本發明涉及一種天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統及基于該系統實現的天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試方法，屬于油氣勘探與開發天然氣水合物鉆芯甲烷解析與含量測定技術領域。

背景技術：

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，是地球上儲量最大的油氣資源，如何有效、安全地對其進行勘探、開發和利用是當前急切需要研究解決的問題。

天然氣水合物的可燃成分基本上是甲烷，還有少量其它輕烴類氣體。因此，準確測定天然氣水合物儲層中甲烷的含量及其分布是進行天然氣水合物勘探、開發和利用的強烈技術需求。目前，對天然氣水合物儲層進行鉆孔取芯，通過對鉆芯進行分析測試是獲得儲層甲烷含量的現實途徑。

截止目前，測定天然氣水合物儲層鉆芯中甲烷含量的方法主要有兩種：一是通過拉曼光譜獲得鉆芯中天然氣水合物甲烷籠占有率，并計算得到水合物指數，這是一種間接獲得甲烷豐度的方法，測量結果存在較大誤差。二是通過測定天然氣水合物分解前后的鉆芯重量差來計算其含氣量，這屬于直接測量方法，這種測量方式過于粗獷，誤差較大，且存在安全風險。

由上可知，對天然氣水合物儲層鉆芯進行控制性氣體分解，直接測定所分解出的甲烷量，無疑是獲得鉆芯甲烷含量數據的最佳方式，但是，目前還沒有可用于這種測試的專業儀器及相關技術。

固態地質樣品中的含氣量測量一般采用解析儀，目前出現了如下幾種含氣量測量儀：頁巖氣現場解吸附分析儀(參見公開號為cn104655522a的中國發明專利申請公開文獻)、全程可視化含氣量測試儀(參見公開號為cn202362222u的中國實用新型專利文獻)、含氣量測量及氣體采集裝置(參見公開號為cn103245588a的中國發明專利文獻)、含氣量測量裝置(參見公開號為cn103308634a的中國發明專利文獻)，等等。這些儀器的叫法雖然各不相同，但測試原理是相同的，即在受控條件下進行氣體解析，測量解析出的氣體體積，并且它們的裝置構成相似，都包括解析罐和氣體測量部件兩個基本結構單元。但是，這些儀器大多是針對頁巖氣和煤層氣鉆孔取芯而量身定制的，并不適用于對氣體分解溫度低、速度快、釋放體積大的天然氣水合物鉆孔巖芯的含氣量進行測量。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統及基于輕烴氣體含量解析測試系統實現的輕烴氣體含量解析測試方法，其針對天然氣水合物的獨特性質，借鑒現有頁巖氣鉆孔巖芯含氣量測試方法的經驗，加強了對分解室的密封、抗壓安全保障，增加了鉆芯樣品計重功能和分解溫度低溫控溫功能，增加了通過重力平衡實現氣體壓力緩沖功能的集氣室，克服了因天然氣水合物分解溫度低、速度快、釋放氣體體積大所帶來的技術困難和安全風險，安全實用，檢測靈敏度高，測量精度高，操作簡單安全，解決了天然氣水合物勘探、開發和利用對于準確測定天然氣水合物儲層中甲烷含量及其分布的強烈技術需求問題。

為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統，其特征在于：它包括控溫腔，控溫腔內設有計重部件，計重部件上放置密封式分解室，分解室的進氣口、出氣口上分別安裝有進氣口單向閥、出氣口氣路開關，分解室上還安裝有壓力計、安全閥，空氣源通過第一快速氣路接頭與進氣口單向閥連接，出氣口氣路開關通過第二快速氣路接頭與集氣室的進氣口連接，集氣室的出氣口、空氣源、氫氣源分別與氫火焰離子化檢測器的相應進氣口連接，集氣室上還設有取氣口。

在所述空氣源與所述分解室的進氣口之間的氣路上安裝有第一空氣流量控制閥；在所述空氣源與所述氫火焰離子化檢測器的相應進氣口之間的氣路上安裝有第二空氣流量控制閥；在所述氫氣源與所述氫火焰離子化檢測器的相應進氣口之間的氣路上安裝有氫氣流量控制閥；在所述集氣室的出氣口與所述氫火焰離子化檢測器的相應進氣口之間的氣路上安裝有分解氣體流量控制閥。

一種基于所述的天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統實現的天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試方法，其特征在于，它包括步驟：

