CN108760826B - 固态流化开采条件下水合物分解量实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了固态流化开采条件下水合物分解量的实验设备及方法，包括管输系统、控制系统和数据采集分析系统；其中管输系统包括制备釜，制备釜出口连接循环泵入口，循环泵出口连接输送管线，输送管线另一端连接循环泵入口；所述输送管线还连接调压器出口和真空泵出口；所述输送管线表面还包裹有加热套。本发明的有益效果是，该实验装置设定相关参数后能自动采集参数并且绘制水合物分解量随海水深度变化的分解图版；该实验装置循环使用水合物浆体，减少了水合物浆体试样的消耗；且每次直接在上次实验的水合物浆体基础上加热，需要加热的时间和能量消耗更低。

Description

固态流化开采条件下水合物分解量实验方法

技术领域

本发明涉及一种基于固态流化开采条件下水合物实验装置及其实验方法领域，尤其是涉及一种基于固态流化开采条件下水合物分解量实验设备及方法。

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，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物（以下简称水合物）作为一种新型的清洁能源一直备受关注，据估计，陆地上20.7%和深水海底90%的地区具有形成水合物的有利条件，其中海洋水合物储量巨大，保守估计总量达2.83×10¹⁵m³，约为陆地资源量的100倍，它被认为是21世纪最有潜力的替代能源。国土资源部等部门勘探初步圈定我国南海11个潜在水合物的水合物资源量约680×10⁸t。

针对深海非成岩水合物，周守为院士在“深海海底浅层非成岩地层天然气水合物的绿色开采系统”发明专利中提出了固态流化开采的技术思路，利用水合物在海底温度和压力相对稳定的条件下，采用采掘设备以固态形式开发水合物矿体，将含有水合物的沉积物粉碎成细小颗粒后，再与海水混合，采用封闭管道输送至海洋平台，尔后将其在海上平台进行后期处理和加工。该开采方法最大优势在于不改变水合物矿层的温度和压力，不破坏下部空隙性储层水合物，从而避免水合物在海底分解带来的一系列工程地质灾害，同时避免了因水合物大量溢出而引起的海面行船威胁和大气温室效应，该方法优势之二是立管内水合物分解的气体膨胀做功能够降低输送能耗，优势之三是固态流化开采的开采效率取决于机械采掘速度和水合物颗粒分解速率，相比与已有开采方法水合物颗粒分解速率快的多，因此该方法开采效率高的多，具有很好的应用前景。在固态流化开采模拟实验过程中，天然气水合物浆体在管道流动过程中随着温度、压力的改变导致水合物浆体的相含量随之发生改变。因此在固态流化开采模拟实验过程中，在线监测天然气水合物浆体的相含量是研究天然气水合物浆体相态变化、浆体内水合物颗粒分解速率等与温度、压力之间的关系的重要手段，但现有设备中暂无有效在线监测含气、液、固（大颗粒）三相的相态变化的装置，迫切需要一种基于固态流化开采方法条件下天然气水合物分解量的测量方法对管道内各种介质的相含量进行在线精准测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种参数结构简单、操作简单和自动化控制的固态流化开采方法条件下天然气水合物分解量的实验装置，同时通过该实验装置的实验方法能够模拟水合物分解量随海水深度上升的分解图版。

本发明采用的技术方案如下：固态流化开采条件下水合物分解量实验设备，包括：

管输系统，其包括制备釜，制备釜出口连接循环泵入口，循环泵出口连接输送管线，输送管线另一端连接循环泵入口；所述输送管线还连接调压器出口和真空泵出口；所述输送管线表面还包裹有加热套。

进一步地，所述实验设备还包括：

控制系统，其包括控制电柜，控制电柜连接并用于开闭真空泵、调压器、循环泵和或温度补偿控制仪；

数据采集分析系统，其包括计算机，计算机连接压力变送器、第一温度变送器、第二温度变送器和电阻层析成像仪；所述计算机连接控制电柜；所述压力变送器、第一温度变送器、第二温度变送器和电阻层析成像仪安装在输送管线上；所述计算机还用于设置输送管线内流体的设定温度和设定压力，并与采集到的对应数据相比对来输出指令来命令控制电柜的动作。

进一步地，所述制备釜出口安装第二阀门，循环泵进口安装第三阀门，调压器出口安装压力调节阀，真空泵出口安装第五阀门，连接到第二阀门和第三阀门之间的输出管线末端安装有第四阀门。

