CN111878044A - 一种注入烟道气模拟开采水合物的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种注入烟道气模拟开采水合物的装置及方法，其特征在于：包括测试釜、烟道气容器、数据采集器、恒速恒压泵、恒温保持器、手动泵和计算机；本发明中的烟道气模拟开采水合物的装置及方法可以实现解决水合物分解后如何与烟道气共存、烟道气如何影响减压的过程问题以及水合物在分解时烟道气中的CO2是否可以被封存的问题；可以实现为开采水合物提供可行性的数据支持；采用CO2与氮气的混合气体开采天然气甲烷的回收率达到85%相比于采用纯CO2开采的甲烷回收率64%有了质的提升。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其涉及一种注入烟道气模拟开采水合物的装置及方法。
背景技术
随着陆上石油石化能源的日益枯竭，人类在不断寻找新的能源。天然气水合物作为一种重要而清洁的潜在能源，正受到各国科学家和各国政府的重视。独特的晶体结构与分子空间构型决定了天然气水合物独特的高浓集气体的能力，单位体积天然气水合物可释放出160 ～ 180 倍体积甲烷气体。据估算，9O% 的海洋具备天然气水合物的赋存条件。据此，目前估算全球天然气水合物含碳量为全球化石燃料（石油、天然气和煤）含碳量的两倍。从这个意义上说，天然气水合物成为22 世纪清洁高效的替代性能源资源基本属于不争的事实，天然气水合物矿藏的发现、勘探、开发与研究极具价值。
常见的天然气水合物的开采中常见的开采方法如减压法、热刺激、抑制剂注射以及CO2替换；首先减压法适用于高孔隙度、高渗透性和高饱和型的带有天然气水合物砂岩，单这种砂岩只占少数部分，无法大面积使用此方法进行开采，且这种方法会产生大量的水份和沙石，使得带有天然气水合物的砂岩变得不稳定，这些不稳定的砂石常常会阻碍持续性的开采；其次，热刺激法主要为盐水喷射、蒸汽喷射原位燃烧，这些方式需要额外消耗大量的能量，且回收的天然气中约50%的能量使用在开采上非常不经济；再如，抑制剂注射法常常采用甲醇、乙醇类进行注射，还需要将这些醇类与水进行分离十分麻烦，且注射抑制剂可能会对海洋生态系统的环境造成严重危害，这种方法基本被认定为不可行的大规模开采天然气水合物的方法；最终，CO2替换法，这是基于天然气水合物的化学电位高于CO2，从理论上讲，CO2分子具有相对较高的倾向于取代天然气水合物笼中的甲烷分子；但是过量的水和粘土存在CO2分子和甲烷的转化效率，由于烟气中含有的CO2较多，适合用于水合物的开采，因此，模拟烟气开采天然气水合物研究烟气在不同温度、压力下的工作机理十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种注入烟道气模拟开采水合物的装置及方法，能够为烟道气开采天然气水合物提供相应的参数支持。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种注入烟道气模拟开采水合物的装置，其创新点在于：包括测试釜、烟道气容器、数据采集器、恒速恒压泵、恒温保持器、手动泵和计算机；
所述测试釜内设置有一活塞将测试釜体划分为测试区和加压区，且活塞上连接有一活塞管，且该活塞管穿过加压区延伸出测试釜；所述活塞管的一端与测试区导通，活塞管的另一端连接在烟道气容器上；所述活塞管上设置有位移传感器；所述测试釜的外壁上设置有加热层，且该加热层与恒温保持器相连对测试釜进行加热并保温；所述测试釜内设置有温度传感器，测试釜的两端分别设置有压力传感器；所述恒速恒压泵的一端连接在油箱上，另一端连接在测试釜的加压区，通过油箱内的液压油对活塞进行加压驱动，且恒速恒压泵通过计算机控制驱动；所述手动泵并联在恒速恒压泵的输出端上；
所述数据采集器与位移传感器、温度传感器、压力传感器相连收集测试过程中的数据，所述数据采集器与计算机相连进行数据分析。
