CN103233704B - 一种co2/n2置换开采冻土区天然气水合物实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂/N₂置换开采天然气水合物实验模拟方法及实验模拟装置，其模拟方法包括岩心处理与安装、管路连接与试压、抽真空处理、向反应模型中注入蒸馏水和CH₄、合成天然气水合物步骤，合成结束后，注入CO₂气体，驱替CH₄；向反应模型中注入CO₂/N₂，进行置换开采；置换结束后，收集气体，进行计量分析；实验模拟装置包括水合物反应模型单元、供气单元、供液单元、围压控制单元、环境控制单元、真空处理单元、气体检测单元、气液分离单元、信息采集与处理单元和辅助单元，通过本发明可以真实地模拟天然气水合物外部环境，进行CO₂/N₂置换开采天然气水合物实验，另外还可进行注热法和降压法开采实验，为天然气水合物的开采提供指导。<!--1-->

Description

一种CO2/N2置换开采冻土区天然气水合物实验模拟装置

技术领域

本发明涉及一种实验设备和实验模拟方法，尤其涉及一种CO₂/N₂置换开采冻土区天然气水合物实验模拟方法及装置。

背景技术

天然气水合物是指天然气与水在特定温度和压力下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。研究初期，主要是为了抑制水合物的生成，但随着能源短缺加剧，天然气水合物逐步引起了国内外科学家的关注，并进行了相关的勘探、开采与实验研究。作为一种高密度能源，它分布广、储量大和埋藏浅，成为21世纪理想的替代能源。

天然气水合物主要分布在海洋、湖泊与冻土区，基于水合物的特点，它与常规能源的开发不同，当温压条件发生变化时，天然气水合物可能会发生相变，从固体变为气体，这对天然气水合物的勘探与开发带来了不小的难题。目前，天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激发、化学试剂法以及这三种方法的综合应用，其基本思路是人为的打破天然气水合物存在的温压平衡条件，使天然气水合物发生分解，然后将天然气采至地面，但是这些方案会有可能导致海底滑坡或者沉降等问题；最近基于置换原理的二氧化碳置换开采天然气水合物的技术越来越引起人们的重视，通过二氧化碳将天然气水合物中的天然气置换出来，得到二氧化碳水合物与天然气，这样既可以实现天然气水合物的开采，又可以实现二氧化碳地下封存，减小温室效应。

由于天然气水合物进行现场实验研究较为复杂，目前有关天然气水合物开采的实验研究主要为室内实验模拟，且以模拟海洋多孔介质水合物居多，主要针对冻土区天然气水合物开采实验研究的专业模拟实验室目前较少，侧重进行二氧化碳置换实验模拟研究的实验室也较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CO₂/N₂置换开采冻土区天然气水合物实验模拟方法及模拟装置，该实验模拟装置可以进行CO₂/N₂置换开采冻土区天然气水合物开采机理和开采动态研究，另外还可以进行注热和降压开采的实验研究，针对各种开采方法进行优化和评价。

本发明之方法包括以下步骤：

（一）岩心处理与安装：针对不同模拟介质（孔隙介质或裂隙介质）岩心进行处理，装入到高压反应模型中，安装检测装置，并将高压反应模型密封好；

（二）管路连接与试压：连接实验装置的管路，开闭相应阀门，采用氮气进行试压，确保实验装置无泄露；

（三）抽真空处理：确定装置无泄漏后，进行抽真空处理，排除空气对实验的干扰。

（四）合成天然气水合物：调节围压、回压和温度，采用平流泵向高压反应容器内注入一定量的蒸馏水，保持高压反应模型中温度恒定，注入CH₄气体，进行定压或定容合成；定压反应时，根据进气量计算气体消耗量；定容反应时，根据压力变化计算气体消耗量；

（五）驱替CH₄：降低高压反应模型温度至冰点以下，防止水合物分解，放空反应模型中的CH₄，之后采用CO₂进行驱替，通过质量流量计计量和气象色谱分析可计算出定压合成时消耗的CH₄量；

