CN113724570A - 一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油天然气开发技术领域，具体公开了一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置及方法，包括甲烷气瓶、甲烷流量计、二氧化碳气瓶、二氧化碳流量计、恒温箱、反应器、盐水容器、盐水流量计、第一电子天平、石灰水容器、第二电子天平和纯净水容器；甲烷气瓶、甲烷流量计和反应器依次连接；二氧化碳气瓶、二氧化碳流量计和反应器依次连接；盐水容器、盐水流量计和反应器依次连接；反应器置于恒温箱内；石灰水容器连接反应器，纯净水容器连接石灰水容器；石灰水容器置于第一电子天平上；纯净水容器置于第二电子天平上。以实现在实验室中定性观察和定量评价模拟二氧化碳置换开采天然气水合物的目的，结构简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开发技术领域，具体涉及一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置及方法。
背景技术
天然气水合物是天然气(甲烷)和水在高压、低温环境下形成的一种似冰笼状固体化合物，主要分布在极地、高原等冻土带环境和深海、深水等水下地层环境。由于其燃烧对环境影响较小，属于一种新型高效清洁能源，具备替代传统燃料的巨大资源潜力，因此近年来备受各国和各大能源公司青睐。
研究表明，若将液态二氧化碳注入天然气水合物储层，由于二氧化碳亲水性比甲烷要好，且在相同温度条件下，生成二氧化碳水合物需要的压力比天然气水合物保持稳定需要的压力低，因此在某一压力范围内，天然气水合物会分解成水和甲烷，而二氧化碳会以水合物形态保持稳定。因而会出现二氧化碳驱走甲烷的现象。在这一驱替过程中二氧化碳水合物的生成是放热过程，可燃冰分解则是吸热过程，且放热量要大于吸热量，因而这一过程也能够自发进行。与其他开采技术相比，二氧化碳置换开采最大的优势是能够保持或增强原有储层的稳定性，降低天然气水合物开采带来的地质灾害发生的可能性。二氧化碳置换开采天然气水合物同时，可以生产二氧化碳水合物并实现二氧化碳规模化封存，该开采方式在实现天然气水合物高效开发的同时，还可以实现温室气体的减排，有助于碳达峰碳中和的实现。
目前，二氧化碳开采天然气水合物技术尚不成熟，开发的控制机理和影响因素不清楚，甲烷饱和度、地层水离子浓度对二氧化碳置换开采天然气水合物的影响过程缺少定量和直观的评价。二氧化碳水合物的形成条件和影响因素不明确，过程不清楚，缺少相关的模拟实验设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置及方法，以解决不能定性观察和定量评价模拟二氧化碳置换开采天然气水合物和实现二氧化碳地质封存效率和效果的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，包括：甲烷气瓶、甲烷流量计、二氧化碳气瓶、二氧化碳流量计、恒温箱、反应器、盐水容器、盐水流量计、第一电子天平、石灰水容器、第二电子天平和纯净水容器；所述甲烷气瓶、甲烷流量计和反应器依次连接；所述二氧化碳气瓶、二氧化碳流量计和反应器依次连接；所述盐水容器、盐水流量计和反应器依次连接；所述反应器置于恒温箱内；所述石灰水容器连接反应器，纯净水容器连接石灰水容器；所述石灰水容器置于第一电子天平上；所述纯净水容器置于第二电子天平上。
进一步的，所述反应器上设有反应器顶盖；所述反应器内设有石英砂层、水合物模拟层和黏土层；所述石英砂层设于反应器内最下层，所述水合物模拟层设于石英砂层上，所述黏土层设于水合物模拟层上。
进一步的，所述的装置还包括第一阀门、第一导管、第一抽液泵、第二导管和第三导管；所述甲烷气瓶的出口经第一阀门和第一导管与第一抽液泵相连；所述第一抽液泵经第二导管与甲烷流量计相连；所述第三导管一端连接甲烷流量计，另一端设置在反应器的水合物模拟层中。
进一步的，所述的装置还包括第四导管、第二抽液泵、第五导管和第二阀门；所述二氧化碳气瓶的出口与第二抽液泵通过第四导管相连；第二抽液泵与二氧化碳流量计相连；第五导管一端与二氧化碳流量计相连，另一端设置在反应器的水合物模拟层中；第五导管上设有第二阀门。
进一步的，所述的装置还包括第三抽液泵、第六导管和第三阀门；所述盐水容器经第三抽液泵与盐水流量计相连；所述第六导管一端与盐水流量计相连，另一端设置在反应器的水合物模拟层中；所述第六导管上设有第三阀门。
进一步的，所述的装置还包括第八导管、第五阀门、第二稳压阀、第一容器瓶塞、第六阀门、第九导管、第二容器瓶塞、第七阀门和第十导管；所述第八导管一端设置在反应器的水合物模拟层中，另一端通过第一容器瓶塞与石灰水容器相连，并设置在石灰水容器下部，第八导管上设有第五阀门和第二稳压阀；第九导管一端通过第一容器瓶塞与石灰水容器相连，并设置在石灰水容器上部，另一端通过第二容器瓶塞与纯净水容器相连，并设置在纯净水容器上部，第九导管上设有第六阀门；第十导管一端设置在纯净水容器下部，另一端上设有第七阀门。
