CN104360021A - 一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其包括高压反应室系统、加载系统、温度控制系统、液体供应系统、气体供应系统、收集量测系统以及数据采集分析系统，所述高压反应室系统分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连，所述数据采集分析系统也分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连。本发明在实验室内模拟了用不同方法从深海能源土中开采天然气的过程，准确测量了土样的变形和水合物的开采速率，对天然气水合物的安全高效开采具有重要的指导意义。

Description

一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，属于天然气水合物及其沉积物基础物性测量领域。

背景技术

深海能源土（学名“含天然气水合物沉积物”）是一种含有天然气水合物的深海沉积物。天然气水合物是由天然气（99%的成分为甲烷，一般在实验室中即用甲烷气代替天然气）与水在高压和低温条件下形成的一种固态类冰状结晶，因其物质储量大、分布广，被公认为是解决当前能源危机的潜在新型能源，受各国政府和学者的广泛关注。深海条件为天然气形成水合物创造了良好的高压和低温环境，因而天然气水合物常常在深海沉积物的颗粒孔隙中形成。水合物的存在对能源土的稳定性和强度具有一定贡献，然而自然环境的变化（如全球气候变暖）和人类活动（如水合物开采）会造成水合物的分解，进而大大劣化能源土的力学特性，导致海底大范围沉降、失稳滑坡等工程地质灾害，对海底管道、电缆和钻井平台等人工构筑物带来极大的威胁。然而严峻的能源危机使广大科研工作者越来越多的致力于深海能源土开发利用技术的研究，此研究对大规模开发利用天然气水合物及解决世界的能源问题具有重大的战略意义。

目前对于深海能源土的开发利用尚处于理论研究阶段，而对于用室内试验来模拟从深海能源土中开采天然气水合物更是处于起步阶段。由于深海能源土的岩芯取样难度大、成本高，能用于室内试验的岩芯样本极其有限，并且在取样过程中由于压力和温度的改变会导致水合物的分解，所以取得的岩芯并不能真实的反映深海能源土的储层条件。而在实验室中能够较为真实地创造深海的压力和温度环境，进而合成深海能源土样本，用于一系列的室内试验。目前用于从能源土中开采天然气水合物的技术方案主要有三种：一是采用降压开采法，即降低能源土中的水压力，使得天然气水合物分解；二是采用注热开采法，即向能源土层注入热流，提高土层温度，使得天然气水合物分解；三是二氧化碳置换开采法，即向能源土层注入二氧化碳并降低水压到一定范围，此时天然气水合物会分解，而二氧化碳气体就可能与天然气水合物分解出的水生成二氧化碳水合物，这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。以上所述方法皆为理论方案，其可行性以及具体操作方案还需在室内试验的基础上加以证实和研究。近年来，国内外许多研究机构对深海能源土中水合物的分解试验（即水合物开采试验）进行了研究，也设计出了用于深海能源土水合物分解试验的装置。但是对于现有的试验装置，要么能真实地模拟深海能源土的储层条件，而不能准确地控制水合物的开采条件；要么仅仅控制了开采条件，却模拟不了能源土储层真实的压力、温度环境；并且目前没有任何一套设备能够用于二氧化碳置换开采法的室内试验研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是真实地模拟深海的压力、温度环境，原位生成深海能源土样本，并可模拟用三种不同的方法从能源土中开采天然气水合物，且对开采过程中能源土的变形和水合物开采速率进行监测的技术问题。

为解决上述技术问题，克服现有技术存在的不足，本发明提供一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置。本发明采用如下技术方案：一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，包括高压反应室系统、加载系统、温度控制系统、液体供应系统、气体供应系统、收集量测系统以及数据采集分析系统，所述高压反应室系统分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连，所述数据采集分析系统也分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连。

更进一步地说，高压反应室系统包括高压围压室、底盘、底座、试样、试样帽，高压围压室固定设置在底盘上，高压围压室与底盘之间通过第三密封圈密封，底座为插入式，底座的插口处与底盘之间通过第二密封圈密封，高压围压室的轴线处设有管道分别与液体供应系统、气体供应系统相连，试样设置于底座与试样帽之间，试样外部设置有丁基橡胶模。

更进一步地说，加载系统包括加压系统、受力框架、压力杆，加压系统固定设置于受力框架上，压力杆的底端插入高压围压室中设置试样帽之上。

更进一步地说，温度控制系统包括温度控制箱、热交换盘管、温度传感器，热交换盘管固定设置于高压围压室内，温度控制箱通过外接绝热管道与热交换盘管相连，温度传感器固定设置于高压盘压室内，温度传感器通过数据线与所述数据采集仪相连。

更进一步地说，液体供应系统包括第一液压/体积控制器、第二液压/体积控制器，第一液压/体积控制器通过高压管道与高压围压室内部连通，第二液压/体积控制器通过高压管道与试样底部连通。

更进一步地说，气体供应系统包括第二气压控制器、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶，第二气压控制器通过高压管道与试样底部连通，甲烷气瓶、二氧化碳气瓶同时与第二气压控制器相连。

