CN102352735B - 一种天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能自由改变实验边界条件的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法。所述实验装置包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中。本发明可以自由的改变实验温度边界条件；适用于各种大小的三维反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去；可以模拟出地层温度梯度及周围加热的开采方式。

Description

一种天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法。

背景技术

天然气水合物(NGH)是一种天然气与水形成的非化学计量的笼形化合物。在NGH中，水分子(主体分子)通过氢键作用形成具有一定尺寸空穴的晶格主体，较小的气体分子(客体分子，主要是甲烷)包容在空穴中，从而形成外观类似雪花或冰的固态化合物，其密度为0.905～0.91g/cm³。标准状况下，1体积典型的NGH包含164体积的天然气。自然界中在陆地的永冻区和大陆边缘的海底深层砂砾中存在大量的天然气水合物。据估计，以水合物形式存在的碳含量大于目前所有化石燃料中碳含量的总和，被认为是最有应用前景的新能源之一。海底中水合物资源是不稳定的，天然气水合物在海底沉积层中有稳定区和存在区，海底温压条件的轻微改变都足以使水合物发生不同程度的分解。因此研究水合物的形成、分解机理对水合物资源的开发和利用具有重要的意义和参考价值。

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。现有的开采方法大体上可分为：热力开采法；化学剂开采法；降压开采法。

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。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能自由改变实验边界条件的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法。

一种天然气水合物三维实验装置，包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境；温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及边界条件；进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔即所述的模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的内壁上设置有可变温度边界层。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，模拟腔的体积为0.1L～500L。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜的耐压范围为0～40MPa。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，当设置等温边界条件时，可变温度边界层为不锈钢板；当设置绝热边界条件时，可变温度边界层为绝热板；当设置等热流边界条件时，可变温度边界层为电加热片。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，温度和边界控制单元包括边界控制部分和温度控制部分，边界控制部分由不锈钢板包围形成，不锈钢板包围釜体盖板以下的釜体外壁，形成空腔，称为边界控制空腔，在边界控制空腔的顶部设置一个水泵和一个放空阀，在边界控制空腔的底部设置一个真空泵；温度控制部分是个恒温箱，将整个三维反应釜及边界控制部分置于其中。

一种上述天然气水合物三维实验装置的三维模拟实验方法，包括：通过调节恒温箱温度控制部分的温度以设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层及控制边界控制部分以实现不同的边界条件；通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；实验完成后通过数据处理单元处理数据。

所述的三维模拟实验方法，其中，当实验需要等温边界条件时，将可变温度边界层更换为不锈钢板，封闭模拟腔，打开水泵与放空阀，向边界控制空腔内注入冷却液体，当边界控制空腔注满冷却液体后，调节温度控制部分为恒定温度，即完成等温边界条件的设定；当实验需要绝热边界条件时，将可变温度边界层更换为绝热板，关闭放空阀，打开真空泵，将边界控制空腔内抽成真空，即完成绝热边界条件的设定；当实验需要等热流边界条件时，将可变温度边界层更换为电加热板，按照需要选择是否将边界控制空腔抽成真空，打开电加热板电源控制所需的功率大小，即完成等热流边界条件的设定。

所述的三维模拟实验方法，其中，本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。其他可以达到恒温效果的冷却液体也同样适用。

本发明的有益效果是：可以自由的改变实验边界条件；适用于各种大小的三维反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去；可以模拟出地层温度梯度及周围加热的开采方式。

附图说明

图1为本发明天然气水合物三维实验装置的示意图。

图2为图1中三维反应釜及温度和边界控制单元的组成结构图。

图3为图1中三维反应釜及温度和边界控制单元的俯视图。

具体实施方式

物理模型实验目的是模拟实际水合物藏相对无限大地层动态参数变化情况，但是实验反应釜是有边界存在的，边界的存在对渗流场的等势线分布、流线分布和井的产量都会产生影响，通常称这种影响为“边界效应”。

为了处理渗流场的“边界效应”，根据直线不渗透边界的汇点反应法，不渗透边界可以当作镜面，在其另一侧的对称位置上反映一口等强度的虚拟生产井(如果有边界则同时在对称位置上反映同类型边界)，这时形成的渗流场和边界对井的影响形成的渗流场完全相同，因此解决了边界效应对渗流场的影响。

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，为模拟实际地层的水合物生成与开采过程，要使物理模型存在可变换的温度边界条件。

温度场边界条件共有三种：等温边界，绝热边界和等热流边界。

当水合物三维实验物理模型需要在等温条件下生成及分解，需要温度场的等温边界条件。

当水合物三维实验物理模型需要扩展到无限大地层中，必须形成四壁的渗流场的不渗透直线边界及温度场的绝热边界。

当水合物三维实验物理模型需要模拟地层中的温度梯度或者是四周均匀加热如微波加热时需要形成温度场的等热流边界。

本发明的目的就是提供一种边界条件可变的天然气水合物三维实验装置，该实验装置通过实验实现对水合物开采的模拟，并且通过改变边界条件实现各种模拟需要，从而使三维模拟实验得到扩展。

