的採集系統，其中所述集氣瓶的瓶蓋帶有取氣孔和密封墊。

改善效果

通過該實用新型所述的岩心氣體採集系統至少能夠達到以下技術效果：

1、材質優良

（1）該實用新型所述系統中的集氣罐1所用材質為不鏽鋼質，內表面光滑，既抗磨耐用，又抗腐蝕，還能避免對岩心釋放出氣體的污染；

（2）該實用新型所述系統中的水浴恆溫箱2外體和震動台3主體均為型鋼（刷漆），水槽2-1和集氣罐卡槽為PPR塑膠，前者經久耐用，後者耐腐蝕，可長時間反覆使用。

2、操作簡便

（1）該實用新型所述系統在用集氣罐1取氣前，樣品放入、封蓋方便。將待採集氣體的水合物岩心樣品直接放入集氣罐罐體1-1後，將罐體蓋1-2套在罐體開口端輕輕按下即可封蓋，操作十分方便。填補了該領域尚無此類裝置的空白，也克服了相近領域類似裝置操作複雜之不足；

（2）該實用新型所述系統的取氣過程簡單方便。樣品放入集氣罐罐體1-1後，連同後者浸沒水浴恆溫箱的飽和鹽水下，並置於集氣罐卡槽2-2內，然後用罐體蓋1-2封蓋後，在水下將集氣瓶倒置套在集氣導管1-7上，固定後即開始了取氣，取氣結束後，在水下將集氣瓶擰緊密封即可送往現場實驗室直接測試或放入冰櫃冷藏室存放，操作十分方便。避免了用注射器扎入集氣罐抽取，再注入專用集氣瓶的繁瑣過程，也避免了轉置過程中空氣的混入。

3、工作效率高

（1）該實用新型所述系統中的集氣罐1在裝入、封蓋岩心樣品時，操作簡單輕鬆，中間環節少，提高了採氣樣品的封裝效率；

（2）該實用新型所述系統中的集氣罐1中的樣品在釋放氣體的同時，專用集氣瓶即開始了排水採氣，脫氣與取氣同時進行，克服了2013年4月前已有取氣、轉置等系列中間過程，提高了取氣效率；

（3）該實用新型所述系統中的集氣罐1在水浴恆溫箱2內加溫，可顯著加快水合物岩心的氣體釋放速度，提高了氣體採集效率；

（4）該實用新型所述系統中利用震動台3震盪集氣罐1，既加快了集氣罐1中水合物岩心樣品釋放氣體的速度，也可促進集氣罐1內壁上吸附的氣體匯集到集氣導管1-7，還保持了所有樣品採氣環境溫度的恆定。不僅保證了氣體收集的完全高效，而且保證了不同岩心採氣量的可比性；

（5）該實用新型所述系統從封裝水合物岩心樣品、釋放氣體、氣體採集、震盪集氣到氣體封存，整個過程一次完成，簡化了一系列中間過程，大大提高了氣體採集效率。

4、採集氣體樣品質量好

利用該實用新型所述裝置進行水合物岩心釋放氣體採集的所有操作，都是在飽和鹽水下操作完成的，既克服了混入空氣的污染，又可用鹽水即刻封存，可防止微生物對所採集水合物釋放氣體的破壞和改造，保證了所採集氣體樣品的質量。

附圖說明

圖1為該實用新型所述天然氣水合物鑽探現場岩心氣體採集系統的組件拆分示意圖；

圖2為該實用新型所述天然氣水合物鑽探現場岩心氣體採集系統的組裝使用結構示意圖。

圖中各附圖示記的含義如下：1為集氣罐：1-1為罐體、1-2為罐體蓋、1-3為密封圈卡槽、1-4為密封圈、1-5為集氣瓶托架、1-6為固定螺絲、1-7為集氣導管、1-8為集氣導管開關；2為水浴恆溫箱：2-1為水槽、2-2為集氣罐卡槽、2-3為溫度控制臺；3為震動台：3-1為減震器、3-2為震動台托盤、3-3為震動台控制開關、3-4為震動台基座；4為集氣瓶。