1)關閉所述第一空氣流量控制閥、所述分解氣體流量控制閥，開啟所述第二空氣流量控制閥、所述氫氣流量控制閥，對氣路內流經氣體流量進行監測與控制；

2)點火啟動所述氫火焰離子化檢測器，使其達到穩定工作狀態；

3)讓所述進氣口單向閥、所述出氣口氣路開關處于關閉狀態；

4)將所述分解室置于所述控溫腔內的所述計重部件上，計量其空載質量；

5)打開所述分解室，將天然氣水合物鉆芯快速置于所述分解室內后立即扣合，使所述分解室呈密封狀態；

6)通過所述計重部件計量所述分解室載樣時的質量；

7)所述分解室通過所述第二快速氣路接頭、所述第一快速氣路接頭分別與所述集氣室、所述第一空氣流量控制閥連接好；

8)通過所述控溫腔對所述分解室所處溫度進行低溫控制，以避免所述分解室內天然氣水合物鉆芯的分解速度過快；

9)開啟所述進氣口單向閥、所述出氣口氣路開關，以及開啟所述第一空氣流量控制閥和所述分解氣體流量控制閥，對氣路內流經氣體流量進行監測與控制；

10)所述分解室內天然氣水合物鉆芯解析后產生的分解氣體通過所述集氣室的儲集和緩沖作用后進入所述氫火焰離子化檢測器進行檢測；

11)采集所述氫火焰離子化檢測器的檢測數據，直至天然氣水合物鉆芯完全分解；

12)處理所獲得的檢測數據，計算得到單位質量天然氣水合物鉆芯中輕烴氣體的含量。

本發明的優點是：

1、本發明對天然氣水合物儲層鉆芯的輕烴氣體含量采取的是直接測量方式，這種直接測量方式所得數據是天然氣水合物儲層輕烴氣體含量的直接反映，真實性高，可靠性高。

2、本發明采取低溫條件控制天然氣水合物分解速度，使得測試過程安全、可控。

3、本發明采用氫火焰離子化檢測器對甲烷等輕烴氣體進行選擇性檢測，檢測結果不受空氣侵入影響，鉆芯樣品加載操作簡單、快捷，有效減少了鉆芯樣品在加載過程中發生散失的問題，且檢測靈敏度和精度高。

4、本發明通過對天然氣水合物鉆芯分解過程中的氫火焰離子化檢測器檢測數據進行實時采集，基于氫火焰離子化檢測器的單位體積甲烷信號面積值，即可通過處理檢測數據獲得天然氣水合物鉆芯中輕烴氣體含量，計算方式簡單。另一方面，所得到的單位質量天然氣水合物鉆芯在單位時間內的輕烴氣體釋放量隨時間變化數據還反映出了鉆芯樣品氣體解析過程的動力學規律，可為相關天然氣水合物儲層開采的工程設計與實施提供指導性參考數據。

5、本發明加強了對分解室的安全保障措施，設置了內置電子計重功能和低溫控溫功能，設計了通過重力平衡實現氣體壓力緩沖的集氣室，克服了因天然氣水合物分解溫度低、速度快、釋放氣體體積大所帶來的技術困難和安全風險，并且進氣口上設置了進氣口單向閥，用于引入空氣來清除分解氣體殘余，使得測試操作方便、安全，測試數據完整、可靠。

6、本發明的集氣室采用密封式重力活塞設計，既具有儲集氣體的作用，又起到了緩解分解氣體過高壓力沖擊的作用，保障了氫火焰離子化檢測器可安全穩定地持續工作。

7、本發明設計了取氣口，它不僅供標定系統之用，還為分析鉆芯分解氣體的組成、收集鉆芯分解氣體樣品提供了便捷的取樣途徑。

附圖說明

圖1是本發明天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統構成示意圖。

圖2是人工合成天然氣水合物樣品的輕烴氣體分解速率曲線圖。

圖3是人工合成天然氣水合物樣品的輕烴氣體分解進程曲線圖。

具體實施方式

如圖1，本發明天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統包括控溫腔3，控溫腔3內設有計重部件2，計重部件2上放置密封式分解室1，分解室1的進氣口、出氣口上分別安裝有進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9，分解室1上還安裝有壓力計6、安全閥7，空氣源通過第一快速氣路接頭11與進氣口單向閥8連接，出氣口氣路開關9通過第二快速氣路接頭10與集氣室4的進氣口連接，集氣室4的出氣口、空氣源、氫氣源分別與氫火焰離子化檢測器5的相應進氣口連接，集氣室4上還設有取氣口16。