（六）CO₂/N₂置换开采：调节反应模型内温度，保持反应装置中的温度恒定，向反应模型内注入CO₂气体或液态CO₂或者CO₂/N₂混合气体，控制注入压力，进行置换开采；注入过程中，通过压力控制保证无甲烷水合物分解；

（七）计量分析：反应一定时间后，打开水合物反应模型的出口阀，放出所有气体；对排出的气体进行质量流量计计量和成分分析；通过开采出的CH₄和消耗的CH₄，即可得出不同置换介质下的置换率。

本发明之模拟装置是由水合物高压反应模型单元、供气单元、供液单元、围压控制单元、环境控制单元、真空处理单元、气体检测单元、气液分离单元、信息采集与处理单元和辅助单元组成；所述水合物反应模型单元包括反应釜体和釜体上的检测装置，所述反应釜体为夹持器结构，所述检测装置包括温度传感器、压力传感器和超声装置，所述水合物高压反应模型单元置于环境控制单元中的恒温箱中，其上设有气、液进出口和传感器探头接口，供气单元和供液单元出口与夹持器的所述气液入口相连，环境控制单元的回压控制装置与夹持器的气、液出口连通，并与气液分离单元相连，所述围压控制单元与夹持器的围压控制液出入口相连，所述真空处理单元接口与水合物高压反应模型单元的气体进出口相连，所述信息采集与处理单元对采集的信息进行处理，所述辅助单元包括岩心处理装置和安全阀。

水合物高压反应模型单元用于进行合成与开采天然气水合物并通过传感器进行实验过程的检测；供气单元用于向水合物高压反应模型单元供给天然气、二氧化碳和氮气与二氧化碳的混合气体，并可以控制输入气体的流量；供液单元用于向水合物高压反应模型单元供给工作液（水或者液态二氧化碳），并可以对水进行预热，用于热采水合物实验研究；围压控制单元用于控制胶套，使其紧密的贴在岩石表面；环境控制单元用于控制水合物高压反应模型单元的环境温度和压力，创造生成天然气水合物的温压条件；真空处理单元用于控制环境的真空度，排除空气的干扰；气体检测单元至于气液出口管路上，用于检测气体成分，分析二氧化碳置换水合物时的置换率；气液分离单元用于分离开采出的气体与液体，并分别进行计量，以便进行开采效果的评价；信息采集与处理单元用于处理测量的数据，得到相应的曲线，以对各数据进行综合评价；辅助单元的岩心处理装置用于对岩心进行裂隙处理和打孔处理，以便于模拟裂隙介质下的开采情况和进行探头的下放。

本发明的有益效果：

本发明可以真实地模拟天然气水合物外部环境，进行CO₂/N₂置换开采天然气水合物实验，另外还可进行注热法和降压法开采实验，为天然气水合物的开采提供指导。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为模拟装置的水合物反应模型单元的剖面结构示意图。

