矿物包裹体中气态烃氢同位素组成提取装置的制作方法

1.本实用新型属于矿物包裹体中气态烃氢同位素组成测定技术领域，具体涉及一种用于矿物包裹体中气态烃在线连续流爆裂提取装置。


背景技术：

2.矿物包裹体中的液相及气相组分，是在成矿作用过程中被捕获的参与成矿作用的介质，对于包裹体中气态烃氢同位素组成的研究，可以广泛应用于天然气藏的成因、油气源示踪、沉积环境、成藏演化和油气的形成阶段等方面。现有的技术当中，一般是直接将矿物包裹体中含氢物质全部转化为水，然后再与金属反应生成氢气，最后使用质谱仪的双路测试其氢同位素组成。由于含氢物质可以是h2o及气态烃ch4、c2h6等，气态烃氢同位素组成一般要远远偏负于h2o，对于h2o的含量远多于气态烃的流体包裹体，氢同位素组成接近于h2o，不能作为油气的指示指标，虽然其中h2o与气态烃发生过同位素交换，但是单独测试气态烃的氢同位素组成，对于油气藏的研究具有重要意义。
3.目前矿物包裹体氢同位素分析一般采用离线式机械破碎法、研磨法、热爆裂法等提取包裹体组分，然后利用同位素质谱仪的双路测试同位素比值，或者采用在线高温裂解法测试。机械破碎法在破碎样品的过程中，会有一部分的矿物没有破碎，即使破碎的矿物中也仍然含有大量的细小包裹体，需要的样品量大，效率低下。研磨法需要特制的球磨机，而且需要接入真空设备，装置昂贵，磨碎样品费时费力。传统的真空爆裂法温度较高，在真空状态下爆裂释放出来的包裹体各组分之间以及包裹体组分与主矿之间可能会引起同位素的分馏。在线高温裂解法直接测试全部的含氢物质的氢同位素组成，含氢物质太少时，会造成质谱峰过低而不能检测其氢同位素组成，并且不能单独测试包裹体中气态烃的氢同位素组成，对气态烃气体来源等信息指示意义不大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种矿物包裹体中气态烃在线连续流状态下的爆裂提取转化装置，解决离线前处理制样效率低下及同位素分馏的问题，提高同位素数据的精确性及测试效率。
5.实现本实用新型目的的技术方案：一种矿物包裹体中气态烃氢同位素组成提取装置，该装置包括第一温控加热箱、第二温控加热箱、安装在第一温控加热箱内的第一六通阀、安装在第二温控加热箱内的第二六通阀，第一氦气进气口依次经第一水阱、进样柱头与第一六通阀连通，第二氦气进气口经第二水阱与第一六通阀连通，第三氦气进气口依次经石英反应管、第三水阱与第一六通阀连通；氧化铜反应管的两端分别与第一六通阀和第二六通阀连通；水样收集管的两端与第二六通阀连通，水样收集管置于冷冻杯内，电加热装置与水样收集管连接；第四氦气进气口经第四水阱与第二六通阀连通；单开口石英管的开口与第二六通阀连通；高温裂解炉的一端与第二六通阀连通，高温裂解炉的另一端依次与气相色谱柱、气体转换接口装置conflo、稳定同位素质谱仪连通，气体转换接口装置conflo还
与参考气氢气连通。
6.所述的第一氦气进气口依次经第一水阱、进样柱头与第一六通阀的第二端口连通。
7.所述的第二氦气进气口经第二水阱与第一六通阀的第六端口连通。
8.所述的第三氦气进气口依次经石英反应管、第三水阱与第一六通阀的第四端口连通。
9.所述的氧化铜反应管的两端分别与第一六通阀的第三端口和第二六通阀的第六端口连通。
10.所述的水样收集管的两端分别与第二六通阀的第二端口、第五端口连通。
11.所述的高温裂解炉与第二六通阀的第四端口连通。
12.所述的单开口石英管的开口与第二六通阀的第一端口连通。
13.所述的第三氦气进气口与石英反应管之间设有第一快速接头，石英反应管与第三水阱之间设有第二快速接头。
14.所述的石英反应管嵌套于第一温控加热炉内。
15.所述的氧化铜反应管置于第二温控加热炉内。
16.本实用新型的有益技术效果在于：
17.(1)本实用新型采用氦气作为在线连续流系统的保护载气，各路氦气使用填充高氯酸镁的水阱对氦气中可能存在的微量水进行吸收干燥，避免载气中微量的水对气态烃氢同位素组成测试结果的影响。
