CN110306952A - 一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置及试验方法 - Google Patents
一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置及试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置及试验方法，涉及天然气水合物开采领域，试验装置包括反应器、恒温水浴系统、增压供气系统、稳流供液系统、上覆应力加载系统、抽真空系统、天然气水合物产物处理及计量系统、数据采集系统。本发明在反应器中模拟天然气水合物在石英砂体中生成，模拟海洋砂岩储层开采环境；试验装置前期进行降压法开采，后采用二氧化碳置换开采天然气水合物；通过控制、调节反应器中的压力和温度，实现注入二氧化碳和开采天然气水合物同时进行，提高二氧化碳置换天然气水合物的开采效果。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其是一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置及试验方法。
背景技术
天然气水合物主要分布于深海沉积物或陆域永久冻土，全球已探明天然气水合物的天然气总含量达到了(1.8-2.1)×1016m3，其有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料(煤、石油、天然气)总量的两倍。但到目前为止，天然气水合物的开采方法尚处于理论和实验研究阶段，没有形成一套完整的天然气水合物开采理论与技术，无法进行大规模商业化开采。目前天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激发法、二氧化碳置换法、注化学抑制剂法。
降压法通常是降低水合物层下伏游离气层的压力或抽取水合物储层流体，该法开采水合物过程无热量消耗和损失，不需要连续激发，成本较低，是所有开采方法中的首选方法，但天然气水合物的开采会引起地层强度的降低，可能导致地层失稳，造成大量出砂造成井口堵塞。二氧化碳置换法是使用二氧化碳代替水合物晶格中的甲烷分子，其可以实现二氧化碳封存以减缓气候变化，并能够回收甲烷用于能源生产。但二氧化碳置换法置换速率极低，还需要更多的研究测试其开采可行性。随着相关技术和数据越来越成熟，按照实际开采环境设计一套模拟开采装置，通过试验模拟降压法和二氧化碳置换法开采天然气水合物，提高开采效率，为大规模商业开采提供借鉴。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置及试验方法，在反应器中填充石英砂体，模拟天然气水合物在砂岩储层的生成环境，先后采用降压法、二氧化碳置换法开采天然气水合物，通过控制、调节反应器中的压力和温度，具体分析两种开采方式在不同开采条件下的开采效果。
本发明通过以下技术方案实现：
具体地，本发明提供一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其包括反应器、恒温水浴系统、增压供气系统、稳流供液系统、上覆应力加载系统、抽真空系统、天然气水合物产物处理及计量系统以及数据采集系统；
所述反应器包括箱体、应力加载活塞、箱体上部的顶盖以及固定在箱体内部一侧面的注气管，所述应力加载活塞能够紧贴箱体内壁做上下运动，所述注气管对立侧面设置有采气管，所述注气管的高度低于所述采气管的高度，所述应力加载活塞的上部连接有活塞杆，所述活塞杆内部为中空管道，所述活塞杆穿过顶盖，所述活塞杆顶部设置有气液进口，所述反应器顶盖上设置有进液口，所述箱体底部设有排水口、排水阀以及温度探针安装孔，
所述恒温水浴系统包括水浴箱、恒温制冷器以及温度传感器，水浴箱底部设有进液口和出液口，所述进液口与恒温制冷器的出液口通过管线连通，水浴箱底部的出液口与恒温制冷器的进液口通过管线连通；
所述增压供气系统包括二氧化碳气瓶、甲烷气瓶和气体增压泵，所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶均与所述反应器的注气管连通，二氧化碳气瓶、甲烷气瓶和注气管之间设置所述气体增压泵，
所述稳流供液系统包括供水罐以及平流泵，所述供水罐与所述反应器的活塞杆顶部的气液进口连通，所述供水罐与所述气液进口之间设置所述平流泵，
