CN101761326B - 一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置和方法，包括一维模型、气体供给单元、工作液供给单元、轴压控制单元、回压控制单元、环境控制单元，并在上述各单元上分别设有连接到数据处理单元的传感器；一维模型设置于环境控制单元当中，其内部为密封的模拟腔，其上设有气液入口、气液出口和轴压进液口，气体供给单元的气体输出管路与工作液供给单元的工作液输出管路连接后与气液入口连通，回压控制单元的回压采集管路与气液出口连通，轴压控制单元与轴压进液口连接；一维模型上还设置抽真空接口。通过本发明可真实地模拟外部环境，进行二氧化碳置换天然气水合物模拟开采，可以为天然气水合物的二氧化碳置换开采提供指导。

Description

一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，尤其是一种二氧化碳置换开采天然气水合物的模拟方法及实验装置。 

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。表现在水合物在海洋底埋藏是固体，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，然后再将天然气开采至地面。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。现有的开采方法主要有降压法、热激法、化学试剂法以及这三种方法的综合应用。今年来，由于大量化石燃料的应用，使得空气中的二氧化碳浓度越来越高，引发的温室效应导致了海平面的上升以及其他自然灾害，因此有学者提出将二氧化碳气体回收后储存到地表之下以降低空气中的二氧化碳浓度，将二氧化碳注入到地表天然气水合物藏中会使天然气水合物到二氧化碳水合物的转化。上述工艺不仅能促进天然气的回收，而且二氧化碳在沉积物中形成水合物后可以维持沉积物的机械稳定性。 

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，选择合适的置换压力、从而确定较合适的开采工艺，直接指导勘查开发，但现有的实验设备相对比较简单，难以满足目前二氧化碳置换开采天然气水合物研究需要，同时完全为二氧化碳置换开采天然气水合物方法服务的专业模拟实验室还比较少。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化碳置换开采天然气水合物模拟方法及实验装置，该模拟实验装置可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方法进行优化和综合评价。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，包括一维模型、气体供给单元、工作液供给单元、轴压控制单元、回压控制单元、环境控制单元，并在上述各单元上分别设有用于感应各单元工作状态的传感器，该传感器电连接到数据处理单元；所述一维模型设置于环境控制单元当中，其内部为密封的模拟腔，在一维模型上设有气液入口、气液出口和轴压进液口，所述气体供给单元的气体输出管路与工作液供给单元的工作液输出管路连接后与气液入口连通，回压控制单元的回压采集管路与所述气液出口连通，所述轴压控制单元与所述轴压进液口连接；一维模型上还设置抽真空接口，用于与抽真空的设备连接；。 

环境控制单元用于控制一维模型的环境温度；气体供给单元用于向一维模型输入天然气以及二氧化碳气体，并可控制输入的气体的压力；工作液供给单元用于向一维模型内输入工作液；回压控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水等的输出压力；轴压控制单元用于压实一维模型模拟腔内的多孔介质；数据处理单元用于采集和处理各传感器的信号，各传感器的信号采集一般包括：向一维模型模拟腔内输入的天然气量、水量，模拟开采输出的天然气量、产生的水量，模拟腔内的温度、压力、差压、声阻抗以及电阻，各传感器的数据处理一般包括：输出时间-温度曲线、时间-压力曲线、时间-差压曲线、时间-声阻抗曲线、时间-电阻曲线、压力-开采量曲线等等，以对各数据进行综合评价；数据处理单元能对温度、压力、流量及液体重量等参数进行在线测量，显示其瞬值和累计值，电阻、声阻抗探测均能在线连续监测。 

所述一维模型为圆柱形不锈钢反应釜，包括筒体，该筒体前后端部上分别套有前法兰和后法兰以形成密封的模拟腔；在所述筒体的外侧套有水夹套，该水夹套通过水夹套入口和水夹套出口分别与所述环境控制单元连接，所述气液入口设置在前法兰上并连通到筒体内，所述气液出口设置在后法兰上并连通到筒体内。通过设置水夹套能更好的提高一维模型的换热效果，更准确的对一维模型进行温度控制。 

