CN101963057B

CN101963057B - 一种天然气水合物地质分层模拟实验装置

Info

Publication number: CN101963057B
Application number: CN 201010292560
Authority: CN
Inventors: 李小森; 李刚; 陈朝阳; 张郁
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101963057A

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物地质分层模拟实验装置，包括有三维模型，该三维模型为耐压范围在5～40Mpa、内腔容积50～500L的不锈钢反应釜；所述三维模型包括筒体、分别置于筒体上下的上法兰和下法兰，所述筒体、上法兰和下法兰之间的密封腔形成封闭的模拟腔；上法兰和筒体以及下法兰和筒体之间分别通过多个螺栓接连固定。本装置所采用的半渗透隔板层具有耐高压、耐腐蚀和耐高温等特点，在高压三维模型内的模拟腔内可自由拆卸，组装，具体数量和尺寸等可灵活选择，针对不同类型的天然气水合物藏地质分层情况可以方便地采用相应特点的半渗透隔板层。

Description

一种天然气水合物地质分层模拟实验装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术，尤其涉及一种天然气水合物地质分层模拟实验装置。

背景技术

天然气水合物是在一定条件(合适的压力、温度、气体饱和度、水的盐度和pH值等)下由水和天然气组成的类冰的笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”，在自然界中存在的水合物绝大部分是甲烷水合物。一般说来，从水合物分解得到的甲烷是水合物体积的160多倍，其以固态形式存在的天然气总量是地球上煤、石油等化石燃料的2倍，所以天然气水合物成了21世纪最重要的战略资源。此外，甲烷含碳量少于煤或石油，甲烷产生的二氧化碳仅仅是煤的一半，是一种比较清洁的能源。

运用能量平衡条件等计算表明，在假设无能量损失的情况下，从水合物气体中获得的能量是分解水合物能量的15.5倍，因此开采天然气水合物具有一定的商业价值，是各发达国家争相研究的前沿热点，但是由于天然气水合物的开采面临着经济和技术上的可行性问题，天然气水合物的开发技术目前主要处于实验研究阶段。

天然气水合物开采的思路基本上是首先将蕴藏于沉积物中的天然气水合物进行分解，然后加以利用。当前提出的方法主要有以下三类：(1)热力开采法，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、利用地热等诸多方法促使储层温度上升而达到水合物分解的目的；(2)化学剂开采法，主要是利用一些化学剂，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；(3)降压开采法，主要是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。

目前，研究天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供理论依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物地质分层模拟实验装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：本发明天然气水合物地质分层模拟实验装置是一套天然气水合物三维模型，为耐压范围为5～40MPa，耐温范围为-30～300℃，耐腐蚀(如醇类和盐类等腐蚀性溶液)，内腔容积为50～500L的球形或圆柱形或方形不锈钢反应釜。三维模型内为密封的模拟腔，三维模型由筒体、上法兰和下法兰组成，筒体、上法兰和下法兰之间的密封腔形成封闭的模拟腔。上法兰和筒体以及下法兰和筒体之间分别使用若干螺栓接连固定。

在模拟腔内部，包括有从上到下依次分布的上盖层、水合物层、游离气或水层和下盖层。

所述上盖层和下盖层均由低渗透的岩石组成，水合物层和游离气或水层均含有沉积物；所述水合物层与游离气或水层之间由半渗透隔板层分隔，水合物层和游离气或水层间气体和水等流体流动均通过半渗透隔板层。

所述半渗透隔板层包括只渗透水不渗透气体和只渗透气体不渗透水两种耐腐蚀的半渗透隔板层，其耐压范围为5～40MPa，耐温范围为-30～300℃；所述半渗透隔板层由1～20个半渗透隔板组成，每个半渗透隔板的表面积为0.01～0.1m²。

所述半渗透隔板层上、下表面分别为水平表面或中间高、两边低的弧状表面，该弧状表面有利于必要时将半渗透隔板层上方聚集的液体流向四周，使中心区域具有更理想的透气效果。

所述半渗透隔板层中每一个半渗透隔板都镶嵌于圆柱形或方形不锈钢平板内并可拆卸、替换，通过不锈钢平板水平固定在模拟腔内部，不锈钢平板紧贴模拟腔内壁密封，并且可拆卸。

上法兰和下法兰中部分别开有上端气液口和下端气液口。固定于上法兰的上端气液口延伸到上盖层和水合物层的交界面附近，便于直接向水合物层注入溶液。固定于下法兰的下端气液口延伸到游离气或水层和下盖层的交界面附近，便于直接向游离气或水层注入溶液。

