CN101575964A - 模拟天然气水合物开采的实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟天然气水合物开采的实验方法及装置，所述方法包括：在一反应釜内生成下伏气的水合物，其中反应釜内设有含水多孔介质填充区，该步骤中是将实验气体从反应釜下部引入，使气体自下向上向多孔介质填充区扩散在多孔介质填充区内生成水合物；然后采用降压法、注热法和/或注化学剂法，使所生成的水合物分解，并将水合物分解后的气体排出反应釜，从而模拟水合物的开采过程。本发明还提供了实施所述方法而专门设计的装置。利用本发明的方法及装置，可以三维模拟海底沉积物中天然气水合物与下伏游离气共生的水合物生成环境，可进行单原理或多原理联合开采水合物模拟，真实模拟天然气体水合物藏的开采过程。

Description

模拟天然气水合物开采的实验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种模拟天然气水合物开采的实验方法及装置，通过在多孔介质中生成天然气水合物、采用不同的开采模式进行水合物的三维开采模拟，属于海洋天然气水合物开采技术领域。

背景技术

天然气水合物广泛分布于大陆岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极低大陆架海洋和深水环境，每立方米水合物可储存160～180m³天然气。目前普遍认为，天然气水合物作为一种清洁、高效的能源将在未来的能源结构中占有重要的地位。天然气水合物作为一种能源资源的勘探开发受到了世界各国政府和研究机构的高度重视，有关天然气水合物的研究成为近年来科学工作者研究的热点。

有学者认为地层中天然气水合物聚集类型分为3种(参见文献：MoridisG J，Timothy S C.Strategies for gas production from hydrate accumulationsunder various geological and reservoir conditions.Proceedings，TOUGHSymposium 2003，Lawrence Berkeley National Laboratory，Berkeley，California，May 12-14，2003)：(i)水合物层上覆在含有自由气和水的气藏之上；(ii)水合物上覆在自由水层之上；(iii)底层和盖层均为非渗透层的水合物层。对第(i)种类型而言，可在开采气藏的同时开采水合物，是现阶段最有望实施开采的水合物储层。西伯利亚Messoyakha气田就是此种埋藏类型，大约有36％的天然气产量来源于上覆的水合物层(参见文献：Makogon Y F.Hydrateof Natural Gas.Tulsa：PennWell Publishing Co，1981)。加拿大西北部地区Mallik油田、美国阿拉斯加Prudhoe湾/Kuparuk河区域以及日本Nankai海槽已进行了现场的钻井和测试，显示了水合物层下面具有自由气层的特征。

天然气水合物常规的开采方法有三种：降压法、注热法和注化学剂法。

降压法即降低体系的压力，使其低于所在温度下水合物的平衡压力。一般通过降低水合物层下面的游离气体的压力，使与气体接触的水合物变得不稳定而分解，分解出的气体由井筒采出，分解出的水留在地层中。通常降压开采适合于高渗透率和深度超过700米的水合物气藏，通过控制天然气的采出速度可以控制储层压力，进而控制地层水合物的分解。西伯利亚Messoyakha气田就曾采用这种方案。

注热法也叫热激法，即利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道，通过热流体(热水、水蒸气、热盐水等)将热量输入到水合物层，使水合物体系的温度上升达到水合物分解所需的温度。如电磁加热法、微波加热法、火驱法等都是热激法的延伸。

注化学剂法(注抑制剂法)通过向水合物体系里注入抑制剂(如甲醇、乙醇、乙二醇等)，改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的稳定温度或升高稳定压力，使体系的平衡曲线偏移，导致水合物体系不稳定而造成水合物分解。

目前广泛认为，采用多种开采方法联合开采具有竞争力。Messoyakha气田就是采用降压和注抑制剂联合开采的方法。探索不同的开采方法、不同的开采模式，对未来天然气水合物商业化开采具有借鉴意义。

CN 101050697A与CN 101046146A分别提出了一种天然气水合物一维、二维开采模拟实验装置，然而，这些装置并不能模拟实际海底沉积物中天然气水合物与下伏游离气共生的水合物生成环境。对于天然气水合物三维开采过程的研究，当前的研究主要是建立数学物理模型、采用数值模拟方法(参见文献：白玉湖，李清平，李相方，杜燕.下伏气的天然气水合物藏开采模拟.科学通报.2008年第53卷第18期：2244-2250；左林，由长福.天然气水合物固定井压开采过程数值模拟.清华大学学报(自然科学版)2008年第48卷第11期)，缺乏有效的实验模拟手段。