一种权利要求1所述的注入烟道气模拟开采水合物装置用于开采水合物的方法，其创新点在于：具体开采方法如下：
S1：烟道气的准备：首先在烟道气容器内存入CO2含量为14.6%摩尔，N2含量为85.4%摩尔的模拟烟道气，并通过阀门连接在活塞管上，实现与测试釜的测试区导通；
S2：模拟砂岩的制作：采用直径为260μm-290μm的硅砂，采用去离子水进行浸泡后形成水饱和度为53%的硅砂并加入到测试釜的测试区，并在测试区的出口阀门连接上真空泵抽取测试区内硅砂内的空气；然后通过恒速恒压泵施加3.5Mpa的压力驱动活塞向测试区移动形成模拟砂岩；
S3：水合物的制作：通过测试区的出口处阀门连接上甲烷气体，甲烷气体在293K温度状态下向测试区内的模拟砂岩，注入甲烷气体直至测试釜内测试区的压力为20Mpa，且测试釜的温度通过恒温保持器降低至273.3K，形成天然气水合物；
S4：烟道气注入：在恒温恒压下，烟道气容器通过活塞管向测试釜的测试区内注入烟道气，且烟道气的注入量与前期甲烷的注入量相等，并保持时间260小时，且通过数据采集器实时记录相关数据并通过计算机形成图表。
本发明的优点在于：
1）本发明中的烟道气模拟开采水合物的装置及方法可以实现解决水合物分解后如何与烟道气共存、烟道气如何影响减压的过程问题以及水合物在分解时烟道气中的CO2是否可以被封存的问题；可以实现为开采水合物提供可行性的数据支持；采用CO2与氮气的混合气体开采天然气甲烷的回收率达到85%相比于采用纯CO2开采的甲烷回收率64%有了质的提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种注入烟道气模拟开采水合物的装置结构示意图。
图2为本发明的水合物在不同压力和温度下实验检测的相关参数表。
图3为本发明的水合物在注入烟气后甲烷分解的动力学过程。
图4为本发明的水合物烟气喷射测定甲烷回收中的甲烷浓度和CO2比。
图5为本发明的水合物在烟气喷射后不同温度压力下的甲烷浓度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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所示的一种注入烟道气模拟开采水合物的装置，包括测试釜1、烟道气容器2、数据采集器3、恒速恒压泵4、恒温保持器5、手动泵6和计算机7；
测试釜1内设置有一活塞8将测试釜体划分为测试区和加压区，且活塞8上连接有一活塞管81，且该活塞81管穿过加压区延伸出测试釜1；活塞管81的一端与测试区导通，活塞管81的另一端连接在烟道气容器2上；活塞管81上设置有位移传感器9；测试釜1的外壁上设置有加热层11，且该加热层11与恒温保持器5相连对测试釜1进行加热并保温；测试釜1内设置有温度传感器12，测试釜1的两端分别设置有压力传感器13；恒速恒压泵4的一端连接在油箱41上，另一端连接在测试釜1的加压区，通过油箱41内的液压油对活塞8进行加压驱动，且恒速恒压泵4通过计算机7控制驱动；手动泵6并联在恒速恒压泵4的输出端上；
数据采集器3与位移传感器9、温度传感器12、压力传感器13相连收集测试过程中的数据，数据采集器3与计算机7相连进行数据分析。
一种注入烟道气模拟开采水合物装置用于开采水合物的方法，具体开采方法如下：
S1：烟道气的准备：首先在烟道气容器内存入CO2含量为14.6%摩尔，N2含量为85.4%摩尔的模拟烟道气，并通过阀门连接在活塞管上，实现与测试釜的测试区导通；
S2：模拟砂岩的制作：采用直径为260μm-290μm的硅砂，采用去离子水进行浸泡后形成水饱和度为53%的硅砂并加入到测试釜的测试区，并在测试区的出口阀门连接上真空泵抽取测试区内硅砂内的空气；然后通过恒速恒压泵施加3.5Mpa的压力驱动活塞向测试区移动形成模拟砂岩；如图2所示为水合物在初始状态平衡中各数据参数；
