CN105203716A - 海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，特别是一种应用于天然气水合物实验领域的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置。本发明提供可以模拟出水合物浆体在固态流化开采过程中流经运送管道时的流动形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力之间的关系的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置包括水平循环反应实验管路、垂直循环反应实验管路和水合物制备处理系统。多次调节压力，多次调节电压，模拟不同海水深度和海水温度条件，模拟水合物浆体在固态流化开采过程中在垂直管道和水平管道中运移流动时的形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力、水合物破碎粒径之间的关系。

Description

海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置

技术领域

本发明涉及一种海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，特别是一种应用于天然气水合物实验领域的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置。

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体物质，是一种高密度、高热值的非常规能源，主要分布于水深大于三百米的海洋及陆地永久冻土带沉积物中，其中海洋天然气水合资源量是陆地冻土带的一百倍以上，海洋天然气水合物的开采备受关注，天然气水合物被普遍认为将是21世纪最有潜力的接替能源，同时也是目前尚未开发的储量最大的一种新能源。

目前实验室对于天然气水合物开采方式的研究多针对降压法、注热法、注化学药剂等，对于固态流化开采方法的实验研究较少，但现有的实验装置不能模拟出水合物浆体在固态流化开采过程中流经运送管道时的流动形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力之间的关系，不能模拟海洋天然气水合物固态流化开采过程，不能获得工程上需要的天然气水合物开采速度、压力控制、安全性等参数。因此，现有的技术有待完善和发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以模拟出水合物浆体在固态流化开采过程中流经运送管道时的流动形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力之间的关系的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置。

为解决上述技术问题本发明采用的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，包括水平循环反应实验管路、垂直循环反应实验管路和水合物制备处理系统，所述水合物制备处理系统包括系统输入口和系统输出口，所述水平循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述垂直循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述水平循环反应实验管路中设置有水平放置的水平观察段，所述垂直循环反应实验管路中设置有垂直放置的垂直加热段和垂直观察段，所述水合物制备处理系统依次由泥砂预分离器、浆体制备罐、泵、气液分离器和压力调节罐连接而成，所述泥砂预分离器一端与系统输入口连接，所述压力调节罐一端与系统输出口连接。

进一步的是，所述垂直加热段上设置有温度控制系统。

进一步的是，所述垂直循环反应实验管路还包括弧形管段、垂直观察段，所述垂直观察段和垂直加热段平行设置，弧形管段将垂直观察段和垂直加热段连通。

进一步的是，所述垂直观察段为有机玻璃材质，所述加热管段为内外均设置有绝缘层的钢管，管外壁附有保温层，垂直观察段的始端和末端均装有温度压力传感器、激光粒度仪。

进一步的是，所述水平观察段的两端设置有温度压力传感器和激光粒度仪。

进一步的是，所述水平循环反应管路还包括水平直线管段和两条弧形管段，所述水平直线管段与水平观察段平行设置，所述弧线段为耐高压水龙带。

进一步的是，所述水平观察段的两端设置有温度压力传感器和激光粒度仪。

进一步的是，还包括预分离旁通阀、浆体旁通阀、气液分离旁通阀，所述预分离旁通阀与泥砂预分离器并联连接，所述浆旁通阀与浆体制备罐并联连接，所述气液分离旁通阀与气液分离器并联连接。