另一方面，在进行天然气水合物开采模拟时，水合物样品对实验模拟结果的影响很大(参见文献：Alp，D.；Parlaktuna，M.；Moridis，G.J.，Gasproduction by depressurization from hypothetical Class 1G and Class 1Whydrate reservoirs.Energy Conversion and Management 2007，48，(6)，1864-1879.)，其中水合物的饱和度对产气的影响尤为明显(参见文献：Moridis G.J.，C.T.S.，Dallimore S.R.，Satoh T.，Hancock S.，Weatherill B.(2004).Numerical studies of gas production from several CH4 hydrate zones atthe Mallik site，Mackenzie Delta，Canada.Journal of Petroleum Science&Engineering，2004，43：219-238.)。因此，在进行水合物开采模拟实验研究之前，合成有代表性的即均匀分布于沉积物中的水合物样品意义重大。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种天然气水合物开采模拟实验方法，以实验手段比较真实地模拟三维条件下天然气水合物的开采过程。

本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物开采模拟实验装置，用于模拟三维条件下天然气水合物开采过程。

一方面，本发明还提供了一种天然气水合物开采模拟实验方法，该方法是通过在多孔介质中生成天然气水合物、然后采用不同的开采模式进行水合物的三维开采模拟。根据本发明的具体实施方案，本发明的天然气水合物开采模拟实验方法主要包括步骤：

在一反应釜内生成下伏气的水合物；其中，所述反应釜内设有含水多孔介质填充区，该步骤中是利用一进气系统将实验气体从反应釜下部引入反应器内，使实验气体自下向上向多孔介质填充区扩散，与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应生成水合物；

采用降压法、注热法和/或注化学剂法，使所生成的水合物分解，并利用一排气系统将水合物分解产气排出反应釜，从而模拟水合物的开采过程。

在利用本发明的实验装置进行天然气水合物开采模拟时，需要预先在多孔介质中生成水合物样品。可以根据所模拟的实际条件，在不同条件下生成水合物样品。根据本发明的具体实施方案，为保证水合物生成的均匀性，可以先将多孔介质与含水溶液在-1～1℃左右的环境中充分冷却，混合均匀再装入反应釜中内，并迅速冷冻至-7～-6℃，然后再利用进气系统将实验气体引入反应器内生成水合物。当反应体系气相的压力不再消耗后，水合物生成完全，在反应釜中形成水合物与下伏游离气共存的水合物气藏。

根据本发明的一具体实施方案，可在所述反应釜内安装多孔隔板，将反应釜内室分成多孔介质填充区以及在多孔介质填充区下方的游离气区域，这样，所述模拟方法中是利用进气系统将实验气体从反应釜下部引入反应器内的游离气区域，再向上扩散至多孔介质填充区，以在多孔介质填充区形成水合物、模拟水合物沉积层与下伏游离气共存的形成模式。

本发明中，生成了下伏气的均匀分布的水合物，即可利用该水合物样品进行不同模式下的分解实验研究，模拟开采过程。

在本发明的天然气水合物开采模拟实验方法中，可在所述反应釜设有从反应釜盖插入反应釜内的管道用以模拟注入井和/或产出井，本发明的方法可以进行间歇式单井吞吐开采模拟，也可以进行双井或多井(≥3)连续扩张式开采模拟。

本发明的天然气水合物开采模拟实验方法，可应用于降压、注热、注化学抑制剂单原理天然气水合物开采模拟实验的研究，也可以应用于多原理天然气水合物开采模拟实验的研究，例如进行降压与单井注热水联合开采模拟实验，或降压与注热水+抑制剂的混合联合开采模拟实验等，可以实现产气速率与能效的最优化。

在本发明的一具体的实施方案中，是采用包括降压的方法使所生成的水合物分解，本发明的模拟天然气水合物开采的实验方法包括步骤：在生成水合物后，先慢排气，优选以0.1～0.5L/min(常压、室温下的体积流量)的排气速度从反应釜下部排气以使反应釜内压力下降，同时监测反应釜内温度，当温度发生每秒0.2℃以上的突降时，进行快排气，优选将排气速度调至30～50L/min，使反应釜内底部压力降到实验设定的分解压力。

在本发明的另一具体的实施方案中，是采用包括注热的方法使所生成的水合物分解，本发明的模拟天然气水合物开采的实验方法包括步骤：在生成水合物后，调节反应体系的环境温度为实验设定的分解温度，向反应釜内注热，并监测反应釜内压力，当压力出现降低时，利用排气系统将水合物分解产气排出反应釜。

根据本发明的具体实施方案，在所述将水合物分解产气排出反应釜的排气系统出口设置背压阀，以确保实验过程中水合物的分解能在指定的恒压下进行。

另一方面，本发明还提供了一种实施所述模拟天然气水合物开采的实验方法的装置，该装置主要包括：

反应釜，该反应釜内设有含水多孔介质填充区；

进气系统，该进气系统是用以将实验气体从反应釜下部引入反应器内，使实验气体自下向上向多孔介质填充区扩散，与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应生成水合物；

