CN104913960A - 多功能天然气水合物合成反应方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多功能天然气水合物合成反应方法及装置，CH4气瓶的通气管道上设有增压泵，CH4气瓶的通气管道口部与反应釜的反应釜顶盖上开的注气口相连，反应釜置于恒温空气浴室内，反应釜上的温度探头和压力传感器通过数据采集器连接工控机。本发明的有益效果是可实现同时进行几个不同沉积物体系的水合物合成，使实验结果更加接近实际；缩短了水合物样品的制样周期，提高效率，增加实验结果的准确性和可信度。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气，涉及多功能天然气水合物合成反应方法及装置。
背景技术
天然气水合物是在低温、高压条件下由天然气与水相互作用形成的类冰状可燃固态物质，又称可燃冰，其广泛分布于世界海底大陆边缘和永久冻土区，其天然气主要成分是甲烷(CH4>90％)，又称甲烷水合物。目前各国科学家较为一致的评价世界范围天然气水合物蕴藏总碳量为现有化石燃料的2倍。天然气水合物作为能源资源，有广阔的应用前景和发展空间，因此各国科学家纷纷开展水合物相关研究。
目前对天然气水合物研究主要集中以下几个方面，形成机制、分布特征、产出条件、勘探方法、开采方法以及环境效应等，研究手段也不断创新，声、光、电、力学等先进技术，但是随着研究的深入，研究者在了解一些基本规律后便趋向于向更深、更细的本质方面发展，意识到实验条件对实验结果有重要决定作用，因此科学家对实验条件和细节的要求更加严谨，尤其对水合物样品的要求，力求更加接近实际真实情况，所以水合物的合成成为得到可信成果的重要因素。
目前实验用水合物样品主要是纯水合物和沉积物(主要是石英砂)中水合物，自然界中水合物多数赋存于沉积物中，但是沉积物的种类、水合物分布状态各异，现有实验室条件下合成的水合物均与实际状况有一定差别，影响实验结果的指导性；一些沉积体系中水合物样品合成周期较长，这也是制约水合物相关实验结果的指导性和普遍性的重要因素；另外实现了相同外界条件下，不同沉积体系水合物性质的对比研究。
目前还没有一套专用于合成不同条件、不同类型水合物的实验装置和方法。因此建立一套多功能天然气水合物合成装置，本装置可实现同时进行几个(取决于水合物样品尺寸要求)不同沉积物体系(依据实际地层沉积层性质)的水合物合成，使实验结果更加接近实际；缩短了水合物样品的制样周期，提高效率，增加实验结果的准确性和可信度，对水合物基本性质、开采利用及环境效应研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供多功能天然气水合物合成反应方法及装置，解决了目前还没有一套专用于合成不同条件、不同类型水合物的实验装置、水合物样品的制样效率低，样品不准确的问题。
本发明所采用的技术方案是：
(1)反应釜清理：采用去离子水清洗反应釜内壁、反应釜顶盖、反应釜底；
(2)沉积物制备：根据实验所需水合物样品要求，准备适合尺寸、材料的小反应罐，装入实验所需不同种类及含水量的沉积物样品，准备好后置于反应釜中；
(3)管路连接与检漏：连接实验装置管路，注入一定压力的CH4并静置，确保实验装置无泄漏；
(4)抽真空：确保实验装置无泄漏之后排出CH4气体，抽真空，排除空气等对实验的干扰；
(5)合成甲烷水合物：调节实验温度，注入一定体积CH4气体至设定压力，进行水合物合成，根据压力参数变化判断水合物是否合成；
(6)取样：水合物合成后，将环境温度降至-15℃至-20℃之间，迅放空反应釜内剩余CH4气体，打开反应釜顶盖，迅速将样品取出装入待用实验装置，进行实验研究；或将样品置于液氮中保存，用于分析测试。
进一步，所述CH4气体流量范围0～2000mL/min，精度0.25％F.S，气体增压上限为25MPa。
