CN102678090A - 天然气水合物三维合成与开采模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开天然气水合物三维合成与开采模拟装置。包括供液装置、供气装置、高压反应釜、气液分离器和数据采集装置；所述供液装置包括依次串连的注液泵和加热器；所述供气装置包括依次串连的气体压缩机和减压阀；所述高压反应釜的腔内设有若干个压力传感器和温度传感器，腔体上设有气体入口、液体入口和气液混合物出口；所述加热器的出口和所述减压阀的出口分别与所述高压反应釜的液体入口和气体入口相连通，所述高压反应釜的气液混合物出口与所述气液分离器的入口相连通；所述气液分离器气体出口和液体出口分别与气体流量计A和液体计量装置相连通；所述气体流量计A、注液泵、液体计量装置、压力传感器和温度传感器均与所述数据采集装置相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物三维合成与开采模拟装置，属于新能源开发实验技术领域。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)是在低温、高压条件下水和天然气中低分子量的烃类化合物形成的一种非化学计量型、类冰状、笼型结晶化合物。天然气水合物具有主-客体材料特征，水分子(主体)通过氢键结合形成空间点阵结构，气体分子(客体)通过与水分子之间的范德华力填充于水分子点阵间的空穴中。自然界存在的天然气水合物以甲烷水合物为主，其中绝大部分赋存于海底，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高、燃烧后无污染和残留等优点。单位体积的甲烷水合物分解可产生150-180标准体积的甲烷气体。海底及陆地永冻土层下存在着广泛的天然气水合物形成条件，据估计，地球上以天然气水合物形式储藏的有机碳占全球总有机碳的53％，是煤、石油、天然气三种化石燃料总碳量的2倍。因此，天然气水合物被认为是21世纪的理想清洁替代能源。
天然气水合物以固体形式赋存于泥质海底的松散沉积层中，在开采过程中发生相转化，与石油、天然气的开采相比，具有很大的开采难度。根据开采过程中水合物分解的地点不同，天然气水合物的开采可分为地下开采和地上开采两大类。其中地下开采研究报道最多，主要是参考石油、天然气的开采工艺，首先在海底地层中构筑井筒，采取措施破坏水合物稳定存在的温度、压力等热力学条件，促进水合物在赋存地分解为水和天然气，然后采用天然气开采工艺将分解后的天然气收集、输送至地面。天然气水合物地下开采的关键是如何采取经济有效的措施促进水合物的分解，同时保持井底稳定，不使甲烷泄漏、不引发温室效应。目前提出的天然气水合物开采方法主要包括热激发法、降压法和化学法三类。热激发法主要是将蒸汽、热水、热盐水等载热体注入水合物储层，使温度达到水合物分解温度以上，但热激发法的主要缺点在于载热流体从海面输送至海底，沿程热损失大，热能利用率低。化学法主要是向水合物储层注入盐水、甲醇、乙醇、乙二醇等化学物质，改变水的活度，从而改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，促进天然气水合物的分解，化学法的缺点是药剂用量大，成本高，大量使用化学药剂也会造成环境污染问题。降压法是通过降低水合物储层的压力，引起天然气水合物移动至不稳定区而分解，主要适用于水合物储层底部赋存游离天然气藏的水合物开采，这种方法由于海底地质条件千差万别，往往难以达到水合物分解的温压条件，同时开采速度慢，效率低。
为克服上述开采方法的缺陷，中国专利CN1609409A和CN101037938A分别提出了一种利用微波加热和利用太阳能加热开采天然气水合物的方法及装置；美国专利US6148911提出采用井下电加热开采天然气水合物的方法；中国专利CN1779191A公开了一种采用海底热泵加热海水，然后进行天然气水合物热分解开采的方法；美国专利US2005/0121200A1公开了一种采用CO2置换法开采天然气水合物的方法。但这些开采方法目前尚处于概念设计和实验探索阶段，迄今为止，人们尚未找到技术上可行、经济上合理的天然气水合物的开采方法。因此，进行天然气水合物开采技术研究是实现天然气水合物资源安全利用的关键。由于天然气水合物均赋存于环境苛刻的高寒地带和海洋深水区，水合物开采现场试验技术难度大，耗资巨大，天然气水合物开采室内模拟实验研究理所当然地成为国内外研究的重点。
