CN108386164A - 超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连到高压反应器；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器；釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器；高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。本发明能真实模拟现场天然气水合物注热开采的灾变过程，为天然气水合物注热开采模拟实验提供科学支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程领域超重力物理模拟实验系统，特别是一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。
背景技术
天然气水合物是由水分子和烃类分子在高压低温下生成的类冰状笼形结晶化合物，俗称“可燃冰”。标准状态下，单位体积天然气水合物可释放出高达160～180体积的甲烷气体，单位体积天然气水合物燃烧热值为煤的10倍、传统天然气的2～5倍。其储量丰富，资源潜能巨大，被世界各国视为未来石油天然气的替代能源之一。
天然气水合物一般分布于海床中或陆地的永久冻土中，所处高压和低温条件使其处于稳定的固体水合物态。当位于海床中时，所处水深一般大于300m，在海床表面以下埋藏深度达数百米。
自20世纪80年代以来，美国、日本、俄罗斯、中国等纷纷制定天然气水合物研究与开发计划。人为开采方法主要是打破天然气水合物相平衡状态，造成其分解，然后将天然气开采到地面。目前，热激法是国内外实验室研究最多的开采方法。热激法主要是通过各种加热技术对天然气水合物储层进行加热，使水合物层温度达到天然气水合物分解温度后，相平衡被打破，从而分解产出甲烷气。由于天然气水合物开采过程中会发生相变，相变分解引起土颗粒孔隙结构发生改变，进而影响土层有效应力，导致体积压缩变形甚至屈服。此外，深海天然气水合物开采过程中水合物相变将产生复杂的温度场、渗流场、应力场和变形场的相互作用。因此，研究出天然气水合物有效、快速而又经济的开采方法是大规模开采天然气水合物重要的理论支撑，是缓解日益剧增的能源压力的有效途径。
由于各处水压力与地基应力各异，现场试验难度大、成本高；因此通过物理模拟实验进行研究较为科学便捷，实验结果可指导勘察开发。目前世界上的天然气水合物模拟开采实验装置均缺少超重力环境的实验条件，无法实现真实尺度的地质条件模拟。
发明内容
为了解决现有技术中缺少天然气水合物超重力开采的技术问题，本发明的目的在于提供了超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，能够在超重力环境下研究天然气水合物热激法开采时海床土体灾变响应。
本发明综合模拟了深海天然气水合物沉积层在原位应力场中利用热激法开采过程及土层响应。实现该功能主要通过在超重力环境下模拟热激法开采天然气水合物。所述超重力环境是指利用超重力离心机旋转产生n倍于地球重力加速度g的ng超重力实验环境。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括高压反应器、液压油站、汇流板、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱和计算机；液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器；釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器；高压反应器、汇流板、数据采集箱、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室内的超重力离心机上，液压油站、计算机和釜体温控模块置于超重力离心机空调室外；高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。
所述高压反应器是在离心加速度1～200g范围内工作、耐压范围为5～30MPa和内腔容积为10～300L的一个圆柱形不锈钢反应釜；高压反应器的内腔作为三维腔体，三维腔体内置有天然气水合物沉积模型和上覆水层；高压反应器顶部设有模拟井入口，模拟井通过模拟井入口伸入三维腔体中并伸入到底部；高压反应器顶部设有一个液体入口、一个热液入口和一个安全阀接口，安全阀接口经安全阀外界大气相通，模拟井上端口为模拟井井口。