18.(2)本实用新型采用在线连续流方式，将矿物包裹体爆裂装置、甲烷氧化、产物水收集装置与稳定同位素质谱仪连接，实现矿物在氦气流环境中在线加热爆裂、甲烷的在线氧化、氧化产物水的在线收集、水的电加热释放的方式进入稳定同位素质谱仪测试，相对传统离线方法，样品量从10
‑
20g降低到本系统的1
‑
2g，样品量大大降低，从而有效的降低了选矿工作量及科研成本，提高科研效率。
19.(3)本实用新型采用直通式石英管作为矿物爆裂的反应管，石英管的两端使用快速接头连接至在线系统，便于拆卸、快速装样及换样，通过六通阀的设计，可以先对反应管中的空气使用高纯氦气吹扫10分钟，然后在200℃爆裂10分钟除去样品表面吸附的气体、水分及低温次生包裹体，针对不同的矿物及不同的研究需要设置不同的爆裂温度，爆裂出来的水及气体被氦气迅速带离高温区，包裹体释放出来后在氦气的保护中能够迅速的转移走从而减少同位素交换的发生，填充高氯酸镁的水阱吸收水。
20.(4)本实用新型采用气态烃及其它气体经过填充氧化铜的反应炉，气态烃与800℃的氧化铜反应生成co2及h2o，h2o被
‑
80℃的酒精干冰冷冻收集，用于氢同位素组成分析，co2及其它气体排入空气，该方式能够满足仅对气态烃的氢同位素分析，有利于获得更加有效的科研数据。
21.(5)本实用新型采用瞬间接通电流方式，可以对水样收集管快速加热升温，从而实现固态水的瞬间汽化要求，水汽在氦气的带动下进入1380℃的高温裂解炉中，与玻璃碳反应生成h2及co，由色谱柱分离后先后进入质谱仪测试氢同位素组成。
22.(6)本实用新型采用温控加热箱对六通阀、加热带及相关管路加热到150℃以上，确保h2o经过的管路都处于气体状态，防止管道对h2o的吸附从而造成同位素分馏的情况发
生。
23.(7)本实用新型采用双六通阀设计，矿物包裹体气态烃的氧化富集与标准进样富集方便切换，样品与标准的收集、汽化、高温分解反应、色谱分离进样路径一致，解决了气态烃氢同位素的在线精确定值问题。
附图说明
24.图1为本实用新型所提供的一种矿物包裹体中气态烃提取装置的结构示意图。
25.图中：1为第一氦气进气口，2为第一水阱，3为进样柱头，4为第一温控加热箱；
26.5为第一六通阀，其中，5
‑
1为第一六通阀第一端口，5
‑
2为第一六通阀第二端口，5
‑
3为第一六通阀第三端口，5
‑
4为第一六通阀第四端口，5
‑
5为第一六通阀第五端口，5
‑
6为第一六通阀第六端口；
27.6为第二氦气进气口，7为第二水阱，8为第三氦气进气口，9为第一快速接头，10为石英反应管，11为第一温控加热炉，12为第二快速接头，13为第三水阱，14为氧化铜反应管，15为第二温控加热炉；
28.16为第二六通阀，其中，16
‑
1为六通阀第一端口，16
‑
2为六通阀第二端口，16
‑
3为六通阀第三端口，16
‑
4为六通阀第四端口，16
‑
5为六通阀第五端口，16
‑
6为六通阀第六端口；
29.17为第二温控加热箱，18为单开口石英管，19为第四水阱，20为第四氦气进气口，21为水样收集管，22为冷冻杯，23为电加热装置，24为高温裂解炉，25为气相色谱柱，26为参考气氢气，27为气体转换接口装置conflo，28为稳定同位素质谱仪。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
31.如图1所示，本实施例的一种矿物包裹体中气态烃氢同位素组成在线连续流分析提取装置，该装置包括第一氦气进气口1、第二氦气进气口6、第三氦气进气口8、第四氦气进气口20、第一水阱2、第二水阱7、第三水阱13、第四水阱19、进样柱头3、第一温控加热箱4、第二温控加热箱17、第一六通阀5、第二六通阀16、第一快速接头9、第二快速接头12、石英反应管10、第一温控加热炉11、第二温控加热炉15、氧化铜反应管14、单开口石英管18、水样收集管21、冷冻杯22、电加热装置23、高温裂解炉24、气相色谱柱25、参考气氢气26、气体转换接口装置conflo 27及稳定同位素质谱仪28。如图1所示，第一氦气进气口1依次经第一水阱2、进样柱头3，与第一六通阀5的第二端口5
