CN105004849A - 一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置及方法。包括海水注入装置、采掘实验主体模块和实验数据信息采样模块；在保证釜内温度压力与海底真实压力相同的情况下，直接用刀具对水合物沉积物进行机械破碎，同时向采掘釜内注入海水，促使破碎后的水合物颗粒与海水一起流动，能够模拟水合物在机械破碎过程中的相态变化、颗粒粒径分布以及流化效果，为海底非成岩水合物固态流化开采提供理论支撑。

Description

一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置及方法，特别是涉及一种适用于海底非成岩水合物固态流化开采采掘的室内实验方法及装置。

背景技术

天然气水合物是具有开发潜力的接替能源，其总量约为其他化石能源总和的2倍。仅我国南海天然气水合物资源就可以供我国使用362年。其中约85%天然气水合物以弱胶结形式（非成岩）赋存于深海海底浅层沉积物中。近年来许多国家针对天然气水合物开展了深入研究，探索高效开采海洋天然气水合物的开采方法，已成为当前世界研究热点。目前天然气水合物的开采方法有注入法、降压法、注化学剂法以及上述几种方法的联合应用，但是上述方法均需打破天然气水合物的固有相态，使其分解生成天然气，具有引发地质及生态灾害的潜在风险。

我国对天然气水合物的研究起步晚，但近几年来发展较为迅速。目前已在南海进行了两次试采取样，从取样结果看，我国天然气水合物具有埋藏浅、胶结性差的特点。针对这种海底浅层弱胶结的天然气水合物，有专家提出固态流化开采的概念：在不改变天然气水合物温度的条件下，直接利用机械采掘的方法将水合物破碎成细小颗粒，然后与海水混合输送至海面，最后利用海表的热海水促使天然气水合物颗粒分解生成天然气。但是固态流化开采过程中，尤其是采掘过程中仍存在一些关键的技术问题，如破碎过程中天然气水合物周围温度压力的变化以及由此对水合物相态稳定性产生的影响、破碎后水合物颗粒的粒度分布、水合物流化所需的海水配比量、天然气水合物沉积物可钻性评价等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够模拟气体水合物在机械破碎过程中的相态变化、颗粒粒度分布以及流化效果，为海底非成岩水合物固态流化开采提供理论支撑的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，包括海水注入装置、采掘实验主体模块和实验数据信息采样模块；其中，

所述采掘实验主体模块包括采掘釜，所述采掘釜上设置有海水注入入口及与刀杆相连的刀盘，刀盘上设置有用于切割的刀具；

所述海水注入装置通过海水注入入口将海水注入到采掘釜中；

所述采掘釜上还设置有排气孔，所述排气孔通过排气阀门与储气罐相连；所述储气罐用于收集采掘釜内部的气体；

所述刀杆为中空结构，该中空结构向下连通至采掘釜内部，向上连通至固体颗粒气体水合物流化抽吸管道；

所述流化抽吸管道最终连接至接收罐；所述接收罐内部压力可调，从而在采掘釜釜体中形成不同的输送负压；

所述采掘釜釜体上设置有观察窗；所述实验数据信息采集模块包括设置于观察窗外部的激光粒度仪、光学放大系统和高速高倍摄像机，用来观察水合物的破碎情况，粒度分布情况及相态变化情况，并将观察到的情况通过显微摄像放大后直接存储在计算机上；

所述海水注入装置还包括对注入的海水进行流量监测的流量监测模块、进行温度监测的温度监测模块和进行压力监测的压力监测模块；

所述采掘釜釜体内壁上设置有温度传感器和压力传感器。

所述刀具连接部分为可更换连接，刀具切削角度和运动参数可调，能够同时实现刀具旋转和进退运行。

还包括与抽吸管道相连的分析取样模块，所述分析取样模块包括进行样品取样的取样容器，以便与对取出的样品进行粒度分布、含气量和浆体各单相比例的测试。取样容器用于随时取出供分析少量流化样品；所述抽吸管道上设置有观察窗、用于流量监测模块、温度监测模块和压力监测模块。