更进一步地说，收集量测系统包括二氧化碳吸收装置、真空泵、气液分离器、气体回收囊、高压气压室、第一气压控制器、位移传感器、孔压传感器，真空泵与试样顶部连通，二氧化碳吸收装置和气液分离器通过并联高压管道与所述试样顶部连通，在气液分离器和所述气体回收囊之间连接有气体流量计，气体回收囊设置于高压气压室内，第一气压控制器与高压控制室连通，位移传感器的底端与固定设置于压力杆的横杆接触，孔压传感器与试样底部连通。

更进一步地说，数据采集分析系统包含数据采集仪、计算机，数据采集仪通过数据线与计算机相连，数据采集仪通过数据线分别与加压系统、位移传感器、温度传感器、第一液压/体积控制器、第二液压/体积控制器、第一气压控制器、第二气压控制器、孔压传感器相连。

本发明所达到的有益效果：（1）高压围压室设计压力为:0~30MPa，反压设计压力为:0~20MPa，设计温度为:0~60℃，能真实的模拟深海能源土的储层条件，又能为后续的天然气分解试验创造合适的压力、温度条件；（2）底座设计为插入式底座，可随时根据所需样本的大小更换尺寸合适的底座，满足试验的要求；（3）不仅可以模拟降压开采法和注热开采法，还可以模拟二氧化碳置换开采法从深海能源土中开采天然气水合物，填补了该种试验方法的研究空白；（4）液压/体积控制器的使用不仅可以准确控制围压和反压的大小，还可以测量在不同开采条件下能源土体积的变化；（5）二氧化碳吸收装置可以吸收在二氧化碳置换开采法中未合成水合物的二氧化碳，将其与天然气分离，配合气体流量计的使用可以准确地测量天然气水合物的分解速率；（6）系统自动化程度高，所有试验所得数据均由数据采集仪采集，所有气压及液压控制器均由计算机控制。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明的结构示意图。

图中标记的含义：1-加压系统，2-位移传感器，3-温度传感器，4-热交换盘管，5-底座，6-底盘，7-第一密封圈，8-排气孔闷头螺栓，9-高压围压室，10-试样帽，11-试样，12-丁基橡胶膜，13-第二密封圈，14-第三密封圈，15-螺栓，16-受力框架，17-温度控制箱，18-第一液压/体积控制器，19-真空泵，20-气体流量计，21-气体回收囊，22-高压气压室，23-第一气压控制器，24-二氧化碳吸收装置，25-气液分离器，26-第二气压控制器，27-甲烷气瓶，28-二氧化碳气瓶，29-孔压传感器，30-第二液压/体积控制器，31-数据采集仪，32-计算机，33-压力杆，（V1~V9）-阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1所示为本发明的工作原理图，本发明的具体工作原理为：将试样置于高压反应室系统内，组装好各系统之间的连接管线；加载系统用以控制样本的轴向压力；液体供应系统向高压反应室内供应液体，用以控制围压和反压，并向样本中提供水源；气体供应系统向样本中提供原位生成能源土的甲烷气和将甲烷气从能源土中置换出来的二氧化碳气体；温度控制系统用以控制各反应阶段能源土的温度；收集量测系统用以分离、收集以及量测反应过程中产生的气体及其速率；反应过程中的数据以及试验所需的压力和温度均由数据采集分析系统收集和控制。

图2所示为本发明的结构示意图，下面按具体的系统结构和功能来说明本发明的具体实施方式。

高压反应室系统：高压围压室9通过高强度螺栓15固定在底盘6上，且在高压围压室9和底盘6之间设置第三密封圈14密封；高压围压室9顶部设有排气孔闷头螺栓8，用于将高压围压室9中的气体排出；底座5通过插口插入底盘6，在插口处设置第二密封圈13密封，高压围压室9轴线处设有管道与液体供应系统和气体供应系统相连；试样11置于底座5与试样帽10之间，用丁基橡胶膜12固定和密封。

加载系统：加压系统1固定于受力框架16上，压力杆33插入高压围压室9中置于试样帽10之上，并与其紧密接触，所施加的轴向压力由所要模拟的自然条件下能源土层的上覆土层厚度决定，一般为0~10MPa。

温度控制系统：热交换盘管4焊接固定在高压围压室9中，通过外接绝热管道与温度控制箱17相连，调节温度控制箱17来控制样本11的温度，温度传感器3将实时温度进行反馈。

液体供应系统：第一液压/体积控制器18通过管道与高压围压室9内部连通，经阀门V9向高压围压室9提供液体，控制围压，根据液体体积的变化可以测量试样11的体积变形；第二液压/体积控制器30由管道与试样11底部连通，经阀门V8向试样提供原位生成天然气水合物所需的蒸馏水，同时可以控制试样的反压，在反应结束时向试样11中通两倍于试样体积的水以驱赶出试样11中残留的气体。

