CN110305705A - 一种成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种成岩类天然气水合物的制备装置及方法，涉及到天然气水合物的制备领域，装置包括水槽、天然气气瓶、真空泵、冷水存储罐、液压机和天然气水合物合成装置，所述水槽、预冷系统、注水泵与高压雾化器顺次相连，天然气气瓶、预冷系统、气体增压泵、高压雾化器顺次相连，高压雾化器设置于合成反应器内。本发明可实现定制地层天然气水合物的合成，为实验测试数据以及后续天然气水合物的开采技术的发展提供了技术支撑。

Description

一种成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及到天然气水合物的制备技术领域，特别是一种成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate)，外观似冰或者致密似雪的白色结晶固体有机化合物，化学式CH₄·xH₂O。即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压(＞10MPa)低温(＜10℃)条件下形成的类冰状的结晶物质，它是一种天然气与水的非化学计量笼形物。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。在高压下，甲烷气水包合物在18℃的温度下仍能维持稳定。一般的甲烷气水化合物组成为1摩尔的甲烷及每5.75摩尔的水，然而这个比例取决于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。据观测的密度大约在0.9cm&sup³。一升的甲烷气水包合物固体，在标准状况下，平均包含168升的甲烷气体。

天然气水合物的生成对水质没有特殊要求，含有一定量的杂质的水更容易生成天然气水合物。天然气水合物的形成必须满足三个条件：(1)有形成天然气水合物的物质基础，即水、小分子烃类物质；(2)需要满足一定温度(＜10℃)和压力(＞10MPa)的条件；(3)存在结晶中心，使水合物具有生长发展的基础。

根据上述天然气水合物的形成条件，因为在水中存在杂质的时候天然气水合物更容易形成，则考虑在形成天然气水合物的过程中加入适量的杂质，即一定量的砂砾，制作成成岩类天然气水合物。

天然气水合物具有能量高、密度大、性能稳定、环境污染小、制备技术简单、存储安全等特点，因此天然气水合物的合成和制备具有很高的研究意义。

在实验阶段，取天然形成的天然气水合物难度较大并且费用较高，故可以选用人造天然气水合物作为实验材料较为实用方便，且经济成本大大降低。针对上述问题，已经开发出了一些专利技术用于天然气水合物的合成工艺。例如，中国发明专利“块状可燃冰的连续制备装置及其制备方法”CN108192684A，设计出了一种可以一边生成一边取出的人造天然气水合物的装置，还例如发明专利“一种水合物快速合成装置”CN106010698，利用喷淋装置联合鼓泡法快速合成天然气水合物。日本专利JP2005263825A与美国专利US8354565B1，均将水与天然气混合后，经高压泵由射流器喷射进入反应器中，直接或在搅拌器搅拌装置下生成天然气水合物。中国专利“一种喷雾强化水合物连续制备装置”CN200951393Y，利用雾化器从反应器顶部喷嘴雾化水，已生成天然气水合物。

1、上述天然气水合物无法真实模拟地层中生成的天然水合物的状态，并且现有装置在形成产品过程中，成品率较低，无法进行产业批量制造，所以亟需对其进行改进。

2、上述大多数生成的天然气水合物无法形成成型的天然气水合物，进而无法在实验室内进行实验应用，无法放入实验室的岩心夹持器内，模拟地层条件进行气驱替换或者化学驱替换天然气水合物中的甲烷，从而模拟真实自然条件进行天然气水合物的开采，可得到相应需要的实验数据，进一步制定在自然条件下开采天然气水合物的方案。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，针对天然气水合物的形成条件，提出了一种能够自主设定压力、温度模拟不同地质条件下天然气水合物，为实验研究提供数据支持。

本发明采用如下技术方案：

一种成岩类天然气水合物的制备装置，包括水槽、天然气气瓶、真空泵、冷水存储罐、液压机和天然气水合物合成装置，所述水槽、进水管、预冷系统、注水泵、高压雾化器顺次连接，天然气气瓶、进气管、预冷系统、气体增压泵、高压雾化器顺次连接，气体增压泵与高压雾化器连接的管路上安装有压力传感器，所述高压雾化器安装于天然气水合物合成装置的合成反应器内，所述冷水储存罐、预冷系统、冷水循环泵顺次连接，所述冷水循环泵与天然气水合物合成装置壳体内的空腔连通，空腔出口与冷水储存罐连通，温度计安装在预冷系统、冷水循环泵之间的管路上，液压机的液压杆及压杆端部的液压活塞设置在天然气水合物合成装置中合成反应器内，所述真空泵与高压雾化器连通。