排气系统，该排气系统是用以排出反应釜内的气体；具体地说，该排气系统包括上排气系统，所述上排气系统是用以将反应釜内水合物分解产气排出反应釜，优选地，在该上排气系统的排气出口设有背压阀，以确保实验过程中水合物的分解能在指定的恒压下进行；本发明的排气装置优选还包括下排气系统，所述下排气系统是用以将反应釜内游离气体从反应釜底部排出反应釜，该下排气系统可以是设置在所述反应釜底部的进气系统(可通过调整气体流量方向而进行排气或进气操作)，也可以是在所述反应釜底部另设置排气装置，可用于快速排出反应釜内游离气体。

根据本发明的具体实施方案，本发明的天然气水合物开采模拟实验装置还包括：低温浴槽温控系统和/或数据采集系统。其中，

所述低温浴槽温控系统是用以控制反应釜处于所设定的恒温状态；

所述数据采集系统是用于测量记录实验过程中反应釜内的温度、压力等实验数据。具体地，所述的数据采集系统包括：用于测量反应釜内温度的温度传感器，测量反应釜内底部压力、反应釜内顶部压力的压力传感器，以及测量进出反应釜流体流量的流量传感器，还可包括信号采集模块、信号转换模块、工控机及组态工程软件等，用于监测并记录实验过程的数据。

根据本发明的具体实施方案，本发明的天然气水合物开采模拟实验装置还包括：注热和/或注化学剂流体输送系统，该流体输送系统是用于自上而下向反应釜内输送热和/或化学剂流体，以进行水合物开采过程中注热、注化学剂的模拟。

根据本发明的具体实施方案，所述高压反应釜及其内设置的多孔隔板能耐受一定的温度和压力，例如可由不锈钢材料加工而成。反应釜盖、反应釜侧壁和/或反应釜底部开设一系列穿孔，可用于分别插入感测元件，如温度传感器等，对反应釜内的温度监测。根据本发明的更具体的实施方案，在所述反应釜盖的至少一个穿孔中，设置管道用于模拟注入井和/或产出井，所述产出井井口连接上排气系统。

根据本发明的具体实施方案，在反应釜内还设置一与反应釜内径相同的多孔隔板，将反应釜内室分成多孔介质填充区与游离气区域上、下两部分，以在多孔介质填充区形成水合物、模拟水合物沉积层与下伏游离气共存的形成模式。

本发明的天然气水合物开采模拟实验装置，可以真实模拟海底沉积物中水合物与下伏游离气共存的形成模式，进而模拟水合物开采过程。

综上所述，本发明提供了一种天然气水合物三维开采模拟实验方法及装置，利用本发明的方法和装置，可以三维模拟海底沉积物中天然气水合物与下伏游离气共生的水合物生成环境，并且，本发明还提出了在多孔介质中生成均匀水合物样品的实验过程，从而可以更接近真实地模拟天然气水合物生成环境。与传统的开采模拟相比，本发明从一维、二维的开采模拟升级到三维开采模拟，应用本发明的装置和方法，既能进行单原理降压、注热、注化学剂等开采水合物模拟，也可以进行多原理联合开采水合物模拟，还可以进行间歇式吞吐开采和连续扩张式开采实验模拟，能真实模拟天然气体水合物藏的开采过程，对于研究天然气水合物的勘探开采具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的天然气水合物开采模拟实验装置的结构示意图。图中符号：1、2、3、4、5、6、7、8、9-截止阀；10-反应釜盖；11-低温浴槽控制系统；12-反应釜；13-多孔介质(沉积物)；14-多孔隔板；15-热电阻温度传感器；16-数据采集系统；17-计量泵；18-热水罐；19-抑制剂罐；20-中间罐；21-过滤器；22-背压阀；23、24-模拟井管道。