所述不锈钢反应釜为球形或圆柱形或方形。

本发明的主要创新之处在于：将天然气水合物三维模型内部介质进行分层，形成上盖层、水合物层、游离气或水层和下盖层从上到下依次分布天然气水合物地质分层结构，并利用只渗透水不渗透气体和只渗透气体不渗透水两种半渗透隔板层将水合物层和游离气或水层进行分隔，以模拟实际海底或者冻土带地层内天然气水合物藏地质分层情况。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本装置可以实现对实际海底或者冻土带地层内天然气水合物藏地质分层情况的模拟，通常实际天然气水合物藏主要包括以下几种主要分类：类型1-上盖层、水合物层、水合物层下部游离气层以及下盖层；类型2-上盖层、水合物层、水合物层下部含水层以及下盖层；类型3-上盖层、水合物层以及下盖层等。在实验室内模拟自然界实际水合物藏地质分层情况，需要在三维模型内部生成天然气水合物，采用不同的实验方案来模拟相应类型的水合物藏。本装置所采用的半渗透隔板层具有耐高压、耐腐蚀和耐高温等特点，在高压三维模型内的模拟腔内可自由拆卸，组装，具体数量和尺寸等可灵活选择，针对不同类型的天然气水合物藏地质分层情况可以方便地采用相应特点的半渗透隔板层。

附图说明

图1为是本发明装置剖面结构示意图；

图2是本发明装置顶部俯视图；

图3是半渗透隔板层俯视图；

附图标记说明：1-三维模型，2-模拟腔，3-筒体，4-上法兰，5-下法兰，6-螺栓，7-上端气液口，8-下端气液口，9-上盖层，10-水合物层，11-游离气或水层，12-下盖层，13-半渗透隔板层，14-半渗透隔板，15-不锈钢平板。

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。

实施例一：

形成类型1的天然气水合物藏地质分层模型：

请参阅图1到图2所示，类型1的天然气水合物藏的特点是地层中从上到下主要分为上盖层9、水合物层10、水合物层10下部游离气层以及下盖层12，上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层10和游离气或水层11均含有沉积物。在三维模型1内的模拟腔2中，将半渗透隔板层13置于水合物层10和水合物层11下部游离气层之间，采用只渗透气体不渗透水的半渗透隔板层13，半渗透隔板层13上、下表面分别为水平表面或中间高、两边低的弧状表面。在天然气水合物合成前，首先，通过上端气液口7向三维模型1的模拟腔2内注入适量的溶液，由于固定于上法兰4的上端气液口7延伸到上盖层9和水合物层10的交界面附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到水合物层10当中。另外，由于采用的只渗透气体不渗透水的半渗透隔板层13，保证溶液仅存在于水合物层10，而未向下渗入下部游离气层。其次，通过下端气液口8向游离气层注入一定量的天然气到一定的压力，使气体通过半渗透隔板层13的渗透充满整个模拟腔2。最后，降低三维模型1的温度进行天然气水合物的合成。经过足够长的反应时间，三维模型1内的地质分层情况如下：上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层10形成沉积物中的天然气、水和水合物三相，游离气层只含有沉积物和天然气，由此形成类型1的天然气水合物藏地质分层模型。

请参阅图3所示，半渗透隔板层13为只渗透水不渗透气体和只渗透气体不渗透水的两种耐腐蚀的半渗透隔板层13，其耐压范围为5～40MPa，耐温范围为-30～300℃；半渗透隔板层13由1～20个半渗透隔板14组成，每个半渗透隔板14表面积为0.01～0.1m2。半渗透隔板层13中每一个半渗透隔板14都镶嵌于圆柱形或方形不锈钢平板15内并可拆卸、替换，通过不锈钢平板15水平固定在模拟腔内部，不锈钢平板15紧贴模拟腔内壁密封，并且可拆卸。

