CN102125815B

CN102125815B - 一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统

Info

Publication number: CN102125815B
Application number: CN 201010617478
Authority: CN
Inventors: 关进安; 梁德青; 李栋梁
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102125815A

Abstract

本发明公开了一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，包括可视化大容积高压透明反应釜，以及与反应釜连接、并为反应釜提供所需压力、温度和湿度流动气体的供气系统；为反应釜提供所需温度和湿度的温控系统；与反应釜连接并为其提供真空环境和保证气体顺利循环的动力系统；以及与反应釜连接、实时采集温度、压力、电导率和流量数据并记录处理数据观测试验进行的数据采集系统。本发明可以模拟在不同流通量下气体边移动边在三段不同相里形成水合物的过程，以描述在这种渗漏系统里渗漏气体形成水合物的传热和传质特征，为实际海底类似条件的水合物研究提供参考和近似的参数数据。同时，本实验系统和方法还可开展相应的水合物分解研究。

Description

一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统

技术领域

本发明涉及天然气水合物形成/分解研究领域，尤其是模拟渗漏类型天燃气水合物形成/分解的高压成套实验系统。

背景技术

海底沉积物里天然气水合物是近二十年来全世界新能源领域的重要发现，渗漏类型的水合物层由于具有流体迁移程度剧烈，通量大且水合物赋存集中等优点，被视为最具备商业利用价值的储藏，目前对这类水合物的形成、分布、聚集和开采等是该领域的研究热点。

海底沉积物中渗漏类型水合物的形成和成藏是多相流动的结果，在这个过程中游离气起着很重要的作用，游离气在孔隙水的组分和气体的迁移程度决定水合物的形成速度，另一个重要的影响因素是沉积地层的地质结构，多孔介质的粒径和孔隙度等属性决定水合物的聚集和分布，因此，可以从游离气体和多孔介质两个方面来描述渗漏类型的水合物系统。目前，多孔介质里水合物的形成动力学研究还非常不完善，主要是其生成的微观机理复杂，实验测试精确度不够导致偏差很大，实验室模拟海底水合物动力学研究通常是利用冰(水)和甲烷(二氧化碳)在砂层里合成水合物，或者使用鼓泡反应装置通入气体搅拌生成水合物，但这些模拟都不能完全准确的描述流动过程中的气体(气泡)在多孔介质内的形成过程。

对迄今为止公布的文献资料(论文、报告和专利)的搜集和分析表明，专门用于渗漏类型水合物形成/分解研究的实验装置和系统非常少，普遍不具备大的实验空间和适合海底环境的高压，而且最重要的是不能提供与实验空间匹配的气体通量范围。为此，本实验系统能很好的结合多孔介质的性质和流动的气体(气泡)在形成水合物过程中的传热传质特征等以研究渗漏型水合物的形成/分解过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟渗漏体系里气体移动并在可视化高压环境下形成/分解水合物的综合实验装置，该套装置具有能准确反映气体边移动边在多孔介质里形成水合物这一过程，并通过实验采集的温度、压力、电导率和气体流量等参数以描述渗漏型水合物的形成特性。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，包括可视化大容积高压透明反应釜，以及与反应釜连接、并为反应釜提供所需压力、温度和湿度流动气体的供气系统；为反应釜提供所需温度和湿度的温控系统；与反应釜连接并为其提供真空环境和保证气体顺利循环的动力系统；以及与反应釜连接、实时采集温度、压力、电导率和流量数据并记录处理数据观测试验进行的数据采集系统。

所述供气系统包括高压气瓶、以及与高压气瓶输出管路连接的高压缓冲罐和加湿器，所述高压气瓶进入反应釜的管路上连接有压力表，温度表以及双向截止阀。

所述温控系统包括可编程试验箱，可编程试验箱一侧为箱体，所述缓冲罐和反应釜置于该可编程试验箱的箱体中，可编程试验箱另一侧箱体上设有根据设计的水合物形成相平衡条件设置合适的温度和湿度变化幅度和方式的程序控制台。

所述反应釜包括上下滤网，上下滤网将反应釜分隔为三段，反应釜釜体底部设计有排液孔和与供气系统连接的进气口，反应釜釜体上端设有出气孔和连接口；所述反应釜釜体一侧中间安装高压透明玻璃窗以及冷光源，相对的另一侧设有多个探测孔，分别对应安装有温度传感器、压力传感器、电导传感器。

所述动力系统包括真空泵、空压机和气液分离器，所述真空泵与出气孔连接，所述气液分离器和空压机与所述连接口连接。

所述数据采集系统包括相互电连接的数据采集板和高性能台式计算机，该数据采集板与反应釜连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明可以模拟在不同流通量下气体边移动边在三段不同相里(多孔介质、液态水、气)形成水合物的过程，以描述在这种渗漏系统里渗漏气体形成水合物的传热和传质特征，为实际海底类似条件的水合物研究提供参考和近似的参数数据。同时，本实验系统和方法还可开展相应的水合物分解研究。

附图说明

图1为本发明所述整套实验系统的连接示意图；

图中各部件说明：1-高压气瓶，2-压力表，3-温度表，4-双向截止阀，5-高压缓冲罐，6-加湿器，7-温控高低温试验箱，图中用虚线框表示，8-温控台，9-高压反应釜，10-流量计，11-压差传感器，12-真空泵，13-空压机，14-气液分离器，15-安捷伦数据采集板，16-高性能台式电脑；

图2为本发明所述实验反应釜体9的结构原理图；

图中各部件说明：9-1-温度传感器，9-2-压力传感器，9-3-电导率传感器，9-4-排液孔，9-5-进气孔，9-6-高压透明玻璃窗，9-7-滤网，9-8-连接孔，9-9-出气孔。

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，一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，包括可视化大容积高压透明反应釜9，以及与反应釜9连接、并为反应釜9提供所需压力、温度和湿度流动气体的供气系统；为反应釜9提供所需温度和湿度的温控系统；与反应釜9连接并为其提供真空环境和保证气体顺利循环的动力系统；以及与反应釜9连接、实时采集温度、压力、电导率和流量数据并记录处理数据观测试验进行的数据采集系统。

供气系统为实验体系提供合适压力、温度和湿度下的流动气体，在气体由高压气瓶1进入反应釜9的管路中，安置有压力表2，温度表3以及双向截止阀4，保证实验装置和实验人员的安全。高压气体首先会进入一个2.5升容积承压20Mpa的高压缓冲罐5，在缓冲罐里气体压力会降到一定程度以符合实验准备阶段的压力要求范围，然后根据反应釜9内多孔介质的润湿情况和对进入釜内的反应气体的湿度要求，让气体再进入加湿器6加湿，最后合适的湿气流体进入釜内反应。

温控系统主要包括高低温可编程试验箱7，为实验系统提供需要的温度和湿度。高低温试验箱7一侧为箱体，设计体积为800×800×1200(mm)，可变温范围为-20-70℃，系统中缓冲罐5和反应釜9均放置在该箱体内，可编程试验箱7另一侧箱为电器元件柜，外表面右上角为程序控制台8，在实验中根据设计的水合物形成相平衡条件设置合适的温度和湿度变化幅度和方式。

反应系统主要包括可视化大容积高压透明反应釜9，为一可耐高压20MPa的反应容器，釜体内空间可达7.5升，由不同目的上下滤网9-7分割成三段，实验时将中间段填充不同粒径多孔介质海底石英砂，并用去离子水润湿，以用于进行气体穿越多孔介质并形成水合物的实验。釜体底部设计有排液孔9-4，实验完毕后排出釜内残余水；设计有进气口9-5，与缓冲罐5和加湿器6相接，实验中由此通入高压气体；釜体一侧中间安装高压透明玻璃窗9-6以及冷光源，用于可视化观察水合物在多孔介质内的形成和胶结情况，对应另一侧设计有为四个探测孔，分别安置温度传感器9-1、压力传感器9-2以及电导传感器9-3，以实时采集温度、压力、电导率等实验参数；釜体上端设计有出气孔9-8，与真空泵12管路相通，实验中用于系统管路抽真空；还设计有连接口9-9，与气液分离器14和空压机13相连。

动力系统包括真空泵12、空压机13和气液分离器14，为实验系统提供真空环境和保证气体顺利循环，真空泵12在实验前将整个管路抽真空，空压机13在管路中通过三通连接至缓冲罐5，实验中开动空压机往灌里注入压力，不断为气体顺利流动提供必要的动力，同时，可根据实验设计以及流量计10和压差传感器11的测试结果调整压力范程，以变换不同相平衡条件，模拟相应的水合物形成实验。实验过程中，由于气体流入的通量大小不同，会有未经反应的湿气流溢出反应釜9上盖的出气口9-9，出气口9-9与气液分离器14相接，这些溢出的湿气进入气液分离器14后，重新成为干气体，并被压进缓冲罐5继续参与水合物形成实验，实验循环进行，不仅节省了实验成本，而且提高了实验系统的利用效率。

数据采集系统包括相互电连接的数据采集板15和高性能台式计算机16，该数据采集板15与反应釜9连接，在实验中实时采集温度、压力、电导率和流量等数据并记录，处理数据以直观反映实验的进展情况。