所述上覆应力加载系统包括液体增压泵，所述液体增压泵与所述反应器的顶盖上的进液口连通，
所述抽真空系统包括真空泵，所述真空泵与所述反应器的活塞杆顶部气液进口连通，
所述天然气水合物产物处理及计量系统包括过滤缓冲器、吸附干燥管、第三气体流量计和甲烷采出气瓶，过滤缓冲器顶部设有进气口和出气口，所述进气口与所述反应器的采气管连通，出气口与甲烷采出气瓶连通，所述过滤缓冲器的出气口附近设置有吸附干燥管；
所述数据采集系统包括数据采集显示器和固定在所述反应器的箱体底部的温度探针，所述增压供气系统、天然气水合物产物处理及计量系统、抽真空系统、所述恒温水浴系统的温度传感器以及所述温度探针的信号输出端均连接所述数据采集显示器，所述温度探针的探测端伸入箱体内部。
优选地，所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶的出口管线上分别设有第一止回阀和第二止回阀，第一止回阀和第二止回阀的出口借助于管线与所述反应器的注气管连通，第一止回阀和第二止回阀通往注气管的主管线上设置有气体增压泵，靠近注气管的主管线上设置有第一截止阀以及旁通管线，所述旁通管线连接到反应器的采气管的外部管线上，所述外部管线上设有第一旁通阀和第二旁通阀，所述气体增压泵和第一截止阀之间的主管线上设置有第一气体流量计，第一截止阀与注气管之间的主管线上设有第一压力表；
所述供水罐与所述反应器的活塞杆顶部的气液进口通过管线连通，该管线上设置有平流泵，靠近供水罐出液口的管线上设置有第三止回阀，所述活塞杆顶部气液进口与平流泵之间的管线上设有第二压力表和第二截止阀，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第一泄压阀；
所述液体增压泵与所述反应器的顶盖上的进液口通过管线连通，靠近液体增压泵输出口的管线上设有第四止回阀，所述第四止回阀与顶盖上进液口之间的管线上设有第三截止阀和第三压力表，靠近顶盖上进液口的管线上设有第二泄压阀；
所述真空泵与所述反应器的活塞杆顶部气液进口通过管线连通，管线上设有第二气体流量计，靠近真空泵输出口的管线上设有第五止回阀，所述第二气体流量计与活塞杆顶部气液进口之间的管道上设有第四截止阀和第四压力表，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第三泄压阀；
所述过滤缓冲器的进气口与所述反应器的采气管通过管线连通，出气口与甲烷采出气瓶通过管线连通，采气管与过滤缓冲器进气口之间的管线上设有第五压力表、第五截止阀、控制阀以及旁通管线，所述旁通管线连接到反应器的注气管的外部管线上，该外部管线上设置有第三旁通阀和第四旁通阀，靠近过滤缓冲器出气口的管线上设有吸附干燥管，所述吸附干燥管与甲烷采出气瓶之间的管线上设有第三气体流量计，甲烷采出气瓶的进口管线上设有第六止回阀。
优选地，所述注气管对立侧面设置有采气管，注气管和采气管为一端开口的防砂衬管，注气管、采气管与箱体之间分别采用法兰连接方式，所述应力加载活塞与箱体、活塞杆与顶盖、顶盖与箱体之间分别通过密封件进行密封；活塞杆顶部的进液口与外部管线连通，活塞杆顶部安装有限位螺母；所述反应器放置于恒温水浴系统的水浴箱内，所述反应器的箱体与应力加载活塞之间的空间使用石英砂进行填充，石英砂与应力加载活塞之间采用过滤棉隔开。
优选的，所述恒温水浴系统的水浴箱内部设有支架来支撑反应器，便于反应器的箱体底部连接管线。
优选的，所述反应器的应力加载活塞上采用双活塞杆结构。
优选的，所述天然气水合物产物处理及计量系统的过滤缓冲器内装有蒸馏水，通过采出气进入过滤缓冲器，避免采出气过高压力造成试验危险性，同时起到气液分离的效果；吸附干燥管内装有碱石灰，可分离采出气中二氧化碳，后通过气体流量计的测量，得到采出天然气的具体体积。
优选的，所述恒温水浴系统的水浴箱内温度为-20～80℃；
所述增压供气系统的气体增压泵的压力为2～30MPa。
优选地，本发明还提供一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验方法，其包括以下步骤：
S1、准备工作：安装反应器，并对反应器进行清洗和抽真空；
S2、制备天然气水合物：通过稳压供水系统和增压供气系统注入一定量的水和甲烷气体后反应生成天然气水合物，运行上覆应力加载系统对石英砂进行加压，压力加载到10MPa，运行恒温水浴系统使反应器处于低温环境,温度恒定保持在3℃，进行足够的天然气水合物生成时间，通过温度传感器实时测试反应器内温度；