图2为显示天然气水合物间歇式吞吐开采模式示意图。

图3为显示天然气水合物连续扩张式开采模式示意图。

图4显示本发明具体实施例的天然气水合物开采模拟实验装置中的热电阻温度传感器分布位置。

图5为本发明实施例1模拟实验过程中水合物分解百分数随分解时间的变化曲线图。

图6为本发明实施例1模拟实验过程中在反应釜半径33mm的圆周上，水合物藏温度沿轴向的分布曲线图。

图7为本发明实施例1模拟实验过程中在反应釜半径66mm的圆周上，水合物藏温度沿轴向的分布曲线图。

图8为本发明实施例1模拟实验过程中在反应釜半径99mm的圆周上，水合物藏温度沿轴向的分布曲线图。

图9为本发明实施例1模拟实验过程中在反应釜半径132mm的圆周上，水合物藏温度沿轴向的分布曲线图。

图10为本发明实施例2模拟实验过程中第一注热周期压力、产气速率随时间的变化曲线图。

图11为本发明实施例2模拟实验过程中第二注热周期压力、产气速率随时间的变化曲线图。

图12为本发明实施例2模拟实验过程中在反应釜深度为82mm的平面上，各监测点温度随时间的变化曲线图。

图13为本发明实施例2模拟实验过程中在反应釜深度为58mm的平面上，各监测点温度随时间的变化曲线图。

图14为本发明实施例2模拟实验过程中在反应釜深度为34mm的平面上，各监测点温度随时间的变化曲线图。

图15为本发明实施例2模拟实验过程中在反应釜深度为10mm的平面上，各监测点温度随时间的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的技术实质和所能产生的有益效果，不能理解为对本发明实施范围的任何限定。

请参见图1所示，本发明提供的一种天然气水合物开采模拟实验装置主要包括：

反应釜12、低温浴槽控制系统11、进气系统、排气系统、数据采集系统16、注热和/或注化学剂流体输送系统等部分组成。

所述反应釜12为本发明装置的核心部分，应能耐受一定的实验温度和压力，如-20～150℃、30MPa，该反应釜12例如可由不锈钢材料加工而成，其高径比优选为0.2～3，总体积≥1L。图1中所示反应釜12内设置有一可拆卸的多孔隔板(如不锈钢板)14，将反应釜内室分为上、下两部分，多孔隔板上部为用于生成水合物的多孔介质填充区，主要用于模拟海底沉积层，下部为游离气区域，上、下部分的体积比约为6∶1(该比例可适当调整，但应保证多孔介质填充区有足够的空间，为能生成较多的水合物以进行开采提供条件)。这样，通过多孔隔板将水合物沉积层与游离气分隔开来，可以真实模拟海底沉积物中水合物与下伏游离气共存的形成模式。利用此水合物藏，能够比较真实地进行水合物开采模拟实验研究。多孔隔板14还可起到支撑其上的多孔介质的作用，多孔隔板的机械强度可根据实验压力及介质重量而定。多孔隔板上均匀开设多个孔，以方便气体的流通，本发明中，根据多孔介质的尺寸及实验要求，多孔隔板孔直径优选为2.5～3.5mm，孔间距优选为2.5～3.5mm，更进一步，为防止多孔介质从多孔隔板孔中漏出，可在多孔隔板14上方铺设多孔筛网。在所述反应釜12的釜盖10和反应釜12底部，开设有一系列穿孔，可分别插入温度传感器，对反应釜12内的温度进行监测，还可以插入其他探测仪器如电阻、压力传感器等；如图中所示，在所述反应釜盖10上的穿孔中，还设置有模拟井管道23、24用于模拟注入井和/或产出井。

所述低温浴槽控制系统11主要是控制反应釜12处于设定的恒温状态下，例如可以是空气浴等。

所述进气系统是用以将实验气体通过阀门5从反应釜12下部引入反应器内室，使实验气体自下向上向多孔介质填充区扩散而与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应生成水合物；图中所示反应釜12内室在多孔介质填充区下设置有游离气区域，所述实验气体是被引入该游离区域然后自游离气区域向多孔介质填充区扩散，进而生成水合物。

所述排气系统是用以将反应釜内的气体排出，该排气系统主要包括两部分，一部分主要是用于从产出井将模拟开采过程中水合物分解后的产出气体排出的上排气系统，该上排气系统与模拟井管道23、24连接；另一部分为下排气系统，主要是用于反应釜12内底部例如游离气区域气体的排放，以控制反应釜12内底部压力，该下排气系统可包括在所述反应釜12底部单独设置的快排气装置，能通过阀门7将反应釜游离气体快速排出，也可以是利用所述的进气系统的管道，通过阀门5将反应釜底部气体排出。根据本发明的优选具体实施方案，在产出气体排气系统出口处还设置有背压阀22，以确保反应釜12内水合物分解在指定的恒压下进行。

所述注热和/或注化学剂流体输送系统是用于通过模拟注入井管道23自上而下向反应釜内输送热和/或化学剂流体，以进行水合物开采过程中注热、注化学剂的模拟。

所述的数据采集系统，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器以及记录存储系统，用于测量反应釜内温度、测量反应釜内底部压力、反应釜顶部压力的压力，以及测量进出反应釜流体流量，监测并记录整个实验过程的数据。

本发明中，所述模拟井管道23、24在釜内的位置可根据实验的需要进行调整，以考察不同深度对产气的影响。在模拟实验过程中，如果不需要利用所有的模拟井管道进行注热流体或抑制剂或者采气，可将多余的模拟井管道取出，釜盖上的井孔用丝堵堵上。