‑
2相连；第一氦气进气口1通过管线与第一水阱2的进口连通，第一水阱2的出口通过管线与进样柱头3的进口连通，进样柱头3的出口通过管线与第一六通阀5的第二端口5
‑
2连通。
32.第二氦气进气口6经第二水阱7，与第一六通阀5的第六端口5
‑
6相连；第二氦气进气口6通过管线与第二水阱7的进口连通，第二水阱7的出口通过管线与第一六通阀第六端口5
‑
6连通。
33.第三氦气进气口8依次经第一快速接头9、石英反应管10、第二快速接头12以及第三水阱13，与第一六通阀5的第四端口5
‑
4相连；第三氦气进气口8通过管线与第一快速接头9的一端连通，第一快速接头9的另一端通过管线与石英反应管10的进口连通，石英反应管
10的出口连通，通过管线与第二快速接头12的一端连通，第二快速接头12的另一端通过管线与第三水阱13的进口连通，第三水阱13的出口通过管线与第一六通阀5的第四端口5
‑
4连通。
34.氧化铜反应管14的两端分别与第一六通阀5的第三端口5
‑
3和第二六通阀16的第六端口16
‑
6相连；氧化铜反应管14的一端通过管线与第一六通阀5的第三端口5
‑
3连通，氧化铜反应管14的另一端通过管线与第二六通阀第六端口16
‑
6连通。
35.水样收集管21的两端分别与第二六通阀16的第二端口16
‑
2及第五端口16
‑
5相连；水样收集管21的一端通过管线与第二六通阀16的第二端口16
‑
2连通，水样收集管21的另一端通过管线与第二六通阀16的第五端口16
‑
5连通。
36.第四氦气进气口20经第四水阱19与第二六通阀16的第三端口16
‑
3连接；第四氦气进气口20通过管线与第四水阱19的进口连通，第四水阱19的出口通过管线与第二六通阀16的第三端口16
‑
3连通。
37.第二六通阀16的第四端口16
‑
4通过管线与高温裂解炉24的进口连通，高温裂解炉24的出口通过管线与气相色谱柱25的进口连通，气相色谱柱25的出口、参考气氢气26的出口分别通过管线与气体转换接口装置conflo27的进口连通，气体转换接口装置conflo 27的出口通过管线与稳定同位素质谱仪28的进口连通。氦气从第二六通阀16的第四端口16
‑
4出来经过高温裂解炉24、气相色谱柱25、气体转换接口装置conflo 27到达稳定同位素质谱仪28。
38.其中，石英反应管10嵌套于第一温控加热炉11凹槽内；氧化铜反应管14置于第二温控加热炉15凹槽内。单开口石英管18的开口向下且管线置于其底部，单开口石英管18的开口通过该管线与第二六通阀16的第一端口16
‑
1连通。水样收集管21置于冷冻杯22内；电加热装置23的两端导线分别连接水样收集管21的两端。
39.本实施例中，各组件之间的连接管线采用外径为1/16inch的不锈钢管。
40.本实施例中，所述第一氦气进气口1、第二氦气进气口6、第三氦气进气口8及第四氦气进气口20的氦气纯度均为99.999％。
41.本实施例中，所述第一水阱2、第二水阱7、第三水阱13及第四水阱19所用干燥剂均为高氯酸镁。
42.本实施例中，所述进样柱头3带有聚四氟乙烯密封垫，可以用于液态水及气体甲烷的在线进样。
43.本实施例中，第一六通阀5放置在第一温控加热箱4内，第二六通阀16放置在第二温控加热箱17内，所述第一六通阀5、第二六通阀16分别通过第一温控加热箱4、第二温控加热箱17均加热到150℃以上，标准水及气态烃氧化生成的水经过的管道缠绕加热带并升温到150℃以上，确保水以气态经过，避免水被吸附及同位素分馏的发生。
44.本实施例中，所述第一快速接头9及第二快速接头12方便石英反应管10的装卸及装样。
45.本实施例中，所述第一温控加热炉11、第二温控加热炉15最高温度均可达1100℃。
46.本实施例中，所述氧化铜反应管14用于氧化气态烃生成co2及h2o。
47.本实施例中，所述电加热装置23可在5s左右将水样收集管从
‑
80℃升温到200℃以上。