所述三维腔体加入土层后，通过液体入口注入液体并加压，形成上覆水层，继而向土层中注入甲烷气，在常重力环境下形成天然气水合物沉积模型；高压反应器设置温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口；温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口可分别连接安装孔隙压力传感器、总压力传感器、温度传感器、压电陶瓷弯曲元和时域反射探针；孔隙压力传感器、总压力传感器和温度传感器均安装于高压反应器内部，温度测量接口、压力测量接口和孔隙压力测量接口用于将孔隙压力传感器、总压力传感器和温度传感器的引线引出高压反应器并连接到数据采集箱；压电陶瓷弯曲元和时域反射探针均安装在高压反应器的内壁上，压电陶瓷弯曲元和时域反射探针的引线通过压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口引出高压反应器并连接到数据采集箱。
孔隙压力传感器检测的是天然气水合物沉积模型中孔隙液体和气体的压力，总压力传感器检测的是天然气水合物沉积模型中固液气三相总压力，温度传感器检测的是天然气水合物沉积模型中的温度，压电陶瓷弯曲元检测的是天然气水合物沉积模型的弹性波速，时域反射探针检测的是天然气水合物沉积模型的饱和度。
本发明的上覆水层由超重力水压控制模块伺服控制压力在10～20MPa之间的某个稳定值，以还原深海环境的实际水压力。
所述的液压油站和汇流板之间通过油路离心机旋转接头连接。
所述超重力水压控制模块包括水压电液伺服阀和水压伺服增压器；汇流板输出的其中一路经水压电液伺服阀与水压伺服增压器连接，水压伺服增压器输出端连接到高压反应器的液体入口；
所述超重力热激模块依次包括注热电液伺服阀、工作液伺服增压器和电加热器；汇流板输出的另一路经注热电液伺服阀与工作液伺服增压器连接，工作液伺服增压器输出端经电加热器连接到高压反应器的热液入口；
所述超重力气液分离模块包括采集管路、电控截止阀、储液罐和储气罐；电控截止阀与高压反应器顶部模拟井入口连接；高压反应器的顶部模拟井入口输出气液经电控截止阀与储液罐连接，储液罐与储气罐连接；储液罐上装有磁性浮子液位计，储气罐上装有总压力传感器。
工作液伺服增压器可在超重力条件下向电加热器加特定压力的液体，电加热器可在超重力条件下将工作液加热至所需温度的热液，电加热器具有下端入口和上端出口，下端入口进冷却液，上端出口出热液；电控截止阀可在超重力条件下通过信号控制管道通断。
所述釜体温控模块包括制冷机组、低温水浴箱、制冷循环泵和水浴夹套；水浴夹套套装在高压反应器外侧壁体上并且与冷水进出口连接，制冷机组和低温水浴箱连接并提供冷水源，低温水浴箱的输出端经制冷循环泵连接到水浴夹套的底部入口，水浴夹套中部出口连接到低温水浴箱的输入端。
所述的制冷循环泵和水浴夹套的底部入口之间、水浴夹套中部出口和低温水浴箱的输入端之间均通过水浴通路离心机旋转接头连接。
所安装布置于高压反应器中的温度传感器、总压力传感器、孔隙压力传感器、压电陶瓷弯曲元和时域反射探针以及超重力气液分离模块中的磁性浮子液位计、总压力传感器以及超重力热激模块中的注热电液伺服阀和电加热器以及水压电液伺服阀和电控截止阀均与数据采集箱连接，数据采集箱与超重力离心机空调室外的计算机电连接。
本发明的高压反应器在超重力环境中工作，通过超重力水压控制模块控制上覆水层压力，通过超重力热激模块对天然气水合物进行热激法模拟现场开采，通过超重力气液分离模块进行产量计量。
本实验装置可在超重力离心机运行，模拟上覆水层压力以及深海天然气水合物沉积层的自重应力，重现真实的深海天然气水合物沉积层；并设置了垂直井和注热口，对天然气水合物沉积层进行垂直热激法开采实验；利用传感器测试天然气水合物开采引起的模型温度、孔隙压力、总压力、弹性波速、饱和度等参数的变化，真实模拟天然气水合物现场开采的土层响应及灾变过程，为天然气水合物开采模拟实验提供科学支撑。
综上，本发明的有益效果是：
1)本实验装置能够通过超重力离心机模拟土层应力场，通过超重力水压控制模块模拟孔隙水压力，相比已有常重力实验装置的最大优点在于，能真正再现原位天然气水合物土层，探究深海水合物开采时海床的灾变机理，对天然气水合物开采提供有效指导。
2)本实验装置中的高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块均能在超重力环境中工作，承受较大的超重力离心加速度。
3)通过超重力热激模块中的工作液伺服增压器和电加热器可以有效、快捷、供给所需温度的热液或热蒸汽，模拟真实的天然气水合物热激法开采过程。