此外，本发明的模拟三维条件下水合物开采过程的实验装置还包括必要的管线(管道、管路)和开关阀门如图中截止阀1～9等。

利用本发明的实验装置，可以模拟采用降压法、注热法和/或注化学剂法等各种方法开采天然气水合物的过程。

在利用本发明的实验装置进行天然气水合物开采模拟时，需要预先在多孔介质中生成水合物样品。可以根据所模拟的实际条件，在不同条件下生成水合物样品。其中，如何使生成的水合物均匀分布是真实模拟水合物开采的重要前提之一，根据本发明的优选具体实施方案，是先将多孔介质与含水溶液在-1～1℃左右的环境中充分冷却，混合均匀再装入反应釜12中，并迅速冷冻至-7～-6℃(立即调整低温浴槽控制系统11的温度为-7～-6℃)，然后利用进气系统通过阀门5将实验气体从反应釜12下部引入反应器内室，向上与多孔介质填充区内多孔介质中的水接触反应生成水合物，以保证水合物生成的分布均匀性。当反应体系气相的压力不再消耗后，水合物生成完全，在反应釜中形成水合物与下伏游离气共存的水合物气藏。用合成的水合物样品，进行不同模式下的分解实验研究。

利用本发明可以应用于降压、注热、注化学抑制剂单原理天然气水合物开采模拟实验的研究。

例如，在利用本发明的实验装置模拟采用降压法进行天然气水合物开采时，首先，在反应釜中合成分布较均一的水合物。当水合物生成完全后，在反应釜中形成水合物与下伏游离气共存的水合物气藏。进行降压开采时，可先将背压阀22设定到分解压力，然后进行慢排气(排气速度约0.1～0.5L/min)，将压力缓慢降至高于平衡压力(可以根据现有技术的计算模型预估)约0.5MPa，再快排气(排气速度最好在30～50L/min)；也可在慢排气同时监测反应釜内温度，当温度发生每秒0.2℃以上的突降时，进行快排气；通过快排气将水合物藏的压力迅速降至设定的分解压力，然后关闭下排气系统，打开上排气系统，以将水合物分解产气从上排气系统通过背压阀22排出，同时用流量计L₂记录产气排出流量，设定数据采集系统的采集周期。当流量计L₂示数为零，分解结束。整个分解过程，低温浴槽控制系统11保持恒温。

在利用本发明的实验装置模拟采用注热和/或注抑制剂法进行天然气水合物开采时，可以进行间歇式单井吞吐开采模拟实验，开采模式请参见图2所示。在生成水合物后，打开模拟注入井口的阀门4，将一定温度、一定量的热水和/或其他的介质注入到水合物层中，在注热过程中，反应釜内的压力将会不断升高，可根据反应釜的压力适当确定每次注热量，以避免反应釜内压力太高而发生危险；注热后封闭井口(关闭井口阀门4)，保持一定时间之后开启进口产气(可监测反应釜内压力，当压力出现降低时，打开阀门2产气)，利用排气系统将水合物分解产气通过背压阀22排出，同时流量计L₂记录产气排出流量，并设定数据采集系统的采集周期。当流量计L₂示数为零，分解结束。整个分解过程，调节反应体系的环境温度为实验设定的分解温度(低温浴槽保持恒温)。

在利用本发明的实验装置模拟采用注热和/或注抑制剂法进行天然气水合物开采时，也可以进行双井或多井连续扩张式注热开采模式实验，双井开采模式请参见图3所示。注入介质从模拟注入井23中连续注入到沉积层中，分解的气体从产出井(产气井)24流出。实验时，打开注入井23口阀门4和产气井24口的阀门1，将一定温度的热水罐18中热水、抑制剂罐19中的抑制剂和/或其他介质，以一定速率注入到水合物层中，水合物分解产出的气体从产出井流出，同时设定数据采集系统的采集周期。当流量计L₂示数为零时，停止注热，分解结束。整个分解过程，低温浴槽保持恒温。

利用本发明的天然气水合物开采模拟实验装置，可以进行多原理联合开采模拟实验。如降压与单井注热联合开采，即将水合物藏的压力降至分解压力后，再从注热井口注入一定的热介质到水合物层中。也可采用注抑制剂与注热联合开采，即将抑制剂加入到热的介质中，进行单井间歇式吞吐开采或连续双井扩张式注热开采。还可以采用降压与注热水+抑制剂的混合联合开采，可采取双井或多井连续扩张式。应用多原理天然气水合物开采模拟实验，可以实现产气速率与能效的最优化。