權利要求

1.《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》其特徵在於，包括集氣罐（1）、水浴恆溫箱（2）、震動台（3）和集氣瓶（4），所述水浴恆溫箱（2）放置於所述震動台（3）上，所述集氣罐（1）包括可拆分和密封連線的罐體（1-1）和罐體蓋（1-2），採用所述採集系統採集岩心氣體時，裝有岩心樣品的罐體（1-1）與罐體蓋（1-2）在水浴恆溫箱（2）的恆溫飽和鹽水環境下密封連線，且所述集氣瓶（4）在恆溫飽和鹽水環境下連線於罐體蓋（1-2）的集氣出口。

2.根據權利要求1所述的採集系統，其特徵在於，所述罐體（1-1）為上端開口、下端封閉的筒式結構，開口端用於放入岩心樣品和注入飽和鹽水，開口端外壁設有兩個以上的密封圈卡槽（1-3），且在所述密封圈卡槽（1-3）內嵌有密封圈（1-4）。

3.根據權利要求2所述的採集系統，其特徵在於，所述罐體蓋（1-2）為套裝在罐體（1-1）開口端的可拆卸式集氣和導氣裝置，並通過所述密封圈（1-4）與所述罐體（1-1）形成滑動式密封連線。

4.根據權利要求3所述的採集系統，其特徵在於，所述罐體蓋（1-2）下部為圓筒狀、中部為圓台狀、上部為圓管狀，且罐體蓋（1-2）下部圓筒內壁直徑略大於所述罐體（1-1）開口端外壁直徑，罐體蓋（1-2）中部圓台內壁光滑，罐體蓋（1-2）上部圓管作為集氣導管（1-7）伸入倒置的集氣瓶（4）中。

5.根據權利要求4所述的採集系統，其特徵在於，在所述集氣導管（1-7）的底部設定有集氣導管開關（1-8），在所述集氣導管開關之上的集氣導管外壁設定有三個以上的集氣瓶托架（1-5），通過固定螺絲（1-6）將所述集氣瓶（4）扣卡固定於所述集氣瓶托架（1-5）上，並保證所述集氣導管（1-7）伸入所述集氣瓶（4）內且其外壁與集氣瓶（4）內壁間留有間隙。

6.根據權利要求1-5任一項所述的採集系統，其特徵在於，所述水浴恆溫箱（2）包括水槽（2-1）、集氣罐卡槽（2-2）和溫度控制臺（2-3），所述水槽（2-1）用於盛放飽和鹽水，所述集氣罐卡槽（2-2）設定於所述水槽（2-1）內，用於固定集氣罐（1），所述溫度控制臺（2-3）設定於水槽外壁面上，用於自動調節水槽（2-1）內的鹽水溫度。

7.根據權利要求1-5任一項所述的採集系統，其特徵在於，所述震動台（3）包括減震器（3-1）、震動台托盤（3-2）、震動台控制開關（3-3）和震動台基座（3-4），所述震動台托盤（3-2）通過減震器（3-1）設定于震動台基座（3-4）上，所述震動台控制開關（3-3）用於控制震動台托盤（3-2）的震動，水浴恆溫箱（2）卡扣於所述震動台托盤（3-2）的檯面上。

8.根據權利要求1-5任一項所述的採集系統，其特徵在於，所述集氣瓶（4）的瓶蓋帶有取氣孔和密封墊。

實施方式

如附圖1所示，該實用新型所述天然氣水合物鑽探現場岩心中烴類氣體採集系統總體包括集氣罐1、水浴恆溫箱2、震動台3和集氣瓶4四部分（圖1）。其中，集氣罐1又包括罐體1-1、罐體蓋1-2、密封圈卡槽1-3、密封圈1-4、集氣瓶托架1-5、固定螺絲1-6、集氣導管1-7、集氣導管開關1-8；水浴恆溫箱2具體又包括水槽2-1、集氣罐卡槽2-2和溫度控制臺2-3；震動台3具體又包括減震器3-1、震動台托盤3-2、震動台控制開關3-3和震動台基座3-4。各部分的（圖1）進一步說明如下：