在所述筒体内均布有温度探头、差压探头、电阻探头、连接到电极的电极接口，温度探头连接到温度传感器，电阻探头分别设置在筒体的两侧上，所述差压探头连接到第一差压传感器；在筒体两端端部内分别靠近气液入口和气液出口的位置处设有超声波发射探头和超声波接收探头，抽真空接口设置在气液入口处，该抽真空接口连接到真空泵,在气液入口和气液出口处还分别设有压力测量接口，该压力测量接口连接到压力传感器，所述电极、温度传感器、第一差压传感器、压力传感器、超声波探头分别与所述数据处理单元连接。 

所述环境控制单元包括有恒温水浴，所述水夹套入口和水夹套出口分别与恒温水浴相连通，所述传感器为设置在恒温水浴中的温度传感器。通过环境控制单元可对一维模型进行温度的精确控制。 

所述气体供给单元包括设置在气体输出管路上、并依次连接的天然气源、二氧化碳气源、气体压缩机、减压阀、截止阀、过滤器、气体流量计和单向阀，在单向阀上连接有压力表，所述传感器为气体流量计。该气体供给单元上的感应元件为气体流量计，气体流量计可将所测得的气体流量值输入到数据处理单元进行分析处理。 

所述工作液供给单元包括设置在工作液输出管路上、并依次连接的工作液储存罐、液压泵、中间容器、加热罐、截止阀，所述传感器为设置在液压泵内的液体压力传感器。工作液供给单元上的传感器为装有液体压力传感器的液压泵，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，需将加热罐加热到实验所需温度，工作液流经加热罐充分换热后进入一维模型中。 

所述回压控制单元包括设置在回压采集管路上、并依次连接的回压阀、气液分离器和储液罐，以及与该气液分离器连接的气体流量计，与储液罐连接的第二差压传感器，所述传感器为气体流量计和第二差压传感器。 

所述轴压控制单元包括与轴压进液口连接的液压泵与截止阀。能保证压紧一维模型模拟腔内的多孔介质，使其更符合真实环境中多孔介质特性。 

数据处理单元包括数据采集箱，与数据采集箱连接的中央处理装置，所述中央处理装置内包括有用于采集传感器信号的数据采集模块、用于处理传感器信号的数据处理模块以及用于存储数据处理模块处理结果的数据存储模块。数据采集模块与一维模型、天然气供给单元、工作液供给单元、轴压控制单元、 回压控制单元和环境控制单元上的传感器电连接，采集各传感器所对应的压力、差压、温度、电阻、声阻抗、开采量等参数；数据处理模块可为数据处理软件或其它结构，数据处理模块将各传感器的信号进行处理，以取得时间-压力、时间-差压、时间-温度、时间-电阻、时间-声阻抗、时间-开采量等曲线，用于对开采的情况进行分析；数据存储模块可将数据处理模块的处理结果以及光纤内窥镜观察到的图像进行存储。 

本发明还提供了一种二氧化碳置换开采天然气水合物的模拟方法，采用向甲烷水合物层连续或间歇注入二氧化碳气体的方法开采甲烷水合物，其具体的过程包括步骤： 

（1）在定容或定压条件下，在反应容器中利用天然气和工作液反应生成甲烷水合物层；此处反应容器可以为前述的装置中的一维模型； 

（2）向反应容器中注入二氧化碳气体； 

（3）分别在不同的时间采集反应容器中的气相并分析组分； 

（4）当反应容器中的气相甲烷含量高于预定值时，开始定压开采反应釜中的甲烷气体。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点： 

