CN108519384A - 一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法 - Google Patents

一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法 Download PDF

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李明忠
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Abstract

本发明涉及一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法，包括低温恒温控制系统、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示系统；常压可视化反应装置包括温控循环箱、上下嵌出两个反应槽、循环液入口、循环液出口。两个反应槽可分别对砂岩多孔介质内水合物生成和分解过程，微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程进行观测。本发明采用环戊烷研究水合物生成与分解特性，避免了气体水合物生成所需的高压低温条件，常压下即可完成实验，操作简便，安全系数高。

Description

一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化 装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置及方法，属于油气开采科研仪器技术领域。
背景技术
天然气水合物是由水和天然气中小分子气体形成的非化学计量性笼状晶体物质，是一种亚稳态物质，极易受到温度和压力的影响，广泛存在于低温和高压条件的多年冻土区和水下沉积物中，包括海洋和湖泊，它以结晶颗粒或块状的形式附着于岩石矿物表面。据估计，全球天然气水合物的资源量大约为21×1015m3，是煤炭、石油和天然气资源总量的2倍，被认为是21世纪理想的替代能源，这无疑将会推动中国今后在天然气水合物资源的开发投入。因此，开展天然气水合物的相关研究日益受到科学界的广泛关注。
关于天然气水合物的研究，当前主要集中在物理化学性质考察和开采方法探索等方面。目前，水合物的形态研究主要集中于油气集输管道内，对于其在地层多孔介质中生成形态研究的报道较少。此外，有利用填砂管和胶结岩心模拟出地层环境来研究水合物的生长的实验研究。然而，仅仅利用填砂管，反应釜等装置不具有可视化效果，不能直观地反映出水合物成核及生长的过程。
中国专利文献CN205333526U公开了一种可视观察气体水合物反应过程的微型反应器，包括设置在冷台上的石英玻璃管、用于拍摄石英玻璃管内水合物晶体生长的显微镜、数据采集仪、电脑，所述石英玻璃管的一端依次连接针形阀、输送泵，另一端依次连接第二三通、第二截止阀、丙烷气瓶，所述冷台上还设置有与数据采集仪电路连接的温度传感器，所述第二三通上设置有与数据采集仪电路连接的压力传感器，所述电脑与数据采集仪和显微镜电路连接。但是，该专利存在以下缺陷，首先反应在低温高压下进行，条件不易控制，其次普通的石英玻璃管不能模拟地层岩石多孔介质的环境，另外由于涉及到高压环境，设备较为昂贵。
中国专利文献CN102141560A公开了一种可视化气体水合物实验装置，包括：反应器，分为数段，每段带有视窗，并且未带视窗的外壁上设置有水夹套，底部设有进料口；稳流供气系统、稳流供液系统，分别向反应器以恒定速度通入气体和溶液；温度控制系统，控制通入反应器前的气体、溶液，以及每段水夹套的温度；稳压排气系统，用于反应器排气，控制反应器中的压力恒定；取样分析系统，从反应器中取样并进行成分分析；数据采集与处理系统，采集稳流供气系统、稳流供液系统、反应器、温度控制系统的各项数据并进行分析。但是，该可视化设备没有提供地层多孔介质的环境，并且为了实现低温高压反应条件，装置较复杂、危险，操作要求较高，不能普遍的应用于水合物的生成和分解特性研究。
有些水合物如环戊烷能在大气压条件下形成水合物，这消除了环境压力的限制，使得水合物晶体实验更方便安全。另外，环戊烷水合物为Ⅱ型结构水合物，自然界中乙烷及其他高阶碳氢化合物比例较高时形成的也为Ⅱ型天然气水合物。并且，环戊烷水合物平衡结晶温度为7.7℃，可以研究0～7.7℃范围内水合物晶体生长形态变化，温度范围较大。因此，诸多文献中常用这类水合物研究水合物晶体的生长形态。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于观测水合物在多孔介质内生成与分解形态的可视化装置。
本发明还提供了模拟水合物在多孔介质内生成与分解的方法。
药品采用环戊烷，避免了水合物生成所需的高压条件。利用实时显示设备的成像功能实时捕捉水合物的形态变化，对多孔介质中的水合物生成和分解过程实时观测。
本发明的技术方案为：
模拟地层多孔介质中水合物生成及分解过程的可视化装置，包括低温恒温控制系统、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示系统。
所述低温恒温控制系统连接常压可视化反应装置，为反应装置提供稳定的工作温度；所述温度采集仪连接常压可视化反应装置，实时测量反应装置中的温度；所述实时显示系统连接常压可视化反应装置，实时获取反应装置中水合物微观形态。