进一步地，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和或压力调节阀是电动阀。

进一步地，所述控制电柜连接并用于开闭实验设备中的一个或一个以上的电动阀。

进一步地，所述循环泵为螺杆泵。

进一步地，所述实验设备的实验方法，包括步骤：

S1、管输系统抽真空过程：实验操作人员通过计算机下达指令关闭第一阀门、第二阀门、压力调节阀以及打开第三阀门、第四阀门、第五阀门；待上面所述阀门动作完成后，实验操作人员通过计算机下达指令启动真空泵，真空泵对管输系统进行抽真空作业，待管输系统的真空度趋近于-0.1MPa时，实验操作人员通过计算机下达指令关闭真空泵，随后再关闭第五阀门，完成管输系统的抽真空过程；

S2、水合物浆体转输过程：实验操作人员通过计算机下达指令打开第二阀门，随后启动循环泵，水合物浆体从制备釜内转输到输送管线内，待输送管线内充满水合物浆体且达到实验设定压力后，实验操作人员通过计算机下达指令关闭第二阀门，完成水合物浆体转输过程；

S3、水合物分解量测量过程：在初始实验压力、温度条件下，电阻层析成像仪采集输送管线内水合物浆体的水、水合物颗粒和或天然气各相相含量，并上传至计算机1；所述压力变送器和第一温度变送器上传数据至计算机1。

进一步地，所述实验方法还包括通过计算机发出指令改变输送管线内水合物浆体的压力和温度，待水合物浆体的压力和温度稳定后，计算机再采集电阻层析成像仪压力变送器和第一温度变送器的数据。

进一步地，所述实验方法中水合物浆体的初始压力和温度是模拟设定的初始海洋深度条件下的压力和温度；所述实验方法中每次改变水合物浆体达到的温度和压力是模拟海洋深度上升一个设定高度后的海洋压力和温度。

进一步地，所述实验方法还包括计算机处理电阻层析成像仪、压力变送器和第一温度变送器数据后绘制不同压力和温度条件下水合物浆体的分解量，得到在模拟条件下水合物分解量随海水深度的分解图版。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.该实验装置设定相关参数如实验中水合物浆体的压力和温度后，能自动采集参数并且绘制水合物分解量随海水深度变化的分解图版；

2.该实验装置循环使用水合物浆体，减少了水合物浆体试样的消耗；且每次直接在上次实验的水合物浆体基础上加热，需要加热的时间和能量消耗更低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例的A部示意图；

附图标记说明：图1中编码分别为：1-计算机；2-控制电柜；3-第三阀门；4-第二阀门；5-第一阀门；6-制备釜；7-第四阀门；8-第五阀门；9-真空泵；10-循环泵；11-调压器；12-压力调节阀；13-电阻层析成像仪；14-温度补偿控制仪；15-压力变送器；16-第一温度变送器；17-第二温度变送器；18-输送管线；19-加热套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明可根据本发明的技术理念与实际情况来适当调整具体的实施方法，不必完全受限于本发明设计实施方法。

具体实施例一：

如图1和图2所示，本发明提供了一种固态流化开采条件下水合物分解量实验设备，包括管输系统、控制系统和数据采集分析系统，其中：管输系统，其包括制备釜6，制备釜6里面装有水合物浆体原料，制备釜6出口连接循环泵10入口，循环泵10出口连接输送管线18，输送管线18另一端连接循环泵10入口，所述循环泵10为螺杆泵，螺杆泵每分钟的通过的流量是定量的；所述输送管线18还连接调压器11出口和真空泵9出口；所述输送管线18表面还包裹有加热套19。需要指出的是，整个管线运行之前，对整个管线进行测漏试验，比较简单的方法是向关系充入压力气体比如100psi，关闭第二阀门4、第五阀门7和压力调节阀12，保压4小时以上查看压力变送器15的初始数值和最终数值的变化量，考虑温度的影响和本实验精度要求的密封，变化范围为5psi之内都属于合格。控制系统，其包括控制电柜2，控制电柜2连接并用于开闭真空泵9、调压器11、循环泵10和或温度补偿控制仪14。数据采集分析系统，其包括计算机1，计算机1连接压力变送器15、第一温度变送器16、第二温度变送器17和电阻层析成像仪13；所述计算机1连接控制电柜2，控制电柜2内设有所有该实验装置的电控开关，该电控开关是可以通过计算机1命令来实现控制；所述压力变送器15、第一温度变送器16、第二温度变送器17和电阻层析成像仪13安装在输送管线18上，第一温度变送器16测量输送管线18内部流体温度，第二温度变送器17测量安装在输送管线18上的加热套19的温度，第二温度变送器17通过把监测的加热套19温度反馈给温度补偿控制仪14，实现温度补偿控制仪14对整个输送管线18温度的精准控制。需要指出的是，因为输送管线18较长，所以根据实际情况会安装多个温度测量点，并且加热分段控制，使得输送管线18的温度控制的控制更加精确，这种改进应当视作本发明的保护范围；所述计算机1还用于设置输送管线19内流体的设定温度和设定压力，并与采集到的对应数据相比对来输出指令来命令控制电柜2的动作。所述制备釜6出口安装第二阀门4，循环泵10进口安装第三阀门3，调压器11出口安装压力调节阀12，真空泵9出口安装第五阀门8，连接到第二阀门4和第三阀门3之间的输出管线18末端安装有第四阀门7；所述制备釜6进口安装第一阀门5。所述第一阀门5、第二阀门4、第三阀门3、第四阀门7、第五阀门8和或压力调节阀6是电动阀。所述控制电柜2连接并用于开闭实验设备中的一个或一个以上的电动阀。