天然气水合物开采室内模拟实验必须真实模拟海底低温、高压的水合物藏环境，模拟实验系统及设备是开展研究的前提。目前，天然气水合物模拟实验设备均局限于天然气水合物在纯水或海水中的合成与分解实验，专门用于水合物开采的模拟实验系统很少，且实验设备简单。不能真实模拟天然气水合物在海底沉积物中的成藏环境，不能模拟水合物开采过程的的温度、压力场分布及传热、传质过程。中国专利CN1176741C公开了一种天然气水合物综合实验装置，该装置可以进行纯天然气水合物和模拟实际矿层天然气水合物合成、分解实验，以及天然气水合物钻进过程控制实验，但该装置难以模拟水合物开采过程的温度、压力场分布及传热、传质过程。中国专利CN101050697A及CN101046146A分别公开了一种天然气水合物一维开采模拟实验装置和二维开采模拟实验装置，分别可用于天然气水合物一维和二维开采模拟实验，但一维和二维开采模拟仍只是对实际水合物藏的近似模拟，并不能真实再现实际水合物藏的开采过程，且实验装置的边界效应和器壁效应对实验结果影响大。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气水合物三维合成与开采模拟装置。
本发明提供的天然气水合物三维合成与开采模拟装置包括供液装置、供气装置、高压反应釜、气液分离器和数据采集装置；所述供液装置包括依次串连的注液泵和加热器；所述供气装置包括依次串连的气体压缩机和减压阀；所述高压反应釜的腔内设有若干个压力传感器和若干个温度传感器，腔体上设有气体入口、液体入口和气液混合物出口；所述加热器的出口和所述减压阀的出口分别与所述高压反应釜的液体入口和气体入口相连通，所述高压反应釜的气液混合物出口与所述气液分离器的入口相连通；所述气液分离器的气体出口和液体出口分别与气体流量计A和液体计量装置相连通；所述气体流量计A、注液泵、液体计量装置、压力传感器和温度传感器均与所述数据采集装置相连。
上述的模拟装置，可用于真实模拟海底天然气水合物成藏环境及天然气水合物开采过程；所述高压反应釜的材质可为不锈钢或耐高压的其它耐腐蚀材料，耐压范围可为10～40MPa；所述高压反应釜外形及内腔可为球形、圆柱形或方形；所述高压反应釜内腔容积可为50～500L，且内腔三维空间长度均大于500mm；所述高压反应釜壁设置可拆卸的人孔，可通过法兰密封；所述高压反应釜内，可以预先填充多孔介质后，原位生成天然气水合物，模拟海底天然气水合物藏；也可以预先制备天然气水合物固体冰粉与多孔介质混合后，填充到反应釜中，模拟海底天然气水合物藏；所述模拟海底天然气水合物藏可以均匀填充，也可分层填充。
上述的模拟装置，所述减压阀和加热器与所述高压反应器之间分别设有气体流量计B和液体流量计，分别对注入所述高压反应器内的气体和液体进行计量。
上述的模拟装置，所述注液泵和所述加热器之间可设有若干个依次串连的中间容器，用于盛放化学剂；所述中间容器可为圆筒形容器。
上述的模拟装置，所述加热器可由盘管和外套管组成，用于注入所述高压反应釜的溶液需要加热时使用，可采用油浴加热，热油走壳程，带加热溶液走管程，所述加热器功率随待加热溶液量及加热温度而定。
上述的模拟装置，所述高压反应釜的腔内可设有若干个垂直井管和若干个水平井管，实现模拟多点井网开采天然气水合物的过程。
上述的模拟装置，所述垂直井管可为1-5个；所述水平井管可为1-3个。
上述的模拟装置，所述压力传感器可为3-9个；所述温度传感器可为5-15个；所述压力传感器和温度传感器均为均匀设置；所述温度传感器和压力传感器的个数可随所述高压反应釜的容积增大而增加。
上述的模拟装置，所述高压反应釜与所述气液分离器之间可设有回压阀；所述液体计量装置可为电子天平。
上述的模拟装置，所述高压反应釜设于恒温室内；利用水浴或者空气浴进行温度调节，以保证环境温度的稳定，恒温室内部设置有搅拌器或者风扇，使整个室内空气温度保持均匀。
使用上述天然气水合物三维合成与开采模拟装置的过程如下：