常压可视化反应装置包括温控循环箱、上下嵌出两个反应槽、循环液入口、循环液出口。其中一个反应槽(a)用于模拟砂岩多孔介质内水合物生成分解过程，槽上设有有机玻璃视窗，其上打有丝孔和圆形小孔，可用螺丝通过丝孔将有机玻璃视窗固定在温控循环箱上，圆形小孔用来注射液体。另一个反应槽(b)用于模拟微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程，槽上设有两种不同大小喉道的微观刻蚀模型和模型固定夹，模型上设有小孔用于液体的注入和驱出，槽内进行环戊烷水合物生成与分解反应。
根据本发明优选的，温控循环箱内装有循环液，所述循环液为乙二醇，其结晶温度低，利用循环制冷的原理为反应槽提供稳定的工作温度。
根据本发明优选的，低温恒温控制系统通过橡胶管线分别连接所述常压可视化反应装置的循环液入口、循环液出口。
根据本发明优选的，实时显示系统包括体视显微镜和电脑。所述体视显微镜连接电脑。该系统可实时获取反应槽中水合物微观形态，通过体视显微镜、电脑监测实验过程并分析实验结果。
根据本发明优选的，三维精密移动平台放在所述常压可视化装置之下，在观测时对反应槽精确移动。
根据本发明优选的，所述温度采集仪包括数字温度计、探针。数字温度计连接探针，探针的探头可接触反应槽，实时测量反应槽中的温度。
温度采集仪是利用热电阻实时测量反应槽中的温度。
上述模拟地层多孔介质的可视化装置，用于观测水合物在砂岩多孔介质内及微观刻蚀模型喉道内生成及分解过程包括步骤如下：
一、砂岩多孔介质内水合物生成和分解过程观测
(1)将0.3～0.6mm的石英砂砾用清水冲洗后烘干，均匀铺展在反应槽(a)中，将有机玻璃视窗盖在槽上并用螺丝通过丝孔密封固定。
(2)用甲基蓝染料对蒸馏水染色，方便观测现象及区分溶剂的类型，将蒸馏水丛视窗上的圆形小孔用微型注射器注入，使其在整个反应槽内达到饱和。
(3)从视窗上的圆形小孔注入环戊烷，将槽内已达到饱和的蒸馏水从另一小孔驱出，由于石英砂砾的亲水性，部分蒸馏水将附着在砂砾表面。
(4)开启低温恒温控制系统，同时开启所述数字温度计实时记录反应槽(a)温度读数T，当0℃<T<1℃时，通过有机玻璃上圆形小孔向反应槽(a)加入少许冰粒诱导产生环戊烷水合物。
(5)调节所述低温恒温控制系统，保持一段时间直至所述反应槽(a)内的温度达到实验温度T2，满足0℃<T2<7℃。
(6)打开实时显示系统，调节所述体视显微镜放大倍数和焦距到画面清晰进行录像。记录石英砂砾表面上水合物的生成过程，记录过程中调节三维精密移动平台，从不同的方位观察水合物微观形态。
(7)石英砂砾表面附满水合物后，将低温恒温控制系统缓慢升温，观察水合物的分解过程，之后结束实验导出实验图像并分析。
二、微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程观测
(1)将微观刻蚀模型通过模型固定夹固定在反应槽上(b)。
(2)用甲基蓝染料对蒸馏水染色，方便观测现象及区分溶剂的类型，将染色后的蒸馏水通过小孔注入所述微观刻蚀模型中，使之在整个模型喉道内达到饱和。
(3)再次通过小孔将环戊烷注入微观刻蚀模型中，将喉道内的水驱替出，由于喉道表面的亲水性，部分蒸馏水将附着在喉道表面。
(4)调节所述低温恒温控制系统，保持一段时间直至所述微观刻蚀模型的温度达到实验温度T2，满足0℃<T2<7℃。
(5)打开实时显示系统，调节所述体视显微镜放大倍数和焦距至画面清晰，进行录像。记录不同大小喉道内水合物的生成过程，记录过程中调节三维精密移动平台，从不同的方位观察水合物微观形态。
(6)喉道内水合物不再生成时，将低温恒温控制系统缓慢升温，观察水合物的分解过程，之后结束实验导出实验图像并分析。
该模拟地层多孔介质中水合物生成及分解过程的可视化装置主要包括低温恒温控制系统、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示系统。常压可视化反应装置用于水合物生成分解；低温恒温控制系统能够精准的控制常压可视化反应装置内的温度，满足水合物生成的条件；三维精密移动平台用于精密调整观测的位置；实时显示系统用于记录水合物的生成与分解过程并将图像传输到计算机进行分析；温度采集仪可实时采集反应槽温度信息。
本发明的有益效果为：
1、本发明可视化装置包含两个反应槽，可分别对砂岩多孔介质内水合物生成和分解过程，微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程进行观测。
2、本发明利用三维精密移动平台选取不同的方位观测水合物生成与分解形态。
3、本发明采用环戊烷研究水合物生成与分解特性，避免了气体水合物生成所需的高压低温条件，常压下即可完成实验，操作简便，安全系数高。
4、本发明所述微观刻蚀模型由玻璃制作，部分反应装置材料为有机玻璃，材料易获取，整套装置易搭建，系统造价较低。
附图说明
图1是一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置的结构连接框图。
图2是常压可视化反应装置反应槽(a)侧结构示意图。
图3是常压可视化反应装置反应槽(b)侧结构示意图。
图4是砂岩多孔介质内水合物生成形态图。
图5是微观刻蚀模型喉道内水合物生成形态图。
1、低温恒温槽，2、橡胶管线，3、数字温度计，4、探针，5、体视显微镜，6、数据线，7、常压可视化反应装置，8、电脑，9、三维精密移动平台，10、模型固定装置；11、循环液入口；12、循环液出口；13、温控循环箱；14、有机玻璃视窗；15、反应槽(a)；16、圆形小孔；17、丝孔；18、反应槽(b)；19、微观刻蚀模型；20、小喉道；21、大喉道；22、水合物；23、石英砂。

