CN101046146A - 天然气水合物二维开采模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物二维开采模拟实验装置，平板模型置于温控箱内，平板模型内为密封的模拟腔，在该平板模型上设有至少三个模拟井口，天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元均通过控制阀与该至少三个模拟井口相通，平板模型、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。本发明可真实的再现开采过程中的压力、温度、开采量等变化，并对其进行分析，同时，本发明所述模拟装置可模拟多种开采方式。

Description

天然气水合物二维开采模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验设备，尤其涉及一种天然气水合物二维开采模拟实验装置。

背景技术

天然气水合物是指天然气与水在一定温度和压力下生成的一种笼状晶体物质，其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”，早期天然气水合物的研究主要是为了解决油、气生产和运输过程中管道、设备的堵塞问题，主要是抑制水合物的生成。随着人们对水合物研究的不断深入，水合物的特性及对环境的影响越来越为人类认识，更重要的是其作为一种有效的替代能源的价值也益显突出。

天然气水合物可以以多种方式存在于自然界中，基于天然气水合物的特点，它与常规传统型能源的开发不同。表现在水合物在洋底埋藏是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。也就是说，水合物在开采过程中发生相变。目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何将蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然后再将天然气采至地面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。现有的开采方法大体上可分为以下三类：

(一)热力开采法，此方法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入天然气水合物储层，或采用火驱法、电极原位加热等诸多方法促使储层温度上升而达到水合物分解得目的；

(二)化学剂开采法，此方法主要是利用某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等来改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，以达到分解的目的；

(三)降压开采法，通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而促使天然气水合物分解，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。

降压开采法与热力开采法、化学剂开采法相结合的开采，可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一，目前，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。

由于各地的地质条件和天然气水合物的成分不同，形成机制各异，所以通过模拟实验进行研究，直接指导勘查开发，但现有的实验设备相对比较简单，难以满足目前海洋天然气水合物的研究需要，同时完全为海洋天然气水合物勘探开发服务的专业模拟实验室还是不多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物二维开采模拟实验装置，该模拟实验装置可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方式进行优化和综合评价。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种天然气水合物二维开采模拟实验装置，平板模型置于温控箱内，平板模型内为密封的模拟腔，在该平板模型上设有至少三个模拟井口，天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元均通过控制阀与该至少三个模拟井口相通，平板模型、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。

本发明中，工作液供给单元用于向平板模型内输入水，天然气供给单元用于向平板模型内输入天然气，并可控制输入的工作液、天然气的压力，温控箱用于控制平板模型内的温度，后处理单元将模拟开采之后的天然气、水等向外输出，各感应元件感应向平板模型内输入的天然气量、输入的水量、模拟开采输出的天然气量、开采之后产生的水量，以及感应平板模型内的温度及压力，并由数据处理单元进行处理分析，以对各数据进行综合评价，为实际的开采提供指导；数据处理单元可为电脑，在该电脑内可设有数据处理模块，如根据各感应元件的输入信号输出时间-压力曲线、时间-温度曲线、压力-开采量曲线等等，由于平板模型上设有至少三个模拟井口，该实验装置可模拟多种开采方式，如可进行单井降压采、单井注热单井采、单井注多井采、多井注单井采等多种开采方式的实验模拟；平板模型可旋转，摆放位置为水平和竖直时可分别模拟竖直井和水平井。

本发明的进一步改进是：

所述模拟井口为至少五个，即至少包括位于所述平板模型中心位置的中心模拟井口、位于所述中心模拟井口周边的四个旁侧模拟井口；各模拟井口均通过控制阀与所述天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元相通。再进一步，四个旁侧模拟井口分别靠近所述平板模型四个角。该结构可用于模拟不同的开采方式，如封闭中心模拟井口，以四角的四个模拟井口为出口，四周降压分解，模拟网状井降压开采；以中心模拟井口为唯一出口，进行径向降压分解实验，模拟单井开采；中心模拟井口为唯一注热水井，四角的旁侧模拟井口为四个出口，进行径向注热水分解实验，模拟单井注热水，四周井网开采；以四角的旁侧模拟井口为注热水井，中心模拟井口为出口，模拟四周井网注热水，中心单井降压开采。