4)根据超重力缩尺效应，通过本实验装置中伸入三维腔体的模拟井可以重现真实开采过程的井-土相互作用机理。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明：1-高压反应器；2-水浴通路离心机旋转接头；3-水浴夹套；4-三维腔体；5-水压电液伺服阀；6-安全阀；7-水压伺服增压器；16-电加热器；17-注热电液伺服阀；18-液压油站；19-工作液伺服增压器；20-制冷机组；21-低温水浴箱；22-制冷循环泵；23-孔隙压力传感器；24-总压力传感器；25-温度传感器；26-压电陶瓷弯曲元；27-时域反射探针；28-数据采集箱；29-计算机；30-油路离心机旋转接头；31-汇流板；32-电控截止阀；33-储液罐；34-储气罐；35-磁性浮子液位计；36-超重力离心机空调室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括高压反应器1、液压油站18、汇流板31、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱28和计算机29；液压油站18通过油路离心机旋转接头30连接到汇流板31后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器1；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器1；釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头2与高压反应器1相连；高压反应器1、汇流板31、数据采集箱28、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块置于超重力离心机空调室36内的超重力离心机上，液压油站18、计算机29和釜体温控模块置于超重力离心机空调室36外；高压反应器1、超重力热激模块、超重力水压控制模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均与数据采集箱28连接。
高压反应器1是在离心加速度50～200g范围内工作，耐压范围为5～30MPa，内腔容积为10～300L的圆柱形耐高压不锈钢反应釜，耐压范围优选为20±2MPa，三维腔体容积优选280±20L，且三维腔体高度大于500mm。
高压反应器1的内腔作为三维腔体4。三维腔体4内置有天然气水合物沉积模型和上覆水层；高压反应器1顶部设有模拟井，模拟井通过模拟井入口伸入三维腔体4中并伸入到底部；高压反应器1顶部设有一个液体入口、一个热液入口和一个安全阀接口，安全阀接口经安全阀6外界大气相通。向三维腔体4加入土层后，通过液体入口注入液体并加压，形成上覆水层，继而向土层中注入甲烷气，在常重力环境下形成天然气水合物沉积模型。
在高压反应器1内，设置1对压电陶瓷弯曲元测量接口、1个时域反射测量接口、3个总压力测量接口、3个孔隙压力测量接口、3个温度测量接口；所述压电陶瓷弯曲元测量接口、时域反射测量接口、压力测量接口、孔隙压力测量接口和温度测量接口分别连接安装孔隙压力传感器23、总压力传感器24、温度传感器25、压电陶瓷弯曲元26和时域反射探针23；孔隙压力传感器23、总压力传感器24和温度传感器25均安装于高压反应器1内部，压电陶瓷弯曲元26和时域反射探针23均安装在高压反应器1的内壁上。孔隙压力传感器23、总压力传感器24、温度传感器25、压电陶瓷弯曲元26和时域反射探针23分别测量三维腔体4内天然气水合物沉积模型的孔隙压力、总压力、温度、弹性波速和饱和度等参数，并将所测量的数据通过数据采集箱28导入计算机29中进行分析处理。具体实施中根据实验需要或规模也可考虑增加或减少上述装置或设备的数量。
数据采集箱28采集包括：储气罐34中的压力、磁性浮子液位计35中的输出水量、水压电液伺服阀5和注热电液伺服阀17的反馈信号，还有三维腔体4内的孔隙压力传感器23、总压力传感器24、温度传感器25、压电陶瓷弯曲元26和时域反射探针23的信号。数据采集箱28能在超重力环境下对饱和度、弹性波速、总压力、孔隙压力和温度等参数进行在线测量监测并显示其瞬时值及累计值。各传感器的数据处理一般包括：时间-总压力曲线、时间-孔隙压力曲线、时间-饱和度曲线、时间-弹性波速曲线等，以便研究真实应力场下天然气水合物分解导致的土层响应。
具体实施中，在计算机29内设置依次连接的数据采集块、数据处理块和数据储存块。数据采集块与数据采集箱对接；数据处理块为数据处理软件，将各传感器的信号进行处理；数据储存块可将数据处理块的处理结果进行储存。
超重力水压控制模块在超重力离心机工作时控制三维腔体4上覆水层压力，包括水压电液伺服阀5与水压伺服增压器7。汇流板31输出的其中一路经水压电液伺服阀5和水压伺服增压器7连接，水压伺服增压器7输出端连接到高压反应器1的液体入口。水压电液伺服阀5输出油压信号至水压伺服增压器7，水压伺服增压器7自带储水罐，将油压信号转化为水压信号，直接输出水压控制上覆水层压力。水压电液伺服阀5和水压伺服增压器7均能在1～200g离心加速度下工作，水压伺服增压器7可通过输出端压力信号和水压电液伺服阀5伺服调节增压器输出压力，从而达到稳定控压的功能。