在本發明中，天然氣水合物鉆芯在分解室1內進行氣體解析，其溫度受控溫腔3控制。分解室1具有抗壓、密封設計。計重部件2用于計量天然氣水合物鉆芯質量。集氣室4起到對分解氣體進行儲集并緩沖其過高壓力的作用，從而保障氫火焰離子化檢測器5持續安全、穩定地工作，同時為采集鉆芯分解的氣體樣品提供實施條件。氫火焰離子化檢測器5用于對分解氣體實施檢測。

如圖1，在實際設計中，在空氣源與分解室1的進氣口之間的氣路上安裝有第一空氣流量控制閥12，在空氣源與氫火焰離子化檢測器5的相應進氣口之間的氣路上安裝有第二空氣流量控制閥13，在氫氣源與氫火焰離子化檢測器5的相應進氣口之間的氣路上安裝有氫氣流量控制閥14，在集氣室4的出氣口與氫火焰離子化檢測器5的相應進氣口之間的氣路上安裝有分解氣體流量控制閥15。

如圖1，集氣室4包括頂部敞口的集氣腔42，集氣腔42的敞口處密封地活動安裝有重力式活塞41，重力式活塞41可隨集氣腔42內流通氣體量的變化而上下運動，以緩沖分解室1內分解氣體產生的過高壓力。

在實際設計中，分解室1為可快速打開與扣合的密封式分解室，這樣的結構設計便于快速實施鉆芯樣品的加載，有效減少天然氣水合物氣體散失。

另外，分解室1的進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9的功能是，既能防止水合物分解氣體泄露，又能引入外來氣體實現對天然氣水合物分解余氣的清理。

在本發明中，控溫腔3、計重部件2、壓力計6、進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9、氫火焰離子化檢測器5、第一空氣流量控制閥12、第二空氣流量控制閥13、氫氣流量控制閥14、分解氣體流量控制閥15等與控制處理器連接，控制處理器用于發出控制指令、接收檢測數據以及進行相關數據處理等。

基于上述本發明天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試系統，本發明還提出了一種天然氣水合物鉆芯輕烴氣體含量解析測試方法，它包括步驟：

1)關閉第一空氣流量控制閥12、分解氣體流量控制閥15，開啟第二空氣流量控制閥13、氫氣流量控制閥14，對氣路內氣體流量進行監測與控制；

2)點火啟動氫火焰離子化檢測器5，使其達到穩定工作狀態；

3)讓進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9處于關閉狀態；

4)將分解室1置于控溫腔3內的計重部件2上，計量其空載質量；

5)打開分解室1，將天然氣水合物鉆芯快速置于分解室1內后立即扣合，使分解室1呈密封狀態；

6)通過計重部件2計量分解室1載樣時的質量；

7)分解室1通過第二快速氣路接頭10、第一快速氣路接頭11分別與集氣室4、第一空氣流量控制閥12連接好；

8)通過控溫腔3對分解室1所處溫度進行低溫控制，以避免分解室1內天然氣水合物鉆芯的分解速度過快；

9)開啟進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9，以及開啟第一空氣流量控制閥12、分解氣體流量控制閥15，對氣路內氣體流量進行監測與控制；

10)分解室1內天然氣水合物鉆芯解析后產生的分解氣體通過集氣室4的儲集和緩沖作用后進入氫火焰離子化檢測器5進行檢測；

11)采集氫火焰離子化檢測器5的檢測數據，直至天然氣水合物鉆芯完全分解；

12)處理所獲得的檢測數據，計算得到單位質量天然氣水合物鉆芯中輕烴氣體的含量。

在實際實施中，控溫腔3的溫度在1℃至15℃之間控制，第一空氣流量控制閥12控制空氣流速的上限在10ml/min至12ml/min之間，第二空氣流量控制閥13控制空氣流速在360ml/min至365ml/min之間，氫氣流量控制閥14控制氫氣流速在38ml/min至40ml/min之間，分解氣體流量控制閥15控制集氣室4送出的分解氣體流速的上限在25ml/min以內，氫火焰離子化檢測器5的工作溫度在190℃至250℃之間控制。