进一步的是，还包括数据采集系统和数据处理系统，所述温度压力传感器和激光粒度仪与数据采集系统连接，所述数据采集系统和数据处理系统连接。

进一步的是，还包括显示器，所述显示器与数据处理系统连接。

本发明的有益效果是：压力调节罐调节不同的压力，模拟不同深度的海水压力，调节不同的电源电压，模拟不同的海水温度。多次调节压力，多次调节电压，模拟不同海水深度和海水温度条件，模拟水合物浆体在固态流化开采过程中在垂直管道和水平管道中运移流动时的形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力、水合物破碎粒径之间的关系，为天然气水合物固态流化开采提供必要的施工参数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中零部件及编号：泥砂预分离器1、浆体制备罐2、泵3、气液分离器4、出口水平旁通5、入口水平旁通6、垂直段出口连接旁通7、垂直段入口连接旁通8，压力调节罐9、垂直观察段10、垂直加热段12、水平直线管段13、水平观察段14、流量计15、数据采集系统16、数据处理系统17、显示器18、温度压力传感器19、激光粒度仪20、浆体制备输出阀21、气液分离输入阀22、气液分离旁通阀23、气液分离输出阀24、系统输出口阀25、水平入口旁通阀26、垂直管出口旁通阀27、弧线管路控制阀28、垂直管出口旁通阀29、水平出口旁通阀30、水平直线管路控制阀31、系统输入口阀32、预分离旁通阀33、预分离输入阀34、预分离输出阀35、浆体制备回流阀36、浆体旁制通阀37、温度计38。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，包括水平循环反应实验管路、垂直循环反应实验管路和水合物制备处理系统，所述水合物制备处理系统包括系统输入口和系统输出口，所述水平循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述垂直循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述水平循环反应实验管路中设置有水平放置的水平观察段14，所述垂直循环反应实验管路中设置有垂直放置的垂直加热段12和垂直观察段10，所述水合物制备处理系统依次由泥砂预分离器1、浆体制备罐2、泵3、气液分离器4和压力调节罐9连接而成，所述泥砂预分离器1一端与系统输入口连接，所述压力调节罐9一端与系统输出口连接。其中的水平循环反应实验管路用于模拟天然气水合物浆体在水平管道中运移时的相态变化、压力变化及施工参数对水合物分解的影响；其中的垂直循环反应实验管路用于模拟天然气水合物浆体在垂直管道中运移时的相态变化、压力变化及施工参数对水合物分解的影响；其中的浆体制备罐2制备实验所用的可流动的天然气水合物浆体，并可拆卸搬移。其中的泵3为实验中水合物浆体循环提供动力，实现不同流速下水合物分解、相变模拟。其中的泥砂预分离器1模拟在天然气水合物固态流化开采过程中将天然气水合物从泥砂中分离出来；其中的气液分离器4，用于在实验必要时将反应产生的天然气分离出来。其中的压力调节罐9，用来实现不同压力条件下的水合物分解运移实验模拟提供必要的压力。

所述垂直加热段12上设置有温度控制系统。增设的温度控制系统，用来控制垂直管中加热段的温度。

所述垂直循环反应实验管路还包括弧形管段、垂直观察段10，所述垂直观察段10和垂直加热段12平行设置，弧形管段将垂直观察段10和垂直加热段12连通。弧形管段、垂直观察段10和垂直加热段12组成循环管路，其中垂直观察段10用于观察浆体在管内的流动情况，垂直加热段12用来调整管内浆体的温度。弧形段起到连接过渡的作用。

所述垂直观察段10为有机玻璃材质，所述加热管段为内外均设置有绝缘层的钢管，管外壁附有保温层，垂直观察段10的始端和末端均装有温度压力传感器、激光粒度仪。

所述水平观察段14的两端设置有温度压力传感器19和激光粒度仪20。激光粒度仪20用于检测反应过程中水合物粒度的变化，其中温度压力传感器19，检测水合物浆体在运移反应过程中的温度压力条件及其变化。

所述水平循环反应管路还包括水平直线管段13和两条弧形管段，所述水平直线管段13与水平观察段14平行设置，所述弧线段为耐高压水龙带。

所述水平观察段14的两端设置有温度压力传感器19和激光粒度仪20。激光粒度仪20用于检测反应过程中水合物粒度的变化，其中温度压力传感器19，检测水合物浆体在运移反应过程中的温度压力条件及其变化。

还包括预分离旁通阀、浆体旁通阀、气液分离旁通阀，所述预分离旁通阀与泥砂预分离器1并联连接，所述浆旁通阀与浆体制备罐2并联连接，所述气液分离旁通阀与气液分离器4并联连接。

还包括数据采集系统16和数据处理系统17，所述温度压力传感器19和激光粒度仪20与数据采集系统16连接，所述数据采集系统16和数据处理系统17连接。信息采集系统通过各种传感器采集管路中温度、压力、流量等信息数据并交由数据处理系统17进行分析处理；