图3为本发明水合物反应模型单元的探针分布示意图。

图4为本发明水合物反应模型单元的岩心处理单元示意图。

图5为本发明水合物反应模型单元的温度探头和压力探头安装位置示意图。

其中：Z-岩心模型，1-水合物反应模型单元，2-温度探头，3-压力探头，4-超声波探头，5-胶套，6-胶套塞，7-渗透泡沫钢，8-挡板，9-顶板，10-端盖，11-反应腔，12-夹持器外壳，13-环压密封腔，14-环压液进口，15-环压液出口，16-气体进口，17-下液体进口，18-上液体进口，19-气液出口，20-第一温度传感器，21-压力传感器，22-超声波装置，23-甲烷气瓶，24-氮气气瓶，25-二氧化碳气瓶，26-第一减压阀，27-第二减压阀，28-第三减压阀，33-第四减压阀，77-第五减压阀，82-第六减压阀，29-第一截止阀，30-第二截止阀，31-第三截止阀，37-第四截止阀，38-第五截止阀，39-第六截止阀，42-第七截止阀，43-第八截止阀，44-第九截止阀，49-第十截止阀，50-第十一截止阀，51-第十二截止阀，52-第十三截止阀，53-第十四截止阀，54-第十五截止阀，55-第十六截止阀、61-第十七截止阀，62-第十八截止阀，63-第十九截止阀，64-第二十截止阀，72-第二十一截止阀，75-第二十二截止阀，79-第二十三截止阀，80-第二十三四截止阀，32-增压泵，34-第一流量计，40第二流量计，41-第三流量计，68-第四流量计，86-第五流量计，35-第一单向阀，58-第二单向阀，69-第三单向阀，36-第一管道压力传感器，48-第二管道压力传感器，60-第三管道压力传感器、71-第四管道压力传感器、74-第五管道压力传感器，43-缓冲容器，45-第一电子天平，89-第二电子天平，46-第一储液器，88-第二储液器，47-第一平流泵，67-第二平流泵，56-中间容器56，57-预热器，59-管道温度传感器，65-二氧化碳液化器，66-缓冲罐，70-高压柱塞泵，73-恒温空气浴箱，76-回压阀，78-回压气瓶，81-真空泵，82-第六减压阀，83-在线气象色谱仪，84-气液分离器，85-干燥箱，87-储气罐，90-模拟信号采集模块，91-中央处理器，92-打印机，93-安全阀，94-导轨，95-电钻，96-支架。

具体实施方式

本发明之方法包括以下步骤：

（一）岩心处理与安装：针对不同模拟介质（孔隙介质或裂隙介质）岩心进行处理，装入到高压反应模型中，安装检测装置，并将高压反应模型密封好；

（二）管路连接与试压：连接实验装置的管路，开闭相应阀门，采用氮气进行试压，确保实验装置无泄露；

（三）抽真空处理：确定装置无泄漏后，进行抽真空处理，排除空气对实验的干扰。

（四）合成天然气水合物：调节围压、回压和温度，采用平流泵向高压反应容器内注入一定量的蒸馏水，保持高压反应模型中温度恒定，注入CH₄气体，进行定压或定容合成；定压反应时，根据进气量计算气体消耗量；定容反应时，根据压力变化计算气体消耗量；

（五）驱替CH₄：降低高压反应模型温度至冰点以下，防止水合物分解，放空反应模型中的CH₄，之后采用CO₂进行驱替，通过质量流量计计量和气象色谱分析可计算出定压合成时消耗的CH₄量；

（六）CO₂/N₂置换开采：调节反应模型内温度，保持反应装置中的温度恒定，向反应模型内注入CO₂气体或液态CO₂或者CO₂/N₂混合气体，控制注入压力，进行置换开采；注入过程中，通过压力控制保证无甲烷水合物分解；

（七）计量分析：反应一定时间后，打开水合物反应模型的出口阀，放出所有气体；对排出的气体进行质量流量计计量和成分分析；通过开采出的CH₄和消耗的CH₄，即可得出不同置换介质下的置换率。

请参见图1和图4所示，本发明之模拟装置是由水合物高压反应模型单元1、供气单元A、供液单元B、围压控制单元C、环境控制单元D、真空处理单元E、气体检测单元F、气液分离单元G、信息采集与处理单元H和辅助单元K组成；所述水合物反应模型单元1包括反应釜体和釜体上的检测装置，所述反应釜体为夹持器结构，所述检测装置包括温度传感器、压力传感器和超声装置，所述水合物高压反应模型单元1置于环境控制单元D中的恒温箱中，其上设有气、液进出口和传感器探头接口，供气单元A和供液单元B出口与夹持器的所述气液入口相连，环境控制单元D的回压控制装置与夹持器的气、液出口连通，并与气液分离单元G相连，所述围压控制单元C与夹持器的围压控制液出入口相连，所述真空处理单元E接口与水合物高压反应模型单元1的气体进出口相连，所述信息采集与处理单元H对采集的信息进行处理，所述辅助单元K包括岩心处理装置和安全阀。

