(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 202210781621.2 (22)申请日 2022.07.04 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 孙翔　宋永臣　程凡宝　李洋辉　 吴鹏　刘卫国　赵佳飞　张伦祥　 陈冰冰　蒋兰兰　杨明军　刘瑜　 凌铮　陈聪　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 专利代理师 温福雪 (51)Int.Cl. B01J 3/04(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种监测气体水合物相变过程多物理场响 应的可视化低温高压反应釜 (57)摘要 本发明提供了一种监测气体水合物相变过 程多物理场响应的可视化低温高压反应釜。 所述 的反应釜是异形的扇形体结构， 温度、 压力传感 器在釜底 面和背面的径向上等差分布， 靠近圆心 的位置分布更密， 准确监测气体水合物相变剧烈 区域的温度场、 压力场。 通过在上盖和侧面布设 高压气囊对地层施加上覆压力和围压， 模拟真实 压力环境。 釜正面采用全可视化大视窗， 利用PIV 和DIC方法解析气体水合物相变过程流场、 饱和 度场和应变场的时空演化。 相对于传统圆柱体 反 应釜， 本发 明扇形体的结构设计和数值几何模型 的建模具有天然的准确匹配性， 通过更合理的传 感器布设， 配合可视化视窗监测， 实现气体水合 物相变全过程的瞬态、 多 点、 无损的热 ‑流‑力‑化 的多物理场监测。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115090216 A 2022.09.23 CN 115090216 A 1.一种监测气体水合物相变过程多物理场响应的可视化低温高压反应釜， 其特征在 于， 该可视化低温 高压反应釜包括可视化低温 高压反应釜主体、 围压加载系统、 釜内温度压 力监测系统、 位移及应 变监测系统； 可视化低温高压反应釜主体主要用于含水合物沉积物样品的制备和气体水合物的相 变实验， 其外形是圆心角为30 °的扇形体， 即沿着垂直于圆心角为30 °的扇形面的方向切割 圆柱体而成， 原圆柱体的半径和高的长度比大于2； 扇形体正面和后面是矩形， 上盖面和底 面是扇形， 除正面可视窗采用蓝宝石制成外， 其余部 分由不锈钢制成； 底面布设5个孔， 其中 1个是废液排出口， 4个是多点式热电阻接口， 4个热电阻接口开孔位于扇形的角平分线上， 沿径向向外、 间距按等差 分布； 上盖面布设3个孔， 其中2个位于角平分线 上， 分别是气 /液进 出口和预留口， 在满足安全校核的基础上尽量分别靠近上盖面的圆心和圆周， 中间1个是气 囊进排气接口； 后面布设15个孔， 用于外接压力传感器， 15个开孔按照轴向3行、 径向5列的 方式布设， 轴向上等间隔分布， 间隔距离是反应釜内高的四分之一， 径向上沿半径由圆心向 外、 间距按等差分布， 与热电阻接口开 孔公差相同； 围压加载系统包括气囊和外设供压设备； 气囊位于反应釜上盖面内侧和圆弧侧面内 侧， 用于载荷的施加来模拟地下上覆层压力和围压； 外接供压 设备通过高压软管连接气囊， 实现对气囊内气体压力的控制； 釜内温度压力监测系统主要由温度传感器和压力传感器组成； 其中温度传感器采用多 点式热电阻， 测温点 等间隔分布， 间隔距离是反应釜内 高的四分之一； 位移及应变监测系统主要由激光位移传感器、 PIV和DIC监测模块组成； 其中， 激光位移 传感器位于反应釜上盖面内侧， 气囊和沉积物之间， 用于观察沉积物沉降、 膨胀； PIV和DIC 监测模块主要由摄像机和图像处理系统组成， 摄像机透过正面可视窗拍摄图片， 利用PIV和 DIC技术处理采集的图像获得全过程的流场、 位移场及应 变场。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115090216 A 2一种监测气体水合物相变过 程多物理场响应的可视化低温 高 压反应釜 技术领域 [0001]本发明属于气体水合物基础物性研究技术领域， 涉及一种气体水合物相变过程多 物理场响应的可视化低温高压反应釜。 背景技术 [0002]气体水合物是一种由气体和水在低温高压的条件下形成的晶体化合物， 自然界冻 土和深海沉积物内的天然气水合物是一类储量巨大的清洁能源， 对其安全高效的开 发是解 决能源短缺的重要途经； 二氧化碳水合物作为碳封存的技术应用手段， 对于碳减排具有重 要意义。 气体水合物相变过程涉及热 ‑流‑力‑化多物理场耦合， 对相变过程多物理场准确、 实时的监测， 是实现气体水合物开发和技 术应用的前提。 [0003]实验室尺度的研究可以揭示气体水合物生成分解的热、 流、 力、 化多物理场控制机 理。 但Rossi,F.,M.Filipponi,and  B.Castellani,Investigation  on a novel reactor  for gas hydrate production中用于研究的反应釜腔体多为圆柱状， 在圆心轴向布设开采 井模拟气 体注入和产出。 一方面这种反应釜结构简单， 易于生产制造， 但是对于多物理场的 监测， 它只能通过在柱面和端盖处布设压力传感器和温度传感器进行压力和温度的监测， 然后根据气 体状态方程计算整个反应釜内水合物、 气、 水饱和度随时间的变化量， 无法获得 不同位置处的各相饱和度的演化。 同样的， 对于力场的监测， 其一般通过外 设加载装置计算 样品整体的受力情况变化， 无法获得空间变化， 虽然光纤植入监测的方法可以解决这个 问 题， 但是试样 内预埋光纤本身对试样的性质会产生影响， 这种侵入式的测量方式所获得 的 结果可靠性较低。 为了解 决无法监测试样内部物理场演化的缺陷， Wang,Z.,et  al.,Study   on the growth habit of methane hydrate at pore scale by visualization   experiment中在反应釜壁面处开设透明视窗[2]或者Almenningen,S.,et  al., Visualization  of hydrate formation  during CO2 storage in water‑saturated   sandstone中利用MRI[3]通过采集气体水合物相变过程中的图像对比水合物在空间分布的 演化， 但仍缺少对于力场的监测； Wu,P.,et  al.,Pore ‑Scale 3D Morphological  Modeling   and Physical  Characterization  of Hydrate‑Bearing Sediment  Based on Computed   Tomography中的CT(电子计算机断层扫描)三轴反应釜可以实现对气体水合物相变过程力 场和监测， 但是其造价昂贵， 扫描成像质量受扫描耗时的约束， 难以捕捉气 体水合物生 成分 解的瞬时变化。 另一方面， 传统的圆柱状的反应釜， 在物理实验和数值实验对接中准确性 差， 对数值模型 结果的物理实验 验证造成困难。 [0004]综上所述， 目前的反应釜难以对气体水合物相变过程的热 ‑流‑力‑化各物理场、 各 相的空间、 时间变化实时监测， 处于黑箱阶段。 本发 明提出一种可以监测气 体水合物生 成分 解过程的热 ‑流‑力‑化多物理场耦合响应的可视化低温高压反应釜。说　明　书 1/4 页 3 CN 115090216 A 3