进一步的，所述的装置还包括第七导管、第四阀门、第一稳压阀、温度计和压力计；所述第七导管一端设置在反应器中的水合物模拟层；另一端经第四阀门连接第一稳压阀；温度计设置在反应器中的水合物模拟层中；反应器一侧连接压力计。
一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的方法，包括以下步骤：
配置盐水溶液，置于盐水容器内，关闭第一阀门、第二阀门、第五阀门，打开第三阀门、第四阀门，通过第三抽液泵向反应器内的水合物模拟层注入盐水溶液；
待盐水溶液注满反应器后，关闭第四阀门，继续注入盐水溶液，使反应器内压力达到地层预设压力，维持设定时间，通过压力计检查密封性；
关闭第三阀门，按实际地质温度，设置恒温箱的温度；并根据温度计进行调节；
打开第一阀门，设置第一稳压阀的压力值，打开第四阀门，通过第一抽液泵向水合物模拟层注入甲烷气体，观察天然气水合物的形成；
关闭第一阀门，关闭第四阀门，打开第二阀门，打开第五阀门，打开第六阀门、打开第七阀门，通过第二抽液泵，使二氧化碳气体通过第五导管注入到水合物模拟层，观察天然气水合物的分解和二氧化碳水合物的形成过程；
根据实验设计，改变恒温箱的设置，研究不同温度、压力条件下的二氧化碳置换甲烷水合物开采和二氧化碳水合物形成的条件；
依据二氧化碳流量计、甲烷流量计和第一电子天平、第二电子天平数值，计算甲烷水合物生成量、二氧化碳水合物生成量以及二氧化碳置换甲烷水合物置换效率；
实验完成后，取出反应器，关闭各阀门。
进一步的，所述甲烷流量计、二氧化碳流量计和盐水流量计的量程均为1000mL/min，精度均为0.1mL/min，耐压均为50MPa。
进一步的，所述第一电子天平和第二电子天平的量程为0.00-3000.00g，测量精度为0.01g。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，设有恒温箱；在恒温箱内能够模拟不同地质地层所需的温度、压力条件，依据反应器内岩石颗粒的排列组合模拟不同需求的水合物形成地层组合层。
2、本发明通过配置不同浓度和离子的盐水向反应器内注入，模拟地层中实际海水情况，然后向反应器中注入甲烷气体，定性观察和定量评价甲烷水合物的生成情况和生成量；之后通过二氧化碳气体对甲烷天然气水合物进行置换开采，并形成二氧化碳水合物，依据甲烷和二氧化碳注入量和通过电子天平计算的排出量，计算二氧化碳水合物的生产量和二氧化碳置换甲烷水合物的效率，以实现在实验室中定性观察和定量评价模拟二氧化碳置换开采天然气水合物的目的，结构简单，操作方便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1、甲烷气瓶；2、第一阀门；3、第一导管；4、第一抽液泵；5、第二导管；6、甲烷流量计；7、第三导管；8、二氧化碳气瓶；9、第四导管；10、第二抽液泵；11、二氧化碳流量计；12、第五导管；13、第二阀门；14、恒温箱；15、反应器；16、石英砂层；17、水合物模拟层；18、黏土层；19、反应器顶盖；20、盐水容器；21、第三抽液泵；22、盐水流量计；23、第六导管；24、第三阀门；25、第七导管；26、第四阀门；27、第一稳压阀；28、第八导管；29、第五阀门；30、第二稳压阀；31、第一电子天平；32、石灰水容器；33、第一容器瓶塞；34、第六阀门；35、第九导管；36、第二电子天平；37、纯净水容器；38、第二容器瓶塞；39、第七阀门；40、温度计；41、压力计；42、第十导管。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，包括：甲烷气瓶1、甲烷流量计6、二氧化碳气瓶8、二氧化碳流量计11、恒温箱14、反应器15、盐水容器20、盐水流量计22、第一电子天平31、石灰水容器32、第二电子天平36和纯净水容器37；甲烷气瓶1、甲烷流量计6和反应器15依次连接；二氧化碳气瓶8、二氧化碳流量计11和反应器15依次连接；盐水容器20、盐水流量计22和反应器15依次连接；反应器15置于恒温箱14内；石灰水容器32连接反应器15，纯净水容器37连接石灰水容器32；石灰水容器32置于第一电子天平31上；纯净水容器37置于第二电子天平36上。
反应器15上设有反应器顶盖19；反应器15内设有石英砂层16、水合物模拟层17和黏土层18；所述石英砂层16设于反应器15内最下层，所述水合物模拟层17设于石英砂层16上，所述黏土层18设于水合物模拟层17上。
甲烷气瓶1的出口经第一阀门2和第一导管3与第一抽液泵4相连；第一抽液泵4经第二导管5与甲烷流量计6相连；第三导管7一端连接甲烷流量计6，另一端设置在反应器15的水合物模拟层17中。
二氧化碳气瓶8的出口与第二抽液泵10通过第四导管9相连；第二抽液泵10与二氧化碳流量计11相连；第五导管12一端与二氧化碳流量计11相连，另一端设置在反应器15的水合物模拟层17中；第五导管12上设有第二阀门13。