水合物高压反应模型单元1用于进行合成与开采天然气水合物并通过传感器进行实验过程的检测；供气单元A用于向水合物高压反应模型单元1供给天然气、二氧化碳和氮气与二氧化碳的混合气体，并可以控制输入气体的流量；供液单元B用于向水合物高压反应模型单元1供给工作液（水或者液态二氧化碳），并可以对水进行预热，用于热采水合物实验研究；围压控制单元C用于控制胶套，使其紧密的贴在岩石表面；环境控制单元D用于控制水合物高压反应模型单元1的环境温度和压力，创造生成天然气水合物的温压条件；真空处理单元E用于控制环境的真空度，排除空气的干扰；气体检测单元F至于气液出口管路上，用于检测气体成分，分析二氧化碳置换水合物时的置换率；气液分离单元G用于分离开采出的气体与液体，并分别进行计量，以便进行开采效果的评价；信息采集与处理单元H用于处理测量的数据，得到相应的曲线，以对各数据进行综合评价；辅助单元K的岩心处理装置用于对岩心进行裂隙处理和打孔处理，以便于模拟裂隙介质下的开采情况和进行探头的下放。

请参见图2和图3所示，所述水合物反应模型单元1为夹持器结构，采用竖式放置，将其置于恒温空气浴箱73中，水合物反应模型单元1上设有气体进口16、下液体进口17、上液体进口18和气液出口19；供气单元A和供液单元B出口与水合物反应模型单元1的气体进口16、下液体进口17和上液体进口18相连；采用从下端注气方式，真实模拟冻土区水合物生成机制；通过截止阀的控制，实现从上端注液体或者下端注液体；温度探头2、压力探头3和超声波探头4对反应过程进行检测；辅助单元K中的岩心处理装置对水合物反应模型单元1内的岩心进行后处理。

请参见图2所示，水合物反应模型单元1为圆柱形不锈钢夹持器结构，具有胶套5，所述胶套5用来裹住岩心，胶套5上下两端均与胶套塞6相连，以形成密封的模拟空间即反应腔11，进行水合物的合成与分解；胶套5外侧有不锈钢夹持器外壳12，所述夹持器外壳12与胶套塞6和胶套5之间形成一个环压密封腔13，所述胶套塞6与夹持器外壳12之间采用胶圈密封，胶套塞6通过端盖10进行轴向定位，所述端盖10与夹持器外壳12之间采用螺纹连接方式，夹持器外壳12上留有围压液进口14和围压液出口15；岩心模型Z上下两端分别设有渗透泡沫钢7、挡板8和顶板9；所述气体进口16、下液体进口17、上液体进口18和气液出口19分别设置在上下顶板9上，并连通到环压密封腔13内；所述渗透泡沫钢7和挡板8通过顶板9进行轴向定位，所述顶板9与端盖10采用螺纹连接方式连接。

请参见图2和图5所示，在水合物反应模型单元1上设有温度探头2和压力探头3，另外在上下挡板8处还设置有超声波探头4；所述温度探头2下放至岩心模型Z的1/2半径处，并连接到第一温度传感器20；压力探头3设置在岩心模型Z表面，贴近胶套5，并连接到压力传感器21；超声波探头4置于挡板8处，贴近岩心模型Z，连接到超声波装置22；在水合物反应模型单元1的气体进口16、下液体进口17、上液体进口18和气液出口19分别设置有第一管道压力传感器36、第二管道压力传感器60、第三管道压力传感器74，实时监测压力，在下液体进口17还设有铠装温度传感器59，用于热激发开采水合物时注热温度监测。