所述采掘釜釜体包括下部釜体及与其相配合的上部端盖；上部端盖和下部釜体之间的连接方式采用快开结构。方便与水合物大样品制备釜体一体化，需要开展采掘与流化实验时将装有相应体积样品的釜体移至采掘基座固定后，盖上上部端盖即可进行采掘和流化实验。

所述上部端盖和下部釜体内壁上均设置有压力传感器和温度传感器。

还包括通过废料阀门与采掘釜釜体底部相连废料罐。

基于上述气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置的实验方法，具体方法为：

将制备好的气体水合物固体置于采掘釜内并封闭好，并向采掘釜内注入海水，并保证采掘釜内的温度和压力恒定在设定阈值范围内，以模拟海底真实压力温度条件；

调节刀具的位置，对气体水合物进行机械破碎，并开启与刀杆中空结构相通的阀门；同时，持续注入海水，观察不同负压、海水配比和气体水合物固体粒度分布因素对水合物颗粒流化抽吸的效果；

气体水合物固体颗粒破碎开始后，监测破碎过程中采掘釜内的温度压力变化、气体水合物相态的变化及沉积物颗粒的粒度分布情况。

通过实验观察分析海底水合物破碎后的体积大小粒度分布规律，流化时负压大小对一定粒度分布的破碎物的携带能力。

将在大样品制备釜中制备的气体水合物沉积物样品转移到采掘釜中，盖上与下部釜体相配套的上部端盖；而后注入降温后的冷海水，保持温度压力恒定以模拟海底真实温压条件。

所述方法还包括：改变破碎刀具刃口的几何参数和/或运动参数对气体水合物进行固体破碎，观察对气体水合物固体粒度分布因素和相态变化因素的影响。同时，为采掘流化中，采掘方式和流化破碎方式的选择提供依据，采掘量和输送量的选择确定方法。

所述方法还包括，在流化过程中采集少量用于检测的流化物样品。

保证采掘釜内的温度和压力恒定在设定阈值范围内的具体方法为：向采掘釜内注入降温后的海水，通过调节注入的海水的温度调节采掘釜釜体内的温度，海水注入的量越大，釜体内的压力越大，打开采掘釜与储气罐之间的阀门，能够降低反应釜中的压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在保证釜内温度压力与海底真实压力相同的情况下，直接用刀具对水合物沉积物进行机械破碎，同时向采掘釜内注入海水，促使破碎后的水合物颗粒与海水一起流动，能够模拟水合物在机械破碎过程中的相态变化、颗粒粒径分布以及流化效果，为海底非成岩水合物固态流化开采提供理论支撑。

其进一步的有益效果为：

1、所述采掘釜釜体上部端盖和下部釜体之间的连接方式采用快开结构，便于快速与上部釜体连接；

2、设置有观察窗，除了通过观察窗能够方便对水合物粒度分布、相态变化和流化抽取效果进行图像采集外，还使实验效果可视化，提供了多种实验的可能性；

3、还包括对流化过程中的水合物颗粒进行分析取样，对取出的样品进行粒度分布、含气量和浆体各单相比例的测试；

    4、上部端盖和下部釜体之间的连接方式采用快开结构，方便与水合物大样品制备釜体一体化。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的原理示意图。

图2为图1所示实施例中采掘釜上部端盖的结构示意图。

图3为图1所示实施例中采掘釜下部釜体的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例一

在本具体实施例中，模拟对水深1500m海水压力15MPa，流化海水流量最大8L/s中，对天然气水合物进行开采挖掘及流化采集为例进行详细说明。海水注入装置采用在0～15MPa各级压力下平稳提供0～8L/s的海水流量的泵为主要部件。流量、温度、压力监测由海水注入装置涉及的压力表、温度计、流量计为辅助控制部件。

首先，将在大样品制备釜中制备的天然气水合物沉积物样品转移到采掘釜中，盖上与下部釜体相配套的上部端盖；而后注入降温后的冷海水，保持温度压力恒定以模拟海底真实温压条件。