(1)构造模拟天然气水合物藏地质环境。根据海底及冻土层天然气水合物藏地质构造，将实际海底沉积物或模拟多孔介质分层或均匀填充于所述高压反应釜中，构造天然气水合物藏地质环境，为下一步水合物原位生成作准备；也可以首先采用其它设备制备纯天然气水合物固体，粉碎后与实际海底沉积物或模拟多孔介质在液氮环境中按不同比例混合，然后将混合物分层填充于所述高压反应釜中，直接构造不同的天然气水合物藏；可构造的天然气水合物藏类型包括：扩散型、渗漏型、游离气上覆层型。
(2)原位生成模拟天然气水合物藏。盖上所述高压反应釜的法兰盖，密封；通过所述稳压供液装置向所述高压反应釜的多孔介质中注入一定量的水溶液，然后通过所述恒温室将所述高压反应釜冷却至预定温度，并保持温度恒定；启动稳压供气装置，向所述高压反应釜中注入一定压力的天然气，并保持所述高压反应釜中的压力恒定，天然气在多孔介质中与其中的水溶液接触，生成天然气水合物，形成海底模拟天然气水合物藏，水合物生成热通过所述恒温室移走，天然气水合物在所述高压反应釜内多孔介质中的形成及分布动态变化可通过所述数据测量装置对所述高压反应釜中温度场分布、压力场分布，然后通过采集处理控制模块对数据进行综合分析。
(3)天然气水合物开采模拟。启动稳压供液装置，以一定的流量向所述高压反应釜内天然气水合物层中的所述垂直井管和/或所述水平井管中注入一定温度的水溶液或化学剂，水溶液或化学剂也可以同时注入由多根井管构成的垂直井网或水平井网；天然气水合物层中的天然气水合物在水溶液或化学剂作用下分解，生成天然气和水，水合物层不断分解，分解前沿不断向外推进，注入的水溶液或化学剂通过模拟多孔介质渗透，向水合物分解前沿传热和传质，同时分解出的水和天然气向产出井渗透，汇聚于产出井后经回压阀采出，采出速率通过回压阀控制，采出的气液混合物经所述气液分离器分离后，气、液量分别计量；开采过程中天然气水合物分解速率及动态特征可通过数据采集装置对所述高压反应釜中温度场、压力场以及产气量、产水量进行测量，然后通过采集处理控制模块对数据进行综合分析。
本发明提供的天然气水合物三维合成与开采模拟装置，可用于真实模拟海底天然气水合物成藏环境，模拟不同地质构造的实际水合物藏成藏过程，能够精确研究水合物开采过程分解速率、水合物分解前沿的推进速度，能够模拟水合物藏在不同井网布置，不同开采模式开采过程中水合物藏的动态特征和水合物藏的温度、压力场分布及传热、传质过程。
附图说明
图1为本发明实施例1的天然气水合物三维合成与开采模拟装置的结构示意图。
图中各标记如下：1注液泵、2圆筒形容器、3加热器、4高压反应釜、5垂直井管、6水平井管、7压力传感器、8温度传感器、9气体压缩机、10减压阀、11气体流量计B、12气液混合物出口、13气液分离器、14回压阀、15气体流量计A、16电子天平、17数据采集装置、18恒温室、19液体流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的模拟装置做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1、天然气水合物三维合成与开采模拟装置
本发明的天然气水合物三维合成与开采模拟装置包括供液装置、供气装置、不锈钢材质的圆柱形高压反应釜4、气液分离器13和数据采集装置16；供液装置包括依次串连的注液泵1、圆筒形容器2、加热器3和液体流量计19，该加热器3由盘管和外套管组成，采用油浴加热；供气装置包括依次串连的气体压缩机9、减压阀10和气体流量计B11；液体流量计19的出口和气体流量计B11的出口分别与高压反应釜4的液体入口(图中未示出)和气体入口(图中未示出)相连通；高压反应釜4的腔内设有3个均匀设置的压力传感器7和5个温度传感器8，用于实时监测高压反应釜4的压力和温度；高压反应釜4的腔内设有3条垂直井管5和1条水平井管6，用于模拟多点井网开采天然气水合物过程；高压反应釜4的气液混合物出口12与气液分离器13的入口相连通(图中未示出)，高压反应釜4和气液分离器13之间设有回压阀14，用于调控高压反应釜4内的压力；高压反应釜4设于恒温室18内；气液分离器13的气体出口和液体出口分别与气体流量计A15和电子天平16相连通，用于经分离后的气、液量分别计量；该模拟装置中，气体流量计B11、注液泵1、气体流量计A15、电子天平16、压力传感器7、温度传感器8和液体流量计19均与数据采集装置17相连。