请参图1所示，所述供气单元A包括两套气路，一套为供应一种气体，包括设置在气体输出管路上、并依次连接的天然气气瓶23、二氧化碳气瓶25、第一减压阀26、第三减压阀28、第一截止阀29和第三截止阀31，用于水合物合成和二氧化碳气体置换；另一套为混合气体，包括设置在气体输出管路上、并依次连接的氮气气瓶24、二氧化碳气瓶25、第二截止阀27、第三截止阀28、第三流量计41、第二流量计40、缓冲容器43、第六截止阀39、第七截止阀42和第九截止阀44，该气路用于CO₂/N₂混合器置换开采。两套气路在增压泵32之前合并，两套气路合并后，依次连接的为增压泵32、第四减压阀33、第一流量计34、第一单向阀35和第五截止阀38，第一单向阀35上连接有第一管道压力传感器36；通过第一流量计34控制注入气体的流量，并通过第一管道压力传感器36监测注入气体的压力。

请参图1所示，所述供液单元B包括两套液路，一套为供应合成水合物所用的工作液，包括设置在工作液输出管路上的第一电子天平45、第一储液器46、第一平流泵47、中间容器56、第十截止阀49、第十一截止阀50、第十二截止阀51、第十三截止阀52、第十四截止阀53、第十五截止阀54、第十六截止阀55、第十七截止阀61、第十八截止阀62、预热器57、第二单向阀58、管道温度传感器59和第三管道压力传感器60，进液口布置在上下两端，并在下液体进口17处设置一个排空截止阀63，预热器57之后的管路进行保温处理；另一套为供应置换开采用的液态二氧化碳，包括设置在工作液输出管路上的二氧化碳气瓶25、第三减压阀28、第二十截止阀64、二氧化碳液化器65、缓冲容器66、第二平流泵67、第四流量计68和第三单向阀69，该套液路用于进行液态二氧化碳置换开采天然气水合物的实验研究。

请参图1所示，所述围压控制单元C包括设置在围压控制管路上并依次连接的高压柱塞泵70、第四管道压力传感器71和第二十一截止阀72，然后与环压液进口14相连。通过围压控制单元C确保胶套5紧密贴住岩心模型Z，故环压压力需大于等于反应模拟腔内压力。

请参图1所示，所述环境控制单元D包括有恒温空气浴箱73和回压控制装置，通过恒温空气浴箱73可以对反应模型进行温度进行精确控制，满足水合物合成与分解所需的环境温度；回压控制装置包括有第五管道压力传感器74、第二十二截止阀75、回压阀76、第五减压阀77和回压气瓶78，该回压控制装置连接在气液出口19处，通过回压控制装置可以结合供气压力实现反应压力的控制，还可以通过回压控制装置控制开采压力，进行降压法模拟开采水合物。

请参图1所示，所述真空处理单元E包括有真空泵81、第二十三截止阀79和第二十三四截止阀80。反应开始前进行真空处理，排除空气干扰，在反应模型的上下两端就设置抽气口，保证将反应模型内及反应模型进出口管路的空气排净。

请参图1所示，所述气体检测单元F包括有设置在气液出口19管路上的抽气孔和在线气相色谱仪83，抽气孔设置在第六减压阀82上。经过第六减压阀82，从抽气孔抽出一定量的气体，利用所述的在线气相色谱仪83进行成分分析，通过气体检测单元F可以实现二氧化碳置换开采时置换率的分析。

请参图1所示，所述气液分离单元G包括有气液分离器84、干燥剂箱85、第五流量计86、储气罐87、第二储液罐88和第二电子天平89。通过第五流量计86实现气体量计量，第二电子天平89实现液体计量，若生成水量太小难以计量还可以借助干燥剂箱85实现水的计量。

请参图1所示，所述信息采集与处理单元H包括有模拟信号采集模块90、中央处理器91和打印机92。通过信息采集与处理单元H可以将参数测量与控制单元所测量的参数进行处理和存储，得到相应的数据曲线和统计数值，所述的数据曲线包括有即温度—时间曲线、压力—时间曲线、电阻率——时间曲线和置换率—时间曲线，所述的统计数值包括有生成水量、生成气体量和置换率等。