S3、二次抽真空：降低水浴温度到-1℃，防止天然气水合物分解，运行抽真空系统排出反应器中的未反应的甲烷气体；
S4、降压法开采：保持恒定的反应器内温度和压力，打开与采气管连接的控制阀，通过反应器内压力降低，使天然气水合物分解，进行降压开采，通过甲烷气瓶收集降压开采所采出的甲烷气体，直到第三气体流量计测量不再有甲烷气体产出，关闭控制阀，停止降压法开采；
S5、二氧化碳置换法开采：通过增压供气系统注入一定量的二氧化碳气体通过注气管进入反应器，开始二氧化碳置换开采剩余的天然气水合物，向反应器中注入一段时间的二氧化碳，使置换反应充分进行后，打开采气管一侧的控制阀，收集采出气，注气管侧边注入二氧化碳，采气管侧收集采出气，采出气通过过滤缓冲器，后经过吸附干燥管，分离采出气中的二氧化碳和甲烷，第三气体流量计测得采出甲烷气体量，进入甲烷采出气瓶，直到第三气体流量计测量不再有甲烷气体产出，停止二氧化碳的注入，关闭二氧化碳气瓶、第一截止阀、第五截止阀和控制阀，结束二氧化碳置换天然气水合物反应；
S6、数据分析：通过数据采集系统实时记录注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，实时测试反应器内温度和压力的变化，分析降压法开采和二氧化碳置换法开采天然气水合物的开采效果；
S7、改变温度或压力参数，进行多次试验：设置反应器内不同的压力和温度条件，控制反应器内温度，试验不同压力下的二氧化碳置换法的开采效果，控制反应器内压力，试验不同温度下的二氧化碳置换法的开采效果，分别分析温度和压力对二氧化碳置换法开采效果的影响程度。
优选地，步骤S1具体为：安装反应器：首先安装温度探针，将石英砂装入反应器的箱体，填至一定的高度后放入过滤棉，放置应力加载活塞，最后安装顶盖和限位螺母；
清洗反应器：运行稳压供水系统，通过平流泵将供水罐中的去离子水泵入反应器中清洗石英砂和箱体内壁，同时打开反应器底端排水阀，清洗完毕后，关闭平流泵和排水阀；
第一次抽真空：运行抽真空系统，通过真空泵排出反应器中的空气，保证反应器内处于真空状态。
优选地，步骤S5还包括注气管和采气管位置互换实验：重复步骤S1-S5，首先关闭直接连接注气管的第一截止阀和采气管道的第五截止阀，再打开所有的旁通阀以连通旁通管路，从而改变注气管和采气管的相对位置，选取最优的注气管和采气管的位置关系，得到最佳二氧化碳置换开采方法。
本发明与现有的技术相比，具有的优点有：
1)本发明中反应器优选长方体的外形，便于实验研究；其中注气管、采气管与箱体之间采用法兰连接方式并用密封圈密封，便于拆卸，可以根据实验要求，选取不同长度的注气管、采气管，并通过旁通管线变换注气管和采气管的位置实现“上采下注”和“上注下采”两种开采方式，来分析天然气水合物开采效果，获取最优开采效果。
2)本发明中恒温水浴系统，通过水循环保持温度的稳定，更接近海洋砂层天然气水合物的生成环境，更好的反馈至实际采集中。
3)本发明中天然气水合物产物处理及计量系统设有过滤缓冲器、吸附干燥管，过滤缓冲器的外形为圆柱体，顶部设有进气口和出气口，进气口伸入过滤缓冲器底部，可以缓冲采出气压力，避免压力过高造成试验危险性，同时起到气液分离、过滤采出气的效果；吸附干燥管可以吸收采出气中二氧化碳，起到分离二氧化碳和甲烷的效果。
附图说明
图1为本发明的试验装置图；
图2为图1中反应器内部结构示意图；
图3为图1中反应器外部结构示意图。
附图标记说明：
1-二氧化碳气瓶、2-甲烷气瓶、301-第一止回阀、302-第二止回阀、42-第三止回阀、34-第四止回阀、45-第五止回阀、31第六止回阀、4-气体增压泵；5-第一气体流量计、46-第二气体流量计、30-第三气体流量计、61-第一截止阀、35-第三截止阀、40-第二截止阀、47-第四截止阀、261-第五截止阀、62-第一旁通阀、63-第二旁通阀、262-第三旁通阀、8-第四旁通阀、7-第一压力表、39-第二压力表、36-第三压力表、48-第四压力表、25-第五压力表、38-第一泄压阀、37-第二泄压阀、49-第三泄压阀、9-箱体、10-注气管、11-顶盖、12-应力加载活塞、13、14-活塞杆、15-采气管、16-石英砂、17-过滤棉、18-限位螺母、19-温度探针、20-水浴箱、21-排水阀、221、222-温度传感器、23-循环泵、24-恒温制冷器、27-控制阀、28-过滤缓冲器、29-吸附干燥管、32-甲烷采出气瓶、33-液体增压泵、41-平流泵、43-供水罐、44-真空泵、50-数据采集显示器、51-螺栓、52-第一密封圈、55-第二密封圈、53-第一密封件、54-第二密封件、56-支架、100-反应器。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其包括反应器100、恒温水浴系统、增压供气系统、稳流供液系统、上覆应力加载系统、抽真空系统、天然气水合物产物处理及计量系统以及数据采集系统。