所述平板模型包括第一平板、第二平板，第一平板与第二平板之间的密封腔形成所述模拟腔。

所述第一平板、第二平板两者至少其中之一靠近所述模拟腔一侧设有隔热板。隔热板可减少模拟腔与外界的热交换，提高模拟腔的恒温效果。为提高平板模型的换热效果，更准确的对平板模型进行温度控制，在第一平板、第二平板之间设置有换热盘管。

所述工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐、液压泵、中间容器、预热罐，工作液供给单元的输出口与所述模拟井口相通，该工作液供给单元上的所述感应元件包括设于工作液储存罐、中间容器或预热罐下方的天平。中间容器是在当实验过程需要加入助剂时，避免助剂对液压泵的损坏而使用的一种间接容器，在水合物注热开采实验中，需将预热罐加热到实验所需温度，工作液流经预热罐充分换热后进入平板模型中。

所述天然气供给单元包括依次连通的天然气源、减压阀、气体流量计，所述工作液供给单元上的所述感应元件包括该气体流量计。

所述后处理单元包括回压阀、气液分离器以及与该气液分离器连接的气体流量计、储液罐，所述感应元件包括该气体流量计、设于储液罐下方的天平。后处理单元主要指出口回压控制与产出计量，回压阀用于控制回压压力，气液分离器将其中的气、液分离之后，由气体流量计测出模拟开采的天然气量，天平用于测量所产出的水量，该后处理单元还可包括储液瓶、回压气瓶。

所述平板模型内设有温度传感器及压力传感器，所述感应元件包括该温度传感器及压力传感器。温度传感器、压力传感器可感测平板模型内的温度及压力，并将所感测的温度值、压力值输入数据处理单元进行分析处理。

所述温度传感器为至少两个。至少两个温度传感器可提高温度感应的精度。

所述平板模型内还设有电容传感器或电感传感器，所述感应元件还包括该电容传感器。在模拟开采时，由于平板模型内的水合物会处于不同的状态，相应的，平板模型内的电容或电感值会发生变化，在平板模型内设置电容传感器或电感传感器，通过该传感器即可感测平板模型内水合物的状态。

综上，本发明的优点是：

1、通过本实验装置可模拟多种不同的开采方式；

2、在模拟实验时，平板模型可以翻转，可分别模拟竖直井、水平井；

3、本发明所述实验装置可以真实的模拟外部环境，对开采过程、开采效果进行综合评估，可为天然气开采提供指导。

附图说明

图1是本发明所述实验装置的示意图；

图2是平板模型的结构图；

图3是平板模型的截面剖视图；

图4第二平板的结构图；

图5为模拟网状井降压开采示意图；

图6为模拟四周井网注热水，中心单井降压开采示意图；

附图标记说明：

1、平板模型，2、温控箱，3、模拟控，4、中心模拟井口，5、第一平板，6、第二平板，7、隔热板，8、工作液储存罐，9、液压泵，10、预热罐，11、中间容器，12、天然气源，13、气体流量计，14、减压阀，15、回压阀，16、气液分离器，17、储液箱，18、温度传感器，19、电容传感器；20、天平，21、压力传感器，22、截止阀，23、放空阀，24、单向阀，25、换热盘管，26、第一旁侧模拟井口，27、第二旁侧模拟井口，28、第三旁侧模拟井口，29、第四旁侧模拟井口，30、数据采集箱，31、电脑。

