CN108766187A - 一种水合物增产模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水合物增产模拟实验装置，包括模型系统，所述模型系统包括模型筒体、左封头和右封头，所述模型筒体与所述左封头和右封头连接形成一个密封的腔体，所述模型系统内设置有贯穿所述腔体的微波加热棒，所述微波加热棒的外表面套设有微波加热绝缘保护套，所述微波加热棒的一端连接有微波加热控制系统，所述腔体四周设置有贯穿所述模型筒体、左封头和右封头的冷循环管路，所述冷循环管路一端连接有冷热循环控制系统，本模型系统设计有冷循环管路，冷循环管路一端连接有冷热循环控制系统，冷热循环控制系统可以控制模型系统内部的温度，使模型系统可以模拟沉积层不同的温区带。
Description
技术领域
本发明涉及水合物增产领域，尤其涉及一种水合物增产模拟实验装置。
背景技术
天然气水合物Natural Gas Hydrate又称“可燃冰”，是由水和天然气在特定高压低温环境下形成的冰态、结晶状、超分子、笼形化合物，主要分布在水深大于300m的海洋及陆地永久冻土带，其中海洋天然气水合物资源是全球性的。天然气水合物的显著特点是分布广、储量大、高密度、高热值，1m3天然气水合物可以释放出164m3甲烷气。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体其有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料煤炭、石油和天然气等的两倍。因此，天然气水合物被各国视为未来石油天然气的替代能源。若能合理开发利用天然气水合物，对于改善能源结构保护环境，促进经济的发展具有重大意义。因此，目前世界各国都在不断深入对天然气水合物的勘探开发研究。
天然气水合物的开采技术需要多学科、多门类技术的综合性应用。其开发的最大难点是必须保证井底稳定，使甲烷气不泄漏，以免引发温室效应。目前，天然气水合物的开发技术主要有热激发、注入化学试剂和减压3种技术。热激发技术是蒸汽或热盐水等热流体从地面泵入天然气水合物储层，或采用火驱法和钻柱加热器，促使温度上升导致天然气水合物分解。其主要缺点是热损失大，热利用率低。化学试剂可以改变天然气水合物形成的相平衡条件，降低天然气水合物的稳定温度。其缺点是费用昂贵，作用缓慢，再加上大洋中天然气水合物的压力较高，因而化学试剂法不适合开采海洋天然气水合物。减压技术是通过降低压力引起天然气水合物稳定的相平衡曲线移动，促使天然气水合物分解。井下电磁加热技术是热激发技术的进一步延伸和拓展，在开采重油方面已显示出其有效性。电磁加热技术是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入同的电极，再通以交变电流，直接对储层进行加热。储层受热后压力降低，通过膨胀产生气体。井下电磁加热技术作用速度快，能很好地降低流体的粘度，促进气体的流动。但设备较复杂，需对较大面积进行加热，有一定的热量浪费。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水合物增产模拟实验装置，其能模拟沉积层不同的温区带，模拟不同位置水合物不同的生成和分解情况。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种水合物增产模拟实验装置，包括模型系统，所述模型系统包括模型筒体、左封头、右封头，所述模型筒体与所述左封头和右封头连接形成一个密封的腔体，所述模型系统内设置有贯穿所述腔体的微波加热棒，所述微波加热棒的外表面套设有微波加热绝缘保护套，所述微波加热棒的一端连接有微波加热控制系统，所述腔体四周设置有贯穿所述模型筒体、左封头和右封头的冷循环管路，所述冷循环管路的一端连接有冷热循环控制系统。
进一步地，所述水合物增产模拟实验装置还包括：
气体增压系统，用于对注入模型系统的气体进行增压，以得到满足实验压力条件的高压气体；
定量注入系统，所述定量注入系统一端与所述气体增压系统连接，另一端与所述模型系统连接，用于对模型系统进行气体的定量注入；
注入容器，用于对模型系统进行液体注入；
恒流泵，所述恒流泵与所述注入容器连接，用于对注入容器施加注入压力；
蒸汽发生器，所述蒸汽发生器一端与所述恒流泵连接，另一端与所述模型系统连接，用于将恒流泵注入的水转化为高温水蒸气，注入到模型系统中；