反应器100包括箱体9、应力加载活塞12、箱体9上部的顶盖11以及固定在箱体内部一侧面的注气管10，应力加载活塞12能够紧贴箱体9的内壁做上下运动，注气管10对立侧面设置有采气管15，注气管10的高度低于采气管15的高度，应力加载活塞12的上部连接有两活塞杆13和活塞杆14，活塞杆14内部为中空管道，活塞杆14穿过顶盖11，活塞杆14顶部设置有气液进口，反应器100顶盖11上设置有进液口，箱体9底部设有排水口、排水阀21以及温度探针安装孔；
恒温水浴系统包括水浴箱20、恒温制冷器24以及温度传感器221、222，水浴箱20底部设有进液口和出液口，进液口与恒温制冷器的出液口通过管线连通，水浴箱20底部的出液口与恒温制冷器24的进液口通过管线连通。
增压供气系统包括二氧化碳气瓶1、甲烷气瓶2和气体增压泵4，二氧化碳气瓶1和甲烷气瓶2分别与反应器的注气管连通。二氧化碳气瓶1和甲烷气瓶2的出口管线上分别设有第一止回阀301和第二止回阀302，第一止回阀301和第二止回阀302的出口借助于管线与反应器的注气管10连通，第一止回阀301和第二止回阀302通往注气管10的主管线上设置有气体增压泵4，靠近注气管10的主管线上设置有第一截止阀61以及旁通管线，旁通管线连接到反应器100的采气管15的外部管线上，该外部管线上设有第一旁通阀62和第二旁通阀63，在图中为方便示出，旁通管路为断开示意，第一旁通阀62靠近第一截止阀61设置，第二旁通阀63靠近采气管15设置。气体增压泵4和第一截止阀61之间的主管线上设置有第一气体流量计5，第一截止阀61与注气管10之间的主管线上设有第一压力表7。
稳流供液系统包括供水罐43以及平流泵41，供水罐43与反应器的活塞杆14顶部的气液进口连通，供水罐43与气液进口之间设置平流泵41。具体地，供水罐43与反应器的活塞杆顶部的气液进口通过管线连通，该管线上设置有平流泵41，靠近供水罐43出液口的管线上设置有第三止回阀42，活塞杆14顶部气液进口与平流泵41之间的管线上设有第二压力表39和第二截止阀40，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第一泄压阀38。
上覆应力加载系统包括液体增压泵33，液体增压泵33与反应器100的顶盖11上的进液口通过管线连通，靠近液体增压泵输出口的管线上设有第四止回阀34，第四止回阀34与顶盖上进液口之间的管线上设有第三截止阀35和第三压力表36，靠近顶盖上进液口的管线上设有第二泄压阀37。
抽真空系统包括真空泵44，真空泵44与反应器的活塞杆14顶部气液进口通过管线连通，该管线上设有第二气体流量计46，靠近真空泵44输出口的管线上设有第五止回阀45，第二气体流量计46与活塞杆顶14部气液进口之间的管道上设有第四截止阀47和第四压力表48，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第三泄压阀49。
天然气水合物产物处理及计量系统包括过滤缓冲器28、吸附干燥管29、第三气体流量计30和甲烷采出气瓶32，过滤缓冲器28顶部设有进气口和出气口，进气口与反应器的采气管15通过管线连通，出气口与甲烷采出气瓶32通过管线连通，采气管15与过滤缓冲器28进气口之间的管线上设有第五压力表25、第五截止阀261、控制阀27以及旁通管线，旁通管线连接到反应器的注气管10的外部管线上，该外部管线上设置有第三旁通阀262和第四旁通阀8，在图中为方便示出，旁通管路为断开示意，第三旁通阀262设置在第五截止阀261附近，第四旁通阀8设置在采气管10附近。靠近过滤缓冲器28出气口的管线上设有吸附干燥管29，吸附干燥管29与甲烷采出气瓶32之间的管线上设有第三气体流量计30，甲烷采出气瓶32的进口管线上设有第六止回阀31。