在執行步驟8～11)的過程中，從集氣室4上的取氣口16采集天然氣水合物鉆芯分解氣體樣品，來進行氣相色譜分析或用于儲集。

在實際實施中，步驟12)進一步包括：

基于通過甲烷標準氣體標定得到的氫火焰離子化檢測器單位體積甲烷信號面積(檢測信號的時間積分值)，對由氫火焰離子化檢測器5采集到的天然氣水合物分解產物的檢測數據進行積分處理，以及通過計重部件2獲得的天然氣水合物鉆芯質量(鉆芯質量＝分解室載樣時的質量-分解室空載質量)，計算并繪制出輕烴氣體分解速率曲線(單位時間、單位質量的天然氣水合物鉆芯分解氣體中的輕烴氣體體積(ml/kg/min)與分解時間點(min)的關系曲線，如圖2)，以及輕烴氣體分解進程曲線(單位質量的天然氣水合物鉆芯累積分解輕烴氣體體積(ml/kg)與累計分解時間(min)的關系曲線，如圖3)，從而，分解進程曲線中最后時刻的值即為單位質量天然氣水合物鉆芯中的輕烴氣體含量。

進一步，基于計算出的單位質量天然氣水合物鉆芯中的輕烴氣體含量，結合從取氣口16采集樣品進行氣相色譜分析得到的氣體組成數據，計算出單位質量天然氣水合物鉆芯的分解氣體中甲烷等各組分的含量。

在實際中，在執行步驟1)前還包括系統標定步驟，具體包括：

1)扣合分解室1，將分解室1置于控溫腔3中；

2)將分解室1與集氣室4、空氣源連接好；

3)開啟第一空氣流量控制閥12、第二空氣流量控制閥13、氫氣流量控制閥14、進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9和分解氣體流量控制閥15，對氣路內氣體流量進行監測與控制，其中，通常控制第一空氣流量控制閥12的空氣流速為10ml/min，并控制第二空氣流量控制閥13和氫氣流量控制閥14的流速以及氫火焰離子化檢測器5的工作溫度來保障氫火焰離子化檢測器5穩定工作；

4)點火啟動氫火焰離子化檢測器5，使其達到穩定工作狀態；

5)待系統穩定后，自取氣口16注入準確量取的甲烷標準氣體，由氫火焰離子化檢測器5檢測并采集檢測數據，直至全部甲烷被檢出；

6)處理檢測數據，通過求取甲烷檢測信號強度與檢測時間的積分值，計算出在系統環境下氫火焰離子化檢測器5的單位體積甲烷信號面積(檢測信號的時間積分值)，完成系統標定。

實施例：

(1)樣品：人工合成天然氣水合物樣品。

(2)儀器工作條件：控溫腔3的溫度3℃，第一空氣流量控制閥12限流10ml/min，分解氣體流量控制閥15限流20ml/min，第二空氣流量控制閥13流速360ml/min，氫氣流量控制閥14流速38ml/min，氫火焰離子化檢測器5的工作溫度250℃。

(3)系統標定：分別取5ml、25ml、45ml、65ml、85ml、120ml的甲烷體積分數為37.92％的氮氣基甲烷標準氣體，從取氣口16注入集氣室4，用氫火焰離子化檢測器5進行檢測，通過數據處理計算單位體積甲烷信號面積，完成對系統標定。

(4)樣品測試：

1)連通儀器氣路，設置儀器條件；

2)關閉第一空氣流量控制閥12、分解氣體流量控制閥15，開啟第二空氣流量控制閥13、氫氣流量控制閥14；

3)點火啟動氫火焰離子化檢測器5，使其達到穩定工作狀態；

4)關閉進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9；

5)在計重部件2上計量分解室1的空載質量；

6)打開分解室1，自液氮儲存罐內取出人工合成天然氣水合物樣品，迅速置于分解室1后立即扣合；

7)將載樣后的分解室1置于控溫腔3中的計重部件2上，計量其質量；

8)將分解室1分別與集氣室4、第一空氣流量控制閥12連接好；

9)打開進氣口單向閥8、出氣口氣路開關9、第一空氣流量控制閥12和分解氣體流量控制閥15；

10)氫火焰離子化檢測器5對分解氣體進行檢測，采集氫火焰離子化檢測器5的檢測數據，直至檢測信號回歸基線；

11)處理檢測數據，繪制出輕烴氣體分解速率曲線和輕烴氣體分解進程曲線。

(5)測試結果：

從圖2可以看到，人工合成天然氣水合物樣品中的輕烴氣體分解速率在開始階段是不斷上升的，在22min時達到峰值21.953ml/kg/min，隨后分解速率不斷降低，在47min時降到9.841ml/kg/min，隨后在7.9ml/kg/min～11.9ml/kg/min之間波動，最后在341min時，輕烴氣體分解速率突然降到1.136ml/kg/min，氣體釋放完畢。

從圖3可以看出，單位質量人工合成天然氣水合物樣品累積釋放的甲烷體積為3477.7ml/kg，此即其輕烴氣體含量。

以上所述是本發明較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發明保護范圍之內。