超重力热激模块主要是在超重力环境下向高压反应器1中注入热液或蒸汽，包括注热电液伺服阀17、工作液伺服增压器19和电加热器16。汇流板31输出的另一路经注热电液伺服阀17与工作液伺服增压器19连接，工作液伺服增压器19输出端连接到电加热器16的下端入口，电加热器16上端出口输出热液。注热电液伺服阀17向工作液伺服增压器19输出油压信号，工作液伺服增压器17提供特定压力的工作液，在电加热器中加热后经过高压反应器1顶部的热液入口注入三维腔体4。
超重力气液分离模块主要是在超重力条件下分离并收集高压反应器1中输出的气体和液体，并对产出进行计量，包括采集管路、电控截止阀32、储液罐33和储气罐34。高压反应器1的模拟井井口经电控截止阀32连接到储液罐33，储液罐33与储气罐34连接；储液罐33上装有磁性浮子液位计35，储气罐34上装有总压力传感器24。由计算机29通过数据采集箱28给出信号控制电控截止阀32的通路通断；储液罐33在离心力作用下兼具气液分离器的功能，能够将产出的气、液分离，同时对液体产量进行计量；产生气体的量通过储气罐34中的总压力传感器数据换算。
釜体温控模块用于通过循环冷水控制高压反应器1的温度，包括制冷机组20、低温水浴箱21、制冷循环泵22和水浴夹套3；水浴夹套3套装在高压反应器1外壁上并且与冷水进出口连接；制冷机组20和低温水浴箱21连接并提供冷水源，低温水浴箱21的输出端经制冷循环泵22连接到水浴夹套3的底部入口，水浴夹套3中部出口连接到低温水浴箱21的输入端。在制冷循环泵22和水浴夹套3的底部入口之间、水浴夹套3中部出口和低温水浴箱21的输入端之间均通过经水浴通路离心机旋转接头2连接。
本发明的具体工作过程如下：
将制备好天然气水合物沉积模型的高压反应器1放置在超重力离心机吊篮上，将超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块的相关管路与高压反应器1连接；开启釜体温控模块的冷水循环，稳定高压反应釜温度；开启超重力水压控制模块的水压伺服增压器7，稳定控制三维腔体4上覆水层压力；将所有传感器引线与数据采集箱28连接。
设置完毕后，开启超重力离心机，离心加速度将从1g逐渐增加至200g。在加速过程中，装置需通过釜体温控模块控制釜壁的冷水循环，通过超重力水压控制模块保持上覆水层压力稳定。其余传感器监测加速过程中模型响应，并将数据输出至数据采集箱28。
达到实验所需的离心加速度后开始进行天然气水合物热激法超重力实验：保证釜体温控模块控制的温度和超重力水压控制模块控制的上覆水层压力稳定的情况下，开启超重力热激模块。通过工作液伺服增压器19向电加热器16中供给一定压力的工作液，电加热器16快速加热至40～60℃并输出特定压力的热液。热液经过高压反应器1顶部热液入口注入到三维腔体4后，关闭热液入口。经过一段时间焖井，天然气水合物充分受热分解，利用计算机29控制电控截止阀32开启，三维腔体4内天然气水合物分解产生的气体和水输出高压反应器1，到达储液罐33，利用离心力场在储液罐33中实现产出的气体、液体分离，气体经过管道输送到储气罐34中。传感器监测实验过程中的模型响应，并将数据输出至数据采集箱28。
实验结束后，停机，逐渐降低离心加速度至1g，释放高压反应器1内压力至常压后开釜清理，结束实验。
本说明书列举的仅为本发明的较佳实施方式，凡在本发明的工作原理和思路下所做的等同技术交换，均视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：包括高压反应器(1)、液压油站(18)、汇流板(31)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱(28)和计算机(29)；液压油站(18)连接到汇流板(31)后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器(1)；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器(1)；釜体温控模块连接到高压反应器(1)；高压反应器(1)、数据采集箱(28)、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室(36)内的超重力离心机上，液压油站(18)、计算机(29)和釜体温控模块置于超重力离心机空调室(36)外；高压反应器(1)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱(28)。
2.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述高压反应器(1)是一个圆柱形不锈钢反应釜；高压反应器(1)的内腔作为三维腔体(4)，三维腔体(4)内置有天然气水合物沉积模型和上覆水层；高压反应器(1)顶部设有模拟井入口，模拟井通过模拟井入口伸入三维腔体(4)中并伸入到底部；高压反应器(1)顶部设有一个液体入口、一个热液入口和一个安全阀接口，安全阀接口经安全阀(6)外界大气相通，模拟井上端口为模拟井井口。