数据采集系统包括数据采集显示器和固定在反应器的箱体底部的温度探针19，增压供气系统、天然气水合物产物处理及计量系统以及抽真空系统的气体流量计的信号输出端接入数据采集显示器，恒温水浴系统的温度传感器的信号输出端连接数据采集显示器，温度探针的探测端伸入箱体内部，温度探针的信号输出端同样连接数据采集显示器。
具体实施例
本发明的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，包括反应器、恒温水浴系统、增压供气系统、稳流供液系统、上覆应力加载系统、抽真空系统、天然气水合物产物处理及计量系统、数据采集系统。
反应器为长250mm，宽150mm，高150mm的长方体，包括箱体9、紧贴箱体9内壁做上、下运动的应力加载活塞12、固定在箱体9上部的顶盖11以及固定在箱体9内部一侧面的注气管10，注气管10对立侧面的设有采气管15，注气管10和采气管15均为一端开口的防砂衬管，注气管、采气管与箱体之间采用法兰连接方式、分别设有设有第二密封圈55进行密封，采气管15位于注气管10的上方，应力加载活塞12侧面上设有密封箱体9的第二密封件54，应力加载活塞12的上部设有活塞杆13和活塞杆14，2个活塞杆内部为中空管道，活塞杆穿过顶盖11，2个活塞杆的顶部分别设有1个限位螺母18，活塞杆13和活塞杆14与顶盖11通过第一密封圈52密封，顶盖11上设有1个与外部管线连通的进液口，顶盖11与箱体9之间通过第一密封件53密封，采用螺栓51安装固定，箱体9底部设有2个排水口，8个温度探针安装孔，2个排水口通过1个排水阀21。
恒温水浴系统，包括水浴箱20、恒温制冷器24、温度传感器221、222，恒温制冷器24设有1个进液口和1个出液口，出液口与水浴箱20底部的进液口通过管线连通，管线上设有循环泵23，水浴箱20底部的出液口与恒温制冷器24的进液口通过管线连通，靠近水浴箱20底部进、出液口的管线上分别设有1个温度传感器221和222，通过恒温制冷器24控制水浴箱20内温度范围为-20～80℃，控制精度为±0.1℃。
增压供气系统，包括二氧化碳气瓶1、甲烷气瓶2和气体增压泵4，二氧化碳气瓶1和甲烷气瓶2的出口管线上分别设有第一止回阀301和第二止回阀302，第一止回阀301和第二止回阀302的出口采用1根管线与注气管10连通，止回阀和注气管10之间的主管线上设有气体增压泵4，通过气体增压泵4输送压力范围为2～30MPa的二氧化碳气体和甲烷气体，靠近注气管的管线上设置有第一截止阀61以及旁通管线，旁通管线连接到反应器100的采气管15的外部管线上，该外部管线上设有第一旁通阀62和第二旁通阀63，气体增压泵4和第一截止阀61之间的管线上设有第一气体流量计5，第一截止阀61与注气管10之间的管线上设有第一压力表7。
稳流供液系统，包括供水罐43、平流泵41，供水罐43与活塞杆14顶部的进液口通过管线连通，管线上设有平流泵41，供水罐43内装有去离子水，靠近供水罐43出液口的管线上设有第三止回阀42，活塞杆14顶部进液口与平流泵41之间的管线上设有第二压力表39和第二截止阀40，靠近活塞杆14顶部进液口的管线上设有第一泄压阀38。
上覆应力加载系统包括液体增压泵33，液体增压泵33与顶盖11的进液口通过管线连通，靠近液体增压泵33输出口的管线上设有第四止回阀34，第四止回阀34与顶盖11进液口之间的管线上设有第三截止阀35和第三压力表36，靠近顶盖11进液口的管线上设有第二泄压阀37。
抽真空系统包括真空泵44，真空泵44与活塞杆13顶部的进气口通过管线连通，管线上设有第二气体流量计46，靠近真空泵44输出口的管线上设有第五止回阀45，第二气体流量计46与活塞杆13顶部的进气口之间的管道上设有第四截止阀47和第四压力表48，靠近活塞杆13顶部进气口的管线上设有第三泄压阀49；
天然气水合物产物处理及计量系统，包括过滤缓冲器28、吸附干燥管29、第三气体流量计30、甲烷采出气瓶32，过滤缓冲器28顶部设有1个进气口和1个出气口，进气口与采气管15通过管线连通，出气口与甲烷采出气瓶32通过管线连通，采气管15与过滤缓冲器28进气口之间的管线上设有第五压力表25、第五截止阀261和控制阀27，第二旁通阀63与第一旁通阀62通过管线连通，第四旁通阀8与第三旁通阀262通过管线连通，过滤缓冲器28内装有蒸馏水，靠近过滤缓冲器28出气口的管线上设有吸附干燥管29，吸附干燥管29内装有碱石灰，吸附干燥管29与甲烷采出气瓶32之间的管线上设有第三气体流量计30，甲烷采出气瓶32的进口管线上设有第六止回阀31。
