CN110305706A - 一种新型成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型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技术领域，包括水槽、天然气气瓶、真空泵、冷水存储罐、围压泵和天然气水合物合成装置，所述水槽依次连接进水管、冷水预冷系统a、注水泵、高压雾化器；所述天然气气瓶依次连接进气管、预冷系统b、气体增压泵、高压雾化器，所述气体增压泵与高压雾化器连通的管道上安装有压力传感器。本发明能够调节成岩类天然气水合物的合成条件，提高成岩类天然气水合物的形成概率，可以合成所需要形状的成岩类天然气水合物。

Description

一种新型成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物的制备技术领域，特别是一种新型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，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0.9g/cm&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。

天然气水合物具有能量高、密度大、性能稳定、环境污染较小、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，且经济成本大为降低。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产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。

上述天然气水合物的生成虽然快速有效，但是无法模拟真实地层中生成的天然气水合物状态，在实验室内无法进行实验应用，如模拟地层条件进行气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，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。

并且上述天然气水合物合成中形成的成品率较低，无法进行产业批量制造，所以亟需对其进行改进。

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，提出了一种新型成岩类天然气水合物的制备装置及制备方法，能够进行改善成岩类天然气水合物的合成方式，大大提高成岩类天然气水合物的形成概率，并且可以合成所需要形状的成岩类天然气水合物。

本发明采用如下技术方案：

一种新型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、围压泵和天然气水合物合成装置，所述水槽、进水管、冷水预冷系统a、注水泵、高压雾化器(a,b)依次连接；

所述天然气气瓶、进气管、预冷系统b、气体增压泵、高压雾化器(a,b)依次连接，所述气体增压泵与高压雾化器b连通的管道上安装有压力传感器，高压雾化器(a,b)分别设置于合成反应器(a,b)的上方；

所述天然气水合物合成装置的壳体内设有空腔，所述空腔内充满冷却用的循环水，冷水储水罐中依次连通预冷系统、冷水循环泵，最后与所述空腔入口连通，所述预冷系统和冷水循环泵之间的管道上安装有温度计，并且空腔的出口端与冷水储水罐的入口端连通，使空腔内填充有冷却用的循环水；

天然气水合物合成装置中的合成反应器内部设有围压套管，围压套管与围压泵连通。

进一步的技术方案是，所述天然气水合物合成装置的壳体内空腔为环绕状。

进一步的技术方案是，合成反应器a内设围压套管a，合成反应器b内设围压套管b，围压套管a与围压泵a连通，围压套管b与围压泵b连通。

进一步的技术方案是，天然气水合物合成装置盖上四角设有四个固定螺母与水合物合成装置的四角设有的螺孔对应，起定位和固定的作用；

并且合成反应器螺纹盖a、反应器螺纹盖b分别与合成反应器(a,b)相配合，起固定和密封作用。

上述一种新型成岩类天然气水合物的制备装置基础上，提出了一种新型成岩类天然气水合物的制备方法，包括以下步骤：

a、在天然气水合物合成装置内的合成反应器内加入一定量的砂砾，砂砾的成分可根据需要模拟的实际地层来进行选择；

b、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，并将四角的螺母固定；

c、将天然气水合物合成装置盖上的合成反应器螺纹盖安装到合成反应器上；

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，排空合成反应器内的空气；

e、打开冷水循环泵，使冷水存储罐中冷水依次通过预冷系统，进入到天然气水合物合成装置的壳体空腔中，对天然气水合物合成装置进行降温处理,且冷水存储罐中的冷水的温度可以通过预冷系统设定，根据实际需要进行调节，并通过温度及进行测量；

f、打开注水泵，使水槽中的水依次通过进水管、预冷系统、高压雾化器后进入到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、设置气体增压泵的压力，待天然气气瓶中的天然气依次通过进气管、预冷系统，进入气体增压泵内进行增压，并利用压力传感器检测压力值，增压后的天然气通过高压雾化器后，送入天然气水合物合成装置中的合成反应器中，且气体增压泵的压力可根据实际需要进行调节，并通过压力传感器进行测量；

h、待充分反应形成成岩类天然气水合物后，打开围压泵，给天然气水合物合成装置中的合成反应器内部设有围压套管增加围压，可形成柱状成岩类天然气水合物，且围压泵的压力可以根据实际需要进行调节；

i、关闭注水泵和气体增压泵，打开固定螺母与合成反应器螺纹盖，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)本发明与现有技术相比，在合成反应器中预先加入砂砾后，砂砾可以成为生成天然气水合物的结晶中心，使水合物具有生长发展的基础。