所述实验设备的实验方法，包括步骤：

S1、管输系统抽真空过程：实验操作人员通过计算机1下达指令关闭第一阀门5、第二阀门4、压力调节阀12以及打开第三阀门3、第四阀门7、第五阀门8；待上面所述阀门动作完成后，实验操作人员通过计算机1下达指令启动真空泵9，真空泵9对管输系统进行抽真空作业，待管输系统的真空度趋近于-0.1MPa时，实验操作人员通过计算机1下达指令关闭真空泵9，随后再关闭第五阀门8，完成管输系统的抽真空过程；

S2、水合物浆体转输过程：实验操作人员通过计算机1下达指令打开第二阀门4，随后启动循环泵10，水合物浆体从制备釜6内转输到输送管线18内，待输送管线18内充满水合物浆体且达到实验设定压力后，实验操作人员通过计算机1下达指令关闭第二阀门4，完成水合物浆体转输过程；

S3、水合物分解量测量过程：在初始实验压力、温度条件下，初始压力和温度是模拟设定的初始海洋深度条件下的压力和温度，电阻层析成像仪13采集输送管线18内水合物浆体的水、水合物颗粒和或天然气各相相含量，并上传至计算机1；所述压力变送器15和第一温度变送器16上传数据至计算机1。

应当指出的是，循环泵10的流量已知，输送管线18内的水合物浆体循环一周的所需要循环泵10工作的时间是已知的。另外可以延伸的是，为了测量的准确度，同一压力和温度条件下，水合物浆体循环多周来测量多组数据也是该发明的保护范围之内。

具体实施例二：

所述实验装置同实施例一。

所述实验方法还包括通过计算机1发出指令改变输送管线18内水合物浆体的压力和或温度，待水合物浆体的压力和温度稳定后，计算机1再采集电阻层析成像仪13压力变送器15和第一温度变送器16的数据；所述实验方法中每次改变水合物浆体达到的温度和压力是模拟海洋深度上升一个设定高度后的海洋压力和温度。具体实施过程中，取输送管线18总长度为30米，根据海洋环境依初始条件水深为基准，向上30米水深的压力、温度为已知。模拟1500米海洋深度的水合物开采，则随着海洋深度上升，海洋环境的压力减小、温度上升，通过操控输送管线18内水合物浆体的温度和压力来实现模拟，通过有限次的测量即可大致模拟水合物浆体在海洋环境下的传输过程。计算机1处理电阻层析成像仪13、压力变送器15和第一温度变送器16数据后绘制不同压力和温度条件下水合物浆体的分解量，得到在模拟条件下水合物分解量随海水深度的分解图版。应该指出的是，若使测量结果更加精确，可以将每次模拟变化的海洋深度降低。

本实施例的改进点在于，实现模拟不同海洋深度温度和压力条件下，在传输过程中随着压力和温度条件下的水合物浆体中水、水合物颗粒及天然气各相的流量，同时与初始条件下各相的流量进行对比分析，可得到输送管线18内水合物浆体的分解量，重复水合物分解量测量过程，可得到一系列水合物分解量数据，进而可作出水合物分解量随海水深度的分解图版。

以上实施例可以得出的是，该实验装置设定相关参数如实验中水合物浆体的压力和温度后，能自动采集参数并且绘制水合物分解量随海水深度变化的分解图版；该实验装置循环使用水合物浆体，减少了水合物浆体试样的消耗；且每次直接在上次实验的水合物浆体基础上加热，需要加热的时间和能量消耗更低。