还包括显示器18，所述显示器18与数据处理系统17连接。显示器18可以让试验人员及时掌握采集的数据，以及数据处理的结果。

具体实施例：水平循环反应实验管路,由环形水平管道构成，分为水平直线管段13和水平观察段14，水平观察段14的材质为透明有机玻璃，两端分别装有温度压力传感器19和激光粒度仪20，水平直线管段13开有出口水平旁通5、入口水平旁通6、垂直段出口连接旁通7、垂直段入口连接旁通8，在垂直段入口连接旁通8与入口水平旁通6间装有流量计15。

在垂直观察段10的两端分别装有温度压力传感器19激光粒度仪20，在垂直观察段10的下端装有阀门，垂直观察段10与水平直线管段13由弧形垂直段入口连接旁通88连接，垂直加热段12与水平直线管段13由垂直段出口连接旁通7连接，垂直加热段12两端与交流电源连接，并装有电源开关，垂直加热段12表面附有保温层并安装有温度计38，垂直加热段12下端装有阀门垂直管出口旁通阀29。

垂直观察段10和垂直加热段12通过弧形钢管连接，并在连接管上装阀门弧形管路控制阀28。

浆体制备罐2装有输出管和回流管，并在输出管和回流管上接装旁管，旁管与水合物置备罐并联，在输出管、回流管、旁管上分别安装有浆体制备输出阀21、浆体制备回流阀36、浆体旁通阀37，输出管与容积式泵3相连，容积式泵3与泥砂预分离器1相连，泥砂预分离器1输出管和输入管上也装有旁管，旁管与泥砂预分离器1并联，并在输入管、输出管、旁管上分别装有气液分离输入阀22、气液分离输出阀24、气液分离旁通阀23，泥砂预分离器1和旁管并联后与压力调节罐9相连，压力调节罐9通过钢管接入水平直线管段13，并在连接管上装有阀门系统出口阀25。

整套设备运行步骤如下：

水平管道运移模拟：

准备阶段，将所有阀门置于关闭状态，将浆体制备罐2中注满制备好的盐水，打开浆体制备输出阀21、气液分离旁通阀23、系统出口阀25、水平入口旁通阀26、水平出口旁通阀30、系统输入口阀32、浆体制备回流阀36，然后启动容积式泵3，让浆体制备罐2中的盐水注满所经过的管道，然后关泵3，关阀门浆体制备回流阀36和阀门浆体制备输出阀21，移开浆体制备罐2。

实验阶段，将浆体制备罐2中制备满水合物浆体，并接回循环管路，依次打门浆体制备输出阀21、浆体制备输出阀21、气液分离旁通阀23、系统出口阀25、水平入口旁通阀26、水平出口旁通阀30、系统输入口阀32、浆体制备回流阀36，启动容积式泵3，将浆体制备罐2的水合物浆体抽注入循环管道中，当水合物浆体充满管道时，打开阀门浆体旁通阀37，关闭浆体制备回流阀36和阀门浆体制备输出阀21，此时，根据实验要求，调整压力调节罐9和泵3的排量，当需要模拟水合物中含有泥砂时的泥砂于分离情况时，打开阀门气液分离输入阀22和阀门气液分离输出阀24，关闭阀门气液分离旁通阀23,当需要进行气液分离时，打开阀门预分离输入阀34和阀门预分离输出阀35，关闭阀门预分离旁通阀33，由数据采集系统16获取管路中水合物的温度、压力、流量、水合物破碎粒径等数据，并传输至数据处理系统17进行处理。

垂直管道运移模拟：

准备阶段，将所有阀门置于关闭状态，将浆体制备罐2中注满制备好的盐水，打开阀门浆体制备输出阀21、气液分离旁通阀23、系统出口阀25、垂直管出口旁通阀27、弧形管路控制阀28、垂直管出口旁通阀29、系统输入口阀32、预分离旁通阀33、浆体制备回流阀36，然后启动容积式泵3，让浆体制备罐2中的盐水注满所经过的管道，然后关泵3，关阀门浆体制备回流阀36和阀门浆体制备输出阀21，移开浆体制备罐2。