回压及计量系统，所述回压与计量系统与所述模型系统连接，主用于对模型系统出口处的气体、液体进行计量。
进一步地，所述气体增压系统包括气体注入器、静音空气压缩机、低压空气贮罐、高压空气贮罐、气体增压泵和流量控制器；所述静音空气压缩机一端与所述气体注入器连接，另一端与所述低压空气贮罐连接；所述气体增压泵一端与所述低压空气贮罐，另一端与所述高压空气贮罐连接；所述流量控制器一端与所述高压空气贮罐连接，另一端与所述模型系统连接，所述高压空气贮罐与所述定量注入系统连接。
进一步地，所述蒸汽发生器由多个预热器串联而成，所述预热器与所述模型系统连接，所述预热器由加热管和不锈钢盘管浇注而成。
进一步地，所述回压及计量系统内设置有回压阀、气液分离器、气体流量计和天平，所述回压阀一端与所述模型系统连接，另一端与所述气液分离器连接，所述气体流量计与所述气液分离器的气体出口连接，所述天平与所述气液分离器的液体出口连接。
进一步地，所述注入容器包括液体注入泵和活塞容器，所述液体注入泵和所述蒸汽发生器分别与所述活塞容器连接。
进一步地，所述模型系统还包括模型旋转支架，所述模型旋转支架上设置有翻转轴座，所述模型旋转支架通过翻转轴座与所述模型筒体连接，所述翻转轴座内设置有旋转轴承。
进一步地，所述模型系统还包括左法兰、右法兰和液压螺钉，所述液压螺钉包括第一液压螺钉和第二液压螺钉，所述左法兰与所述左封头之间通过第一液压螺钉连接，所述右法兰与所述右封头之间通过第二液压螺钉连接。
进一步地，所述液压螺钉内设置有活塞帽和螺杆，所述活塞帽与所述螺杆连接，所述活塞帽上设置有密封孔。
进一步地，所述水合物增产模拟实验装置还包括压力检测系统和温度检测系统，所述压力检测系统与所述腔体连接，所述温度检测系统与所述腔体连接，所述冷热循环控制系统内设置有风冷式工业冷水机，所述风冷式工业冷水机与所述冷循环管路连接。
相比现有技术，本发明的有益效果在于，本模型系统设计有冷循环管路，冷循环管路一端连接有冷热循环控制系统，冷热循环控制系统可以控制模型系统内部的温度，使模型系统可以模拟沉积层不同的温区带，模拟不同位置水合物不同的生成和分解情况，模型上下通过贯穿的冷循环管路沿模型四周分布，实现连通，本模型系统设计有微波加热绝缘保护套，可保证微波加热棒加热时不会与内部流体接触，本模型系统设计有模型旋转支架，翻转轴座内装旋转轴承，模型系统可以进行0°至180°的旋转，便于装卸内部样品沉积物物料。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明所述的一种水合物增产模拟实验装置的结构示意图。
图2为本发明所述的模型系统的结构示意图。
图3为本发明所述的模型系统的主视图。
图4为本发明所述的蒸汽发生器的结构示意图。
图中：1-模型系统、2-气体增压系统、3-渗透率测量系统、4-定量注入系统、5-注入容器、6-恒流泵、7-蒸汽发生器、8-回压及计量系统、91-压力检测系统、92-温度检测系统、93-微波加热控制系统、94-冷热循环控制系统、11-模型筒体、12-左封头、13-右封头、14-模型旋转支架、15-腔体、16-微波加热棒、17-微波加热绝缘保护套、18-冷循环管路、71-预热器、141-翻转轴座、191-左法兰、192-右法兰、193-液压螺钉、711-加热管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，一种水合物增产模拟实验装置，包括模型系统1、气体增压系统2、渗透率测量系统3、定量注入系统4、注入容器5、恒流泵6、蒸汽发生器7、回压及计量系统8、压力检测系统91、温度检测系统92、微波加热控制系统93和冷热循环控制系统94。
如图1所示，模型系统1用于模拟天然气水合物在地层低温高压下的环境，并且是模拟水合物在微波环境下分解的场所；气体增压系统2用于对注入模型系统1的气体进行增压，以得到满足实验压力条件的高压气体；渗透率测量系统3与所述模型系统1连接，用于测量模型系统1的渗透率，通过高、中、低三种不同量程的渗透率测试系统，对模型系统1进行渗透率测量；定量注入系统4一端与所述气体增压系统2连接，另一端与所述模型系统1连接，用于对模型系统1进行气体的定量注入；注入容器5用于对模型系统1进行液体注入；恒流泵6与所述注入容器5连接，用于对注入容器5施加注入压力；蒸汽发生器7一端与所述恒流泵6连接，另一端与所述模型系统1连接，用于将恒流泵6注入的水转化为高温的水蒸气，注入到模型系统1中；回压及计量系统8与所述模型系统1连接，用于对模型系统1出口处的气体、液体进行计量；压力检测系统91与所述模型系统1连接，温度检测系统92与所述模型系统1连接。
