CN111140214A - 强化微波加热开采天然气水合物的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其是一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置及方法。其反应釜放置在恒温控制系统内，反应釜内设有人造岩心，反应釜包括反应釜釜体和反应釜顶盖，反应釜顶盖上设有微波入口和流体进出口，微波入口与微波发生系统连接，流体进出口通过六通阀Ⅰ分别与天然气水合物生成系统、压裂液注入‑返排系统、天然气产出系统连接，人造岩心上钻有两个竖直孔道，两竖直孔道分别与反应釜顶盖上的微波入口、流体进出口相对应。其能够模拟磁性纳米流体压裂和压裂后微波加热开采天然气水合物的全过程，研究天然气水合物储层中压裂裂缝的展布规律和磁性金属纳米颗粒的运移、分布规律，分析磁性纳米颗粒辅助微波加热开采天然气水合物的效果。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其是一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置及方法。
背景技术
当前能源短缺是困扰全球发展的重要问题，随着常规石油和天然气开采难度的增大，能源供需矛盾日益加重。特别是我国，石油对外依存度远超安全警戒线，已逼近70％，同时随着生态文明建设和绿色发展理念的深入，绿色清洁能源的需求逐步扩大，这都需要探索发现新的替代能源。天然气水合物是近些年热门的新型绿色能源，它具有以下特点：(1)分布范围广，世界上绝大部分海域可能都有分布；(2)资源量巨大，据估计能够至少满足人类使用 1000年；(3)能量密度高，1升水合物固体中含有168升天然气。因此，天然气水合物被认为是21世纪理想的替代能源，大力开展天然气水合物开发与应用方面研究对保障我国能源安全、提升全球竞争力具有重要意义。
目前在世界范围内天然气水合物的开发处于试采水平，现有技术尚不能满足大规模商业化开采，我国是为数不多的具有天然气水合物试采经验的国家。目前天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激法、注化学抑制剂法和CO2置换法，降压法是最简单的方法，但开采过程中热量供应不足，水合物储能渗流条件差，存在产能不足等问题；热激法虽然在理论上能够促使水合物快速分解，但面临注入过程中热损失巨大导致开采效率较低的问题；注化学抑制剂的成本太高，不适合工业化应用；CO2置换法虽然能够保持地层稳定性，但如何提高置换速率和置换效率还需进一步研究。综上所述，目前常规开采方法的问题主要是开采效率较低、天然气产能不足、经济效益较差，亟需经济高效的天然气水合物开采方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置及方法，其能够模拟磁性纳米流体压裂和压裂后微波加热开采天然气水合物的全过程，研究天然气水合物储层中压裂裂缝的展布规律和磁性金属纳米颗粒的运移、分布规律，分析磁性纳米颗粒辅助微波加热开采天然气水合物的效果，为磁性纳米流体压裂和微波加热联合开采方法由理论走向现场应用提供数据支撑。
本发明的技术方案是：一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，包括反应釜，其中，还包括天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、微波发生系统、天然气产出系统和恒温控制系统，反应釜放置在恒温控制系统内，反应釜内设有人造岩心，反应釜包括反应釜釜体和反应釜顶盖，反应釜顶盖上设有微波入口和流体进出口，微波入口与微波发生系统连接，流体进出口通过六通阀Ⅰ分别与天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、天然气产出系统连接，人造岩心上钻有两个竖直孔道，两竖直孔道分别与反应釜顶盖上的微波入口、流体进出口相对应；