上述模拟装置中，高压反应釜4的材质还可以为耐高压的其它耐腐蚀材料；高压反应釜4的形状还可以为球形或方形；压力传感器7的个数可以根据需要在3-9个内进行调节；温度传感器8的个数可以根据需要在5-15个内进行调节；垂直井管5的个数可以根据需要在1-5个内进行调节，水平井管6的个数可以根据需要在1-3个内进行调节。实施例2、实施例1的模拟装置的应用
1、天然气水合物原位生成，模拟海底分散型天然气水合物成藏过程包括如下步骤：
(1)将实际海底沉积物均匀填充于高压反应釜4中压实，盖上反应釜法兰盖(图中未示出)，通过向高压反应釜4内部腔体注入海水，构造天然气水合物藏地质环境，为下一步水合物生成作准备；
(2)盖上反应釜法兰盖(图中未示出)，密封；通过注液泵1、圆筒形容器2向高压反应釜4中注入一定量的海水溶液，使沉积物中孔隙水饱和度达到85％以上；
(3)将该模拟装置置于恒温室18内，通过控制恒温室18的温度，将高压反应釜4冷却至277.1K，并保持温度恒定；
(4)启动稳压供气装置，通过气源、气体压缩机9、减压阀10、气体流量计B11向高压反应釜4中注入天然气，使高压反应釜4中的压力达到5.80MPa，并通过回压阀14控制保持高压反应釜4压力恒定，天然气在多孔介质中与其中的水溶液接触，经过足够长的时间(一般约3-10天)生成甲烷水合物，形成模拟的海底天然气水合物藏，水合物生成热通过恒温室18内的环境控制装置移走；
(5)高压反应釜4内沉积物中天然气水合物的成藏过程及分布可通过如下测试手段进行研究与分析：通过高压反应釜4中温度传感器8测定沉积物中温度场分布及变化；通过高压反应釜4中压力传感器7测定沉积物中压力场分布及变化；上述测量元件测得的数据信号通过数据采集装置进行处理、显示与储存。
2、海底天然气水合物藏原位生成，注热水开采模拟实验包括如下步骤：
(1)将实际海底沉积物均匀填充于高压反应釜4中压实，盖上反应釜法兰盖(图中未示出)，通过向高压反应釜4内部腔体注入海水，构造天然气水合物藏地质环境，为下一步水合物生成作准备；
(2)盖上反应釜法兰盖，密封；通过注液泵1、圆筒形容器2向高压反应釜4中注入一定量的海水溶液，使沉积物中孔隙水饱和度达到85％以上；
(3)将该模拟装置置于恒温室18内，通过控制恒温室18的温度，将反应釜冷却至277.1K，并保持温度恒定；
(4)启动稳压供气装置，通过气源、气体压缩机9、减压阀10、气体流量计B11向高压反应釜4中注入天然气，使高压反应釜4中的压力达到14.05MPa，并通过回压阀14的控制保持反应釜压力恒定，天然气在多孔介质中与其中的水溶液接触，经过足够长的时间(一般约3-10天)生成甲烷水合物，形成模拟的海底天然气水合物藏，水合物生成热通过恒温室18内的环境控制装置移走；
(5)启动稳压供液装置中的加热器3，通过加热器3自带的温度控制装置，将加热器出口液体温度控制在70℃，并保持温度恒定。
(6)启动稳压供液装置，以1.00L/min的流量通过注液泵1、圆筒形容器2和加热器3向高压反应釜4内水合物层中的注入井(包括垂直井管5和水平井管6)中注入70℃的水溶液，水合物层中的水合物在水溶液作用下分解，生成天然气和水，水合物层不断分解，分解前沿不断向外推进，注入的水溶液通过沉积物渗透，向水合物分解前沿传热和传质；同时分解出的水和甲烷气向产出井(包括垂直井管5和水平井管6)渗透，汇聚于产出井后经回压控制模块采出，采出速率通过回压阀14控制；采出的气液混合物经气液混合物出口12流入至气液分离器13进行分离后，气体量经气体流量计A15在线计量，液体通过置于电子天平16上的储液罐，液体流量通过电子天平16在线计量；
(7)高压反应釜4内沉积物中天然气水合物的成藏过程及分布可通过如下测试手段进行研究与分析：通过高压反应釜4中温度传感器8测定沉积物中温度场分布及变化；通过高压反应釜4中压力传感器7测定沉积物中压力场分布及变化；上述测量元件测得的数据信号通过数据采集装置进行处理、显示与储存。
3、海底天然气水合物藏异位构造，注热盐水开采模拟实验包括如下步骤：
(1)根据本实施例1中的步骤制备纯天然气水合物固体，粉碎，得到天然气水合物固体粉末；
(2)将该模拟装置置于恒温室18内，通过控制恒温室18的温度，将反应釜冷却至277.1K，并保持温度恒定；
(3)将实际海底沉积物与制备的天然气水合物固体粉末在液氮保护下混合，制备不同比例沉积物/水合物样品，分层填充于高压反应釜中；沉积物/水合物样品分层填充，高压反应釜4底部填充纯水合物，顶部填充纯海底沉积物，高压反应釜4自下至上，水合物含量不断减少，海底沉积物含量不断增加。盖上反应釜法兰盖，密封；