本发明的模拟方法和装置中，所述多孔介质可以包括：石英砂、硅胶、海底沉积物、活性炭、硅藻土、石棉、膨润土、分子筛、白土、活性氧化铝、硅酸铝以及陶瓷等多孔介质中的一种或多种。

本发明中，所述多孔介质中所含的用于生成水合物的水，可以是各种可以生成水合物的含水物质，例如：纯水，或含盐、含醇、含水合物抑制剂或表面活性剂的水溶液，或天然海水等。

本发明的模拟方法和装置，可以适用于模拟各组分天然气水合物的开采过程。本发明的方法可适用的可生成水合物的气体包括，但不限于以下物质中的一种或多种：甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、硫化氢或其混合物，也可以是丁烷或戊烷与上述小分子气体(例如甲烷、乙烷或氮气等)的混合气体，也可以是地层游离气、伴生气等天然气。

实施例1：甲烷水合物降压开采实验模拟

本实施例中采用如图1所示的天然气水合物开采模拟实验装置，其中，高压反应釜12由不锈钢材料加工而成，反应釜12有效高度100mm，内径300mm，总体积约7L。反应釜内的多孔钢板14将反应釜分为上、下两部分，上部分体积约为6L，下部分体积约为1L。水合物形成后多孔钢板14上部为水合物沉积物，下部为游离气。反应釜12的设计压力为16MPa。反应釜盖10的不同位置上设置了24个Φ3mm的小穿孔和1个Φ8mm的大穿孔。从反应釜盖上的小穿孔插入了16根热电阻温度传感器15，进行反应釜内的温度监测，其余的孔可以根据实验需要安装其他的探测仪器，如电阻，压力传感器等以及在不同的开采模式下安装注入井和采出井，例如，大穿孔可用来给注热井提供插入通道(本实施例中注热井是由一个带Φ8mm的保温夹套和内管为Φ3mm的不锈钢管组成的，保温夹套与金属反应釜盖接触，夹套内部抽真空，热流从内管中注入，保温夹套减少注热时热量的损失)。热电阻温度传感器15所测点在釜内的位置分布如图4所示。图4中序号1～16代表各个热电阻温度传感器所测点位置，图中A、B、C、D分别表示自上而下的四个不同的层，其在反应器内深度(所测位置点到多孔介质填充区域上端的距离)及半径请参见下表。

低温浴槽控制系统11主要是用于控制反应釜12处于设定的恒温状态下。进气系统主要是为反应体系供给气体，排气系统主要是用于调节反应釜内底部压力以及用于水合物分解后产出气体的排出。背压阀22确保分解在指定的恒压下进行。

所述的数据采集系统，包括16个温度传感器(热电阻温度传感器15)、3个压力传感器(图中符号P₁、P₂、P₃)、2个流量传感器(图中符号L₁、L₂)以及记录存储系统(包括工控机、数据采集模块、数据转换模块、液晶显示器以及采集软件等，图中仅示意性显示了显示器)。数据采集系统监测并记录整个实验过程的数据。

本实施例中，以石英砂为多孔介质，在反应釜中生成甲烷水合物，并采用降压分解的方法，进行甲烷水合物开采实验模拟。

本发明的实施例中，如未明确表明某阀门为开启状态，其处于关闭状态；在提到某阀门开启后而未提到将其关闭时，其处于开启状态。

本实施例中的甲烷水合物降压开采实验模拟方法主要步骤如下：

(1)将低温浴槽控制系统11的温度降至-1℃左右；

(2)将石英砂(20～40目)与天然海水按含水饱和度20％，在0～1℃的环境中充分冷却后，混合均匀，装入反应釜12中多孔隔板14之上的多孔介质填充区，至完全装满反应釜，可根据实验压力适当压实多孔介质(水合物生成前多孔介质的孔隙度38.7％)；

(3)盖上反应釜盖10，从反应釜盖10上的小穿孔插入热电阻温度传感器15，检查完装置的气密性良好后，抽釜内真空以排除釜内的空气，并迅速设定低温浴槽控制系统11的温度为-7～-6℃(该操作将有利于后续步骤中水合物的均匀生成)；

(4)待体系温度稳定，用纯甲烷气洗釜3遍(利用进气、排气系统)；

(5)打开阀门5，利用进气系统通过该阀门5从反应釜底部进气口充入纯甲烷气体至P₃为8MPa后关闭阀门5，并且将低温浴槽控制系统11的温度设定到-1～0℃。当反应体系气相的压力保持稳定并且釜中各温度监测点温度不再变化后，水合物生成完全；

本实施例中，水合物生成完全后，多孔介质沉积物中有水合物、冰和气三相组成，各组分间的体积比为0.454∶0.166∶0.380，该组成可根据实验所用石英砂中水的含量以及水合物的生成量确定；