所述天然气水合物生成系统包括真空泵、六通阀Ⅱ、甲烷气瓶和水罐，真空泵与六通阀Ⅱ直接连接，甲烷气瓶依次连接气体流量计和增压泵Ⅱ后再与六通阀Ⅱ连接，水罐连接平流泵后再与六通阀Ⅱ连接，六通阀Ⅱ连接六通阀Ⅰ后实现天然气水合物生成系统与反应釜的连接；
所述压裂液注入-返排系统包括压裂液储罐、返排池和三通阀，压裂液储罐依次连接流量计Ⅰ、增压泵Ⅰ后再与三通阀连接，返排池连接流量计Ⅱ后再与三通阀连接，三通阀连接六通阀Ⅰ后实现压裂液注入-返排系统与反应釜的连接；
所述微波发生系统包括微波源、环流器、水负载、定向耦合器和调配器，微波源通过导波管依次与环流器、定向耦合器、调配器连接，调配器通过导波管与反应釜顶盖上的微波入口连接，水负载与环流器连接；
所述天然气产出系统包括回压阀、固液分离器、气液分离器和气体流量计，回压阀的一端与六通阀Ⅰ连接，回压阀的另一端通过高压管线依次与固液分离器、气液分离器、气体流量计连接，气液分离器设有气体出口和液体出口，气体出口与气体流量计连接。
本发明中，所述人造岩心与反应釜内壁之间密封设置橡胶衬套。
所述反应釜顶盖与釜体之间采取石墨密封。
所述导波管与微波入口的连接处采用耐高压石英玻璃分隔密封。
所述恒温控制系统为恒温浴室，恒温浴室采用水浴加热。
所述烧杯放置在液体出口的下方，烧杯位于天平上。
本发明还包括采用上述实验装置进行实验的方法，该方法包括以下步骤：
人造岩心与反应釜的准备工作：将人造岩心装入橡胶衬套，再将两者一起安放在反应釜中，盖上反应釜顶盖，并保证人造岩心上的两个竖直通道与反应釜顶盖上的两个开口对应连通；
将反应釜放入恒温浴室中，对反应釜进行加热，使其升温至预定的温度并稳定；
调节六通阀Ⅰ，转到天然气水合物生成系统，再调节六通阀Ⅱ，使反应釜与真空泵连通，对人造岩心抽真空；
制备天然气水合物：调节六通阀Ⅱ，向反应釜内注入甲烷气体，使反应釜的内部压力达到预定值，再调节六通阀Ⅱ，开启平流泵，注入水至预定压力；
磁性纳米流体压裂：调节六通阀Ⅰ，转到压裂液注入-返排系统，调节三通阀，将压裂液储罐中的磁性纳米流体压裂液经流量计Ⅰ和增压泵Ⅰ后注入人造岩心中，注入压力会先逐渐升高后下降，说明裂缝形成；待注入压力稳定后，再调节三通阀，将注入的压裂液经流量计Ⅱ返排，压裂液流入返排池；
微波加热：开启微波源产生微波，微波经环流器、定向耦合器、调配器后，由导波管进入微波入口；
天然气分解和开采。
本发明中，天然气分解和开采步骤中，随着微波加热的进行，人造岩心中制备的天然气水合物逐渐分解；调节六通阀Ⅰ，转到天然气产出系统，产出流体先通过回压阀实现降压，再进入固液分离器和气液分离器，在气液分离器中实现气体和液体的分离，气体进入气体流量计中，液体流入位于天平上的烧杯中。
本发明的有益效果是：实现了对磁性纳米流体压裂和微波加热开采天然气水合物的全过程模拟，可用于磁性纳米流体压裂和微波加热联合开采方法的开发动态特征和作用机理的研究，为探索天然气水合物开采新方法提供了技术保障。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是反应釜的结构示意图；
图3是反应釜的俯视结构示意图；
图4是反应釜中人造岩心结构示意图。