3.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述三维腔体(4)加入土层后，通过液体入口注入液体并加压，形成上覆水层，继而向土层中注入甲烷气，在常重力环境下形成天然气水合物沉积模型；高压反应器(1)设置温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口；温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口可分别连接安装孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)、温度传感器(25)、压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23)；孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)和温度传感器(25)均安装于高压反应器(1)内部，温度测量接口、压力测量接口和孔隙压力测量接口用于将孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)和温度传感器(25)的引线引出高压反应器(1)并连接到数据采集箱(28)；压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23)均安装在高压反应器(1)的内壁上，压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23)的引线通过压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口引出高压反应器(1)并连接到数据采集箱(28)。
4.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述的液压油站(18)和汇流板(31)之间通过油路离心机旋转接头(30)连接。
5.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述超重力水压控制模块包括水压电液伺服阀(5)和水压伺服增压器(7)；汇流板(31)输出的其中一路经水压电液伺服阀(5)与水压伺服增压器(7)连接，水压伺服增压器(7)输出端连接到高压反应器(1)的液体入口；所述超重力热激模块依次包括注热电液伺服阀(17)、工作液伺服增压器(19)和电加热器(16)；汇流板(31)输出的另一路经注热电液伺服阀(17)与工作液伺服增压器(19)连接，工作液伺服增压器(19)输出端经电加热器(16)连接到高压反应器(1)的热液入口；所述超重力气液分离模块包括采集管路、电控截止阀(32)、储液罐(33)和储气罐(34)；电控截止阀(32)与高压反应器(1)顶部模拟井入口连接；高压反应器(1)的顶部模拟井入口输出气液经电控截止阀(32)与储液罐(33)连接，储液罐(33)与储气罐(34)连接；储液罐(33)上装有磁性浮子液位计(35)，储气罐(34)上装有总压力传感器(24)。
6.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述釜体温控模块包括制冷机组(20)、低温水浴箱(21)、制冷循环泵(22)和水浴夹套(3)；水浴夹套(3)套装在高压反应器(1)外侧壁体上并且与冷水进出口连接，制冷机组(20)和低温水浴箱(21)连接并提供冷水源，低温水浴箱(21)的输出端经制冷循环泵(22)连接到水浴夹套(3)的底部入口，水浴夹套(3)中部出口连接到低温水浴箱(21)的输入端。
7.根据权利要求6所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所述的制冷循环泵(22)和水浴夹套(3)的底部入口之间、水浴夹套(3)中部出口和低温水浴箱(21)的输入端之间均通过水浴通路离心机旋转接头(2)连接。
8.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，其特征在于：所安装布置于高压反应器(1)中的温度传感器(25)、总压力传感器(24)、孔隙压力传感器(23)、压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(27)以及超重力气液分离模块中的磁性浮子液位计(35)、总压力传感器(24)以及超重力热激模块中的注热电液伺服阀(17)和电加热器(16)以及水压电液伺服阀(5)和电控截止阀(32)均与数据采集箱(28)连接，数据采集箱(28)与超重力离心机空调室(36)外的计算机(29)电连接。
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