气体供应系统：第二气压控制器26由管道与试样11底部连通，经阀门V5向试样提供气体；初始的试样11是水饱和的，甲烷气瓶27经阀门V6连通第二气压控制器26向试样中通入甲烷，打开阀门V3，此时试样11中的水会随着气体一起排出，直到一定量的水被排出后关闭阀门V3，然后保持试样11中甲烷气体的压力在10MPa左右，维持系统温度和压力24小时，此时一定含量的天然气水合物在能源土试样11中生成；当模拟用二氧化碳置换开采法开采天然气水合物时，降低已经原位生成的能源土试样11的内部水压力（即反压），通过二氧化碳气瓶28经阀门V7连通第二气压控制器26向试样11中通入一定压力的二氧化碳气体，用于将甲烷气置换出来。

收集量测系统：真空泵19经阀门V1、V3和试样11顶部连通，用于将初始的试样11和管道抽真空，检查装置的气密性；二氧化碳吸收装置24经阀门V4和试样顶部连通，用于吸收二氧化碳置换开采法中未能将甲烷置换出来的二氧化碳气体，将二氧化碳和甲烷分离；气液分离装置25用于将从试样11顶部排出的水和甲烷分离，甲烷气体继续通过流量计20收集于置于高压气压室22中的气体回收囊21内，通过最终收集到的甲烷气含量可以准确的计算出原位生成的能源土中天然气水合物的含量，气体流量计20用于量测甲烷气体的流量，根据流量计算出水合物的分解速率；第一气压控制器23用于控制高压气压室22中的气压，气压值和试样11的反压值保持一致，用于平衡在使用不同方法的模拟开采试验中、不同的反压情况下装置的内部压力，保证气体收集过程顺利地进行，位移传感器2的底端与固定在压力杆33上的横杆接触，用于测量试样11的轴向变形，孔压传感器27与试样11底部连通，用于测量不排水情况下试样11的内部水压力。

数据采集分析系统：数据采集仪31通过数据线与各量测及控制装置相连，将收集到的模拟信号转化为数字信号，再将数据信号传给计算机32用于存储和分析，同时计算机32又可通过数据采集仪31将信号传输给各压力控制装置，用于自动化控制反应时的压力、温度条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，包括高压反应室系统、加载系统、温度控制系统、液体供应系统、气体供应系统、收集量测系统以及数据采集分析系统，所述高压反应室系统分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连，所述数据采集分析系统也分别与所述加载系统、所述温度控制系统、所述液体供应系统、所述气体供应系统、所述收集量测系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述高压反应室系统包括高压围压室、底盘、底座、试样、试样帽，所述高压围压室固定设置在所述底盘上，所述高压围压室与所述底盘之间通过第三密封圈密封，所述底座为插入式，所述底座的插口处与所述底盘之间通过第二密封圈密封，所述高压围压室的轴线处设有管道分别与所述液体供应系统、所述气体供应系统相连，所述试样设置于所述底座与所述试样帽之间，所述试样外部设置有丁基橡胶膜。

3.根据权利要求2所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述加载系统包括加压系统、受力框架、压力杆，所述加压系统固定设置于所述受力框架上，所述压力杆的底端插入所述高压围压室中设置于所述试样帽之上。

4.根据权利要求3所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括温度控制箱、热交换盘管、温度传感器，所述热交换盘管固定设置于所述高压围压室内，所述温度控制箱通过外接绝热管道与所述热交换盘管相连，所述温度传感器固定设置于所述高压围压室内，所述温度传感器通过数据线与所述数据采集仪相连。

5.根据权利要求4所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述液体供应系统包括第一液压/体积控制器、第二液压/体积控制器，所述第一液压/体积控制器通过高压管道与所述高压围压室内部连通，所述第二液压/体积控制器通过高压管道与所述试样底部连通。

6.根据权利要求5所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述气体供应系统包括第二气压控制器、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶，所述第二气压控制器通过高压管道与所述试样底部连通，所述甲烷气瓶、所述二氧化碳气瓶同时与所述第二气压控制器相连。

7.根据权利要求6所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述收集量测系统包括二氧化碳吸收装置、真空泵、气液分离器、气体回收囊、高压气压室、第一气压控制器、位移传感器、孔压传感器，所述真空泵与所述试样顶部连通，所述二氧化碳吸收装置和所述气液分离器通过并联高压管道与所述试样顶部连通，在所述气液分离器和所述气体回收囊之间连接有气体流量计，所述气体回收囊设置于所述高压气压室内，所述第一气压控制器与所述高压控制室连通，所述位移传感器的底端与固定设置于所述压力杆的横杆接触，所述孔压传感器与所述试样底部连通。

8.根据权利要求7所述的一种模拟从深海能源土中开采天然气水合物的试验装置，其特征在于，所述数据采集分析系统包含数据采集仪、计算机，所述数据采集仪通过数据线与所述计算机相连，所述数据采集仪通过数据线分别与所述加压系统、所述位移传感器、所述温度传感器、所述第一液压/体积控制器、所述第二液压/体积控制器、第一气压控制器、第二气压控制器、孔压传感器相连。