数据采集系统，包括数据采集显示器50和温度探针19，数据采集显示器50与第一气体流量计5、第二气体流量计46、第三气体流量计30以及温度传感器221、222的信号输出端连接，8个温度探针19的探测端固定在箱体9底部的温度探针安装孔上，信号输出端同样接入数据采集显示器50。
反应器放置于恒温水浴系统的水浴箱20内的支架56上，为使模拟环境更加接近海底开采环境，反应器的箱体9与应力加载活塞12之间的空间使用石英砂16进行填充，石英砂与应力加载活塞之间采用过滤棉17隔开。
采用上述装置进行试验模拟的方法，具体包括以下步骤：
(1)安装及装填：首先安装温度探针19，将石英砂16装入反应器的箱体9，填至一定的高度后放入过滤棉17，放置应力加载活塞12，安装顶盖11、限位螺母18；
(2)清洗反应器：运行稳压供水系统，通过平流泵41将供水罐43中的去离子水泵入反应器中清洗石英砂16和箱体9内壁等，同时打开反应器底端排水阀21，清洗完毕后，关闭平流泵41和排水阀21；
(3)抽真空：运行抽真空系统，通过真空泵44排出反应器中的空气，保证反应器内真空状态；
(4)天然气水合物制备：通过稳压供水系统和增压供气系统注入一定量的水和甲烷气体后反应生成天然气水合物，运行上覆应力加载系统对石英砂16进行加压，压力加载到10MPa，运行恒温水浴系统使反应器处于低温环境,温度恒定保持在3℃，进行足够的天然气水合物生成时间，通过温度传感器实时测试反应器内温度；
(5)2次抽真空：降低水浴温度到-1℃，防止天然气水合物分解，运行抽真空系统排出反应器中的未反应的甲烷气体；
(6)降压法开采：保持恒定的反应器内温度和压力，打开与采气管15连接的控制阀27，通过反应器内压力降低，使天然气水合物分解，进行降压开采，通过甲烷气瓶收集降压开采所采出的甲烷气体，直到第三气体流量计30不再测量有甲烷气体产出，关闭控制阀27，停止降压法开采；
(7)二氧化碳置换法开采：通过增压供气系统注入一定量的二氧化碳气体通过注气管10进入反应器，开始二氧化碳置换开采剩余的天然气水合物，向反应器中注入一段时间二氧化碳，使置换反应充分进行后，打开采气管15一侧的控制阀27，收集采出气，注气管10侧边注入二氧化碳，采气管15侧收集采出气，实现边注边采的效果，采出气通过过滤缓冲器28，实现压力缓冲和气液分离的作用，后经过吸附干燥管29，分离采出气中二氧化碳和甲烷，最终经过气体流量计测得采出甲烷气体量，进入甲烷采出气瓶32，直到第三气体流量计30不再测量有甲烷气体产出，停止二氧化碳的注入，关闭二氧化碳气瓶1、第一截止阀61，第五截止阀261和控制阀27，结束二氧化碳置换天然气水合物反应；
(8)注气管和采气管位置互换实验：重复上述第(1)-(6)步骤，首先关闭第一截止阀61和第五截止阀261，再打开第一旁通阀62与第二旁通阀63使旁通管线连通，打开第三旁通阀262与第四旁通阀8使旁通管线连通，使之前的“上采下注”变为“上注下采”，对比选取最优的注气管和采气管的位置关系，使二氧化碳置换开采效果最佳。
(9)数据分析：通过数据采集系统实时记录注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，实时测试反应器内温度和压力的变化，分析降压法开采和二氧化碳置换法开采天然气水合物的开采效果；
(10)多组试验：设置反应器内不同的压力和温度条件，控制反应器内温度，试验不同压力下的二氧化碳置换法的开采效果，例如在置换温度为276K时，当CO2注入压力分别为2MPa、2.4MPa、2.8MPa、3.2MPa时，分别计算置换反应效率；控制反应器内压力，试验不同温度下的二氧化碳置换法的开采效果，例如，在CO2注入压力为3MPa时，当温度为272.85K、273.95K、275.05K、276.15K时，分别计算置换反应效率；通过实验所得到的数据，来分析温度和压力对二氧化碳置换法开采效果的影响，获取做好的开采效果，从而将该温度和压力应用于实际采集过程中。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。
Claims (10)
1.一种降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：其包括反应器、恒温水浴系统、增压供气系统、稳流供液系统、上覆应力加载系统、抽真空系统、天然气水合物产物处理及计量系统以及数据采集系统；