将制备完成的天然气水合物沉积物样品移至采掘模块，此处制备水合物的反应釜与采掘釜体采用一体化设计，制备完成的天然气水合随釜体一起移动至采掘模拟模块，盖上采掘釜的上部端盖。制备水合物的釜体与采掘釜体上部端盖的连接方式为快开结构，便于快速组合衔接。

根据海水的含盐量，在海水储罐中制备相同浓度的模拟海水的盐溶液，此处采用Nacl溶液作为海水。制备完成的海水首先经过冷却系统进行降温处理，根据海底天然气水合物周围温度，此处海水温度降低至2～4摄氏度，该温度亦将作为采掘破碎过程中的反应温度。海水经冷却达到温度要求后，由海水泵通过位于上部端盖上的海水入口泵入实验主体采掘釜内，在此过程中海水依次通过流量计、温度表和压力表，测量结果将直接传送至计算机。

为模拟海底1500m水深，采掘釜内压力需达到15MPa左右，该压力值通过海水泵入以及储气罐联合调节：打开采掘釜与储气罐之间的阀门，可降低反应釜中的压力，随着海水泵入量的增加，釜内压力将随着升高。由压力传感器对釜内压力进行实时监测。采掘釜内的温度主要由泵入的海水温度调节。当釜体内温度压力达到实验要求，且釜内温度分布均匀时，采掘环境的模拟工作准备完毕。

其次，调节通过刀杆与上部端盖相连的刀具的位置，开始对天然气水合物沉积物进行机械破碎，开启与刀杆内通径相连的阀门；同时持续泵入海水，调节接收罐内部压力，观察不同负压、海水配比、固体颗粒直径等因素对水合物颗粒流化抽吸效果的影响。

启动破碎天然气水合物沉积物的刀盘，与刀盘相连的刀杆可上下移动，刀盘由上向下依次对水合物沉积物进行破碎；在此过程中，打开连接刀杆通径和外部管道的阀门，同时打开海水泵以及海水注入阀门，以8L/s的流量泵入海水，模拟注入压力15MPa，配合后段分级调压，海水泵可在0～15MPa各级压力下平稳提供0～8L/s的海水，从而实现不同海水配比量以及不同压差下水合物颗粒流化的模拟。

当天然气水合物沉积物的机械破碎开始后，利用激光粒度仪、光学放大成像系统和高速高倍摄像机等观测设备，通过观察窗口观测水合物的破碎、分解、再次合成以及流化等过程，观察的结果直接传输到数据采集系统。

其中，在本具体实施例中，下部釜体容积160L，设计压力15MPa。下部釜体的侧面和底部分别开有2个φ80mm的观察窗，便于观察采掘过程和相态变化。上部端盖设计采掘刀具及流化出口设计一体化，采掘刀具进刀与流化出口考虑旋转密封承压15MPa，刀杆内部通径76.2mm。刀具连接部分设计有可更换连接，其刀具切削角度和运动参数可调，可同时实现刀具旋转和进退运行。上部端盖模块开有1个φ80mm的观察窗，便于观察采掘过程和相态变化。

具体实施例二

在基于具体实施例一的基础上，还包括天然气水合物沉积物颗粒破碎开始后，监测破碎过程中釜体内的温度压力变化、天然气水合物的相态的变化和沉积物颗粒的粒径分布情况，在流化过程中采集少量流化物样品，分析各相态含量及颗粒粒径分布。

首先将取样容器抽成真空，在进行流化时，连接取样容器与流化管道之间的阀门是关闭的，流化开始后，可在任意时间打开该阀门取得水合物流化物的样品，取出的样品主要用于粒度分布、含气量和浆体各单相比例的测试。