如图2-3所示，模型系统1包括模型筒体11、左封头12、右封头13、左法兰191、右法兰192、模型旋转支架14和液压螺钉193，所述模型筒体11与所述左封头12和右封头13连接形成一个密封的腔体15，所述液压螺钉193包括第一液压螺钉和第二液压螺钉，所述左法兰191与所述左封头12之间通过第一液压螺钉连接，所述右法兰192与所述右封头13之间通过第二液压螺钉连接，所述模型系统1内设置有贯穿所述腔体15的微波加热棒16，所述微波加热棒16的外表面套设有微波加热绝缘保护套17，所述微波加热棒16的一端连接有微波加热控制系统93，所述腔体15四周设置有贯穿所述模型筒体11、左封头12和右封头13的冷循环管路18，冷循环管路18设置有多条，均匀分布在腔体15的四周，所述冷循环管路18的一端连接有冷热循环控制系统94，所述模型旋转支架14上设置有翻转轴座141，所述模型旋转支架14通过翻转轴座141与所述模型筒体11连接，所述翻转轴座141内设置有旋转轴承。
具体地，模型系统1设计有多条冷循环管路18，可以模拟沉积层不同的温区带，模拟不同位置水合物不同的生成和分解情况，模型上下通过贯穿的冷循环管路18沿模型四周分布，实现连通，模型系统1设计有微波加热绝缘保护套17，可保证微波加热棒16加热时不会与内部流体接触，模型系统1内设计有模型旋转支架14，翻转轴座141内装旋转轴承，使模型系统1可以进行0°至180°的旋转，便于装卸内部样品沉积物物料。
具体地，所述液压螺钉193内设置有活塞帽和螺杆，所述活塞帽与所述螺杆连接，所述活塞帽上设置有密封孔，在安装模型系统1的左封头12或右封头13前，先用四个液压螺钉193将模型筒体11与左法兰191或右法兰192固定，再通过向活塞帽上的密封孔打液升压，螺杆的连接作用迫使活塞帽带动法兰盖向下运动，拉紧固定结构，同时对内部具有压实作用，在液压螺钉193拉紧模型系统1时，再固定其他承压螺钉。
具体地，所述气体增压系统2包括气体注入器、静音空气压缩机、低压空气贮罐、高压空气贮罐、气体增压泵和流量控制器；所述静音空气压缩机一端与所述气体注入器连接，另一端与所述低压空气贮罐连接；所述气体增压泵一端与所述低压空气贮罐，另一端与所述高压空气贮罐连接；所述流量控制器一端与所述高压空气贮罐连接，另一端与所述模型系统1连接，所述高压空气贮罐与所述定量注入系统4连接；气体增压泵主要用于气体的增压；流量控制器用于天然气的定量注入；静音空气压缩机用于为流量控制器、气体增压泵等提供控制气源，还可用于管路系统的清洗扫气；低压空气贮罐，用于贮存静音空气压缩机增压后的空气，容积为0.1m3，工作压力为0.8MPa，设计压力1MPa；高压空气贮罐，用于贮存增压后的高压气体，容积为2000mL，最大工作压力为50MPa。
气体增压系统2可实现混合气的注入及不同相态气体的注入，当注入氮气或天然气时，增压后的气体通过流量控制器计量后注入到模型系统1；当注入液体为二氧化碳或其他混合气体时，增压后的液态气体经气体定量注入部分计量后注入模型系统1。
具体地，所述注入容器5包括液体注入泵和活塞容器，所述活塞容器与所述液体注入泵和所述蒸汽发生器7连接，活塞容器上半部内装有反应用盐水，能耐高温，耐腐蚀，选用耐高压、耐腐蚀的平流泵将蒸馏水或煤油注入到活塞容器的下方，推动活塞容器内的活塞将高温热盐水溶液或者化学剂溶液等液体注入到模型系统1内，注入容器5的具体参数为工作压力：20MPa，流量：0L/min～2L/min，泵头采用304不锈钢加工而成；自带RS485通讯接口，可实现与计算机的通讯。
如图4所示，所述蒸汽发生器7由六个预热器71串联而成，所述预热器71由加热管711和不锈钢盘管浇注而成；蒸汽发生器7设计有PLC采集控制系统，使装置既具有集成化控制特点，又能够实现高精度控制，采用导热系数好的合金金属材料作为温度传媒，而不是采用液体作为温度传媒，不存在液体加热釜，不存在釜体加热造成超压现象，安全可靠性高，蒸汽发生器7的具体参数为：最高工作压力：20MPa；最高加热温度：190℃；饱和蒸汽干度：90％～100％；最大蒸汽量：2kg/h；工作电压：380V；输出：稳定输出，定压输出，定流量输出，恒温输出。
具体地，所述回压及计量系统8内设置有回压阀、气液分离器、气体流量计和天平，所述回压阀一端与所述模型系统1连接，另一端与所述气液分离器连接，所述气体流量计与所述气液分离器的气体出口连接，所述天平与所述气液分离器的液体出口连接。
具体地，回压阀采用顶部加载式，预先给定一控制压力，当模型内压力超过给定压力时自动泄压，保持模型出口压力不变，工作压力为30MPa，回压阀采用环腔式流体注入结构，通过环腔实现了流体的平衡注入，不会出现流体的点注入而出现气串的现象，流体从注气孔(压力控制口)向气腔内注入一定压力，使其压力值达到设计要求，由“流体进口”为模型的出口的流体(气体或液体均可)，当注入的流体压力大于设定的压力时，流体会从“流体出口”流出。
具体地，气液分离器用于回压阀出口采出物的气、液分离；气体流量计用于微量气体的计量及大量气体的连续计量，并可以用于湿式气体计量，精度为0.2％；天平用于出口液体体积计量，型号BS4202S，最大量程为4200g，精度为0.01g。
具体地，压力检测系统91由进出口压力传感器及数显二次仪表、测点压力传感器等部分组成。测点压力传感器量程分别为25MPa和5MPa，精度为0.1％F.S，25MPa的数量为2套，5MPa的数量为1套；测点压力传感器量程分别为25MPa，精度为0.1％F.S，数量15套，分5层布置。
温度检测系统92用于检测模型系统1内不同部位的温度场分布，测温范围：-50℃～-10℃，测温精度：±0.5℃数量15套，分5层布置。
具体地，微波加热控制系统93由微波波导管、电气电路、高压电路、磁控管、低压电路、定时器、功率分配器等组成。
具体地，微波波导管是一种微波传导元件，通过该微波波导管将电磁波发射到模型系1内的岩心中心孔内；电气电路分高压电路、控制电路和低压电路三部分；高压电路为高压变压器次级绕组之后的电路，包括磁控管、高压电容器、高压变压器、高压二极管；磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来的，磁控管工作时需要很高的脉动直流阳极电压和约3V～4V的阴极电压，由高压变压器及高压电容器、高压二极管构成的倍压整流电路为磁控管提供了满足上述要求的工作电压；低压电路为高压变压器初级绕组之前至微波装置电源入口之间的电路，也包括了控制电路，包括保险管、热断路器保护开关等；定时器：微波装置一般有两种定时方式，即机械式定时和计算机定时。基本功能是选择设定工作时间，设定时间过后，定时器可自动切断微波装置主电路；功率分配器用于调节磁控管的平均工作时间(即磁控管断续工作时，"工作"、"停止"时间的比例)，从而达到调节微波加热装置平均输出功率的目的。
具体地，冷热循环控制系统94可以控制模型系统1内部的温度，温度控制范围为-50℃至-10℃，所述冷热循环控制系统94内设置有风冷式工业冷水机，所述风冷式工业冷水机与所述冷循环管路18连接，风冷式工业冷水机的型号为HY-0502A，具体参数为：制冷功率：6.2kW，水泵功率：0.37kW，标准水流量：30L/min，标准接管直径φ20mm，数量为3台。
本实施例的具体流程：
渗透率测量系统3通过气瓶、调压阀、流量计进入模型系统1，通过模型系统1出、入口的压差，从而计算求得模型系统1的渗透率；气体注入系统通过静音压缩机、低压贮罐、气体增压泵、高压贮罐进入模型系统1，注入容器5通过活塞容器注入模型系统1，模型系统1外部设置有冷热循环控制系统94，注入的气体、液体可在模型系统1内的压力、温度条件下合成天然气水合物，再通过注入泵打水进入蒸汽发生器7，向模型系统1内通入高温水蒸气或者采用微波加热的方式进行水合物的分解过程，最后通过出口处的气体流量计和天平进行气体、液体的计量。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：包括模型系统(1)，所述模型系统(1)包括模型筒体(11)、左封头(12)和右封头(13)，所述模型筒体(11)与所述左封头(12)和右封头(13)连接形成一个密封的腔体(15)，所述模型系统(1)内设置有贯穿所述腔体(15)的微波加热棒(16)，所述微波加热棒(16)的外表面套设有微波加热绝缘保护套(17)，所述微波加热棒(16)的一端连接有微波加热控制系统(93)，所述腔体(15)四周设置有贯穿所述模型筒体(11)、左封头(12)和右封头(13)的冷循环管路(18)，所述冷循环管路(18)的一端连接有冷热循环控制系统(94)。
2.根据权利要求1所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：还包括：
气体增压系统(2)，用于对注入模型系统(1)的气体进行增压，以得到满足实验压力条件的高压气体；
定量注入系统(4)，所述定量注入系统(4)一端与所述气体增压系统(2)连接，另一端与所述模型系统(1)连接，用于对模型系统(1)进行气体的定量注入；
注入容器(5)，用于对模型系统(1)进行液体注入；
恒流泵(6)，所述恒流泵(6)与所述注入容器(5)连接，用于对注入容器(5)施加注入压力；
蒸汽发生器(7)，所述蒸汽发生器(7)一端与所述恒流泵(6)连接，另一端与所述模型系统(1)连接，用于将恒流泵(6)注入的水转化为高温水蒸气，注入到模型系统(1)中；
回压及计量系统(8)，所述回压与计量系统(8)与所述模型系统(1)连接，用于对模型系统(1)出口处的气体、液体进行计量。
3.根据权利要求2所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述气体增压系统(2)包括气体注入器、静音空气压缩机、低压空气贮罐、高压空气贮罐、气体增压泵和流量控制器；所述静音空气压缩机一端与所述气体注入器连接，另一端与所述低压空气贮罐连接；所述气体增压泵一端与所述低压空气贮罐，另一端与所述高压空气贮罐连接；所述流量控制器一端与所述高压空气贮罐连接，另一端与所述模型系统连接，所述高压空气贮罐与所述定量注入系统(4)连接。
4.根据权利要求2所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述蒸汽发生器(7)由多个个预热器(71)串联而成，所述预热器(71)与所述模型系统(1)连接，所述预热器(71)由加热管(711)和不锈钢盘管浇注而成。
5.根据权利要求2所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述回压及计量系统(8)内设置有回压阀、气液分离器、气体流量计和天平，所述回压阀一端与所述模型系统(1)连接，另一端与所述气液分离器连接，所述气体流量计与所述气液分离器的气体出口连接，所述天平与所述气液分离器的液体出口连接。
6.根据权利要求2所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所示注入容器(5)包括液体注入泵和活塞容器，所述液体注入泵和所述蒸汽发生器(7)分别与所述活塞容器连接。
7.根据权利要求1所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述模型系统(1)还包括模型旋转支架(14)，所述模型旋转支架(14)上设置有翻转轴座(141)，所述模型旋转支架(14)通过翻转轴座(141)与所述模型筒体(1)连接，所述翻转轴座(141)内设置有旋转轴承。
8.根据权利要求1所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述模型系统(1)还包括左法兰(191)、右法兰(192)和液压螺钉(193)，所述液压螺钉(193)包括第一液压螺钉和第二液压螺钉，所述左法兰(191)与所述左封头(12)之间通过第一液压螺钉连接，所述右法兰(192)与所述右封头(13)之间通过第二液压螺钉连接。
9.根据权利要求8所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：所述液压螺钉(193)内设置有活塞帽和螺杆，所述活塞帽与所述螺杆连接，所述活塞帽上设置有密封孔。
10.根据权利要求1所述的一种水合物增产模拟实验装置，其特征在于：还包括压力检测系统(91)和温度检测系统(92)，所述压力检测系统(91)与所述腔体(15)连接，所述温度检测系统(92)与所述腔体(15)连接，所述冷热循环控制系统(94)内设置有风冷式工业冷水机，所述风冷式工业冷水机与所述冷循环管路(18)连接。
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