(6)用氮气将背压阀22调到实验要求的分解压力1.50MPa；

(7)利用排气系统将反应釜内底部的压力降至实验要求的分解压力1.50MPa；该降压操作中，首先进行慢降压，打开阀门5和3，调节阀门开度，排气流量控制在0.1L/min左右，将反应釜内底部压力降至体系温度下水合物的平衡压力(该平衡压力可根据现有技术的计算模型估算)附近，慢降压排气时可随时注意反应釜中各点温度的变化，当温度发生每秒0.2℃以上的突降时，将存盘时间间隔由原来的每分钟调整为每秒一次，开始快排气降压；快排气降压通过反应釜底部设置的快排气口进行(开启阀门7，关闭装置中其他阀门)，排气速率约50L/min(所述慢排气和快排气流量可利用流量计量测，图中未显示)；当压力计P₃显示压力值下降至实验设定的分解压力1.50MPa时，关闭快排气管线阀门7，打开分解系统(产出气排气系统)阀门1，流量计L₂开始记录流量(即时流量)；

(8)待流量计L₂流量长时间如2min内基本保持不变后，将存盘间隔切换为每分钟一次，待流量计L₂示数为零，水合物分解结束，停止记录。

图5示出了实验过程中水合物分解百分数以及气体产量随分解时间的变化曲线，图中A1、A2、B1、B2后面括号内的第一个数字表示对应的横坐标时间(h)，第二个数字对应的是纵坐标，分解百分数(％)或产气流量；图6、图7、图8、图9分别以釜中轴为圆心、半径r为33mm、66mm、99mm、132mm的圆周上，不同分解时间水合物藏温度沿轴向的分布。由图5中的实验数据可以看出，在分解初期，产气速率很快；当分解到20％左右，分解速率变缓；分解到80％后，分解速率更慢。由此，可以将水合物降压分解过程分为三个不同的阶段。图6、图7、图8、图9所示水合物藏中的温度分布表明，水合物分解过程是受传热控制的，外界传热的影响远大于水合物分解热的影响。这些对了解降压开采气体水合物过程以及制定具体的开采策略具有重要的指导意义。

实施例2：甲烷水合物注热水开采实验模拟

本实施例中主要是利用图1所示实验装置，模拟注热水间歇式单井吞吐开采甲烷水合物的过程，模拟方法主要按以下操作进行：

(1)将低温浴槽控制系统11的温度降至-1℃左右；

(2)将石英砂(20～40目)与天然海水按含水饱和度20％，在0～1℃的环境中充分冷却后，混合均匀，装入反应釜12中至完全装满反应釜(本实施例中，所述反应釜12内不设置多孔隔板14)，可根据实验压力适当压实多孔介质(孔隙度38.7％)；

(3)盖上反应釜盖10，从反应釜盖10上的小穿孔插入热电阻温度传感器15，检查完装置的气密性良好后，抽釜内真空以排除釜内的空气，并迅速设定低温浴槽控制系统11的温度为-7～-6℃；

(4)待体系温度稳定，用纯甲烷气洗釜3遍(利用进气、排气系统)；

(5)打开阀门5，利用进气系统通过该阀门5从反应釜底部进气口充入纯甲烷气体至8MPa后关闭阀门5，并且将低温浴槽控制系统11的温度设定到-1～0℃。当反应体系气相的压力保持稳定并且釜中各温度监测点温度不再变化后，水合物生成完全；

本实施例中，水合物生成完全后，多孔介质沉积物中有水合物、冰和气三相组成，各组分间的体积比为0.454∶0.166∶0.380，该组成可根据实验所用石英砂中水的含量以及水合物的生成量确定；

(6)将低温浴槽11的温度设定为分解温度2～3℃，待反应体系气相压力P₃稳定在3.75MPa后(此时的压力仍在2～3℃所对应的水合物平衡压力之上，水合物不会化解)，调节背压阀22的压力与反应体系气相压力P₃一致；

(7)利用水泵17将预先准备好的恒温热水罐18中40℃的热水以平均16mL/min的速率从反应釜模拟注入井口23注入反应釜12至釜内压力为6MPa；本实施例的实验中，注热井(注入井23)位置位于反应釜正中心，插入深度为65mm；

(8)关闭注水泵17以及注水阀门4，观察反应釜12内压力变化，待反应釜12内的压力达到最大值后刚开始下降时，这时反应釜中的气相与水相、水合物相达到平衡，且气体量最大，当温度降低后，水合物有可能重新生成，消耗气体，故此时开阀门2，使尽可能多的气体产出，同时可避免水合物二次生成，记录从模拟产出井口23排气的流量；