多功能天然气水合物合成反应装置，CH4气瓶的通气管道上设有增压泵，CH4气瓶的通气管道口部与反应釜的反应釜顶盖上开的注气口相连，反应釜置于恒温空气浴室内，反应釜上的温度探头和压力传感器通过数据采集器连接工控机。
进一步，所述反应釜内部空间分为层，每层由带孔隔板分隔，每层可放置多个小反应罐，反应釜开口塞有上堵头，上堵头外套有O型圈进行密封，卡箍将上堵头和反应釜顶盖套紧在反应釜的开口部，在卡箍外部还套有卡环进一步紧固。
进一步，所述反应釜采用TC4钛合金加工制作而成，最大内径300mm，高度400mm，最高工作压力为30Mpa，反应釜安置于能控制倾斜度的支撑架上。
本发明的有益效果是可实现同时进行几个不同沉积物体系的水合物合成，使实验结果更加接近实际；缩短了水合物样品的制样周期，提高效率，增加实验结果的准确性和可信度。
附图说明
图1是本发明多功能天然气水合物合成反应装置结构示意图；
图2是反应釜结构示意图；
图3是反应釜俯视图。
图中：1.CH4气瓶；2.增压泵；3.反应釜顶盖；4.反应釜；5.注气口；6.恒温空气浴室；7.温度探头；8.压力传感器；9.数据采集器；10.工控机；11.卡环；12.卡箍；13.上堵头；14.O型圈；15.小反应罐；16.带孔隔板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明所述多功能天然气水合物合成反应釜模拟实验方法包括以下六个步骤：
(一)反应釜清理：采用去离子水清洗反应釜内壁、顶盖、反应釜底；
(二)沉积物制备：根据实验所需水合物样品要求，准备适合尺寸、材料的小反应罐，装入实验所需不同种类及含水量的沉积物样品，准备好后置于多功能反应釜中；
(三)管路连接与检漏：连接实验装置管路，开闭相应阀门，注入一定压力的CH4并静置，确保实验装置无泄漏；
(四)抽真空：确保实验装置无泄漏之后排出CH4气体，抽真空，排除空气等对实验的干扰；
(五)合成甲烷水合物：调节实验温度，开闭相应阀门，注入一定体积CH4气体至设定压力，进行水合物合成，根据压力参数变化判断水合物是否合成；
(六)取样：水合物合成后，将环境温度降至-15℃至-20℃之间，迅放空反应釜内剩余CH4气体，打开反应釜顶盖(采用快开式卡箍结构，可快速打开)，迅速将样品取出装入待用实验装置，进行实验研究；或将样品置于液氮中保存，用于分析测试。
本发明装置可模拟不同压力和温度条件下的水合物合成，
由图1所示，本发明核心部分为高压反应釜4，其特点是可模拟在一定温压环境条件下，多个不同沉积物样品同时合成水合物，来满足实验需要。其中，CH4气瓶1的通气管道上设有增压泵2，CH4气瓶1的通气管道口部与反应釜4的反应釜顶盖3上开的注气口5相连，反应釜4置于恒温空气浴室6内，反应釜4上的温度探头7和压力传感器8通过数据采集器9连接工控机10。
如图2和图3所示，反应釜4内部空间分为3层，每层由带孔隔板16分隔，每层可放置多个小反应罐15，反应釜4开口塞有上堵头13，上堵头13外套有O型圈14进行密封，卡箍12将上堵头13和反应釜顶盖3套紧在反应釜4的开口部，在卡箍12外部还套有卡环11进一步紧固。
本发明装置可以针对不同实验(物性参数、开采、微观测试)要求，配置不同尺寸的多个小反应罐15，对不同沉积物体系同时进行实验，另外也实现了相同外界条件下，不同含水合物沉积体系性质的对比研究。
反应釜4采用TC4钛合金加工制作而成，最大内径300mm，高度400mm，最高工作压力为30Mpa。反应釜4安置于可控制倾斜度的支撑架上，安装于支撑架的滚轮保证了反应釜4进出恒温空气浴的便捷性。反应釜4下端采用与圆筒一体的平底，反应釜顶盖3采用卡箍快开结构，便于装釜、快速取样和实验后清洗，采用上堵头13配合O型圈14进行密封。反应釜4内部采用带孔隔板16把整个空间分为上中下3层，反应釜4最上一层的最大内径300mm，下面两个腔室内径分别为298mm和296mm，用小台阶固定带孔隔板16，可对多个小反应罐15的不同反应物同时进行实验，釜壁上带有小反应罐15的定位孔，防止小反应罐15在反应釜推动过程中翻到。反应釜顶盖3布置有一个注气口5、一个压力传感器8、一个温度探头7。