请参阅图1，本发明的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元。

三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，在该三维反应釜上设置有进口控制单元与出口控制单元用以控制天然气水合物的生成与开采。模拟腔内填充有多孔介质，作为水合物生成的空间，用于模拟海底环境。

温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及三维反应釜的边界条件。

进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力。

出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力。

进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内各感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接。

数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号，数据处理单元可以采用计算机实现。

本发明中，进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元均采用现有三维水合物开采物理模拟技术，以下详细说明三维反应釜及温度和边界控制单元。

请参阅图2和图3，三维反应釜包括釜体1和釜体盖板4，釜体盖板4与釜体1之间使用若干螺栓3固定密封；釜体1与釜体盖板4之间的密封腔形成模拟腔2。为构成不渗透直线边界，所述模拟腔2应为正方体，釜体1的外壁可依需求制造成多种形状，如正方体、圆柱体等，优选圆柱体。釜体1的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，所述模拟腔2的体积由实验需要决定，可以在0.1L～500L范围内取值。三维反应釜的耐压范围为0～40MPa。

釜体1的内壁上设置有可变温度边界层5，因为模拟腔2为正方体空腔，共有六个面，所以共有六块可变温度边界层5，六块可变温度边界层5的材料均可变换。当设置等温边界条件时，可变温度边界层5为不锈钢板；当设置绝热边界条件时，可变温度边界层5更换为绝热板；当设置等热流边界条件时，可变温度边界层5更换为电加热片。

所述温度和边界控制单元分为两部分：边界控制部分和温度控制部分。

边界控制部分由不锈钢板7包围形成，不锈钢板7包围釜体盖板4以下的釜体1外壁，形成空腔，称为边界控制空腔6。在所述边界控制空腔6的顶部设置一个水泵8和一个放空阀10，在所述边界控制空腔6的底部设置一个真空泵9。

温度控制部分是个恒温箱11，恒温箱11可依需求采用多种恒温方式，如水浴恒温，空气浴恒温等，优选水浴恒温。恒温箱11的外壁可依需求制造成多种形状，如正方体、圆柱体等，优选正方体。将整个三维反应釜及边界控制部分置于其中，恒温箱11的四壁为绝热壁13，上方盖有绝热盖板12。所述绝热壁13及绝热盖板12是由不锈钢片包裹的绝热层构成，保证恒温箱11的恒温效果。

采用上述边界条件可变的天然气水合物三维实验装置进行三维模拟实验时，首先通过调节温度控制部分的恒温箱温度以设定实验环境温度，再通过更换可变温度边界层5及控制边界控制部分控制不同边界条件。

当实验需要等温边界条件时，将可变温度边界层5更换为不锈钢板，封闭模拟腔2，打开水泵8与放空阀10向边界控制空腔6内注入冷却液体，当边界控制空腔6注满冷却液体后，调节温度控制部分为恒定温度，即完成等温边界条件设定。本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。

当实验需要绝热边界条件时，将可变温度边界层5更换为绝热板，关闭放空阀10，打开真空泵9，将边界控制空腔6内抽成真空，由于可变温度边界层5中绝热层的绝热作用与边界控制空腔6的真空隔层绝热作用，即完成绝热边界条件的设定。

当实验需要等热流边界条件时，将可变温度边界层5更换为电加热板，按照需要选择是否将边界控制空腔6抽成真空，打开电加热板电源控制所需的功率大小，即完成等热流边界条件的设定。

通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程。

当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程。

实验完成后通过数据处理单元处理数据。

以下是具体的实施例：

实施例一：

通过调节温度控制部分的恒温箱11温度设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层5及控制边界控制部分使模拟腔边界处于等温边界条件下。

将六块可变温度边界层5全部更换为不锈钢板，封闭模拟腔2，打开水泵8与放空阀10，向边界控制空腔6内注入冷却液体，当边界控制空腔6注满冷却液体后，调节温度控制部分为恒定温度，即完成等温边界条件设定。本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。

通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物在等温边界条件下的生成。

当生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物在等温边界条件下的开采。

实验完成通过数据处理单元处理数据。

实例二：

通过调节温度控制部分的恒温箱11温度设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层5及控制边界控制部分使模拟腔边界处于绝热边界条件下。本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。

将位于模拟腔2的四个侧壁位置的可变温度边界层5更换为绝热板，将位于模拟腔2的顶面和底面位置的可变温度边界层5更换为不锈钢板，封闭模拟腔2。关闭放空阀10打开真空泵9，将边界控制空腔6内抽成真空，由于可变温度边界层5中绝热层的绝热作用与边界控制空腔6的真空隔层绝热作用，即完成四周壁面的绝热边界条件。

通过进口控制单元，注入天然气和水，控制压力，生成天然气水合物。

当生成完成后，选择开采方案，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟水合物在四壁绝热边界条件下的开采。

实验完成后通过数据处理单元处理数据。由于不可渗透边界条件由三维反应釜的釜体1的平面釜壁形成。这样通过之前所述的操作实验数据可以通过“镜面理论”发展到无限大地层上去。

实例三：

通过调节温度控制部分的恒温箱11温度设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层5及控制边界控制部分使模拟腔边界处于等热流边界条件下。本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。

将位于模拟腔2的底面位置的可变温度边界层5更换为电加热板，将位于模拟腔2的顶面位置的可变温度边界层5更换为不锈钢板，将位于模拟腔2的四个侧壁位置的可变温度边界层5更换为绝热板，封闭模拟腔2，关闭放空阀10，打开真空泵9，将边界控制空腔6内抽成真空。

打开电加热板电源，调节至合适功率，使模拟腔上下存在合适的温度梯度。通过进口控制单元，注入天然气和水，控制压力，生成天然气水合物。

当生成完成后，选择开采方案，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟水合物在有上下温度梯度的情况下的开采。

实验完成后通过数据处理单元处理数据。由于不可渗透边界条件由三维反应釜的釜体1的平面釜壁形成。这样通过之前所述的操作实验数据可以通过“镜面理论”发展到无限大地层上去。

实例四：

通过调节温度控制部分的恒温箱11温度设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层5及控制边界控制部分使模拟腔边界处于等热流边界条件下。本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1∶2的比例调制而成。

将位于模拟腔2的四个侧壁位置的可变温度边界层5更换为电加热板，将位于模拟腔2的顶面和底面位置的可变温度边界层5更换为不锈钢板，封闭模拟腔2，打开水泵8与放空阀10，向边界控制空腔6内注入冷却液体。

关闭电加热板电源，通过进口控制单元，注入天然气和水，控制压力，生成天然气水合物。

当生成完成后，打开电加热板电源，调节至合适功率，设定等热流边界条件，使得整个模拟腔温度升高。再通过控制出口控制单元，模拟水合物在四周加热的情况下的开采，如四周微波加热。

实验完成后通过数据处理单元处理数据。

综上，本发明的有益效果是：可以自由的改变实验边界条件；适用于各种大小的三维反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去；可以模拟出地层温度梯度及周围加热的开采方式。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种天然气水合物三维实验装置，其特征在于：包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境；温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及边界条件；进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号；将位于模拟腔的底面位置的可变温度边界层更换为电加热板，将位于模拟腔的顶面位置的可变温度边界层更换为不锈钢板，将位于模拟腔的四个侧壁位置的可变温度边界层更换为绝热板，封闭模拟腔，关闭放空阀，打开真空泵，将边界控制空腔内抽成真空。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物三维实验装置，其特征在于：三维反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔即所述的模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的内壁上设置有可变温度边界层。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物三维实验装置，其特征在于：模拟腔的体积为0.1L～500L。

4.根据权利要求1所述的天然气水合物三维实验装置，其特征在于：三维反应釜的耐压范围为0～40MPa。

5.根据权利要求2所述的天然气水合物三维实验装置，其特征在于：釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

6.根据权利要求2所述的天然气水合物三维实验装置，其特征在于：温度和边界控制单元包括边界控制部分和温度控制部分，边界控制部分由不锈钢板包围形成，不锈钢板包围釜体盖板以下的釜体外壁，形成空腔，称为边界控制空腔，在边界控制空腔的顶部设置一个水泵和一个放空阀，在边界控制空腔的底部设置一个真空泵；温度控制部分是个恒温箱，将整个三维反应釜及边界控制部分置于其中。

7.一种采用权利要求6所述的天然气水合物三维实验装置的三维模拟实验方法，其特征在于，包括：

通过调节温度控制部分的恒温箱温度以设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层及控制边界控制部分以实现不同的边界条件；

通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；

当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；

实验完成后通过数据处理单元处理数据；

当实验需要等温边界条件时，将可变温度边界层更换为不锈钢板，封闭模拟腔，打开水泵与放空阀，向边界控制空腔内注入冷却液体，当边界控制空腔注满冷却液体后，调节温度控制部分为恒定温度，即完成等温边界条件的设定；

当实验需要绝热边界条件时，将可变温度边界层更换为绝热板，关闭放空阀，打开真空泵，将边界控制空腔内抽成真空，即完成绝热边界条件的设定；

当实验需要等热流边界条件时，将可变温度边界层更换为电加热板，按照需要选择是否将边界控制空腔抽成真空，打开电加热板电源控制所需的功率大小，即完成等热流边界条件的设定。