Claims (7)

1.一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置，其特征在于，包括低温恒温控制系统、常压可视化反应装置、三维精密移动平台、温度采集仪及实时显示系统。
所述低温恒温控制系统连接常压可视化反应装置，为反应装置提供稳定的工作温度；所述温度采集仪连接常压可视化反应装置，实时测量反应装置中的温度；所述实时显示系统连接常压可视化反应装置，实时获取反应装置中水合物微观形态。
常压可视化反应装置包括温控循环箱、上下嵌出两个反应槽、循环液入口、循环液出口。其中一个反应槽(a)用于模拟砂岩多孔介质内水合物生成分解过程，槽上设有有机玻璃视窗，其上打有丝孔和圆形小孔，可用螺丝通过丝孔将有机玻璃视窗固定在温控循环箱上，圆形小孔用来注射液体。另一个反应槽(b)用于模拟微观刻蚀模型喉道内水合物生成和分解过程，槽上设有两种不同大小喉道的微观刻蚀模型和模型固定夹，模型上设有小孔用于液体的注入和驱出，槽内进行环戊烷水合物生成与分解反应。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置，其特征在于，所述实时显示系统包括体视显微镜和电脑。所述体视显微镜连接电脑。该系统可实时获取反应槽中水合物微观形态，通过体视显微镜、电脑监测实验过程并分析实验结果。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置，其特征在于，所述温度采集仪包括数字温度计、探针。数字温度计连接探针，探针的探头可接触反应槽，实时测量反应槽中的温度。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置，其特征在于，所述温控循环槽内装有循环液，所述循环液为乙二醇。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟水合物在多孔介质内生成与分解的常压可视化装置，其特征在于，所述反应槽的外壁上设有泡沫板。
6.根据权利要求1所述的一种用于多方位观测水合物在多孔介质内生成与分解的可视化装置，其特征在于，所述低温恒温控制系统通过橡胶管线分别连接所述常压可视化反应装置的循环液入口、循环液出口。
7.根据权利要求1所述的一种用于多方位观测水合物在多孔介质内生成与分解的可视化装置，其特征在于，三维精密移动平台放在所述常压可视化装置之下，在观测时对反应槽精确移动。
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