48.本实施例中，所述高温裂解炉24的反应管填充玻璃碳粒，1380℃可以将h2o分解还原为h2及co。
49.如图1所示，一种矿物包裹体中气态烃在线连续流爆裂提取及氢同位素组成分析方法，该方法具体包括如下步骤：
50.步骤1、矿物样品装样、加热、通入氦气，进行吹扫后排入空气
51.步骤1.1、将矿物样品装入石英反应管10中，石英反应管10放入第一温控加热炉11内加热
52.将1～2g的40～60目石英矿物样品或其它矿物样品装入石英反应管10后，第一快速接头9及第二快速接头12连接石英反应管10，打开第一温控加热炉11的上盖，石英反应管10中放入第一温控加热炉11的凹槽里面并确保样品段处于中部，可以受热均匀且样品处于高温区域加热。
53.步骤1.2、向所有氦气进气口中通入氦气
54.第一氦气进气口1、第二氦气进气口6、第三氦气进气口8及第四氦气进气口20均通入氦气。
55.步骤1.3、调整第一六通阀5为矿物样品的吹扫模式
56.调整第一六通阀5为矿物样品的吹扫模式，吹扫模式下第一六通阀5各个端口的氦气流向如下：第一六通阀5的第二端口5
‑
2进气后从第三端口5
‑
3出气，第四端口5
‑
4进气后从第五端口5
‑
5出气，第六端口5
‑
6进气后从第一端口5
‑
1出气。
57.步骤1.4、第三氦气进气口8的氦气通过石英反应管10后将其中的空气带出，经过进入第一六通阀5的第四端口5
‑
4，从第一六通阀5的第五端口5
‑
5排入空气
58.第三氦气进气口8的氦气通过第一快速接头9进入石英反应管10将其中的空气带出，经过第二快速接头12、第三水阱13后进入第一六通阀5的第四端口5
‑
4，从第一六通阀5的第五端口5
‑
5排入空气，排气时间为10min。
59.步骤2、将上述步骤1中的矿物样品加热，去除次生包裹体及表面吸附气体
60.步骤2.1、对矿物样品进行加热，矿物样品低温次生包裹体及表面吸附的气体加热释放后，被氦气带出到达第三水阱13。
61.第一温控加热炉11温度设置为200℃，矿物样品低温次生包裹体及表面吸附的气体特别是水加热释放后，被氦气带出石英反应管10，经过第二快速接头12到达第三水阱13。
62.步骤2.2、上述步骤2.2中的矿物样品低温次生包裹体及表面吸附的水被吸收后，其它气体进入第一六通阀5后排入空气
63.水被吸收后其它气体进入第一六通阀5的第四端口5
‑
4，从第一六通阀5的第五端口5
‑
5排入空气，排气持续10分钟。
64.步骤3、矿物样品包裹体爆裂及气态烃氧化收集
65.步骤3.1、将水样收集管21放入冷冻杯22，设置第一温控加热炉温度11和第二温控加热炉15至相同温度
66.将水样收集管21放入冷冻杯22中并加入酒精干冰，设置第一温控加热炉11的温度为550℃及第二温控加热炉15的温度为800℃，
67.步骤3.2、调整第一六通阀5为矿物样品的爆裂收集模式、第二六通阀16为水样收集模式
68.调整第一六通阀5为矿物样品的爆裂收集模式，爆裂收集模式时第一六通阀5各个端口的氦气流向如下：第二端口5
‑
2进气后从第一端口5
‑
1出气；第四端口5
‑
4进气后从第三端口5
‑
3出气；第六端口5
‑
6进气后从第五端口5
‑
5出气。
69.调整第二六通阀16为水样收集模式，水样收集模式时第二六通阀16各个端口的氦气流向如下：第二端口16
‑
2进气后从第一端口16
‑
1出气；第三端口16
‑
3进气后从第四端口16
‑
4出气；第六端口16
‑
6进气后从第五端口16
‑
5出气。
70.步骤3.3、石英反应管10中的矿物样品加热爆裂，释放出的气态烃与氧化铜高温下化学反应生成混合气体，对混合气体加热，确保h2o始终处于气体状态
71.石英反应管10中的矿物样品加热爆裂，水、气态烃及其它气体释放出来迅速被高纯氦气带离高温区，进入第三水阱13后水被去除，气态烃及其它气体进入第一六通阀5的第四端口5
‑
4，从第一六通阀5的第三端口5
‑
