CN105259003B - 一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置，其其包括反应釜、轴压活塞、釜外夹套、注入系统、轴压控制系统、围压控制系统、产出系统。本发明还公开了一种采用上述实验装置成海洋天然气水合物样品的实验方法，其首先制作冰粉颗粒，然后将冰粉颗粒与干燥后的多孔介质颗粒混合，在零度以下的低温环境下置于高压反应釜中，以模拟海底地质力学性质，然后注入甲烷气生成水合物，冰直接转化为水合物，最后通过注液系统将反应釜内的自由气驱除。本发明可以经济、有效、并准确的获得难以获得的各种地质条件以及各种赋存形态条件下的真实海洋天然气水合物样品，令水合物研究更接近现实，为开采天然气水合物的研究提供实验基础。

Description

一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其涉及的是一种合成海洋天然气水合物样品的生成实验装置及实验方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrates，NGH)是在一定条件下由轻烃、CO₂及H₂S等小分子气体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质(因遇火可以燃烧，俗称可燃冰)，是一种非化学计量型晶体化合物，或称笼形水合物、气体水合物。自然界中存在的NGH中天然气的主要成分为甲烷(>90％)，所以又常称为甲烷水合物(Methane Hydrates)。理论上，一个饱和的甲烷水合物分子结构内，甲烷与水的克分子比为1:6，在标准状况下，甲烷气与甲烷水合物的体积比为164:1，也就是说单位体积的甲烷水合物分解可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。

地球上的NGH蕴藏量十分丰富，大约27％的陆地(大部分分布在冻结岩层)和90％的海域都含有NGH，陆地上的NGH存在于200—2000m深处，海底之下沉积物中的NGH埋深为500—800m。其中海洋区域的NGH资源量占水合物总资源量的99％。资源调查显示，我国南海、东海陆坡－冲绳海、青藏高原冻土带都蕴藏着NGH。因此，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。

天然气水合物可以以多种方式存在于自然界中，基于天然气水合物的特点，它与常规传统型能源的开发不同。表现在水合物在洋底埋藏是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。而天然气水合物矿藏在全世界的成藏条件不同，其存在方式也不相同。主要表现在：1、多孔介质的不同，由于地质条件引起的地下岩石及海底沉积物的条件不同；2、温度压力等环境条件不同，是由于自然界条件不同，其中最明显的差别是海底水合物和冻土带水合物的环境条件不同；3、气、水和水合物饱和度不同，在不同的地区水合物藏的自由气，自由水及水合物的存在状态是决定水合物是否能开采，开采出是否具有经济价值的最重要因素；4、水合物赋存形态学不同，目前较为普遍的海洋水合物赋存形态分为：块状、层状、脉状、颗粒状和分散状。

目前世界上的天然气水合物开采研究主要处于实验室模拟和数值模拟的阶段。对于实验室模拟来说，合成与自然界条件相同，物性形态相似的水合物样品是目前的重中之重。目前世界上的天然气水合物开采实验模拟装置有很多，一般主要包括：高压反应釜，注液系统，注气系统，出口控制系统以及数据采集系统。但是水合物生成方法往往过于简单，通常是在石英砂中通过气液混合合成水合物，还没有一种合成真实条件中的海洋天然气水合物样品的实验装置及实验方法。因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种海洋天然气水合物样品的生成实验装置。该实验装置可以经济、有效、并准确的获得特定的各种饱和度条件、各种地质条件以及各种赋存形态条件下的水合物样品，从而使天然气水合物模拟实验条件更接近自然界条件，实验结果更具有可信度，为使现实中开采天然气水合物提供实验基础和依据。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置，所述实验装置包括：

反应釜，所述反应釜包括带有密封容置空间的反应釜本体以及安装于反应釜本体中的内套，所述反应釜本体包括侧壁、上壁和下壁，其中，内套、上壁和下壁围成用于放置样品的样品腔，内套、侧壁以及上壁和下壁之间围成围压腔；

轴压活塞，所述轴压活塞包括伸入样品腔中的活塞本体以及连接部，所述连接部的下端固定连接于活塞本体上，其上端延伸至上壁的外侧，所述活塞本体、内套和上壁之间围成不与样品腔连通的轴压腔；