请参图1和图4所示，辅助单元K包括安全阀93和岩心处理装置，其中岩心处理装置包括有导轨94、电钻95和支架96，将岩心模型Z固定在支架96上，使预打孔处正面朝上，换上相应的导轨94，因三种探头的安防个数和间距不同，故对应不同导轨94，在所述导轨94上的定位孔处使用电钻95进行打孔，该孔用于安防传感器探头。

Claims (1)

1.一种CO₂/N₂置换开采冻土区天然气水合物实验模拟装置，是由水合物高压反应模型单元、供气单元、供液单元、围压控制单元、环境控制单元、真空处理单元、气体检测单元、气液分离单元、信息采集与处理单元和辅助单元组成；所述水合物高压反应模型单元包括反应釜体和釜体上的检测装置，所述反应釜体为夹持器结构，所述检测装置包括温度传感器、压力传感器和超声装置，所述水合物高压反应模型单元置于环境控制单元中的恒温箱中，其上设有气、液进出口和传感器探头接口，供气单元和供液单元出口与夹持器的所述气液进口相连，环境控制单元的回压控制装置与夹持器的气、液出口连通，并与气液分离单元相连，所述围压控制单元与夹持器的围压控制液出入口相连，所述真空处理单元接口与水合物高压反应模型单元的气体进出口相连，所述信息采集与处理单元对采集的信息进行处理，所述辅助单元包括岩心处理装置和安全阀，其特征在于：所述水合物高压反应模型单元(1)为夹持器结构，采用竖式放置，将其置于恒温空气浴箱(73)中，水合物高压反应模型单元(1)上设有气体进口(16)、下液体进口(17)、上液体进口(18)和气液出口(19)；供气单元(A)和供液单元(B)出口与水合物反应模型单元(1)的气体进口(16)、下液体进口(17)和上液体进口(18)相连；采用从下端注气方式，真实模拟冻土区水合物生成机制；通过截止阀的控制，实现从上端注液体或者下端注液体；温度探头(2)、压力探头(3)和超声波探头(4)对反应过程进行检测；辅助单元(K)中的岩心处理装置对水合物反应模型单元(1)内的岩心进行后处理；

所述水合物高压反应模型单元(1)具有胶套(5)，所述胶套(5)用来裹住岩心，胶套(5)上下两端均与胶套塞(6)相连，以形成密封的模拟空间即反应腔(11)，进行水合物的合成与分解；胶套(5)外侧有夹持器外壳(12)，所述夹持器外壳(12)与胶套塞(6)和胶套(5)之间形成一个环压密封腔(13)，所述胶套塞(6)与夹持器外壳(12)之间采用胶圈密封，胶套塞(6)通过端盖(10)进行轴向定位，所述端盖(10)与夹持器外壳(12)之间采用螺纹连接方式，夹持器外壳(12)上留有围压液进口(14)和围压液出口(15)；岩心模型(Z)上下两端分别设有渗透泡沫钢(7)、挡板(8)和顶板(9)；所述气体进口(16)、下液体进口(17)、上液体进口(18)和气液出口(19)分别设置在上下顶板(9)上，并连通到环压密封腔(13)内；所述渗透泡沫钢(7)和挡板(8)通过顶板(9)进行轴向定位，所述顶板(9)与端盖(10)采用螺纹连接方式连接；

所述的水合物高压反应模型单元(1)上设有温度探头(2)和压力探头(3)，另外在上下挡板(8)处还设置有超声波探头(4)；所述温度探头(2)下放至岩心模型(Z)的1/2半径处，并连接到第一温度传感器(20)；压力探头(3)设置在岩心模型(Z)表面，贴近胶套(5)，并连接到压力传感器(21)；超声波探头(4)置于挡板(8)处，贴近岩心模型(Z)，连接到超声波装置(22)；在水合物反应模型单元(1)的气体进口(16)、下液体进口(17)、上液体进口(18)和气液出口(19)分别设置有第一管道压力传感器(36)、第二管道压力传感器(60)、第三管道压力传感器(74)，实时监测压力，在下液体进口(17)还设有铠装温度传感器(59)，用于热激发开采水合物时注热温度监测。