3出来后进入氧化铜反应管14，气态烃与氧化铜在800℃高温下化学反应生成co2与h2o混合气体，co2与h2o混合气体经过的管道加热到150℃以上，确保h2o始终处于气体状态，避免分馏，
72.步骤3.4、混合气体经第二六通阀16进入水样收集管，h2o被冷冻收集，其它气体排入空气
73.co2与h2o混合气体进入第二六通阀16的第六端口16
‑
6，由第二六通阀16的第五端口16
‑
5出来进入
‑
80℃的水样收集管21中，h2o被冷冻收集，其它气体进入第二六通阀16的第二端口16
‑
2，从第二六通阀16的第一端口16
‑
1排入空气，此收集过程为10min。
74.步骤4、水样进样及氢同位素组成测试
75.步骤4.1、调节第二六通阀16为水样进样模式
76.调节第二六通阀16为水样进样模式，水样进样模式时第二六通阀16的氦气流向如下：第三端口16
‑
3进气后从第二端口16
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2出气；第五端口16
‑
5进气后从第四端口16
‑
4出气；第六端口16
‑
6进气后从第一端口16
‑
1出气。
77.步骤4.2、第四氦气进气口20的氦气经过第四水阱19干燥后，依次进入第二六通阀16、水样收集管21
78.第四氦气进气口20的氦气经过第四水阱19干燥后，经过1/16inch不锈钢管进入第二六通阀16的第三端口16
‑
3，从第二六通阀16的第四端口16
‑
4出来，进入水样收集管21。
79.步骤4.3、移走冷冻杯22的同时给水样收集管21加热升温，固态水汽化后依次进入第二六通阀16、高温裂解炉24
80.移走水样收集管21外的冷冻杯22的同时打开电加热装置23，水样收集管21在5s左右从
‑
80℃升高到200℃左右，固态水汽化后在氦气带动下进入第二六通阀16第五端口16
‑
5，由第二六通阀16第四端口16
‑
4出来后进入1380℃的高温裂解炉24。
81.步骤4.4、h2o反应生成h2及co，依次进入气相色谱柱25、气体转换接口装置conflo 27、稳定同位素质谱仪28
82.h2o与玻璃碳反应生成h2及co，进入气相色谱柱25分离后先后进入气体转换接口装置conflo 27，经由石英毛细管进入稳定同位素质谱仪28，参考气h2经气体转换接口装置conflo 27从石英毛细管进入稳定同位素质谱仪28，比对测试氢同位素组成。
83.步骤5，气态烃氢同位素组成测试
84.步骤5.1、选取用水或者甲烷气体为标准物质，调整第一六通阀5为标准收集模式
85.本实用新型的主要功能是测试气态烃氢同位素组成，标准物质可以使用水或者纯的甲烷气体，进样柱头3可以满足水或者甲烷的进样，调整第一六通阀为标准收集模式，标准收集模式时第一六通阀5各个端口的氦气流向如下：第二端口5
‑
2进气后从第三端口5
‑
3出气；第四端口5
‑
4进气后从第五端口5
‑
5出气；第六端口5
‑
6进气后从第一端口5
‑
1出气。
86.步骤5.2、标准水样加热汽化后进入第一六通阀5，汽化水收集以及气态烃氢同位素测试执行上述步骤3
‑
步骤5.1。
87.标准水样通过微量注射器注入0.2μl的水样，管道内温度150℃以上，水汽化进入第一六通阀5的第二端口5
‑
2，由第一六通阀5的第三端口5
‑
3出来后，汽化水收集以及气态烃氢同位素测试执行上述步骤3
‑
步骤5。
88.步骤5.3、标准甲烷气体进入第一六通阀5，与氧化铜反应管14氧化反应后，收集以及进样测试执行上述步骤3
‑
步骤5.1。
89.标准甲烷气体通过气体进样针注入5ml的甲烷气体，进入第一六通阀5的第二端口5
‑
2，由第一六通阀5的第三端口5
‑
3出来后被氧化铜反应管14氧化反应后，氧化反应的甲烷气体收集以及气态烃氢同位素测试执行上述步骤3
‑
步骤5。
90.上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。本实用新型中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。