具体实施方式

请参见图1至图4，一种天然气水合物二维开采模拟实验装置，平板模型1置于温控箱2内，平板模型1包括第一平板5、第二平板6，第一平板5与第二平板6密封而形成模拟腔3，并在第一平板5、第二平板6靠近模拟腔3一侧均设有隔热板7，在第一平板5、第二平板6之间设有换热盘管2，在该平板模型1上设有五个模拟井口，即位于平板模型1中心位置的中心模拟井口4、位于中心模拟井口4周边的四个旁侧模拟井口(第一旁侧模拟井口26、第二旁侧模拟井口27、第三旁侧模拟井口28、第四旁侧模拟井口29)；各模拟井口均通过控制阀与所述天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元相通，平板模型1、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。

其中，工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐8、液压泵9(液压泵9为平流泵)、中间容器11、预热罐10，预热罐10的输出口与模拟井口4相通，工作液储存罐8下方设有天平20；天然气供给单元包括依次连通的天然气源12(即高压气瓶)、减压阀14、截止阀22、气体流量计13、单向阀24，单向阀24与模拟井口4相接通。后处理单元包括回压阀15、气液分离器16以及与该气液分离器16连接的气体流量计13、储液罐17，回压阀15与模拟井口4相通，并在连通管路上设有压力传感器25，平板模型1内设有多个温度传感器18、压力传感器21及电容传感器19(电容传感器19也可用电感传感器代替)。

所述感应元件包括设于工作液储存罐8及储液罐17下方的天平20、设于平板模型1内的温度传感器18、压力传感器21、电容传感器19、设于天然气供给单元及后处理单元中的气体流量计13。数据处理单元包括数据采集箱30、设有数据处理模块的电脑31，数据采集箱30与各感应元件相接。

本发明所述天然气水合物二维开采模拟实验装置的使用情况如下：

一、平板模型多孔介质中天然气水合物合成流程：

1、在第二平板6中充填砂，如砂粒直径可分布在300μm-450μm范围内；加第一平板5，并上紧螺栓，密封的同时起到压实沙粒的作用；

2、把平板模型1推到温控箱22内接入实验流程，连好管线，把温度信号线、电容信号线分别接到温度传感器18、电容传感器19上；

3、试压确保平板模型1未漏，在中间容器11内先注满盐水，利用液压泵9打蒸馏水，间接将盐水通过第一旁侧模拟井口26打入平板模型1，打开第三旁侧模拟井口28作为水、气出口井。注入3-5倍于模拟腔3体积的水溶液，保证模拟腔3内水溶液饱和并均匀分布；

4、关闭第三旁侧模拟井口28出口阀门，关闭减压阀14、放空阀23，打开天然气源12的控制阀，打开截止阀22，将气体流量计13设置到阀控状态，缓慢打开减压阀14，在保证气体流量计13不超量程的情况下逐步充入天然气，直到使系统压力升高到高于合成水合物所需压力(在2℃左右，压力升高到7-10MPa)；

5、关闭第一旁侧模拟井口26入口控制阀、天然气源12的控制阀，缓慢打开放空阀23放空，放空完毕后关闭减压阀14、截止阀22和放空阀23；

6、系统稳定足够长的时间，使天然气和水溶液在整个模拟腔3中均匀分布；设置温控箱2的平衡温度为2℃，平板模型1开始降温直到达到设定值；

7、经过足够长的反应时间，当系统压力不再变化时，水合物合成完毕。

整个实验过程中，精确测量并记录系统各温度、压力、电容测点相应测量参数的变化，检测水合物的合成过程。

二、平板模型多孔介质中天然气水合物降压分解流程：

1、利用水合物合成实验得到的水合物进行实验；

2、系统保持恒温，入口封闭，出口以一定速度恒速缓慢降压进行生产，出口连续计量产气量和产水量，同时全程精确测定平板模型1内各点压力和温度、电容分布，对于不同的降压方式，拟采用不同模拟井口进行降压生产，如图5所示：

a、封闭中心模拟井口4，以四角的旁侧模拟井口(第一旁侧模拟井口26、第二旁侧模拟井口27、第三旁侧模拟井口28、第四旁侧模拟井口29)为出口，四周降压分解，模拟网状井开采；

b、封闭四角的旁侧模拟井口(第一旁侧模拟井口26、第二旁侧模拟井口27、第三旁侧模拟井口28、第四旁侧模拟井口29)，以中心模拟井口4为唯一出口，进行径向降压分解实验，模拟单井开采。