(4)启动稳压供气装置，通过气源、气体压缩机9、减压阀10、气体流量计B11向高压反应釜4中注入天然气，使高压反应釜4中的压力达到20.00MPa，并通过回压阀14的控制保持该反应釜压力恒定；
(5)启动稳压供液装置中的加热器3，通过加热器3自带的温度控制装置，将加热器出口液体温度控制在70℃，并保持温度恒定。
(6)启动稳压供液装置，以2.00L/min的流量通过注液泵1、圆筒形容器2和加热器3向高压反应釜4内水合物层中的注入井(包括垂直井管5和水平井管6)中注入50℃的质量百分含量为15％的NaCl水溶液，水合物层中的水合物在水溶液作用下分解，生成天然气和水，水合物层不断分解，分解前沿不断向外推进，注入的水溶液通过沉积物渗透，向水合物分解前沿传热和传质；同时分解出的水和甲烷气向产出井(包括垂直井管5和水平井管6)渗透，汇聚于产出井后经回压控制模块采出，采出速率通过回压阀14控制；采出的气液混合物经气液混合物出口12流入至气液分离器13进行分离后，气体量经气体流量计A15在线计量，液体通过置于电子天平16上的储液罐，液体流量通过电子天平16在线计量；
(7)高压反应釜4内沉积物中天然气水合物的成藏过程及分布可通过如下测试手段进行研究与分析：通过高压反应釜4中温度传感器8测定沉积物中温度场分布及变化；通过高压反应釜4中压力传感器7测定沉积物中压力场分布及变化；上述测量元件测得的数据信号通过数据采集装置进行处理、显示与储存。
Claims (10)
1.一种天然气水合物三维合成与开采模拟装置，其特征在于：所述装置包括供液装置、供气装置、高压反应釜、气液分离器和数据采集装置；所述供液装置包括依次串连的注液泵和加热器；所述供气装置包括依次串连的气体压缩机和减压阀；所述高压反应釜的腔内设有若干个压力传感器和若干个温度传感器，腔体上设有气体入口、液体入口和气液混合物出口；所述加热器的出口和所述减压阀的出口分别与所述高压反应釜的液体入口和气体入口相连通，所述高压反应釜的气液混合物出口与所述气液分离器的入口相连通；所述气液分离器的气体出口和液体出口分别与气体流量计A和液体计量装置相连通；所述气体流量计A、注液泵、液体计量装置、压力传感器和温度传感器均与所述数据采集装置相连。
2.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于：所述减压阀和加热器与所述高压反应器之间分别设有气体流量计B和液体流量计。
3.根据权利要求1-2中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述高压反应釜的材质为不锈钢；所述高压反应釜为球形、圆柱形或方形。
4.根据权利要求1-3中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述注液泵和所述加热器之间设有若干个依次串连的中间容器；所述中间容器为圆筒形。
5.根据权利要求1-4中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述加热器由盘管和外套管组成。
6.根据权利要求1-5中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述高压反应釜的腔内设有若干个垂直井管和若干个水平井管。
7.根据权利要求6所述的模拟装置，其特征在于：所述垂直井管为1-5个；所述水平井管为1-3个。
8.根据权利要求1-7中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述压力传感器为3-9个；所述温度传感器为5-15个；所述压力传感器和温度传感器均为均匀设置。
9.根据权利要求1-8中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述高压反应釜与所述气液分离器之间设有回压阀；所述液体计量装置为电子天平。
10.根据权利要求1-9中任一所述的模拟装置，其特征在于：所述高压反应釜设于恒温室内。
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