附图说明

图1为本发明的制备装置的结构示意图；

图2为本发明的制备装置的天然气水合物合成装置的俯视图。

图中：1-水槽、2-进水管、3-预冷系统a、4-注水泵、5-压力传感器、6-气体增压泵、7-预冷系统b、8-天然气气瓶、9-真空泵a、10-真空泵b、11-天然气水合物合成装置盖、12-固定螺母a、13-合成反应器螺纹盖a、14-合成反应器螺纹盖b、15-固定螺母b、16-高压雾化器a、17-高压雾化器b、18-合成反应器a、19-合成反应器b、20-围压套管a、21-围压套管b、22-围压泵a、23-围压泵b、24-冷凝循环水、25-冷水循环泵、26-预冷系统c、27-冷水存储罐、28-温度计、29-进气管、30-天然气水合物合成装置。

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。

发明原理：

合成柱状成岩类天然气水合物时，首先在天然气水合物合成装置中的合成反应器内加入一定量的砂砾，通过将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，并将四角的固定螺母安装固定，再将天然气水合物合成装置盖上的合成反应器螺纹盖安装到天然气水合物合成装置中的合成反应器上，对合成反应器进行密封处理，使用真空泵排空合成反应器内的空气。

水槽中的水通过注水泵的压力进入到天然气水合物合成装置中的合成反应器中，天然气气瓶中的天然气利用气体增压泵增压进入到天然气水合物合成装置中的合成反应器中。通过冷水循环泵，使冷水存储罐中冷水依次进入到天然气水合物合成装置的壳体空腔中，对天然气水合物合成装置进行降温处理。

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。

待充分反应形成成岩类天然气水合物后，打开围压泵，给天然气水合物合成装置中的合成反应器外的围压套管增压围压，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达到，缩短天然气水合物反应的时间。

天然气水合物在合成反应器内的合成过程中，天然气通过增压泵和压力传感器进行控制，使合成反应器内的压力一直稳定在设定的压力范围内。天然气水合物合成装置的壳体空腔中的冷水通过冷水循环泵、预冷系统和温度计控制，使合成反应器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外壳用隔热材料保护以降低能耗。

实施例

如图1所示，本发明的一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，包括水槽1、天然气气瓶8、真空泵、冷水储存罐27、围压泵和天然气水合物合成装置30，所述水槽1连接进水管2,进水管2连接预冷系统a3，预冷系统a3连接注水泵4，注水泵4连接高压雾化器(a16,b17),高压雾化器a16设置于合成反应器a18上部，合成反应器a18设置于天然气水合物合成装置30内。

所述天然气气瓶8连接预冷系统b7，预冷系统b7连接气体增压泵6，气体增压泵6连接高压雾化器(a16,b17)，高压雾化器b17设置于合成反应器b19上部，合成反应器b19设置于天然气水合物合成装置30内，并且在高压雾化器b17与气体增压泵6连接的管道上安装有压力传感器5。

如图2所示，高压雾化器可设置为4个，对应的合成反应器也设置为4个，当然还可根据具体的情况，增加或减少相应的高压雾化器及合成反应器的个数。

所述真空泵a9通过管道与高压雾化器a16相连通，真空泵b9通过管道与高压雾化器b17相连通。如图2可设置为每一个高压雾化器连接一个真空泵。

合成反应器螺纹盖(a13,b14)通过螺纹安装在天然气水合物合成装置盖11上，并且在合成反应器螺纹盖(a13,b14)与天然气水合物合成装置盖11缝隙处设置有密封圈，并且合成反应器(a18,b19)的螺纹盖的长度＜合成反应器(a18，b19)的长度，天然气水合物合成装置盖11上设置有固定螺母(a12,b15)，用于连接固定于天然气水合物合成装置盖11上，如图2固定螺母为4个，当然还可根据连接要求增加或减少。

所述合成反应器(a18,b19)内设有围压管套(a20,b21)，围压套管a20与围压泵a22连接，围压套管b21与围压泵b23连接，如图2所示，4合成反应器外分别设有1个围压套管，当然还可根据具体的生产要求增加或者减少围压合成装置与围压套管的个数。

所述围压套管在图2中为圆柱状，当然还可根据需要设置为正方体状或长方体状等形状。

所述围压套管具有良好的抗压能力、弹性和耐磨性，选用全氟橡胶或者丁腈橡胶为原材料制作。

所述天然气水合物合成装置30的外壳内有环绕的空腔，空腔内设有冷凝循环水，冷水存储罐27与预冷系统c26相连，预冷系统c26与冷水循环泵25相连，冷水循环泵25与空腔入口相连，空腔出口端连接在冷水存储罐27的入口上。