以上揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作地等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，通过固态流化开采条件下水合物分解量实验设备来进行实验，其特征在于，该实验设备包括：

管输系统，其包括制备釜（6），制备釜（6）出口连接循环泵（10）入口，循环泵（10）出口连接输送管线（18），输送管线（18）另一端连接循环泵（10）入口；所述输送管线（18）还连接调压器（11）出口和真空泵（9）出口；所述输送管线（18）表面还包裹有加热套（19）；所述实验设备还包括：

控制系统，其包括控制电柜（2），控制电柜（2）连接并用于开闭真空泵（9）、调压器（11）、循环泵（10）和或温度补偿控制仪（14）；

数据采集分析系统，其包括计算机（1），计算机（1）连接压力变送器（15）、第一温度变送器（16）、第二温度变送器（17）和电阻层析成像仪（13）；所述计算机（1）连接控制电柜（2）；所述压力变送器（15）、第一温度变送器（16）、第二温度变送器（17）和电阻层析成像仪（13）安装在输送管线（18）上；所述计算机（1）还用于设置输送管线（18 ）内流体的设定温度和设定压力，并与采集到的对应数据相比对来输出指令来命令控制电柜（2）的动作，第一温度变送器（16）测量输送管线（18）内部流体温度，第二温度变送器（17）测量安装在输送管线（18）上的加热套（19）的温度，第二温度变送器（17）通过把监测的加热套（19）温度反馈给温度补偿控制仪（14），实现温度补偿控制仪（14）对整个输送管线（18）温度的精准控制，所述制备釜（6）出口安装第二阀门（4），循环泵（10）进口安装第三阀门（3），调压器（11）出口安装压力调节阀（12），真空泵（9）出口安装第五阀门（8），连接到第二阀门（4）和第三阀门（3）之间的输出管线（18）末端安装有第四阀门（7），所述制备釜（6）进口安装第一阀门（5）；本实验方法包括步骤：

S1、管输系统抽真空过程：实验操作人员通过计算机（1）下达指令关闭第一阀门（5）、第二阀门（4）、压力调节阀（12）以及打开第三阀门（3）、第四阀门（7）、第五阀门（8）；待上面所述阀门动作完成后，实验操作人员通过计算机（1）下达指令启动真空泵（9），真空泵（9）对管输系统进行抽真空作业，待管输系统的真空度趋近于-0.1MPa时，实验操作人员通过计算机（1）下达指令关闭真空泵（9），随后再关闭第五阀门（8），完成管输系统的抽真空过程；

S2、水合物浆体转输过程：实验操作人员通过计算机（1）下达指令打开第二阀门（4），随后启动循环泵（10），水合物浆体从制备釜（6）内转输到输送管线（18）内，待输送管线（18）内充满水合物浆体且达到实验设定压力后，实验操作人员通过计算机（1）下达指令关闭第二阀门（4），完成水合物浆体转输过程；

S3、水合物分解量测量过程：在初始实验压力、温度条件下，电阻层析成像仪（13）采集输送管线（18）内水合物浆体的水、水合物颗粒和或天然气各相相含量，并上传至计算机（1）；所述压力变送器（15）和第一温度变送器（16）上传数据至计算机（1）。

2.根据权利要求1所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述第一阀门（5）、第二阀门（4）、第三阀门（3）、第四阀门（7）、第五阀门（8）和或压力调节阀（12 ）是电动阀。

3.根据权利要求2所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述控制电柜（2）连接并用于开闭实验设备中的一个或一个以上的电动阀。

4.根据权利要求1所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述循环泵（10）为螺杆泵。

5.根据权利要求1所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述实验方法还包括通过计算机（1）发出指令改变输送管线（18）内水合物浆体的压力和或温度，待水合物浆体的压力和温度稳定后，计算机（1）再采集电阻层析成像仪（13）、压力变送器（15）和第一温度变送器（16）的数据。

6.根据权利要求5所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述实验方法中水合物浆体的初始压力和温度是模拟设定的初始海洋深度条件下的压力和温度；所述实验方法中每次改变水合物浆体达到的温度和压力是模拟海洋深度上升一个设定高度后的海洋压力和温度。

7.根据权利要求6所述的固态流化开采条件下水合物分解量的实验方法，其特征在于：所述实验方法还包括计算机（1）处理电阻层析成像仪（13）、压力变送器（15）和第一温度变送器（16）数据后绘制不同压力和温度条件下水合物浆体的分解量，得到在模拟条件下水合物分解量随海水深度的分解图版。

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