除了进行模拟渗漏类型的水合物形成实验外，本整套实验装置还可进行相应的水合物在多孔介质内分解实验。当水合物形成实验完成后，稳定反应釜体9内的温度和实验管路内的压力，静置一段时间，然后再调节温度和压力破坏水合物的相平衡环境，使得水合物在多孔介质内分解，一面透过视窗9-6观察水合物在多孔介质内的胶结变化情况，一面记录温度、压力、气体流量、压差和电导率等参数以反映分解实验的进展情况。

本成套实验系统主要的用途是用以模拟渗漏类型水合物在多孔介质里的形成，获得准确可靠的实验参数数据如气体通量与水合物形成速度等，以便更好的研究实际海底高压环境下这类水合物储藏特性。下面以二氧化碳水合物在石英砂里的形成实验为例以讲解该实验装置的具体实施方式：

1)用蒸馏水清洗反应釜9，缓冲罐5以及实验管路，待其干燥后按实验系统连接示意图1连接各个装置及部件，系统检漏，开动真空泵12为管路抽真空；

2)清洗并烘干取自珠江口海底的石英细砂，细砂粒径为0.45-0.99mm间，将细砂放置于反应釜9内两滤网9-7中间夹层，关闭釜体底端的进气孔9-5和排水孔9-4，往反应釜9内注入一定量的蒸馏水，底部浸润石英砂而上层润湿砂层并保持80％的含水饱和度；

3)开启高低温试验箱7，降温，使反应釜体9及缓冲罐5内温度保持在1℃，此时压力为大气压，该条件为二氧化碳水合物相区域外；

4)打开高压气瓶1向缓冲罐内5注入一定量的二氧化碳气体，观察压力表2，待其稳定在1MPa(低于CO2水合物相平衡压力1.4MPa)后关闭阀门4，保持；

5)开动空压机13，加压使得气体循环管路及反应釜体9内压力达到并保持在设计实验压力3MPa，水合物开始形成；

6)打开安捷伦是数据采集卡15和计算机16，实时记录实验体系内各个温度、压力、压差、电导率和流量等数据，透过窗口9-6观察实验进展情况，并录像和拍照以记录二氧化碳水合物形成过程；

7)完成实验后，拆卸并清洗实验管道和反应釜。

本实验系统还可以逆向进行相应的多孔介质内水合物分解实验，这样，通过模拟形成和分解实验，可以得出不同多孔介质粒径下、不同温度和压力条件下气体通量与水合物形成/分解动力学参数间的关系，并应用于实际海底高压环境下渗漏类型水合物储藏研究。

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

1.一种模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，其特征在于：包括可视化大容积高压透明反应釜（9），以及与反应釜（9）连接、并为反应釜（9）提供所需压力、温度和湿度流动气体的供气系统；为反应釜（9）提供所需温度和湿度的温控系统；与反应釜（9）连接并为其提供真空环境和保证气体顺利循环的动力系统；以及与反应釜（9）连接、实时采集温度、压力、电导率和流量数据并记录处理数据观测试验进行的数据采集系统；所述供气系统包括高压气瓶（1）、以及与高压气瓶（1）输出管路连接的高压缓冲罐（5）和加湿器（6），所述高压气瓶（1）进入反应釜（9）的管路上连接有压力表（2），温度表（3）以及双向截止阀（4）；所述温控系统包括可编程试验箱（7），可编程试验箱（7）一侧为箱体，所述缓冲罐（5）和反应釜（9）置于该可编程试验箱（7）的箱体中，可编程试验箱（7）另一侧箱体上设有根据设计的水合物形成相平衡条件设置合适的温度和湿度变化幅度和方式的程序控制台（8）。

2.如权利要求1所述的模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，其特征在于：所述反应釜（9）包括上下滤网（9-7），上下滤网（9-7）将反应釜（9）分隔为三段，反应釜（9）釜体底部设计有排液孔（9-4）和与供气系统连接的进气口（9-5），反应釜（9）釜体上端设有出气孔（9-8）和连接口（9-9）；所述反应釜（9）釜体一侧中间安装高压透明玻璃窗（9-6）以及冷光源，相对的另一侧设有多个探测孔，分别对应安装有温度传感器（9-1）、压力传感器（9-2）、电导传感器（9-3）。

3.如权利要求2所述的模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，其特征在于：所述动力系统包括真空泵（12）、空压机（13）和气液分离器（14），所述真空泵（12）与出气孔（9-8）连接，所述气液分离器（14）和空压机（13）与所述连接口（9-9）连接。

4.如权利要求2所述的模拟渗漏型天然气水合物形成/分解的高压实验系统，其特征在于：所述数据采集系统包括相互电连接的数据采集板（15）和高性能台式计算机（16），该数据采集板（15）与反应釜（9）连接。