所述集氣罐1包括的罐體1-1為上端開口、下端封閉的筒式結構，開口端用於放入岩心樣品和注入飽和鹽水；開口端外壁設有兩個以上、優選為三個密封圈卡槽1-3，用於固定密封圈1-4，所述的密封圈1-4優選採樣橡膠密封圈。

集氣罐1包括的罐體蓋1-2為套裝在罐體1開口端的可拆卸式集氣和導氣裝置，用於匯集水合物岩心釋放的氣體進入專用集氣瓶4；罐體蓋1-2通過橡膠密封圈1-4與罐體1-1形成滑動的密封連線，以防氣體從連線處外漏。罐體蓋1-2下部為圓筒狀、中部為圓台狀、上部為圓管狀，罐體蓋1-2下部圓筒內壁直徑略大於罐體1-1開口端外壁直徑，確保罐體蓋1-2能輕鬆套在罐體1-1上；罐體蓋1-2中部為圓台狀，利於氣體匯集並進入集氣導管1-7，這部分內壁要求光滑，以減少吸著在內壁上的氣體量；罐體蓋1-2上部圓管可直接作為集氣導管1-7，用於將罐體1-1中釋放、罐體蓋1-2中匯集的氣體全部導入倒置的集氣瓶4，所述集氣瓶4為收集烴類氣體的專用集氣瓶；在集氣導管1-7底部設定有集氣導管開關1-8，用於控制集氣罐內氣體經過集氣導管通過，在集氣導管開關之上的集氣導管外壁設定有三個集氣瓶托架1-5，用於扣卡專用集氣瓶4，集氣瓶托架1-5的位置應以滿足集氣導管1-7伸入專用集氣瓶4為宜，固定螺絲1-6用於固定專用集氣瓶4，避免集氣瓶4內因氣體過多漂浮、歪斜造成氣體泄漏，集氣導管1-7深入集氣瓶內且其外壁與集氣瓶4內壁間留有間隙，以保證氣體進入集氣瓶4時，瓶內鹽水實時排出。

所述集氣瓶4為測試分析專用的進氣瓶，瓶蓋帶有取氣孔和密封墊，收集到的氣體帶水倒置在水下擰緊瓶蓋密封后，即刻送往現場實驗室直接分析。

所述水浴恆溫箱2包括的水槽2-1用於盛放飽和鹽水，盛放的飽和鹽水用於排替集氣罐1和集氣瓶4內的空氣並取氣，同時可抑制水中細菌的生長及細菌對瓶中烴類氣體的改造；包括的集氣罐卡槽2-2設定於所述水槽2-1內，用於固定集氣罐1，可根據需要設定多個卡槽2-2以使水浴恆溫箱2能夠同時放置多個集氣罐1；所包括的溫度控制臺2-3用於自動調節水浴恆溫箱的水槽2-1內的鹽水溫度，設定於水槽壁面上。

所述震動台3包括減震器3-1、震動台托盤3-2、震動台控制開關3-3和震動台基座3-4。所述震動台托盤3-2通過減震器3-1設定于震動台基座3-4上，所述震動台控制開關3-3用於控制震動台托盤3-2的震動。具體的所述減震器3-1用於減少和緩衝震動台托盤3-2的劇烈震動；所述震動台托盤3-2具體結構由電機加一對偏心輪組成，並通過一對吊架聯軸器安裝在台面（反面）中心位置，用於產生上下震動，托盤的台面（正面）上卡扣水浴恆溫箱2；震動台控制開關3-3用於控制震動時間，打開開關3-3時，震動台托盤3-2即可帶動裝有集氣罐1的水浴恆溫箱2做高頻震動，利於集氣罐內氣體的匯聚和收集。