所述反应器包括箱体、应力加载活塞、箱体上部的顶盖以及固定在箱体内部一侧面的注气管，所述应力加载活塞能够紧贴箱体内壁做上下运动，所述注气管对立侧面设置有采气管，所述应力加载活塞的上部连接有活塞杆，所述活塞杆内部为中空管道，所述活塞杆穿过顶盖，所述活塞杆顶部设置有气液进口，所述反应器顶盖上设置有进液口，所述箱体底部设有排水口、排水阀以及温度探针安装孔；
所述恒温水浴系统包括水浴箱、恒温制冷器以及温度传感器，水浴箱底部设有进液口和出液口，所述进液口与恒温制冷器的出液口通过管线连通，水浴箱底部的出液口与恒温制冷器的进液口通过管线连通；
所述增压供气系统包括二氧化碳气瓶、甲烷气瓶和气体增压泵，所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶均与所述反应器的注气管连通，二氧化碳气瓶、甲烷气瓶和注气管之间设置所述气体增压泵；
所述稳流供液系统包括供水罐以及平流泵，所述供水罐与所述反应器的活塞杆顶部的气液进口连通，所述供水罐与所述气液进口之间设置所述平流泵；
所述上覆应力加载系统包括液体增压泵，所述液体增压泵与所述反应器的顶盖上的进液口连通；
所述抽真空系统包括真空泵，所述真空泵与所述反应器的活塞杆顶部气液进口连通；
所述天然气水合物产物处理及计量系统包括过滤缓冲器、吸附干燥管、第三气体流量计和甲烷采出气瓶，过滤缓冲器顶部设有进气口和出气口，所述进气口与所述反应器的采气管连通，出气口与甲烷采出气瓶连通，所述过滤缓冲器的出气口附近设置有吸附干燥管；
所述数据采集系统包括数据采集显示器和固定在所述反应器的箱体底部的温度探针，所述增压供气系统、天然气水合物产物处理及计量系统、抽真空系统、所述恒温水浴系统的温度传感器以及所述温度探针的信号输出端均连接所述数据采集显示器，所述温度探针的探测端伸入箱体内部。
2.根据权利要求1所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶的出口管线上分别设有第一止回阀和第二止回阀，第一止回阀和第二止回阀的出口与所述反应器的注气管连通，第一止回阀和第二止回阀通往注气管的主管线上设置有气体增压泵，靠近注气管的主管线上设置有第一截止阀以及旁通管线，所述旁通管线连接到反应器的采气管的外部管线上，所述外部管线上设有第一旁通阀和第二旁通阀，所述气体增压泵和第一截止阀之间的主管线上设置有第一气体流量计，第一截止阀与注气管之间的主管线上设有第一压力表；
所述供水罐与所述反应器的活塞杆顶部的气液进口通过管线连通，该管线上设置有平流泵，靠近供水罐出液口的管线上设置有第三止回阀，所述活塞杆顶部气液进口与平流泵之间的管线上设有第二压力表和第二截止阀，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第一泄压阀；
所述液体增压泵与所述反应器的顶盖上的进液口通过管线连通，靠近液体增压泵输出口的管线上设有第四止回阀，所述第四止回阀与顶盖上进液口之间的管线上设有第三截止阀和第三压力表，靠近顶盖上进液口的管线上设有第二泄压阀；
所述真空泵与所述反应器的活塞杆顶部气液进口通过管线连通，管线上设有第二气体流量计，靠近真空泵输出口的管线上设有第五止回阀，所述第二气体流量计与活塞杆顶部气液进口之间的管道上设有第四截止阀和第四压力表，靠近活塞杆顶部气液进口的管线上设有第三泄压阀；
所述过滤缓冲器的进气口与所述反应器的采气管通过管线连通，出气口与甲烷采出气瓶通过管线连通，采气管与过滤缓冲器进气口之间的管线上设有第五压力表、第五截止阀、控制阀以及旁通管线，所述旁通管线连接到反应器的注气管的外部管线上，该外部管线上设置有第三旁通阀和第四旁通阀，靠近过滤缓冲器出气口的管线上设有吸附干燥管，所述吸附干燥管与甲烷采出气瓶之间的管线上设有第三气体流量计，甲烷采出气瓶的进口管线上设有第六止回阀。
3.根据权利要求1所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述注气管的高度低于所述采气管的高度，注气管和采气管为一端开口的防砂衬管，注气管、采气管与箱体之间分别采用法兰连接，所述应力加载活塞与箱体、活塞杆与顶盖、顶盖与箱体之间分别通过密封件进行密封；活塞杆顶部的进液口与外部管线连通，活塞杆顶部安装有限位螺母；所述反应器放置于恒温水浴系统的水浴箱内，所述反应器的箱体与应力加载活塞之间的空间使用石英砂进行填充，石英砂与应力加载活塞之间采用过滤棉隔开。