实施例二：

形成类型2的天然气水合物藏地质分层模型：

类型2的天然气水合物藏的特点是地层中从上到下主要分为上盖层9、水合物层10、水合物层10下部含水层以及下盖层12，上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层10和游离气或水层11均含有沉积物。在三维模型1内的模拟腔2中，将半渗透隔板层13置于水合物层10和水合物层10下部含水层之间，采用只渗透水不渗透气体的半渗透隔板层13。在天然气水合物合成前，首先，通过上端气液口7向三维模型1的模拟腔2内注入适量的溶液，由于固定于上法兰4的上端气液口延伸到上盖层和水合物层的交界面附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到水合物层10当中。另外，由于采用的只渗透水不渗透气体的半渗透隔板层13，溶液通过半渗透隔板层13向下渗入下部含水层。其次，再通过上端气液口7向三维模型1的模拟腔2内注入一定量的天然气到一定的压力，在只渗透水不渗透气体的半渗透隔板层13的作用下，天然气主要存在于水合物层10，而无法渗透到下部含水层。最后，降低三维模型1的温度进行天然气水合物的合成。经过足够长的反应时间，三维模型内的地质分层情况如下：上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层形成沉积物中的天然气、水和水合物三相，水合物层下部含水层只含有沉积物和水，由此形成类型2的天然气水合物藏地质分层模型。

本实施例其他结构与实施例一相同，在此不再详述。

实施例三：

形成类型3的天然气水合物藏地质分层模型。

类型3的天然气水合物藏的特点是地层中从上到下主要分为上盖层9、水合物层10以及下盖层12，上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层含有沉积物。在三维模型1内的模拟腔2中，不采用半渗透隔板层13。在天然气水合物合成前，首先，通过上端气液口7向三维模型1的模拟腔2内注入适量的溶液，由于固定于上法兰4的上端气液口7延伸到上盖层9和水合物层10的交界面附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到水合物层10当中。其次，通过下端气液口8向游离气层注入一定量的天然气到一定的压力，使气体充满整个模拟腔2。最后，降低三维模型1的温度进行天然气水合物的合成。经过足够长的反应时间，三维模型1内的地质分层情况如下：上盖层9和下盖层12均由低渗透的岩石组成，水合物层10形成沉积物中的天然气、水和水合物三相，由此形成类型3的天然气水合物藏地质分层模型。

本实施例其他结构与实施例一相同，在此不再详述。

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

1.一种天然气水合物地质分层模拟实验装置，其特征在于：包括有三维模型（1），该三维模型为耐压范围在5～40Mpa、内腔容积50～500L的不锈钢反应釜；所述三维模型（1）包括筒体（3）、分别置于筒体（3）上下的上法兰（4）和下法兰（5），所述筒体（3）、上法兰（4）和下法兰（5）之间的密封腔形成封闭的模拟腔（2）；上法兰（4）和筒体（3）以及下法兰（5）和筒体（3）之间分别通过多个螺栓（6）连接固定；在模拟腔（2）内部，包括有从上到下依次分布的上盖层（9）、水合物层（10）、游离气或水层（11）和下盖层（12）；所述上盖层（9）和下盖层（12）均由低渗透的岩石组成，水合物层（10）和游离气或水层（11）均含有沉积物；所述水合物层（10）与游离气或水层（11）之间由半渗透隔板层（13）分隔；所述半渗透隔板层（13）为只渗透水不渗透气体或只渗透气体不渗透水的两种耐腐蚀的半渗透隔板层（13），其耐压范围为5～40MPa，耐温范围为-30～300℃；所述半渗透隔板层（13）由1～20个半渗透隔板(14)组成，每个半渗透隔板(14)表面积为0.01～0.1m²。

2.如权利要求1所述的天然气水合物地质分层模拟实验装置，其特征在于：所述半渗透隔板层（13）上、下表面分别为水平表面或中间高、两边低的弧状表面。

3.如权利要求1所述的天然气水合物地质分层模拟实验装置，其特征在于：在所述上法兰（4）和下法兰（5）中部分别开有上端气液口（7）和下端气液口（8）。

4.如权利要求1所述的天然气水合物地质分层模拟实验装置，其特征在于：所述不锈钢反应釜为球形或圆柱形或方形。