图中：1恒温浴室；2反应釜；3微波源；4环流器；5水负载；6定向耦合器；7调配器； 8压裂液储罐；9流量计Ⅰ；10增压泵Ⅰ；11三通阀；12六通阀Ⅰ；13流量计Ⅱ；14返排池；15六通阀Ⅱ；16真空泵；17甲烷气瓶；18气体流量计；19增压泵Ⅱ；20水罐；21平流泵；22回压阀；23固液分流器；24气液分离器；25天平；26烧杯；27气体流量计；28 反应釜釜体；29反应釜顶盖；30微波入口；31流体进出口；32人造岩心；33竖直孔道。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，包括反应釜2、天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、微波发生系统、天然气产出系统、恒温控制系统和数据采集系统。本实施例中，反应釜可承受的最大压力为35MPa，反应釜高500mm，内径300mm。恒温控制系统为恒温浴室1，用于控制反应釜2的温度。恒温浴室采用水浴加热，室内温度控制为-20～120℃，控制精度±0.1℃。
如图1、图2和图3所示，反应釜2位于恒温浴室1中，反应釜的内部装有人造岩心32，通过橡胶衬套实现人造岩心32与反应釜内壁的密封。反应釜2包括反应釜釜体28和反应釜顶盖29，反应釜釜体28的顶部设有反应釜顶盖29，反应釜顶盖29与釜体28之间采取石墨密封。反应釜顶盖29上设有微波入口30和流体进出口31，微波入口30与微波发生系统连接，流体进出口31通过六通阀Ⅰ12分别与天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、天然气产出系统连接。人造岩心32上钻有两个竖直孔道33，两竖直孔道33分别与反应釜顶盖29上的微波入口30、流体进出口31相对应。本实施例中，人造岩心长度480mm，直径280mm，所述竖直孔道直径30mm，自岩心顶面延伸至距岩心底面50mm处。
天然气水合物生成系统包括真空泵16、六通阀Ⅱ15、甲烷气瓶17和水罐20，六通阀Ⅱ15 与六通阀Ⅰ12连接。真空泵16与六通阀Ⅱ15直接连接，通过真空泵16对人造岩心32抽真空。甲烷气瓶17通过高压管线依次与气体流量计18、增压泵Ⅱ19连接增压泵Ⅱ19与六通阀Ⅱ15连接，通过调节六通阀Ⅰ12和六通阀Ⅱ15实现向反应釜2内注入甲烷气体，甲烷气体的注入量由气体流量计18计量，甲烷注入压力由增压泵Ⅱ19实现。水罐20通过高压管线与平流泵21连接，平流泵21与六通阀Ⅱ15连接，从而实现向反应釜2内注水至预定压力的目的。
压裂液注入-返排系统包括压裂液储罐8、返排池14和三通阀11，三通阀11与六通阀Ⅰ12 连接。压裂液储罐8通过高压管线依次与流量计Ⅰ9、增压泵Ⅰ10连接增压泵Ⅰ10与三通阀 11连接，通过调节三通阀11和六通阀Ⅰ12实现向人造岩心32中的注入压裂液的目的。返排池14通过高压管线与流量计Ⅱ13连接流量计Ⅱ13与三通阀连接，通过调节三通阀11和六通阀Ⅰ12实现人造岩心32中压裂液的返排。
微波发生系统包括微波源3、环流器4、定向耦合器6和调配器7，微波源3通过导波管依次与环流器4、定向耦合器6、调配器7连接，调配器7通过导波管与反应釜顶盖29上的微波入口30连接，微波由此进入反应釜2。导波管与微波入口30的连接处采用耐高压石英玻璃分隔密封。水负载5与环流器4连接。微波源的功率为0-700w可调，产生的微波频为2450MHz。环流器是一种非可逆的传输件，利用磁场偏置铁氧体材料各向异性的原理，保证微波单方向传播；水负载作为大功率微波源的匹配负载，能够吸收微波反射功率，保护磁控管免收损坏；定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件，能够将微波信号按一定的比例进行功率耦合(分配)；调配器本质上是一个阻抗变换器，能够改变阻抗大小和性质，实现微波传输线。
天然气产出系统包括回压阀22、固液分离器23、气液分离器24和气体流量计27，回压阀22的一端与六通阀Ⅰ12连接，回压阀22的另一端通过高压管线依次与固液分离器23、气液分离器24、气体流量计27连接。固液分离器23上设有液体出口，液体出口与气液分离器24连接。气液分离器24设有气体出口和液体出口，气体出口与气体流量计27连接，气体直接流入气体流量计27内。液体经液体出口流入烧杯26内，本实施例中，烧杯26位于天平 25上。