4.根据权利要求1所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述恒温水浴系统的水浴箱内部设有支架来支撑反应器，便于反应器的箱体底部连接管线。
5.根据权利要求4所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述反应器的应力加载活塞上采用双活塞杆结构。
6.根据权利要求1所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述天然气水合物产物处理及计量系统的过滤缓冲器内装有蒸馏水；吸附干燥管内装有碱石灰。
7.根据权利要求4所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置，其特征在于：所述恒温水浴系统的水浴箱内温度为-20～80℃；
所述增压供气系统的气体增压泵的压力为2～30MPa。
8.一种根据权利要求1所述的降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验装置进行降压法辅助二氧化碳置换天然气水合物的试验方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、准备工作：安装反应器，并对反应器进行清洗和抽真空；
S2、制备天然气水合物：通过稳压供水系统和增压供气系统注入一定量的水和甲烷气体后反应生成天然气水合物，运行上覆应力加载系统对石英砂进行加压，压力加载到10MPa，运行恒温水浴系统使反应器处于低温环境,温度恒定保持在3℃，进行足够的天然气水合物生成时间，通过温度传感器实时测试反应器内温度；
S3、二次抽真空：降低水浴温度到-1℃，防止天然气水合物分解，运行抽真空系统排出反应器中的未反应的甲烷气体；
S4、降压法开采：保持恒定的反应器内温度和压力，打开与采气管连接的控制阀，通过反应器内压力降低，使天然气水合物分解，进行降压开采，通过甲烷气瓶收集降压开采所采出的甲烷气体，直到第三气体流量计不再测量有甲烷气体产出，关闭控制阀，停止降压法开采；
S5、二氧化碳置换法开采：通过增压供气系统注入一定量的二氧化碳气体通过注气管进入反应器，开始二氧化碳置换开采剩余的天然气水合物，向反应器中注入一段时间的二氧化碳，使置换反应充分进行后，打开采气管一侧的控制阀，收集采出气，注气管侧边注入二氧化碳，采气管侧收集采出气，采出气通过过滤缓冲器，后经过吸附干燥管，分离采出气中的二氧化碳和甲烷，第三气体流量计测得采出甲烷气体量，进入甲烷采出气瓶，直到第三气体流量计测量不再有甲烷气体产出，停止二氧化碳的注入，关闭二氧化碳气瓶、第一截止阀、第五截止阀和控制阀，结束二氧化碳置换天然气水合物反应；
S6、数据分析：通过数据采集系统实时记录注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，实时测试反应器内温度和压力的变化，分析降压法开采和二氧化碳置换法开采天然气水合物的开采效果；
S7、改变温度或压力参数，进行多次试验：设置反应器内不同的压力和温度条件，控制反应器内温度，试验不同压力下的二氧化碳置换法的开采效果，控制反应器内压力，试验不同温度下的二氧化碳置换法的开采效果，分别分析温度和压力对二氧化碳置换法开采效果的影响程度。
9.根据权利要求8所述的进行二氧化碳置换天然气水合物的试验方法，其特征在于：步骤S1具体为：安装反应器：首先安装温度探针，将石英砂装入反应器的箱体，填至一定的高度后放入过滤棉，放置应力加载活塞，最后安装顶盖和限位螺母；
清洗反应器：运行稳压供水系统，通过平流泵将供水罐中的去离子水泵入反应器中清洗石英砂和箱体内壁，同时打开反应器底端排水阀，清洗完毕后，关闭平流泵和排水阀；
第一次抽真空：运行抽真空系统，通过真空泵排出反应器中的空气，保证反应器内处于真空状态。
10.根据权利要求8所述的进行二氧化碳置换天然气水合物的试验方法，其特征在于：步骤S5还包括注气管和采气管位置互换实验：重复步骤S1-S5，首先关闭直接连接注气管的第一截止阀和采气管道的第五截止阀，再打开所有的旁通阀以连通旁通管路，从而改变注气管和采气管的相对位置，选取最优的注气管和采气管的位置关系，得到最佳二氧化碳置换开采方法。
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