3、改变降压速度，重复以上实验过程，研究影响降压开采效果的主要因素，可评价出最优的降压开采技术方案。

三、多孔介质中天然气水合物注热分解流程：

1、利用水合物合成实验得到的水合物进行实验；

2、设定系统初始压力为模拟井口出口系统回压，由于驱动所需压差很小，实验过程中，通过系统回压可控制系统出口压力，实验缓慢进行，可以近似整个系统处于等压状态，从而尽可能排除压力因素干扰，单独考虑温度因素；

3、模拟井口入口以一定速度恒速注入恒温热水进行生产，出口连续计量产气量和产水量，同时全程精确测定平板模型1各点压力、电容以及温度分布，对于不同的注热水方式，拟采用不同模拟井口进行注热水生产，如图6所示：

a、中心模拟井口4为唯一注热水井，四角的旁侧模拟井口(第一旁侧模拟井口26、第二旁侧模拟井口27、第三旁侧模拟井口28、第四旁侧模拟井口29)为四个出口，进行径向注热水分解实验，模拟单井注热水，四周井网开采天然气；

b、以四角的旁侧模拟井口(第一旁侧模拟井口26、第二旁侧模拟井口27、第三旁侧模拟井口28、第四旁侧模拟井口29)为注热水井，中心模拟井口4为出口，模拟四周井网注热水，中心单井降压开采天然气；

4、改变热水温度、注水速度，重复以上实验过程，研究影响热力开采效果的主要因素，可评价出最优的热力开采技术方案。

除此外，本发明多孔介质中天然气水合物二维开采模拟实验装置也可进行热力+降压开采、注化学剂开采等开采方式的实验研究，并与热力开采、降压开采结果进行对比，综合评价各种开采方案。

Claims (10)

1、一种天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：平板模型(1)置于温控箱(2)内，平板模型(1)内为密封的模拟腔(3)，在该平板模型(1)上设有至少三个模拟井口，天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元均通过控制阀与该至少三个模拟井口相通，平板模型(1)、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。

2、如权利要求1所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述模拟井口为至少五个，即至少包括位于所述平板模型(1)中心位置的中心模拟井口(4)、位于所述中心模拟井口周边的四个旁侧模拟井口(26、27、28、29)；各模拟井口均通过控制阀与所述天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元相通。

3、如权利要求1所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述平板模型(1)包括第一平板(5)、第二平板(6)，第一平板(5)与第二平板(6)之间的密封腔形成所述模拟腔(3)。

4、如权利要求1所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述第一平板(5)、第二平板(6)两者至少其中之一靠近所述模拟腔(3)一侧设有隔热板(7)。

5、如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐(8)、液压泵(9)、中间容器(11)、预热罐(10)，工作液供给单元的输出口与所述模拟井口相通，所述感应元件包括设于工作液储存罐(8)、中间容器(11)或预热罐(10)下方的天平(20)。

6、如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述天然气供给单元包括依次连通的天然气源(12)、减压阀(14)、气体流量计(13)，所述感应元件包括该气体流量计(13)。

7、如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述后处理单元包括回压阀(15)、气液分离器(16)以及与该气液分离器(16)连接的气体流量计(13)、储液罐(17)，所述感应元件包括该气体流量计(13)、设于储液罐(17)下方的天平(20)。

8、如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述平板模型(1)内设有温度传感器(18)及压力传感器(21)，所述感应元件包括该温度传感器(18)及压力传感器(21)。

9、如权利要求8所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述温度传感器(18)为至少两个。

10、如权利要求8所述天然气水合物二维开采模拟实验装置，其特征在于：所述平板模型(1)内还设有电容传感器(19)或电感传感器，所述感应元件还包括该电容传感器(19)或电感传感器。

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