本实施例中，增压泵Ⅰ10和增压泵Ⅱ19的工作压力可达30MPa。高压管线均耐压30MPa。
本发明还包括采用上述实验装置进行实验的方法，该方法包括以下步骤。
第一步，人造岩心32与反应釜2的准备工作。将人造岩心32装入橡胶衬套，再将两者一起安放在反应釜2中，盖上反应釜顶盖29，并保证人造岩心32上的两个竖直通道33与反应釜顶盖29上的两个开口对应连通。
第二步，将反应釜2放入恒温浴室1中，对反应釜2进行加热，使其升温至预定的温度并稳定。
第三步，调节六通阀Ⅰ12，转到天然气水合物生成系统，再调节六通阀Ⅱ15，使反应釜 2与真空泵16连通，对人造岩心32抽真空。
第四步，制备天然气水合物。调节六通阀Ⅱ15，向反应釜2内注入一定量的甲烷气体，使反应釜2的内部压力达到预定值，甲烷注入量由气体流量计18计量，甲烷注入压力由增压泵16实现；再调节六通阀Ⅱ15，开启平流泵21，注入一定量的水至预定压力。
第五步，磁性纳米流体压裂。首先调节六通阀Ⅰ12，转到压裂液注入-返排系统；然后，调节三通阀11，将压裂液储罐8中的磁性纳米流体压裂液经流量计Ⅰ9和增压泵Ⅰ10后注入人造岩心32中，注入压力会先逐渐升高后下降，说明裂缝形成；待注入压力稳定后，再调节三通阀11，将注入的压裂液经流量计Ⅱ13返排，压裂液流入返排池14。
第六步，微波加热。开启微波源3产生微波，微波经环流器4、定向耦合器6、调配器7后，由导波管进入微波入口30。
第七步，天然气分解和开采。随着微波加热的进行，人造岩心32中制备的天然气水合物逐渐分解；此时，调节六通阀Ⅰ12，转到天然气产出系统，产出流体先通过回压阀22实现降压，再进入固液分离器23和气液分离器24，在气液分离器24中实现气体和液体的分离，气体进入气体流量计27中，液体流入位于天平25上的烧杯26中。
该方法是一种融合了压裂、微波加热和磁性金属纳米颗粒的开采方法，它利用磁性金属纳米颗粒组成的压裂液，通过压裂施工在天然气水合物储层中产生裂缝，同时沿裂缝将磁性金属纳米颗粒输送并分散到储层中，再利用磁性金属纳米颗粒强化微波加热的原理，微波加热开采天然气水合物。在该方法中，压裂能够在地层中压出微裂缝，改善地层渗流条件，对于提高产能很有帮助；微波加热作为一种原位加热方式，避免了注热过程中的热损失，具有较高的能量利用率；磁性金属纳米颗粒介电常数大，能够很好地吸收微波并将电磁能转化为热量，即吸波升温能力很强，能够提高微波加热效率。因此，该方法在理论上具有较高的产能和开采效率，应用前景广阔。该实验装置，可以模拟磁性纳米流体压裂过程，从而表征磁性金属纳米颗粒在天然气水合物储层中的分布。
以上对本发明所提供的强化微波加热开采天然气水合物的实验装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，包括反应釜(2)，其特征在于：还包括天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、微波发生系统、天然气产出系统和恒温控制系统，反应釜(2)放置在恒温控制系统内，反应釜内设有人造岩心(32)，反应釜(2)包括反应釜釜体(28)和反应釜顶盖(29)，反应釜顶盖(29)上设有微波入口(30)和流体进出口(31)，微波入口(30)与微波发生系统连接，流体进出口(31)通过六通阀Ⅰ(12)分别与天然气水合物生成系统、压裂液注入-返排系统、天然气产出系统连接，人造岩心(32)上钻有两个竖直孔道(33)，两竖直孔道(33)分别与反应釜顶盖(29)上的微波入口(30)、流体进出口(31)相对应；