1、本实验装置中的一维模型由法兰固定，装卸方便。 

2、通过本实验装置可进行二氧化碳置换天然气水合物模拟开采，并可模拟多种不同的开采方式以进行比较； 

3、通过本实验装置，可利用电阻、声阻抗等模拟腔内部的水合物状态； 

4、本发明所述实验装置可以真实地模拟外部环境，对二氧化碳置换开采过程、开采效果进行综合评估，可以为天然气水合物的二氧化碳置换开采提供指导。 

附图说明

图1为本发明结构框图； 

图2为本发明一维模型的剖面结构示意图； 

图3为本发明一维模型的俯视结构示意图； 

附图标记说明：1-一维模型，2-模拟腔，3-恒温水浴，4-水夹套，5-天然 气源，6-二氧化碳气源，7-气体压缩机，8-减压阀，9-截止阀，10-过滤器，11-气体流量计，12-单向阀，13-压力表，14-压力控制阀，15-工作液储存罐，16-液压泵，17-中间容器，18-加热罐，19-截止阀，20-真空泵，21-液压泵，22-气体取样口，23-回压阀，24-气液分离器，25-气体流量计，26-储液罐，27-第二差压传感器，28-压力传感器，29-第一差压传感器，30-电极，31-温度传感器，32-超声波，33-数据采集箱，34-中央处理装置，35-气液进口，37-水夹套入口，38-温度探头，39-差压探头，40-水合物层，41-筒体，42-固定螺母，43-轴压活塞，44-气液出口，45-轴压进液口，46-后法兰，47-水夹套出口，48-超声波发射探头，49-超声波接收探头，50-前法兰，51-电阻探头，52-电阻探头。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 

实施例： 

请参阅图1所示，一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，包括一维模型1、气体供给单元、工作液供给单元、轴压控制单元、回压控制单元、环境控制单元，在上述各单元上设有若干传感器，这些传感器通过信号线或数据线与数据处理单元电连接；并在上述各单元上分别设有用于感应各单元工作状态的传感器，该传感器电连接到数据处理单元；一维模型1的内部为密封的模拟腔，一维模型1设置于环境控制单元当中，在一维模型1上设有气液入口35、气液出口44和轴压进液口45，气体供给单元的气体输出管路与工作液供给单元的工作液输出管路连接后通过控制阀再与气液入口35连通，回压控制单元的回压采集管路通过控制阀与气液出口44连通，轴压控制单元通过控制阀与所述轴压进液口45连接，一维模型1上还设置抽真空接口，用于与抽真空的设备连接。 

请参阅图2和图3所示，一维模型1为圆柱形不锈钢反应釜，包括筒体41,该筒体41前后端部上分别套有前法兰50和后法兰46，前法兰50和后法兰46通过若干螺栓与筒体41固定密封以形成密封的模拟腔2；在筒体41的外侧套有水夹套4，该水夹套4通过水夹套入口37和水夹套出口47分别与环境控制单元连接，气液入口35设置在前法兰50中部上并连通到筒体41内，气液出口44 设置在后法兰46中部上并连通到筒体41内，在筒体41的后法兰46上还连接有轴压活塞43，轴压活塞43通过固定螺母42固定在筒体41上。 

在筒体41内均布有温度探头38、差压探头39、电阻探头（51，52），连接到电极30的电极接口，温度探头38连接到温度传感器31，电阻探头（51，52）分别设置在筒体41的两侧上，差压探头39连接到第一差压传感器29；在筒体41两端端部内分别靠近气液入口35和气液出口44的位置处设有超声波发射探头48超声波接收49，可以测量模拟腔2内声阻抗，在气液入口35处设有抽真空接口，该抽真空接口连接到真空泵20,在气液入口35和气液出口44处还分别设有压力测量接口，该压力测量接口连接到压力传感器28，可以测量一维模型1进出口的压力大小,电极30、温度传感器31、第一差压传感器29、压力传感器28、超声波探头（48，49）分别与数据处理单元连接。天然气和工作液被注入模拟腔2后，在模拟腔2内形成水合物层；将水合物层沿轴向方向分为4个测点，分别测量温度、电阻与差压。 