S3：水合物的制作：通过测试区的出口处阀门连接上甲烷气体，甲烷气体在293K温度状态下向测试区内的模拟砂岩，注入甲烷气体直至测试釜内测试区的压力为20Mpa，且测试釜的温度通过恒温保持器降低至273.3K，形成天然气水合物；
S4：烟道气注入：在恒温恒压下，烟道气容器通过活塞管向测试釜的测试区内注入烟道气，且烟道气的注入量与前期甲烷的注入量相等，并保持时间260小时，且通过数据采集器实时记录相关数据并通过计算机形成图表；如图3所示在水合物注入烟气后甲烷分解过程图；在从A到B的最初几个小时里，甲烷水合物分离得非常快，导致甲烷浓度从初始值突然升高到气体中超过40%摩尔；从B到C，甲烷保持缓慢的解散约160小时，甲烷浓度变得恒定大约270小时后，最后，在第3阶段，从C到 D，系统分步骤地泄压在相同的温度和更多的甲烷是由甲烷水合物产生的分解；
图4通过烟气喷射测定甲烷回收中的甲烷浓度和CO2比；甲烷主要在在阶段1完成释放，在第一阶段，甲烷回收率是第二阶段的100多倍；
如图5所示泄压可以产生超过65mol%甲烷的气体，压力约为0.7MPa高于甲烷水合物解散压力，在273.3 K；与约60 mol%的甲烷，压力比甲烷水合物分离压力高出约 0.8 MPa在278.1 K，与 53 mol% 甲烷在压力约1.4 MPa 以上甲烷水合物解散压力为282.1 K；在实验4中甲烷水合物几乎完全分解之前减压，使没有更多的甲烷在减压期间释放，在系统压力低于甲烷水合物分离压力，即8.1 MPa，在284.2 K。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种注入烟道气模拟开采水合物的装置，其特征在于：包括测试釜、烟道气容器、数据采集器、恒速恒压泵、恒温保持器、手动泵和计算机；
所述测试釜内设置有一活塞将测试釜体划分为测试区和加压区，且活塞上连接有一活塞管，且该活塞管穿过加压区延伸出测试釜；所述活塞管的一端与测试区导通，活塞管的另一端连接在烟道气容器上；所述活塞管上设置有位移传感器；所述测试釜的外壁上设置有加热层，且该加热层与恒温保持器相连对测试釜进行加热并保温；所述测试釜内设置有温度传感器，测试釜的两端分别设置有压力传感器；所述恒速恒压泵的一端连接在油箱上，另一端连接在测试釜的加压区，通过油箱内的液压油对活塞进行加压驱动，且恒速恒压泵通过计算机控制驱动；所述手动泵并联在恒速恒压泵的输出端上；
所述数据采集器与位移传感器、温度传感器、压力传感器相连收集测试过程中的数据，所述数据采集器与计算机相连进行数据分析。
2.一种权利要求1所述的注入烟道气模拟开采水合物装置用于开采水合物的方法，其特征在于：具体开采方法如下：
S1：烟道气的准备：首先在烟道气容器内存入CO2含量为14.6%摩尔，N2含量为85.4%摩尔的模拟烟道气，并通过阀门连接在活塞管上，实现与测试釜的测试区导通；
S2：模拟砂岩的制作：采用直径为260μm-290μm的硅砂，采用去离子水进行浸泡后形成水饱和度为53%的硅砂并加入到测试釜的测试区，并在测试区的出口阀门连接上真空泵抽取测试区内硅砂内的空气；然后通过恒速恒压泵施加3.5Mpa的压力驱动活塞向测试区移动形成模拟砂岩；
S3：水合物的制作：通过测试区的出口处阀门连接上甲烷气体，甲烷气体在室温状态下向测试区内的模拟砂岩，注入甲烷气体直至测试釜内测试区的压力为20Mpa，且测试釜的温度通过恒温保持器降低至273.3K，形成天然气水合物；
S4：烟道气注入：在恒温恒压下，烟道气容器通过活塞管向测试釜的测试区内注入烟道气，且烟道气的注入量与前期甲烷的注入量相等，并保持时间260小时，且通过数据采集器实时记录相关数据并通过计算机形成图表。
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