所述天然气水合物生成系统包括真空泵(16)、六通阀Ⅱ(15)、甲烷气瓶(17)和水罐(20)，真空泵(16)与六通阀Ⅱ(15)直接连接，甲烷气瓶(17)依次连接气体流量计(18)和增压泵Ⅱ(19)后再与六通阀Ⅱ(15)连接，水罐(20)连接平流泵后再与六通阀Ⅱ(15)连接，六通阀Ⅱ(15)连接六通阀Ⅰ(12)后实现天然气水合物生成系统与反应釜(2)的连接；
所述压裂液注入-返排系统包括压裂液储罐(8)、返排池(14)和三通阀(11)，压裂液储罐(8)依次连接流量计Ⅰ(9)、增压泵Ⅰ(10)后再与三通阀(11)连接，返排池(14)连接流量计Ⅱ(13)后再与三通阀(11)连接，三通阀(11)连接六通阀Ⅰ(12)后实现压裂液注入-返排系统与反应釜(2)的连接；
所述微波发生系统包括微波源(3)、环流器(4)、定向耦合器(6)和调配器(7)，微波源(3)通过导波管依次与环流器(4)、定向耦合器(6)、调配器(7)连接，调配器(7)通过导波管与反应釜顶盖(29)上的微波入口(30)连接，水负载(5)与环流器(4)连接；
所述天然气产出系统包括回压阀(22)、固液分离器(23)、气液分离器(24)和气体流量计(27)，回压阀(22)的一端与六通阀Ⅰ(12)连接，回压阀(22)的另一端通过高压管线依次与固液分离器(23)、气液分离器(24)、气体流量计(27)连接，气液分离器(24)设有气体出口和液体出口，气体出口与气体流量计(27)连接。
2.根据权利要求1所述的强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述人造岩心(32)与反应釜内壁之间密封设置橡胶衬套。
3.根据权利要求1所述的强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述反应釜顶盖(29)与釜体(28)之间采取石墨密封。
4.根据权利要求1所述的强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述导波管与微波入口(30)的连接处采用耐高压石英玻璃分隔密封。
5.根据权利要求1所述的强化微波加热开采天然气水合物的实验装置，其特征在于：所述恒温控制系统为恒温浴室(1)，恒温浴室采用水浴加热。
6.一种利用权利要求1所述装置进行实验的方法，其特征在于该包括以下步骤：
人造岩心与反应釜的准备工作：将人造岩心装入橡胶衬套，再将两者一起安放在反应釜中，盖上反应釜顶盖，并保证人造岩心上的两个竖直通道与反应釜顶盖上的两个开口对应连通；
将反应釜放入恒温浴室中，对反应釜进行加热，使其升温至预定的温度并稳定；
调节六通阀Ⅰ，转到天然气水合物生成系统，再调节六通阀Ⅱ，使反应釜与真空泵连通，对人造岩心抽真空；
制备天然气水合物：调节六通阀Ⅱ，向反应釜内注入甲烷气体，使反应釜的内部压力达到预定值，再调节六通阀Ⅱ，开启平流泵，注入水至预定压力；
磁性纳米流体压裂：调节六通阀Ⅰ，转到压裂液注入-返排系统，调节三通阀，将压裂液储罐中的磁性纳米流体压裂液经流量计Ⅰ和增压泵Ⅰ后注入人造岩心中，注入压力会先逐渐升高后下降，说明裂缝形成；待注入压力稳定后，再调节三通阀，将注入的压裂液经流量计Ⅱ返排，压裂液流入返排池；
微波加热：开启微波源产生微波，微波经环流器、定向耦合器、调配器后，由导波管进入微波入口；
天然气分解和开采。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：天然气分解和开采步骤中，随着微波加热的进行，人造岩心中制备的天然气水合物逐渐分解；调节六通阀Ⅰ，转到天然气产出系统，产出流体先通过回压阀实现降压，再进入固液分离器和气液分离器，在气液分离器中实现气体和液体的分离，气体进入气体流量计中，液体流入位于天平上的烧杯中。
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