本发明其他单元的具体结构如下所述： 

环境控制单元包括有恒温水浴3，水夹套入口37和水夹套出口47分别与恒温水浴3相连通，传感器为设置在恒温水浴3中的温度传感器。环境控制单元用于对一维模型进行温度的精确控制。 

气体供给单元包括设置在气体输出管路上、并依次连接的天然气源5、二氧化碳气源6、气体压缩机7、减压阀8、截止阀9、过滤器10、气体流量计11和单向阀12，在单向阀12上连接有压力表13，传感器为气体流量计11，气体输出管路与气液入口35相通。 

工作液供给单元包括设置在工作液输出管路上、并依次连接的工作液储存罐15、液压泵16、中间容器17、加热罐18、截止阀19，传感器为设置在液压泵16内的液体压力传感器，工作液输出管路与气液入口35相通，模拟腔2分别与截止阀19、真空泵20相连接。 

回压控制单元包括设置在回压采集管路上、并依次连接的回压阀23、气液分离器24和储液罐26，以及与该气液分离器24连接的气体流量计25，与储液罐26连接的第二差压传感器27，传感器为气体流量计25和第二差压传感器27。回压控制单元将以回压阀23的一个管路接口作为回压采集管路，与一维模型1 上的气液出口44连通，回压控制单元主要指出口压力控制与产出计量，回压阀23用于控制一维模型1的出口压力，气液分离器24将其中的气、液分离之后，由气体流量计25测出模拟开采的天然气量，模拟开采的液体流入储液罐26，利用与该储液罐26连接的第二差压传感器27测量该液体量，该回压控制单元还可包括回压气瓶、减压阀、压力表、放空阀。 

轴压控制单元包括液压泵21与截止阀，液压泵21通过截止阀与轴压进液口45连接。 

数据处理单元包括数据采集箱33，与数据采集箱33连接的中央处理装置34，中央处理装置34内包括有用于采集各个传感器信号的数据采集模块、用于处理传感器信号的数据处理模块以及用于存储数据处理模块处理结果的数据存储模块。 

本发明还提供了一种二氧化碳置换开采天然气水合物的模拟方法，采用向甲烷水合物层连续或间歇注入二氧化碳气体的方法开采甲烷水合物，其具体的过程包括步骤： 

（1）在定容或定压条件下，在反应容器中利用天然气和工作液反应生成甲烷水合物层；在本实施例中以前述装置中的一维模型为反应容器，在预定温度压力条件下反应生成甲烷水合物层；甲烷水合物可在定容或定压条件下生成，实验所采用的温度与压力均根据所模拟的水合物层所在地层的真实压力与温度确定。在生成过程中，反应釜中的温度保持恒定。生成消耗气量在定容时根据反应釜中的压力变化计算，定压时根据进气端气体流量计测定。 

（2）向一维模型中注入二氧化碳气体；二氧化碳注入的压力高于甲烷水合物在实验温度下的平衡分解压力，以确保无甲烷水合物分解。注入的二氧化碳气体量根据进气端气体流量计测定。 

（3）分别在不同的时间采集一维模型中的气相并分析组分；观测反应系统压力及温度变化情况，每隔24～48h采集系统微量气体，用气相色谱仪分析其组分变化情况，监测置换反应的进行程度。 

（4）根据实验过程中甲烷含量的变化速度以及开采的经济性确定开采时甲烷含量的预定值，一般以甲烷含量达到摩尔百分比80%-90%为预定值。当一维模型中的气相甲烷含量高于预定值时，开始定压开采反应釜中的甲烷气体。出口压力由回压控制单元控制，气体的开采量由气体流量计测量。 

本实施例中，一维模型1的耐压范围为0～25MPa，内腔为容积283.4ml的圆柱形胶皮套；筒体41反应釜内部为圆柱形，内径38mm，内部有效长度250mm。 

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (7)