釜外夹套，所述釜外夹套包围反应釜，所述釜外夹套和反应釜之间围成浴腔，通过温度控制系统改变浴腔内的温度以调节反应釜内的操作环境温度；

注入系统，用于向样品腔内注气和注液；

轴压控制系统，用于向轴压腔内注水或从轴压腔内抽水，以改变轴压腔的腔内压力；

围压控制系统，用于向围压腔内注水或从围压腔内抽水，以改变围压腔的腔内压力；

产出系统，用于从样品腔内采集产出物。

所述反应釜本体具体有壳体、反应釜上盖和反应釜下盖组成，其中所述侧壁即是该上、下端开口且中空的壳体，反应釜上盖和反应釜下盖分别通过上法兰和下法兰固定于壳体上、下开口端，所述上壁为固定连接于壳体上端的上法兰，在上法兰和内套的上端之间通过上密封塞(如橡胶圈)密封，所述下壁为固定连接于壳体下端的下法兰，在下法兰和内套的下端之间通过下密封塞密封。样品腔内容积100mL-10m³均可，为实现模拟真实天然气水合物地质条件，设计承压样品腔需大于20MPa。

注入系统包括：

注气单元，通过气体增压系统将气源注入样品腔，以检测实验装置的漏气情况以及向样品腔注入生成水合物所需的反应气；

注液单元，通过平流泵将水源的去离子水注入样品腔，以获得和实际水合物矿藏条件一致的孔隙水饱和度。

所述实验装置进一步包括一控制器，在轴压腔、围压腔样品腔以及浴腔中分别安装有第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器，所述轴压活塞上安装有位移传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、温度传感器以及位移传感器的信号输出端均电性连接于控制器。

所述轴压控制系统为手摇注水泵，当第一压力传感器测得的压力值小于轴压腔设定压力值时，启动所述手摇注水泵向轴压腔内注水，当第一压力传感器测得的压力值大于轴压腔设定压力值时，启动所述手摇注水泵从轴压腔内抽水。

所述围压控制系统为手摇注水泵，当第二压力传感器测得的压力值小于围压腔设定压力值时，启动所述手摇注水泵向围压腔内注水，当第二压力传感器测得的压力值大于围压腔设定压力值时，启动所述手摇注水泵从围压腔内抽水。

所述产出系统包括出口压力控制器、气液固三相分离器、固体收集计量天平、液体收集计量天平以及气体流量计，其中，所述气液固三相分离器通过连通管道与样品腔连通，所述出口压力控制器为安装于连通管道上的回压阀，所述气液固三相分离器由除砂器和气液分离器串联实现，所述固体收集计量天平通过计量除砂器质量变化记录产出砂量，所述液体收集计量天平计量气液分离器液体出口的产水质量，所述气体流量计计量气体出口的产出气量。

所述浴腔为循环水浴或空气浴。

本发明的另一目的在于提供一种海洋天然气水合物样品的生成实验方法。该实验方法可以经济、有效、并准确的获得特定的各种饱和度条件、各种地质条件以及各种赋存形态条件下的水合物样品，从而使天然气水合物模拟实验条件更接近自然界条件，实验结果更具有可信度，为使现实中开采天然气水合物提供实验基础和依据。该实验方法包括以下步骤：

步骤1、测量获得实际海底沉积物样品的物性参数，所述实际海底沉积物样品的物性参数包括温度、孔隙压力、上覆压力、绝对渗透率、孔隙度、粒径、比表面积、密度、水合物饱和度以及水合物分布形态学数据；

步骤2、制作与实际海底沉积物样品具有相同物性参数的多孔介质，或者直接采用实际水合物矿藏的沉积物样品作为实验样品生成所需的多孔介质，形成多孔介质颗粒；

步骤3、使用冰粉制作系统在低温环境下制作冰粉颗粒；

步骤4、将冰粉颗粒以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合，并向样品腔中填充；整个填充的操作环境温度为零度以下，以保证冰粉不融化；

步骤5、通过轴压控制系统、围压控制系统分别控制样品腔的轴压和围压，以模拟海底地质力学性质；过程中环境温度任然保持零度以下；

步骤6、向样品腔中注入甲烷气，同时调整样品腔压力，使其等于实际海底沉积物样品的孔隙压力，注入甲烷气过程中保持系统温度低于零度，此时开始生成水合物，冰粉颗粒直接转化为甲烷水合物，当样品腔压力不再下降时，则冰粉颗粒全部反应为水合物，水合物生成完成，如果样品腔压力仍然下降，则继续向样品腔中注入甲烷气；

步骤7、升高反应釜内温度至实际地质条件下的温度，并调整样品腔压力为实际海底沉积物样品的孔隙压力；

步骤8、通过注液系统将样品腔内的自由气驱除，期间保持压力与温度保持不变，静止后，真实海底水合物样品制作完成。

将冰粉颗粒以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合填充的过程中：

如果要生成块状水合物，先通过所需块状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以块状集中堆积在多孔介质颗粒中；

如果要生成层状水合物，先通过所需层状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同厚度的层状的铺设在多孔介质中；

如果要生成脉状水合物，先通过所需脉状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同的延伸长度以及弯曲度铺设在多孔介质中；

如果要生成颗粒状水合物，先通过所需颗粒状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同颗粒大小以及分散度铺设在多孔介质中；

如果要生成分散状水合物，先通过所需分散状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出比多孔介质颗粒小一个量级的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒与多孔介质充分混合后一起填充至样品腔中。

本发明的有益效果是：本发明可以经济、有效、并准确的获得难以获得的各种地质条件以及各种赋存形态条件下的真实海洋天然气水合物样品，令水合物研究更接近现实；适用于各种大小的水合物反应釜；为开采天然气水合物的研究提供实验基础。

附图说明

图1为本发明实施例的天然气水合物生成实验装置示意图。

图2为本发明天然气水合物样品的生成实验方法步骤示意图。

1、样品腔；2、内套；3、壳体；4、围压腔；5、上密封塞；6、上法兰；7、下密封塞；8、下法兰；9、轴压活塞；10、轴压控制系统；11、围压控制系统；12、注入系统；13、产出系统；14、回压阀；15、釜外夹套；16、温度控制系统；17、轴压腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的一种基于上述所述合成海洋天然气水合物样品的实验装置，其主要包括反应釜、轴压活塞9、釜外夹套15、注入系统12、轴压控制系统10、围压控制系统11、产出系统13和控制器几个部分组成，其中：

反应釜包括带有密封容置空间的反应釜本体以及安装于反应釜本体中的内套2，反应釜本体包括侧壁、上壁和下壁，其中，内套2、上壁和下壁围成用于放置样品的样品腔1，内套2、侧壁以及上壁和下壁之间围成围压腔4；反应釜本体具体有壳体3、反应釜上盖和反应釜下盖组成，上述侧壁为上、下端开口且中空的壳体3，反应釜上盖和反应釜下盖分别通过上法兰和下法兰固定于壳体上、下开口端，上壁为固定连接于壳体3上端的上法兰6，在上法兰6和内套2的上端之间通过上密封塞5(如橡胶圈)密封，下壁为固定连接于壳体3下端的下法兰8，在下法兰8和内套2的下端之间通过下密封塞7密封。样品腔为圆柱形，其内容积1L均可，设计样品腔承压20MPa。

轴压活塞9包括伸入样品腔1中的活塞本体以及连接部，连接部的下端固定连接于活塞本体上，其上端延伸至上壁的外侧，活塞本体、内套2和上壁之间围成不与样品腔1连通的轴压腔17。

釜外夹套15，釜外夹套15包围反应釜，釜外夹套15和反应釜之间围成浴腔，通过温度控制系统16改变浴腔内的温度以调节反应釜内的操作环境温度。浴腔为循环水浴或空气浴，所述温度控制系统是利用循环水浴或者空气浴控制整个系统的操作环境温度。

控制器，主要是对一些传感参数进行采集，具体是：在轴压腔17、围压腔4样品腔1以及浴腔中分别安装有第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器，轴压活塞上安装有位移传感器，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、温度传感器以及位移传感器的信号输出端均电性连接于控制器，用于分别采集轴压腔实际压力值、围压腔实际压力值、孔隙压力值、实验装置操作环境温度以及样品腔轴向形变量。

注入系统12，用于向样品腔1内注气和注液，其包括注气单元和注液单元，注气单元是通过气体增压系统将气源注入样品腔1，以检测实验装置的漏气情况以及向样品腔1注入生成水合物所需的反应气；注液单元是通过平流泵将水源的去离子水注入样品腔1，以获得和实际水合物矿藏条件一致的孔隙水饱和度。

轴压控制系统10，用于向轴压腔17内注水或从轴压腔17内抽水，以改变轴压腔17的腔内压力；轴压控制系统10为手摇注水泵，当第一压力传感器测得的压力值小于轴压腔设定压力值时，启动手摇注水泵向轴压腔17内注水，当第一压力传感器测得的压力值大于轴压腔设定压力值时，启动手摇注水泵从轴压腔17内抽水。

围压控制系统11，用于向围压腔4内注水或从围压腔4内抽水，以改变围压腔4的腔内压力；围压控制系统11为手摇注水泵，当第二压力传感器测得的压力值小于围压腔设定压力值时，启动手摇注水泵向围压腔4内注水，当第二压力传感器测得的压力值大于围压腔设定压力值时，启动手摇注水泵从围压腔4内抽水。

产出系统13用于从样品腔1内采集产出物。产出系统13包括出口压力控制器、气液固三相分离器、固体收集计量天平、液体收集计量天平以及气体流量计，其中，气液固三相分离器通过连通管道与样品腔1连通，出口压力控制器为安装于连通管道上的回压阀14，气液固三相分离器由除砂器和气液分离器串联实现，固体收集计量天平通过计量除砂器质量变化记录产出砂量，液体收集计量天平计量气液分离器液体出口的产水质量，气体流量计计量气体出口的产出气量。

如图2所示，本发明实施例的一种基于上述所述合成海洋天然气水合物样品的实验方法，包括：

步骤101：测量获得真实海洋水合物样品的物性参数，包括温度、孔隙压力、上覆压力、绝对渗透率、孔隙度、粒径、比表面积、密度、水合物饱和度以及水合物分布形态学(块状、层状、脉状、颗粒状以及分散状)数据。

步骤102：制作与实际海底沉积物具有相同物性参数(绝对渗透率、孔隙度、粒径、比表面积、密度)的多孔介质，或者直接采用实际水合物矿藏的沉积物样品作为实验样品生成所需的多孔介质。

步骤103：使用冰粉制作系统在低温环境下制作合适粒径的冰粉颗粒。

步骤104：将冰粉以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合，并向反应釜的样品腔中填充。整个填充的操作环境温度为零度以下，可以保证冰粉不融化。

步骤105：关闭反应釜通过轴压控制系统、围压控制系统分别控制样品轴压、围压，以模拟海底地质力学性质。过程中环境温度任然保持零度以下。

步骤106：注入甲烷气，令孔隙压力为实际水合物孔隙压力，保持系统温度低于零度，开始生成水合物，冰直接转化为甲烷水合物。

步骤107：判断系统压力是否下降，不再下降时，认为冰粉全部反应为水合物。如果依然下降说明反应仍在继续重复步骤106补充足够的甲烷气。

步骤108：水合物生成完成。

步骤109：升高系统温度至实际地质条件下的温度，并调整孔隙压力为实际孔隙压力。

步骤110：通过注液系统将反应釜内的自由气驱除，期间保持压力与温度保持不变。

步骤111：静置一段时间，待物性稳定后认为真实海底水合物样品制作完成。

在上面步骤中提到的将冰粉以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合填充的过程，详细介绍如下：

当生成块状水合物时，先通过所需水合物总量计算出所需冰粉总量，然后制作出与多孔介质相似或略大的颗粒大小的冰粉，以块状集中的堆积在多孔介质中；

当生成层状水合物时，先通过所需水合物总量计算出所需冰粉总量，然后制作出与多孔介质相似颗粒大小的冰粉，以和形态学数据相同厚度的层状的铺设在多孔介质中；

当生成脉状水合物时，先通过所需水合物总量计算出所需冰粉总量，然后制作出与多孔介质相似颗粒大小的冰粉，以和形态学数据相同的延伸长度以及弯曲度铺设在多孔介质中；

当生成颗粒状水合物时，先通过所需水合物总量计算出所需冰粉总量，然后制作出与多孔介质相似颗粒大小的冰粉，以和形态学数据相同颗粒大小以及分散度铺设在多孔介质中；

当生成分散状水合物时，先通过所需水合物总量计算出所需冰粉总量，然后制作出比多孔介质颗粒小一个量级的冰粉，令冰粉与多孔介质充分混合后一起填充至样品腔中。

需要强调的是，从安全生产的角度出发，反应釜上必须连接压力安全阀，安全压力设计略高于设计压力。是由于当水合物生成的实验中，一旦出现停电或者其他故障导致水合物分解，压力上升，可能会导致压力超过设计压力，从而损坏反应釜。

综上所述，本发明所提供的海洋天然气水合物样品的生成实验装置及实验方法。该实验装置及方法可以经济、有效、并准确的获得难以获得的各种地质条件以及各种赋存形态条件下的真实海洋天然气水合物样品，令水合物研究更接近现实；适用于各种大小的水合物反应釜；为开采天然气水合物的研究提供实验基础。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种合成海洋天然气水合物样品的实验方法，其通过合成海洋天然气水合物样品的实验装置实现，其特征在于，所述合成海洋天然气水合物样品的实验装置包括：

反应釜，所述反应釜包括带有密封容置空间的反应釜本体以及安装于反应釜本体中的内套(2)，所述反应釜本体包括侧壁、上壁和下壁，其中，内套(2)、上壁和下壁围成用于放置样品的样品腔(1)，内套(2)、侧壁以及上壁和下壁之间围成围压腔(4)；

轴压活塞(9)，所述轴压活塞(9)包括伸入样品腔(1)中的活塞本体以及连接部，所述连接部的下端固定连接于活塞本体上，其上端延伸至上壁的外侧，所述活塞本体、内套(2)和上壁之间围成不与样品腔(1)连通的轴压腔(17)；

釜外夹套(15)，所述釜外夹套(15)包围反应釜，所述釜外夹套(15)和反应釜之间围成浴腔，通过温度控制系统(16)改变浴腔内的温度以调节反应釜内的操作环境温度；

注入系统(12)，用于向样品腔(1)内注气和注液；

轴压控制系统(10)，用于向轴压腔(17)内注水或从轴压腔(17)内抽水，以改变轴压腔(17)的腔内压力；

围压控制系统(11)，用于向围压腔(4)内注水或从围压腔(4)内抽水，以改变围压腔(4)的腔内压力；

产出系统(13)，用于从样品腔(1)内采集产出物；

所述合成海洋天然气水合物样品的实验方法，其包括以下步骤：

步骤1、测量获得实际海底沉积物样品的物性参数，所述实际海底沉积物样品的物性参数包括温度、孔隙压力、上覆压力、绝对渗透率、孔隙度、粒径、比表面积、密度、水合物饱和度以及水合物分布形态学数据；

步骤2、制作与实际海底沉积物样品具有相同物性参数的多孔介质，或者直接采用实际水合物矿藏的沉积物样品作为实验样品生成所需的多孔介质，形成多孔介质颗粒；

步骤3、使用冰粉制作系统在低温环境下制作冰粉颗粒；

步骤4、将冰粉颗粒以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合，并向样品腔中填充；整个填充的操作环境温度为零度以下，以保证冰粉不融化；

步骤5、通过轴压控制系统、围压控制系统分别控制样品腔的轴压和围压，以模拟海底地质力学性质；过程中环境温度仍然保持零度以下；

步骤6、向样品腔中注入甲烷气，同时调整样品腔压力，使其等于实际海底沉积物样品的孔隙压力，注入甲烷气过程中保持系统温度低于零度，此时开始生成水合物，冰粉颗粒直接转化为甲烷水合物，当样品腔压力不再下降时，则冰粉颗粒全部反应为水合物，水合物生成完成，如果样品腔压力仍然下降，则继续向样品腔中注入甲烷气；

步骤7、升高反应釜内温度至实际地质条件下的温度，并调整样品腔压力为实际海底沉积物样品的孔隙压力；

步骤8、通过注液系统将样品腔内的自由气驱除，期间保持压力与温度保持不变，静止后，真实海底水合物样品制作完成。

2.根据权利要求1所述的合成海洋天然气水合物样品的实验方法，其特征在于，将冰粉颗粒以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合填充的过程中：

如果要生成块状水合物，先通过所需块状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以块状集中堆积在多孔介质颗粒中；

如果要生成层状水合物，先通过所需层状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同厚度的层状的铺设在多孔介质中；

如果要生成脉状水合物，先通过所需脉状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同的延伸长度以及弯曲度铺设在多孔介质中；

如果要生成颗粒状水合物，先通过所需颗粒状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出与多孔介质颗粒相似颗粒大小的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒以和形态学数据相同颗粒大小以及分散度铺设在多孔介质中；

如果要生成分散状水合物，先通过所需分散状水合物总量计算出所需冰粉颗粒总量，然后制作出比多孔介质颗粒小一个量级的冰粉颗粒，并将制作的冰粉颗粒与多孔介质充分混合后一起填充至样品腔中。