(9)当流量计L2示数为零，关闭阀门2，重复上述操作步骤(7)、(8)，直至反应釜中没有气体排出，整个注热进行了3个周期，注水量分别为1025g、722g、400g。

本实施例中，虽然并没有单独在釜内设置游离气体区域，但所形成的水合物仍然由管线中的下伏气体在多孔介质中的向上渗透过程中形成，仍然可称为下伏气的水合物藏。

图10、图11分别示出了第一、第二注热周期中反应釜内压力、产气速率随时间的变化；图12、图13、图14、图15分别为第一周期注热水过程中，深度为82mm、58mm、34mm、10mm的平面上，各不同半径上的监测点温度随时间的变化。根据图中的实验数据，可以模拟出水合物藏注热水开采过程中水合物藏中压力、产气速率的变化以及水合物藏中温度的分布。整个注热开采过程基本可分为三个阶段：注热水阶段、闷井阶段以及采气阶段。在注热开采过程中，随着热水的注入，各检测点的温度都相应的升高，但温度上升的快慢和幅度不同。因此，影响开采效率的因素中应包含注热井位置、注热水温度、注热水周期、注入压力、闷井时间、单周期注热水量等。

Claims (10)

1、一种模拟天然气水合物开采的实验方法，该方法包括步骤：

在一反应釜内生成下伏气的水合物；其中，所述反应釜内设有含水多孔介质填充区，该步骤中是利用一进气系统将实验气体从反应釜下部引入反应器内，使实验气体自下向上向多孔介质填充区扩散，与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应生成水合物；

采用降压法、注热法和/或注化学剂法，使所生成的水合物分解，并利用一排气系统将水合物分解产气排出反应釜，从而模拟水合物的开采过程。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成水合物的步骤包括：

将多孔介质与含水溶液在-1～1℃充分冷却，混合均匀后装入反应釜内，并立即冷冻至-7～-6℃，然后再利用进气系统将实验气体引入反应器内生成水合物。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，在所述反应釜内安装多孔隔板，将反应釜内室分成多孔介质填充区以及在多孔介质填充区下方的游离气区域，该方法中是利用进气系统将实验气体从反应釜下部引入反应器内的游离气区域，再向上扩散至多孔介质填充区，以在多孔介质填充区形成水合物、模拟水合物沉积层与下伏游离气共存的形成模式。

4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应釜设有从反应釜盖插入反应釜内的管道用以模拟注入井和/或产出井，该方法是进行间歇式单井吞吐开采模拟，或双井或多井连续扩张式开采模拟。

5、根据权利要求1所述的方法，该方法是进行降压与注热联合开采模拟，或降压与注热和注化学剂法的混合联合开采模拟。

6、根据权利要求1或5所述的方法，其中，是采用包括降压的方法使所生成的水合物分解，该方法包括步骤：

在生成水合物后，以0.1～0.5L/min的排气速度从反应釜下部排气以使反应釜内压力下降，同时监测反应釜内温度，当温度发生每秒0.2℃以上的突降时，将排气速度调至30～50L/min，使反应釜内底部压力降到实验设定的分解压力。

7、根据权利要求1所述的方法，该方法是采用包括注热的方法使所生成的水合物分解，包括步骤：

在生成水合物后，调节反应体系的环境温度为实验设定的分解温度，向反应釜内注热，并监测反应釜内压力，当压力出现降低时，利用排气系统将水合物分解产气排出反应釜。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，在所述将水合物分解产气排出反应釜的排气系统出口设置背压阀，使水合物的分解在指定的恒压下进行。

9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应釜高径比0.2～3，总体积≥1L。

10、实施权利要求1～9任一项所述模拟天然气水合物开采的实验方法的装置，该装置包括：

反应釜，该反应釜内设有含水多孔介质填充区；

进气系统，该进气系统是用以将实验气体从反应釜下部引入反应器内，使实验气体自下向上向多孔介质填充区扩散，与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应生成水合物；

排气系统，该排气系统包括上排气系统及下排气系统，所述上排气系统是用以将反应釜内水合物分解产气排出反应釜，且在该上排气系统的排气出口设有背压阀，所述下排气系统是用以将反应釜内游离气体从反应釜底部排出反应釜；

低温浴槽温控系统，该低温浴槽温控系统是用以控制反应釜处于所设定的恒温状态；

注热和/或注化学剂流体输送系统，该流体输送系统是用于自上而下向反应釜内输送热和/或化学剂流体，以进行水合物开采过程中注热、注化学剂的模拟；

数据采集系统，该数据采集系统包括：用于测量反应釜内温度的温度传感器，测量反应釜内底部压力、反应釜内顶部压力的压力传感器，以及测量进出反应釜流体流量的流量传感器，用于监测并记录实验过程的数据。

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