1.一种二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：包括一维模型（1）、气体供给单元、工作液供给单元、轴压控制单元、回压控制单元、环境控制单元，并在上述各单元上分别设有用于感应各单元工作状态的传感器，该传感器电连接到数据处理单元；所述一维模型（1）的内部为密封的模拟腔，一维模型（1）设置于环境控制单元当中，在一维模型（1）上设有气液入口（35）、气液出口（44）和轴压进液口（45），所述气体供给单元的气体输出管路与工作液供给单元的工作液输出管路连接后与气液入口（35）连通，回压控制单元的回压采集管路与所述气液出口（44）连通，所述轴压控制单元与所述轴压进液口（45）连接；一维模型（1）上还设置抽真空接口，用于与抽真空的设备连接；一维模型（1）包括有筒体（41），在所述筒体（41）内均布有温度探头（38）、差压探头（39）、电阻探头（51，52）、连接到电极（30）的电极接口，温度探头（38）连接到第一温度传感器（31），电阻探头（51，52）分别设置在筒体（41）的两侧上，所述差压探头（39）连接到第一差压传感器（29）；在筒体（41）两端端部内靠近气液入口（35）的位置处设有超声波接收探头（49），在靠近气液出口（44）的位置处设有超声波发射探头（48）；抽真空接口设置在气液入口（35）处，该抽真空接口连接到真空泵(20)；在气液入口（35）和气液出口（44）处还分别设有压力测量接口，该压力测量接口连接到压力传感器（28），所述电极（30）、第一温度传感器（31）、第一差压传感器（29）、压力传感器（28）、超声波探头（48，49）分别与所述数据处理单元连接；所述气体供给单元包括设置在气体输出管路上、并依次连接的天然气源（5）、二氧化碳气源(6)、气体压缩机(7)、减压阀(8)、第一截止阀(9)、过滤器(10)、第一气体流量计(11)和单向阀(12)，在单向阀(12)上连接有压力表（13），所述气体供给单元上用于感应该单元工作状态的传感器为气体流量计(11)。 

2.如权利要求1所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述一维模型（1）为圆柱形不锈钢反应釜，包括筒体（41）,该筒体（41）前后端部上分别套有前法兰(50)和后法兰(46)以形成密封的模拟腔（2）；在所述筒体（41）的外侧套有水夹套（4），该水夹套（4）通过水夹套入口（37）和水夹套出口（47）分别与所述环境控制单元连接，所述气液入口（35）设置在前法兰(50)上并连通到筒体(41)内，所述气液出口（44）设置在后法兰（46）上并连通到筒体（41）内。 

3.如权利要求2所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述环境控制单元包括有恒温水浴（3），所述水夹套入口（37）和水夹套出口（47）分别与恒温水浴（3）相连通，所述环境控制单元上用于感应该单元工作状态的传感器为设置在恒温水浴（3）中的第二温度传感器。 

4.如权利要求1所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述工作液供给单元包括设置在工作液输出管路上、并依次连接的工作液储存罐（15）、液压泵（16）、中间容器（17）、加热罐（18）、第二截止阀（19），所述工作液供给单元上用于感应该单元工作状态的传感器为设置在液压泵(16)内的液体压力传感器。 

5.如权利要求1所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述回压控制单元包括设置在回压采集管路上、并依次连接的回压阀（23）、气液分离器（24）和储液罐（26），以及与该气液分离器（24）连接的第二气体流量计（25），与储液罐（26）连接的第二差压传感器（27），所述回压控制单元上用于感应该单元工作状态的传感器为气体流量计（25）和第二差压传感器（27）。 

6.如权利要求1所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述轴压控制单元包括与轴压进液口（45）连接的液压泵（21）与第三截止阀。 

7.如权利要求1所述的二氧化碳置换开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：数据处理单元包括数据采集箱（33），与数据采集箱（33）连接的中央处理装置（34），所述中央处理装置（34）内包括有用于采集传感器信号的数据采集模块、用于处理传感器信号的数据处理模块以及用于存储数据处理模块处理结果的数据存储模块。 

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