进一步的技术方案是，所述液压活塞上安装有橡胶密封圈。

进一步的技术方案是，还包括天然气合成装置装置盖上的合成反应器螺纹盖，并且合成反应器螺纹盖四角具有四个固定螺母安装孔。

进一步的技术方案是，所述液压活塞的直径略小于合成反应器内径。

进一步的技术方案是，所述合成反应器可为空心圆柱状或者空心长方体等形状。

进一步的技术方案是，合成反应开始前，在合成反应器内加入一定量的砂砾。

一种成岩类天然气水合物的制备方法，包括如下步骤：

A.根据模拟实际地层来选择不同砂砾的粒径，将选择好的砂砾，加入到天然气水合物合成装置中的合成反应器中；

B.将液压机上的液压杆端部的液压活塞从天然气水合物合成装置盖的对应孔洞安装到天然气水合物合成装置中的合成反应器中，营造密闭环境；

C.将天然气水合物合成装置盖安装到天然气水合物合成装置上，并将四角的螺母安装固定；

D.使用真空泵对天然气水合物合成装置中的合成反应器抽真空处理，排空合成反应器内的空气；

E.打开冷水循环泵，使得冷水储存罐中的冷水依次通过预冷系统C进入到天然气水合物合成装置壳体空腔中，对天然气水合物合成装置进行降温处理，设置的温度可根据需要实际模拟地层的温度进行设定；

F.打开注水泵，使水槽中水依次通过进水管、预冷系统a、高压雾化器后进入天然气水合物合成装置中的合成反应器中，与原有砂砾充分混合；

G.根据实际需要模拟地层的压力条件设置气体增压泵的压力，将天然气气瓶中的天然气增压后，通过进气管、预冷系统b、压力传感器、高压雾化器送入天然气水合物合成装置中的合成反应器中；

H.待充分反应一段时间后，打开液压机，通过液压机上的液压杆连接的液压活塞给天然气水合物合成装置的合成反应器内部未成形的成岩类天然气水合物增加压力，可形成一定形状的天然气水合物；

I.关闭反应装置，打开合成反应器螺纹盖，即可取出柱状成岩类天然气水合物。

本发明的有益效果：

1)本发明可制成成岩类天然气水合物，并可根据实验需要模拟不同地质条件生成的天然水合物，通过设计不同压力条件、不同温度系数，不同围壳形状，从而制成不同形状、不同含沙量、不同甲烷与与水比例的天然气水合物。

2)本发明在制作成岩类天然气水合物时，在合成反应器中加入砂砾后，先加入水，后通入天然气，这样操作可以使砂砾充分与水混合，再通入天然气后，在砂砾间生成天然气水合物，则可以制成成岩类天然气水合物。与现有技术中的同时通入水和天然气相比，不会造成生成的天然气水合物不能与砂砾成分的混合。

3)可实现定制地层天然气水合物的合成，为实验测试数据以及后续天然气水合物的开采技术的发展提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为天然气水合物合成装置的俯视图；