实验阶段，将浆体制备罐2中制备满水合物浆体，并接回循环管路，依次打开阀门浆体制备输出阀21、浆体制备输出阀21、气液分离旁通阀23、系统出口阀25、垂直管出口旁通阀27、弧形管路控制阀28、垂直管出口旁通阀29、系统输入口阀32、预分离旁通阀33、浆体制备回流阀36，启动容积式泵3，将浆体制备罐2中的水合物浆体抽注入循环管道中，当水合物浆体充满管道时，打开阀门浆体旁通阀37，关闭阀门浆体制备回流阀36和阀门浆体制备输出阀21，由温度控制系统控制电源的电压，获得不同的温度，模拟不同深度的海水温度，此时，根据实验要求，调整压力调节罐9和泵3的排量，由数据采集系统16获取管路中水合物的温度、压力、流量、水合物破碎粒径等数据，并传输至数据处理系统17进行处理，当需要模拟水合物中含有泥砂时的泥砂于分离情况时，打开阀门气液分离输入阀22和阀门气液分离输出阀24，关闭阀门气液分离旁通阀23,当需要进行气液分离时，打开阀门预分离输入阀34和阀门预分离输出阀35，关闭阀门预分离旁通阀33。

上述实验中，压力调节罐9调节不同的压力，模拟不同深度的海水压力，调节不同的电源电压，模拟不同的海水温度。多次调节压力，多次调节电压，模拟不同海水深度和海水温度条件，模拟水合物浆体在固态流化开采过程中在垂直管道和水平管道中运移流动时的形态、相态变化、分解速率等与流动速度、温度、压力、水合物破碎粒径之间的关系，为天然气水合物固态流化开采提供必要的施工参数。

Claims (10)

1.海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：包括水平循环反应实验管路、垂直循环反应实验管路和水合物制备处理系统，所述水合物制备处理系统包括系统输入口和系统输出口，所述水平循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述垂直循环反应实验管路一端与系统输入口连接，另一端与系统输出口连接，所述水平循环反应实验管路中设置有水平放置的水平观察段(14)，所述垂直循环反应实验管路中设置有垂直放置的垂直加热段(12)和垂直观察段(10)，所述水合物制备处理系统依次由泥砂预分离器(1)、浆体制备罐(2)、泵(3)、气液分离器(4)和压力调节罐(9)连接而成，所述泥砂预分离器(1)一端与系统输入口连接，所述压力调节罐(9)一端与系统输出口连接。

2.如权利要求1所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述垂直加热段(12)上设置有温度控制系统。

3.如权利要求1所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述垂直循环反应实验管路还包括弧形管段、垂直观察段(10)，所述垂直观察段(10)和垂直加热段(12)平行设置，弧形管段将垂直观察段(10)和垂直加热段(12)连通。

4.如权利要求3所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述垂直观察段(10)为有机玻璃材质，所述加热管段为内外均设置有绝缘层的钢管，管外壁附有保温层，垂直观察段(10)的始端和末端均装有温度压力传感器(19)、激光粒度仪(20)。

5.如权利要求3所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述水平观察段(14)的两端设置有温度压力传感器(19)和激光粒度仪(20)。

6.如权利要求1所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述水平循环反应管路还包括水平直线管段(13)和两条弧形管段，所述水平直线管段(13)与水平观察段(14)平行设置，所述弧线段为耐高压水龙带。

7.如权利要求6所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：所述水平观察段(14)的两端设置有温度压力传感器(19)和激光粒度仪(20)。

8.如权利要求1所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：还包括预分离旁通阀、浆体旁通阀、气液分离旁通阀，所述预分离旁通阀与泥砂预分离器(1)并联连接，所述浆旁通阀与浆体制备罐(2)并联连接，所述气液分离旁通阀与气液分离器(4)并联连接。

9.如权利要求5或7所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：还包括数据采集系统(16)和数据处理系统(17)，所述温度压力传感器(19)和激光粒度仪(20)与数据采集系统(16)连接，所述数据采集系统(16)和数据处理系统(17)连接。

10.如权利要求9所述的海洋天然气水合物固态流化开采实验模拟装置，其特征在于：还包括显示器(18)，所述显示器(18)与数据处理系统(17)连接。