具体实施例三

基于具体实施例一和具体实施例二的基础上，还包括通过第二阀门与采掘釜釜体底部相连废料管。实验完成后将连接废料罐的阀门打开，收集釜中参与的水合物沉积物和海水。

本发明专利申请实施方案将实现实验过程的实验模拟与数值模拟相结合，解决了海底浅表层天然气水合物固态流化开采过程中采掘与流化模块的关键技术难题。实验装置能够用于分析天然气水合物在机械破碎时的相态变化情况，不同破碎方式对相态变化的影响，不同机械破碎条件下天然气水合物颗粒的粒径分布，海水对天然气水合物颗粒携带效果及其影响因素。同时装置使得实验过程可视化，并提供了多种实验的可能性。此外该装置还具有工艺简单、结构合理、操作方便等特点。

Claims (10)

1.一种气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，包括海水注入装置、采掘实验主体模块和实验数据信息采样模块；其中，

所述采掘实验主体模块包括采掘釜，所述采掘釜上设置有海水注入入口及与刀杆相连的刀盘，刀盘上设置有用于切割的刀具；

所述海水注入装置通过海水注入入口将海水注入到采掘釜中；

所述采掘釜上还设置有排气孔，所述排气孔通过排气阀门与储气罐相连；

所述刀杆为中空结构，该中空结构向下连通至采掘釜内部，向上连通至固体颗粒气体水合物流化抽吸管道；

所述流化抽吸管道最终连接至接收罐；所述接收罐内部压力可调；

所述采掘釜釜体上设置有观察窗；所述实验数据信息采集模块包括设置于观察窗外部的激光粒度仪、光学放大系统和高速高倍摄像机；

所述海水注入装置还包括对注入的海水进行流量监测的流量监测模块、进行温度监测的温度监测模块和进行压力监测的压力监测模块；

所述采掘釜釜体内壁上设置有温度传感器和压力传感器。

2.根据权利要求1所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，所述刀具连接部分为可更换连接，刀具切削角度和运动参数可调，能够同时实现刀具旋转和进退运行。

3.根据权利要求1所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，还包括与抽吸管道相连的分析取样模块，所述分析取样模块包括进行样品取样的取样容器；所述抽吸管道上设置有观察窗、流量监测模块、温度监测模块和压力监测模块。

4.根据权利要求1到3之一所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，所述采掘釜釜体包括下部釜体及与其相配合的上部端盖；上部端盖和下部釜体之间的连接方式采用快开结构。

5.根据权利要求4所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，所述上部端盖和下部釜体内壁上均设置有压力传感器和温度传感器。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置，其特征在于，还包括通过废料阀门与采掘釜釜体底部相连的废料罐。

7.基于权利要求1到6之一所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验装置的实验方法，具体方法为：

将制备好的气体水合物固体置于采掘釜内并封闭好，并向采掘釜内注入海水，保证采掘釜内的温度和压力恒定在设定阈值范围内，以模拟海底真实压力温度条件；

调节刀具的位置，对气体水合物进行机械破碎，并开启与刀杆中空结构相通的阀门；同时，持续注入海水，观察不同负压、海水配比和气体水合物固体粒度分布因素对水合物颗粒流化抽吸的效果；

气体水合物固体颗粒破碎开始后，监测破碎过程中采掘釜内的温度压力变化、气体水合物相态的变化及沉积物颗粒的粒度分布情况。

8.根据权利要求7所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验方法，所述方法还包括：改变破碎刀具刃口的几何参数和/或运动参数对气体水合物进行固体破碎，观察该两个参数对气体水合物固体粒度分布因素和相态变化因素的影响。

9.根据权利要求7所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验方法，所述方法还包括，在流化过程中采集少量用于检测的流化物样品。

10.根据权利要求7到9之一所述的气体水合物固态流化开采采掘室内实验方法，保证采掘釜内的温度和压力恒定在设定阈值范围内的具体方法为：向采掘釜内注入降温后的海水，通过调节注入的海水的温度调节采掘釜釜体内的温度，海水注入的量越大，釜体内的压力越大，打开采掘釜与储气罐之间的阀门，能够降低反应釜中的压力。