图中：1-液压机、2-液压杆、3-固定螺母、4-天然气水合物合成装置盖、5-液压活塞、6-橡胶密封圈、7-天然气水合物合成装置、8-合成反应器、9-冷凝循环水、10-合成反应器螺纹盖、11-温度计、12-冷水循环泵、13-预冷系统c、14-冷水储存罐、15-真空泵a、16-真空泵b、17-水槽、18-进水管、19-预冷系统a、20-注水泵、21-压力传感器、22-气体增压泵、23-预冷系统b、24-进气管、25-天然气气瓶、26-高压雾化器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种成岩类天然气水合物的制备装置，包括水槽17、天然气气瓶25、真空泵(a15,b16)、冷水存储罐14、液压机1和天然气水合物合成装置7，所述水槽17、进水管18、预冷系统a19、注水泵20、高压雾化器26顺次连接，天然气气瓶25、进气管24、预冷系统b23、气体增压泵22、高压雾化器26顺次连接，气体增压泵22与高压雾化器26连接的管路上安装有压力传感器21，所述高压雾化器26安装于天然气水合物合成装置7的合成反应器8内，所述冷水储存罐14、预冷系统C13、冷水循环泵12顺次连接，温度计11安装在预冷系统C13、冷水循环泵14之间的管路上，所述冷水循环泵12与天然气水合物合成装置7壳体内的空腔连通，空腔出口与冷水储存罐14连通，液压机1的液压杆2及压杆端部的液压活塞5设置在天然气水合物合成装置7中合成反应器8内，所述真空泵(a15/b16)与高压雾化器26连通。

进一步的技术方案是，所述液压活塞5上安装有橡胶密封圈。

进一步的技术方案是，还包括天然气合成装置装置盖4上的合成反应器螺纹盖10，并且合成反应器螺纹盖10四角具有四个固定螺母3安装孔。

进一步的技术方案是，所述液压活塞5的直径略小于合成反应器8内径。

进一步的技术方案是，所述合成反应器8可为空心圆柱状或者空心长方体等形状。

本发明的一种成岩天然气水合物的制备装置，包括，该装置通过预先在合成反应器8中加入一定量的砂砾并密封固定，水通过注水泵20进入到合成反应器8中，天然气利用气体增压泵22增压进入到合成反应器8中。通过冷水循环泵12，对天然气水合物合成装置7进行降温处理。上述过程即可达到天然气水合物形成所需要的物质条件和外部条件，及对应的压力和温度。

具体的，如图1-2所示，首先在天然气水合物合成装置7中的合成反应器8中加入一定量的砂砾，将合成反应器螺纹盖10安装到与天然气水合物合成装置7中的合成反应器8的对应处，将液压机1的液压杆2的液压活塞5从天然气水合物合成装置盖4上对应的孔洞伸入到天然气水合物合成装置7的合成反应器8中，再将天然气水合物合成装置盖4安装到天然气水合物合成装置7上，并将四角的固定螺母3安装固定，营造密闭环境，使用真空泵(a15,b16)排空合成反应器8内的空气。

水槽17中的水通过注水泵20的作用进入到天然气水合物合成装置7中的合成反应器8中，天然气气瓶25中的天然气利用气体增压泵22进入天然气水合物合成装置7中的合成反应器8中。并且在通入水和天然气的过程中，通过冷水循环泵12，使冷水储存罐14中冷水进入到天然气水合物合成装置7的壳体的空腔中循环。

上述过程即达到天然气水合物形成所需要的物质条件和外部条件，及对应的压力和温度。

待反应时间达到一定上限后，打开液压机1，通过液压机1上液压杆2连接的液压活塞5给天然气水合物合成装置7中的合成反应器8内部未成形的成岩类天然气水合物增加压力，可加快形成一定形状的成岩类天然气水合物。

参与天然气水合物合成的水和天然气在进入到合成反应器8前均经过预冷系统的降温处理，使天然气水合物合成的外部条件尽快到达，缩短了天然气水合物反应的时间。

参与天然气水合物合成的水和天然气在进入到合成反应器8前均经过预冷系统(a15、b16)的降温处理，使天然气水合物合成的外部条件尽快到达，缩短了天然气水合物反应的时间。

天然气水合物在合成反应器8内的合成过程中，天然气通过气体增压泵22和压力传感器21进行控制，使合成反应器内的压力8一直稳定在设定的压力范围内。天然气水合物合成装置7壳体的空腔中的冷水通过冷水循环泵12、预冷系统C13和温度计11控制，使合成反应器8内的温度一直保持在设定的温度内。天然气水合物合成装置7外部用隔热材料保护以降低能耗。

一种成岩类天然气水合物的制备方法，包括如下步骤：

A.根据模拟实际地层来选择不同砂砾的粒径，将选择好的砂砾，加入到天然气水合物合成装置中的合成反应其中；；

B.将天然气水合物合成装置4安装到天然气水合物合成装置7上，并将四角的固定螺母3安装固定；

C.将液压机1上液压杆2及液压杆2端部的液压活塞5从天然气水合物合成装置盖4的对应孔洞伸入到天然气水合物合成装置7中的合成反应器8中；

D.使用真空泵(a15,b16)对天然气水合物合成装置7中的合成反应器8进行抽真空处理，排空合成反应器8内的空气；

E.打开冷水循环泵12，使冷水储存罐14中冷水依次通过预冷系统C13，进入到天然气水合物合成装置7的壳体空腔中，对天然气水合物合成装置7进行降温处理，设置的温度可根据实际需要模拟地层的温度进行设定；

F.打开注水泵20，使水槽17中的水依次通过进水管18、预冷系统a19、高压雾化器26后进入到天然气水合物合成装置7中的合成反应器8中，与原有砂砾充分混合；

G.根据实际需要模拟地层的压力条件，设置气体增压泵22的压力，将天然气气瓶25中的天然气增压后通过进气管24、预冷系统23、压力传感器21、高压雾化器26，最后通入合成反应器8中，

F.带反应达到一定时间后，打开液压机1，通过液压杆2连接的液压活塞5给天然气水合物合成装置7中的合成反应器8内部未成形的成岩类天然气水合物增加压力，可加速形成一定形状的成岩类天然气水合物；

I.关闭所有阀门，打开合成反应器螺纹盖10，即可取出成岩类天然气水合物。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，包括天然气气瓶、真空泵、冷水储存罐、液压机和天然气水合物合成装置，水槽、注水泵、高压雾化器顺次连接，天然气气瓶、气体增压泵、高压雾化器顺次连接，高压雾化器安装于天然气水合物合成装置的合成反应器内，冷水存储罐、预冷系统、冷水循环泵顺次连接，冷水循环泵与天然气水合物合成装置的壳体空腔连接，壳体空腔的出口连接冷水存储罐入口，液压机的液压杆及端部设置于合成反应器内，所述高压雾化器还与真空泵相连。

2.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，在合成反应前，在合成反应器内放入一定量的砂砾。

3.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，合成反应器为空心容器，具体形状根据需要定制。

4.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，还包括合天然气水合物合成装置盖，安装在天然气水合物合成装置上，并且在天然气水合物合成装置盖的四角设有用于固定螺母安装的孔。

5.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述液压杆端部为液压活塞，液压活塞上安装有密封橡胶圈。

6.根据权利要求1或5所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述液压活塞的直径略小于合成反应器的内径。

7.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述的水槽通过进水管与水槽连接，进水管与注水泵连接的管路上安装有预冷系统a。

8.根据权利要求1或7所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，还包括进气管、预冷系统b，进气管进口端与天然气气瓶连接，出口端安装在预冷系统b上，预冷系统b出口端与气体增压泵连接，在气体增压泵与高压雾化器连接的管路上还设有压力传感器。

9.根据权利要求1所述的一种成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述预冷系统a与冷水循环泵之间的管路上安装有温度计。

10.一种成岩类天然气水合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.根据模拟实际地层来选择不同粒径的砂砾，将选择好的砂砾，加入到天然气水合物合成装置中的合成反应器中；

步骤2.将液压机上液压杆及端部的液压活塞从天然气水合物合成装置盖上的孔洞安装到合成反应器中；

步骤3.将天然气水合物合成装置盖安装到天然气水合物合成装置上，并将四角的固定螺母安装固定；

步骤4.使用真空泵对合成反应器抽真空处理；

步骤5.打开冷水循环泵，使冷水储存罐中冷水依次通过冷却系统进入天然气水合物合成装置壳体空腔中，对其进行降温处理，设置的温度可根据实际需要模拟地层的温度进行设定；

步骤6.打开注水泵，使水槽中的水进入到合成反应器中，与原有砂砾充分混合；

步骤7.根据实际需要模拟地层的压力条件设置气体增压泵的压力，将天然气气泵中天然气通入合成反应器内；

步骤8，待充分反应一定时间后，打开液压机，通过液压机向合成反应器内施加压力，可加速形成一定形状的天然气水合物；

步骤9.停止合成反应，打开合成反应器螺纹盖，即可取出成岩类天然气水合物。