所述预冷系统c26与冷水循环泵25连接的管道上安装有温度计28。

一种新型成岩类天然气水合物的制备方法，包括以下步骤：

a、在天然气水合物合成装置30内的合成反应器内加入一定量的砂砾，砂砾的成分可根据需要模拟实际地层来进行选择；

b、将天然气水合物合成装置盖11安装到天然气水合物合成装置30上，并将四角的螺母固定；

c、将天然气水合物合成装置盖11上的合成反应器螺纹盖安装到合成反应器上；

d、使用真空泵对天然气水合物合成装置30中的合成反应器抽真空，排空合成反应器内的空气；

e、打开冷水循环泵25，使冷水存储罐27中冷水依次通过预冷系统，进入到天然气水合物合成装置30的壳体空腔中，对天然气水合物合成装置30进行降温处理，且冷水储存罐27中的冷水的温度可以通过预冷系统设定，根据实际需要进行调节，并通过温度及进行测量；

f、打开注水泵，使水槽1中的水依次通过进水管2、预冷系统、高压雾化器后进入到天然气水合物合成装置30中的合成反应器中，与原有砂砾充分混合；

g、设置气体增压泵6的压力，待天然气气瓶8中的天然气依次通过进气管2、预冷系统，进入气体增压泵6内进行增压，并利用压力传感器5检测压力值，增压后的天然气通过高压雾化器16后，送入天然气水合物合成装置30中的合成反应器中，且气体增压泵6的压力可以根据实际需要进行调节，并通过压力传感器5进行测量；

h、待充分反应形成成岩类天然气水合物后，打开围压泵，给天然气水合物合成装置30中的合成反应器内部设有围压套管增加围压，可形成柱状成岩类天然气水合物，且围压泵的压力可以根据实际需要进行调节；

i、关闭注水泵和气体增压泵，打开固定螺母与合成反应器螺纹盖，即可取出柱状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 (9)

1.一种新型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、围压泵和天然气水合物合成装置，其特征在于，所述水槽、进水管、冷水预冷系统a、注水泵、高压雾化器顺次连接；

所述天然气气瓶、进气管、预冷系统b、气体增压泵、高压雾化器顺次连接，所述气体增压泵与高压雾化器连通的管道上安装有压力传感器；

高压雾化器设置于天然气水合物合成装置中的合成反应器上部；真空泵通过管道与高压雾化器相连通；

天然气水合物合成装置中的合成反应器内部设有围压套管，围压套管与围压泵连通；

所述天然气水合物合成装置的壳体内设有空腔，所述空腔内充满冷却用的循环水，冷水储水罐中、预冷系统、冷水循环泵顺次连接，冷水循环泵最后与所述空腔入口连通，所述预冷系统和冷水循环泵之间的管道上安装有温度计，并且空腔的出口端与冷水储水罐的入口端连通，使空腔内循环有冷却用的循环水；

天然气水合物合成装置盖上设有的固定螺母与水合物合成装置的四角设有的螺孔对应，并且合成反应器螺纹盖分别与合成反应器相配合。

2.根据权利要求1所述一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述高压雾化器为多个，每个高压雾化器对应1个合成反应器，且每个合成反应器内设1个围压套管，围压套管的形状根据实验需要设计。

3.根据权利要求1所述一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，合成操作前，所述合成装置内放置有一定量砂砾。

4.根据权利要求1所述一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述每个高压雾化器分别对应1个真空泵。

5.根据权利要求1所述的一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述围压套管具有良好的抗压能力、弹性和耐磨性，选用全氟橡胶或者丁腈橡胶为原材料制作。

6.一种新型成岩类天然气水合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在天然气水合物合成装置内的合成反应器内加入一定量的砂砾，砂砾的成分可根据需要模拟的实际地层来进行选择；

b、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，并将四角的螺母固定；

c、将天然气水合物合成装置盖上的合成反应器螺纹盖安装到合成反应器上；

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，排空合成反应器内的空气；

e、打开冷水循环泵，使冷水存储罐中冷水依次通过预冷系统，进入到天然气水合物合成装置的壳体空腔中，对天然气水合物合成装置进行降温处理，且冷水存储罐中的冷水的温度可以通过预冷系统设定，根据实际需要进行调节，并通过温度计进行测量；

f、打开注水泵，使水槽中的水依次通过进水管、预冷系统、高压雾化器后进入到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、设置气体增压泵的压力，待天然气气瓶中的天然气依次通过进气管、预冷系统，气体增压泵，在气体增压泵内进行增压，并利用压力传感器检测压力值，增压后的天然气通过高压雾化器，送入天然气水合物合成装置中的合成反应器内，且气体增压泵的压力可以根据实际需要进行调节，并通过压力传感器进行测量；

h、待充分反应形成成岩类天然气水合物后，打开围压泵，给天然气水合物合成装置中的合成反应器内部设有围压套管增加围压，可形成设定形状成岩类天然气水合物，且围压泵的压力可以根据实际需要进行调节；

i、关闭注水泵和气体增压泵，打开固定螺母与合成反应器螺纹盖，即可取出设定形状的成岩类天然气水合物。

7.根据权利要求1或者6所述一种新型成岩类天然气水合物的制备方法，其特征在于，所述的合成反应器螺纹盖通过螺纹安装在天然气水合物合成装置盖上，并且在连接处设有密封圈。

8.根据权利要求1或者6所述一种新型成岩类天然气水合物的制备方法，其特征在于，所述的天然气水合物合成装置外设有保温材料。

9.根据权利要求1或6所述一种新型成岩类天然气水合物的制备装置，其特征在于，所述围压套管的形状为圆柱状、正方体状、长方体状中的任意一种。