該實用新型所述天然氣水合物鑽探現場岩心中烴類氣體採集裝置的操作使用方法如附圖2所示的：

首先將水浴恆溫箱2卡扣在震動台托盤3-2的台面（正面）上，檢驗震動台3震動是否正常。

接著將飽和鹽水倒入水浴恆溫箱的水槽2-1內，並確保水位能在取氣瓶4的瓶底之上，如附圖2所示。然後打開水浴恆溫箱溫度控制開關2-3，將溫度調至40℃，使水槽2-1內的飽和鹽水溫度恆定，並檢查橡膠密封圈1-4是否全部都裝在了罐體的密封圈卡槽1-3內。

然後進入取氣階段：將鑽探取出的岩心樣品迅速放入裝有清水的水桶清洗掉鑽井液及表面雜物，接著將樣品放入不鏽鋼罐體1-1內，將裝有樣品的罐體1-1放置於水浴恆溫箱水槽2-1內的集氣罐卡槽2-2中，讓罐體1-1內充滿飽和鹽水，此操作的目的是排除罐體1-1內的空氣。打開罐體蓋1-2的集氣導管開關1-8，並將罐體蓋1-2完全浸沒在水槽2-1內的飽和鹽水中，充分排出內部空氣，然後在水下將罐體蓋1-2扣置在罐體1-1上面。此時通過罐體上面自帶的橡膠密封圈1-4，可以充分保證罐體蓋1-2與罐體1-1緊密對接，不致讓釋放出的氣體從兩者之間的接合部溢出。然後根據岩心樣品特徵（岩性、裂隙等特徵）和在清洗樣品時是否有氣體釋放（氣泡）等情況的觀察，選取匹配岩心產氣量大小的集氣瓶4，保證收集到的氣體體積不應超過集氣瓶容積的4/5，使得集氣瓶內保留有一定量的飽和鹽水，避免氣體溢失，把選取的合適的集氣瓶4放入水槽2-1內的飽和鹽水中，將其充滿飽和鹽水，排出集氣瓶4中的空氣，在飽和鹽水水面以下將集氣瓶4扣置在罐體蓋1-2上面的集氣導管1-7上，並置於集氣瓶托架5上，擰緊固定螺絲1-6，確保集氣瓶4不會漂移或傾倒，這樣也保證了集氣導管1-7完全伸入到集氣瓶4的內部，保證了岩心釋放出的氣體全部進入到集氣瓶4。集氣導管7與集氣瓶8之間保持有一定的間隔，可確保氣體進入到集氣瓶4時將集氣瓶4中的飽和鹽水排出，在此狀態下開始取氣。

樣品氣體採集時間為2個小時，所有樣品都是在等溫（40℃）等壓（1個大氣壓）條件下進行，保證採氣溫度的一致樣品解吸條件的一致。採氣期間不斷開動震動台控制開關3-2，使震動台3進行上下高速震動，震動頻率為3000次/分鐘，震動幅度3毫米左右，目的是加快岩心氣體釋放速度，同時也可促進少量吸著在罐體1和罐體蓋1-2的內壁上氣體進入到集氣瓶4內，採氣期間，若氣體採集量超過集氣瓶容積4/5時，可關閉集氣導管開關1-8，更換新的集氣瓶，接著打開集氣導管開關1-8繼續採集氣體，直至採氣結束。

2小時後，在水下倒置擰緊收集氣體的集氣瓶4的瓶蓋，集氣瓶4瓶口朝下送到野外實驗室進行分析或存放在冰櫃里冷藏，樣品冷餐的原則，一是溫度儘量低，這樣能更好地抑制細菌活動和增長，二是確保集氣瓶4中的飽和鹽水不結冰，結冰可造成集氣瓶破裂，冷藏溫度在0-4℃之間比較合適。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種天然氣水合物鑽探現場岩心氣體的採集系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。