恒温控制系统为恒温空气浴室6，反应釜4放置于该空气浴室内，温度控制范围－20～120℃，控温精度±0.1℃。
注气系统包括CH4气瓶1、增压泵2。CH4气体由反应釜顶盖3上的注气口5注入，流量范围0～2000mL/min，精度0.25％F.S，气体增压上限为25MPa。
数据采集系统包括工控机10、数据采集器9以及与其相连的温度探头7和压力传感器8。
本装置主要用于不同沉积环境下含水合物沉积物样品的制备，制备的样品可用于物性参数实验(声学、电学、热学、力学)、开采实验和分析测试，实验过程中温度压力可控。本装置的设计理念主要体现在以下两个方面：(1)可以制备满足不同实验所需要的更接近实际地层的含水合物沉积物样品。(2)同时进行多个不同尺寸、不同沉积物样品的水合物合成，大大提高了合成效率，缩短了实验周期；可实现相同环境条件下，不同含水合物沉积体系性质的对比研究。
本发明装置可实现同时进行几个(取决于水合物样品尺寸要求)不同沉积物体系(依据实际地层沉积层性质)的水合物合成，使实验结果更加接近实际；缩短了水合物样品的制样周期，提高效率，增加实验结果的准确性和可信度，对水合物基本性质、开采利用及环境效应研究具有重要意义。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.多功能天然气水合物合成反应方法，其特征在于：
(1)反应釜清理：采用去离子水清洗反应釜内壁、反应釜顶盖、反应釜底；
(2)沉积物制备：根据实验所需水合物样品要求，准备适合尺寸、材料的小反应罐，装入实验所需不同种类及含水量的沉积物样品，准备好后置于反应釜中；
(3)管路连接与检漏：连接实验装置管路，注入一定压力的CH4并静置，确保实验装置无泄漏；
(4)抽真空：确保实验装置无泄漏之后排出CH4气体，抽真空，排除空气等对实验的干扰；
(5)合成甲烷水合物：调节实验温度，注入一定体积CH4气体至设定压力，进行水合物合成，根据压力参数变化判断水合物是否合成；
(6)取样：水合物合成后，将环境温度降至-15℃至-20℃之间，迅放空反应釜内剩余CH4气体，打开反应釜顶盖，迅速将样品取出装入待用实验装置，进行实验研究；或将样品置于液氮中保存，用于分析测试。
2.按照权利要求1所述多功能天然气水合物合成反应方法，其特征在于：所述CH4气体流量范围0～2000mL/min，精度0.25％F.S，气体增压上限为25MPa。
3.应用于权利要求1所述多功能天然气水合物合成反应方法的装置，其特征在于：所述CH4气瓶(1)的通气管道上设有增压泵(2)，CH4气瓶(1)的通气管道口部与反应釜(4)的反应釜顶盖(3)上开的注气口(5)相连，反应釜(4)置于恒温空气浴室(6)内，反应釜(4)上的温度探头(7)和压力传感器(8)通过数据采集器(9)连接工控机(10)。
4.应用于权利要求1所述多功能天然气水合物合成反应方法的装置，其特征在于：所述反应釜(4)内部空间分为(3)层，每层由带孔隔板(16)分隔，每层可放置多个小反应罐(15)，反应釜(4)开口塞有上堵头(13)，上堵头(13)外套有O型圈(14)进行密封，卡箍(12)将上堵头(13)和反应釜顶盖(3)套紧在反应釜(4)的开口部，在卡箍(12)外部还套有卡环(11)进一步紧固。
5.应用于权利要求1所述多功能天然气水合物合成反应方法的装置，其特征在于：所述反应釜(4)采用TC4钛合金加工制作而成，最大内径300mm，高度400mm，最高工作压力为30Mpa，反应釜(4)安置于能控制倾斜度的支撑架上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |