CN105649589A - 综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，包括太阳能发电供能系统、超声波控制器和水合物储层模拟系统，太阳能发电系统为超声波发生系统供能，水合物储层模拟系统模拟水合物储层，超声波控制器在合适的频率下进行超声波开采水合物模拟，还提供了实验方法：S1、模拟海底中水合物储层；S2、太阳能发电供能系统为超声波发生系统供能；S3、进行水合物开采模拟。本发明的优点在于：通过模拟过程能够评价该开采技术在实际开采中的应用情况及开采过程中的各种数据的收集及处理，通过温度、压力变化及产出液和产出气体计量评价太阳能供能超声空化开采天然气水合物的可行性，分析得出最优的开采方案，为实际运用提供理论依据。

Description

综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物模拟开采技术领域，特别是综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物（NaturalGasHydrates，NGH）是在低温高压条件下由轻烃、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，又称可燃冰，1立方米天然气水合物可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，是一种极为高效清洁的能源，其污染比煤、石油要小得多。

目前主要的水合物开采技术为降压开采、注热开采、化学药剂注入开采以及海底开采挖掘法。这些方法各有其优点与缺点，降压法较为经济但开采效率很低，注热开采、注化学药剂开采与海底采掘开采成本较高。

太阳能（solarenergy），是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。而且太阳能作为清洁能源，已经被全世界公认为解决未来能源问题的主要方法。

如何将太阳能融入到天然气水合物开采，实现有效、经济的开发水合物藏已成为目前较为关注迫切的问题，目前在这方面的研究还基本上处于理论阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置及方法，模拟太阳能发电技术与超声空化法综合开采天然气水合物藏的过程，评价开采方法的可行性与优选合适的开采模式。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，包括太阳能发电供能系统、超声波控制器和水合物储层模拟系统，

所述太阳能发电供能系统包括太阳能电池整列、太阳能控制器和逆变器，太阳能电池整列的输出端与太阳能控制器的输入端连接，太阳能控制器输出端与逆变器的输入端连接；

所述水合物储层模拟系统包括恒温箱、数据收集装置、中间容器、气源气瓶和缓冲容器，恒温箱包括换能器、填砂管和背压阀，换能器设置于填砂管的入口端端部，填砂管的管壁沿其轴线方向上还分别设置有多个用于检测填砂管内部压力的压力传感器和多个用于检测填砂管内部温度的温度传感器，压力传感器的信号输出端与压力显示器的信号输入端连接，温度传感器的信号输出端与温度显示器的信号输入端连接，数据收集装置分别与压力显示器的信号输出端和温度显示器的信号输出端，背压阀与填砂管的出口端端部连接，所述中间容器的上端与六通阀的一个入口端连接，六通阀的出口端与填砂管的入口端端部连接，中间容器的下端还连接有柱塞泵，柱塞泵将中间容器内的介质泵入填砂管内，所述气源气瓶与六通阀的另一个入口端连接，气源气瓶与六通阀之间的管路上还设置有气体减压阀，所述缓冲容器的入口端与背压阀连接；

所述超声波控制器的能源输入端与逆变器的输出端连接，且超声波控制器的超声波输出端与换能器连接。

进一步地，所述的太阳能发电供能系统还包括蓄电池，蓄电池与太阳能控制器连接。

进一步地，所述的缓冲容器上还设置有排空阀。

利用所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

S1、模拟海底多孔介质中水合物储层，包括以下子步骤：

S11、根据水合物储层条件在填砂管中填入200～400目的石英砂，并控制渗透率为0.8～1.2达西；

S12、气源气瓶通过气体减压阀控制气源压力为0.8～1.2MPa的条件下对填砂管进行气驱2～3min，对填砂管中的空气进行排空；

S13、调节填砂管出口端的背压阀的压力阀值为10MPa；

S14、气源气瓶通过气体减压阀向填砂管内加压至10MPa，压力稳定后关闭六通阀；

S15、调节恒温箱内的温度至1～3℃，同时打开温度传感器和压力传感器，对填砂管内的温度和压力进行数据采集，并传送至数据收集装置；

S16、当压力显示器和温度显示器所显示的数据在12小时内波动范围小于2.5%后，多孔介质中水合物已经生成，调节背压阀的压力阀值至稳定后的压力；

S2、太阳能发电系统为超声波发生系统供能：太阳能电池整列收集太阳能，通过太阳能控制器进行电能供给或储存至蓄电池，通过逆变器将电压转换至220V，供给至超声波控制器；

S3、进行多孔介质中水合物开采模拟，包括以下子步骤：

S31、向中间容器中加入空化作用增强液体，开启柱塞泵，将空化作用增强液体泵入填砂管内，注入体积为填砂管内的孔隙体积的2.0～3.0%；

S32、打开超声波控制器，调节超声波频率至20～130kHz，模拟开采

S33、通过数据收集装置记录开采过程中的压力及温度变化，产出液及产出气体通过缓冲容器来收集计量；

S34、当压力和温度在12小时内的波动范围小于1%后，开采结束；

S35、进行数据处理，计算天然气水合物的采收率及开采能耗。

本发明具有以下优点：本装置主要用于太阳能和超声波综合开采天然气水合物技术的物理模拟，通过模拟过程能够评价该开采技术在实际开采中的应用情况及开采过程中的各种数据的收集及处理，通过温度及压力变化及产出液及产出气体计量评价太阳能供能超声空化开采天然气水合物的可行性，分析实验数据得出最优的开采方案，为实现太阳能与超声空化开采天然气水合物的实际运用提供理论依据。

附图说明

图1为本发明的模拟实验装置示意图；

图中：1-太阳能电池整列，2-太阳能控制器，3-蓄电池，4-逆变器，5-超声波控制器，6-恒温箱，7-换能器，8-填砂管，9-压力传感器，10-温度传感器，11-背压阀，12-压力显示器，13-温度显示器，14-数据收集装置，15-六通阀，16-中间容器，17-柱塞泵，18-缓冲容器，19-排空阀，20-气体减压阀，21-气源气瓶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

【实施例1】：

如图1所示，综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，包括太阳能发电供能系统、超声波控制器5和水合物储层模拟系统，所述太阳能发电供能系统包括太阳能电池整列1、太阳能控制器2和逆变器4，太阳能电池整列1的输出端与太阳能控制器2的输入端连接，太阳能控制器2输出端与逆变器4的输入端连接；所述水合物储层模拟系统包括恒温箱6、数据收集装置14、中间容器16、气源气瓶21和缓冲容器18，恒温箱6包括换能器7、填砂管8和背压阀11，换能器7设置于填砂管8的入口端端部，填砂管8的管壁沿其轴线方向上还分别设置有多个用于检测填砂管8内部压力的压力传感器9和多个用于检测填砂管8内部温度的温度传感器10，压力传感器9的信号输出端与压力显示器12的信号输入端连接，温度传感器10的信号输出端与温度显示器13的信号输入端连接，数据收集装置14分别与压力显示器12的信号输出端和温度显示器13的信号输出端，背压阀11与填砂管8的出口端端部连接，所述中间容器16的上端与六通阀15的一个入口端连接，六通阀15的出口端与填砂管8的入口端端部连接，中间容器16的下端还连接有柱塞泵17，柱塞泵17将中间容器16内的介质泵入填砂管8内，所述气源气瓶21与六通阀15的另一个入口端连接，气源气瓶21与六通阀15之间的管路上还设置有气体减压阀20，所述缓冲容器18的入口端与背压阀11连接；所述超声波控制器5的能源输入端与逆变器4的输出端连接，且超声波控制器5的超声波输出端与换能器7连接。

进一步地，所述的太阳能发电供能系统还包括蓄电池3，蓄电池3与太阳能控制器2连接。

进一步地，所述的缓冲容器18上还设置有排空阀19。

利用所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

S1、模拟海底多孔介质中水合物储层，包括以下子步骤：

S11、根据水合物储层条件在填砂管8中填入200目的石英砂，并控制渗透率为1.2达西；

S12、气源气瓶21通过气体减压阀20控制气源压力为0.8MPa的条件下对填砂管8进行气驱2min，对填砂管8中的空气进行排空；

S13、调节填砂管8出口端的背压阀11的压力阀值为10MPa；

S14、气源气瓶21通过气体减压阀20向填砂管8内加压至10MPa，压力稳定后关闭六通阀15；

S15、调节恒温箱6内的温度至3℃，同时打开温度传感器9和压力传感器10，对填砂管8内的温度和压力进行数据采集，并传送至数据收集装置14；

S16、当压力显示器12和温度显示器13所显示的数据在12小时内波动范围小于2.5%后，多孔介质中水合物已经生成，调节背压阀11的压力阀值至稳定后的压力；

S2、太阳能发电系统为超声波发生系统供能：太阳能电池整列1收集太阳能，通过太阳能控制器2进行电能供给或储存至蓄电池3，通过逆变器4将电压转换至220V，供给至超声波控制器5；

S3、进行多孔介质中水合物开采模拟，包括以下子步骤：

S31、向中间容器16中加入空化作用增强液体，开启柱塞泵17，将空化作用增强液体泵入填砂管8内，注入体积为填砂管8内的孔隙体积的3.0%；

S32、打开超声波控制器5，调节超声波频率至20kHz，模拟开采

S33、通过数据收集装置记录开采过程中的压力及温度变化，产出液及产出气体通过缓冲容器18来收集计量；

S34、当压力和温度在12小时内的波动范围小于1%后，开采结束；

S35、进行数据处理，计算天然气水合物的采收率及开采能耗，并评估太阳能供能超声空化开采天然气水合物的可行性，分析实验数据得出最优的开采方案。

【实施例2】：

其结构同实施例1。

利用所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

S1、模拟海底多孔介质中水合物储层，包括以下子步骤：

S11、根据水合物储层条件在填砂管8中填入300目的石英砂，并控制渗透率为1.0达西；

S12、气源气瓶21通过气体减压阀20控制气源压力为0.8～1.2MPa的条件下对填砂管8进行气驱2.5min，对填砂管8中的空气进行排空；

S13、调节填砂管8出口端的背压阀11的压力阀值为10MPa；

S14、气源气瓶21通过气体减压阀20向填砂管8内加压至10MPa，压力稳定后关闭六通阀15；

S15、调节恒温箱6内的温度至2℃，同时打开温度传感器9和压力传感器10，对填砂管8内的温度和压力进行数据采集，并传送至数据收集装置14；

S16、当压力显示器12和温度显示器13所显示的数据在12小时内波动范围小于2.5%后，多孔介质中水合物已经生成，调节背压阀11的压力阀值至稳定后的压力；

S2、太阳能发电系统为超声波发生系统供能：太阳能电池整列1收集太阳能，通过太阳能控制器2进行电能供给或储存至蓄电池3，通过逆变器4将电压转换至220V，供给至超声波控制器5；

S3、进行多孔介质中水合物开采模拟，包括以下子步骤：

S31、向中间容器16中加入空化作用增强液体，开启柱塞泵17，将空化作用增强液体泵入填砂管8内，注入体积为填砂管8内的孔隙体积的2.5%；

S32、打开超声波控制器5，调节超声波频率至80kHz，模拟开采

S33、通过数据收集装置记录开采过程中的压力及温度变化，产出液及产出气体通过缓冲容器18来收集计量；

S34、当压力和温度在12小时内的波动范围小于1%后，开采结束；

S35、进行数据处理，计算天然气水合物的采收率及开采能耗，并评估太阳能供能超声空化开采天然气水合物的可行性，分析实验数据得出最优的开采方案。

【实施例3】：

其结构同实施例1。

利用所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

S1、模拟海底多孔介质中水合物储层，包括以下子步骤：

S11、根据水合物储层条件在填砂管8中填入400目的石英砂，并控制渗透率为0.8达西；

S12、气源气瓶21通过气体减压阀20控制气源压力为1.2MPa的条件下对填砂管8进行气驱2～3min，对填砂管8中的空气进行排空；

S13、调节填砂管8出口端的背压阀11的压力阀值为10MPa；

S14、气源气瓶21通过气体减压阀20向填砂管8内加压至10MPa，压力稳定后关闭六通阀15；

S15、调节恒温箱6内的温度至1℃，同时打开温度传感器9和压力传感器10，对填砂管8内的温度和压力进行数据采集，并传送至数据收集装置14；

S16、当压力显示器12和温度显示器13所显示的数据在12小时内波动范围小于2.5%后，多孔介质中水合物已经生成，调节背压阀11的压力阀值至稳定后的压力；

S2、太阳能发电系统为超声波发生系统供能：太阳能电池整列1收集太阳能，通过太阳能控制器2进行电能供给或储存至蓄电池3，通过逆变器4将电压转换至220V，供给至超声波控制器5；

S3、进行多孔介质中水合物开采模拟，包括以下子步骤：

S31、向中间容器16中加入空化作用增强液体，开启柱塞泵17，将空化作用增强液体泵入填砂管8内，注入体积为填砂管8内的孔隙体积的2.0%；

S32、打开超声波控制器5，调节超声波频率至130kHz，模拟开采

S33、通过数据收集装置记录开采过程中的压力及温度变化，产出液及产出气体通过缓冲容器18来收集计量；

S34、当压力和温度在12小时内的波动范围小于1%后，开采结束；

S35、进行数据处理，计算天然气水合物的采收率及开采能耗，并评估太阳能供能超声空化开采天然气水合物的可行性，分析实验数据得出最优的开采方案。

Claims (4)

1.综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：包括太阳能发电供能系统、超声波控制器（5）和水合物储层模拟系统，

所述太阳能发电供能系统包括太阳能电池整列（1）、太阳能控制器（2）和逆变器（4），太阳能电池整列（1）的输出端与太阳能控制器（2）的输入端连接，太阳能控制器（2）输出端与逆变器（4）的输入端连接；

所述水合物储层模拟系统包括恒温箱（6）、数据收集装置（14）、中间容器（16）、气源气瓶（21）和缓冲容器（18），恒温箱（6）包括换能器（7）、填砂管（8）和背压阀（11），换能器（7）设置于填砂管（8）的入口端端部，填砂管（8）的管壁沿其轴线方向上还分别设置有多个用于检测填砂管（8）内部压力的压力传感器（9）和多个用于检测填砂管（8）内部温度的温度传感器（10），压力传感器（9）的信号输出端与压力显示器（12）的信号输入端连接，温度传感器（10）的信号输出端与温度显示器（13）的信号输入端连接，数据收集装置（14）分别与压力显示器（12）的信号输出端和温度显示器（13）的信号输出端，背压阀（11）与填砂管（8）的出口端端部连接，所述中间容器（16）的上端与六通阀（15）的一个入口端连接，六通阀（15）的出口端与填砂管（8）的入口端端部连接，中间容器（16）的下端还连接有柱塞泵（17），柱塞泵（17）将中间容器（16）内的介质泵入填砂管（8）内，所述气源气瓶（21）与六通阀（15）的另一个入口端连接，气源气瓶（21）与六通阀（15）之间的管路上还设置有气体减压阀（20），所述缓冲容器（18）的入口端与背压阀（11）连接；

所述超声波控制器（5）的能源输入端与逆变器（4）的输出端连接，且超声波控制器（5）的超声波输出端与换能器（7）连接。

2.根据权利要求1所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述的太阳能发电供能系统还包括蓄电池（3），蓄电池（3）与太阳能控制器（2）连接。

3.根据权利要求1所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述的缓冲容器（18）上还设置有排空阀（19）。

4.利用如权利要求1～3任意一项所述的综合太阳能与超声空化开采天然气水合物的实验装置进行实验的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、模拟海底多孔介质中水合物储层，包括以下子步骤：

S11、根据水合物储层条件在填砂管（8）中填入200～400目的石英砂，并控制渗透率为0.8～1.2达西；

S12、气源气瓶（21）通过气体减压阀（20）控制气源压力为0.8～1.2MPa的条件下对填砂管（8）进行气驱2～3min，对填砂管（8）中的空气进行排空；

S13、调节填砂管（8）出口端的背压阀（11）的压力阀值为10MPa；

S14、气源气瓶（21）通过气体减压阀（20）向填砂管（8）内加压至10MPa，压力稳定后关闭六通阀（15）；

S15、调节恒温箱（6）内的温度至1～3℃，同时打开温度传感器（9）和压力传感器（10），对填砂管（8）内的温度和压力进行数据采集，并传送至数据收集装置（14）；

S16、当压力显示器（12）和温度显示器（13）所显示的数据在12小时内波动范围小于2.5%后，多孔介质中水合物已经生成，调节背压阀（11）的压力阀值至稳定后的压力；

S2、太阳能发电系统为超声波发生系统供能：太阳能电池整列（1）收集太阳能，通过太阳能控制器（2）进行电能供给或储存至蓄电池（3），通过逆变器（4）将电压转换至220V，供给至超声波控制器（5）；

S3、进行多孔介质中水合物开采模拟，包括以下子步骤：

S31、向中间容器（16）中加入空化作用增强液体，开启柱塞泵（17），将空化作用增强液体泵入填砂管（8）内，注入体积为填砂管（8）内的孔隙体积的2.0～3.0%；

S32、打开超声波控制器（5），调节超声波频率至20～130kHz，模拟开采

S33、通过数据收集装置记录开采过程中的压力及温度变化，产出液及产出气体通过缓冲容器（18）来收集计量；

S34、当压力和温度在12小时内的波动范围小于1%后，开采结束；

S35、进行数据处理，计算天然气水合物的采收率及开采能耗。