盐水容器20经第三抽液泵21与盐水流量计22相连；第六导管23一端与盐水流量计22相连，另一端设置在反应器15的水合物模拟层17中；第六导管23上设有第三阀门24。
第八导管28一端设置在反应器15的水合物模拟层17中，另一端通过第一容器瓶塞33与石灰水容器32相连，并设置在石灰水容器32下部，第八导管28上设有第五阀门29和第二稳压阀30；第九导管35一端通过第一容器瓶塞33与石灰水容器32相连，并设置在石灰水容器32上部，另一端通过第二容器瓶塞38与纯净水容器37相连，并设置在纯净水容器37上部，第九导管35上设有第六阀门34；第十导管42一端设置在纯净水容器37下部，另一端上设有第七阀门39。
第七导管25一端设置在反应器15中的水合物模拟层17；另一端经第四阀门26连接第一稳压阀27；温度计40设置在反应器15中的水合物模拟层17中；反应器15一侧连接压力计41。
石灰水容器32置有过量的石灰水溶液，保证混合气体中的二氧化碳被完全吸收。
流量计量程均为1000mL/min，精度均为0.1mL/min，耐压均为50MPa。
压力计41的量程为0-50MPa，测量精度均为0.1MPa。
第一电子天平31和第二电子天平36的量程为0.00-3000.00g，测量精度为0.01g。
整个实验装置和系统保持较好的密封性。
实施例2
本发明提供了一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的方法，包括以下步骤：
(1)配置盐水溶液，置于盐水容器20内，关闭第一阀门2、第二阀门13、第五阀门29，打开第三阀门24、第四阀门26，通过第三抽液泵21向反应器15内的水合物模拟层17注入盐水溶液。
(2)待盐水溶液注满反应器后，关闭第四阀门26，继续注入盐水溶液，使反应器内压力达到地层预设压力，维持设定时间，通过压力计41检查密封性。
(3)关闭第三阀门24，按实际地质温度，设置恒温箱14的温度；并根据温度计40进行调节，
(4)打开第一阀门2，设置第一稳压阀27的压力值，打开第四阀门26，通过第一抽液泵4向水合物模拟层17注入甲烷气体，观察天然气水合物的形成。
(5)关闭第一阀门2，关闭第四阀门26，打开第二阀门13，打开第五阀门29，打开第六阀门34、打开第七阀门39，通过第二抽液泵10，使二氧化碳气体通过第五导管12注入到水合物模拟层17，观察天然气水合物的分解和二氧化碳水合物的形成过程；
(6)根据实验设计，改变恒温箱14的设置，研究不同温度、压力条件下的二氧化碳置换甲烷水合物开采和二氧化碳水合物形成的条件；
(7)依据二氧化碳流量计11、甲烷流量计6和第一电子天平31、第二电子天平37数值，计算甲烷水合物生成量、二氧化碳水合物生成量以及二氧化碳置换甲烷水合物置换效率。
(8)实验完成后，取出反应器15，关闭各阀门。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，包括：甲烷气瓶(1)、甲烷流量计(6)、二氧化碳气瓶(8)、二氧化碳流量计(11)、恒温箱(14)、反应器(15)、盐水容器(20)、盐水流量计(22)、第一电子天平(31)、石灰水容器(32)、第二电子天平(36)和纯净水容器(37)；所述甲烷气瓶(1)、甲烷流量计(6)和反应器(15)依次连接；所述二氧化碳气瓶(8)、二氧化碳流量计(11)和反应器(15)依次连接；所述盐水容器(20)、盐水流量计(22)和反应器(15)依次连接；所述反应器(15)置于恒温箱(14)内；所述石灰水容器(32)连接反应器(15)，纯净水容器(37)连接石灰水容器(32)；所述石灰水容器(32)置于第一电子天平(31)上；所述纯净水容器(37)置于第二电子天平(36)上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述反应器(15)上设有反应器顶盖(19)；所述反应器(15)内设有石英砂层(16)、水合物模拟层(17)和黏土层(18)；所述石英砂层(16)设于反应器(15)内最下层，所述水合物模拟层(17)设于石英砂层(16)上，所述黏土层(18)设于水合物模拟层(17)上。
3.根据权利要求2所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述的装置还包括第一阀门(2)、第一导管(3)、第一抽液泵(4)、第二导管(5)和第三导管(7)；所述甲烷气瓶(1)的出口经第一阀门(2)和第一导管(3)与第一抽液泵(4)相连；所述第一抽液泵(4)经第二导管(5)与甲烷流量计(6)相连；所述第三导管(7)一端连接甲烷流量计(6)，另一端设置在反应器(15)的水合物模拟层(17)中。
4.根据权利要求3所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述的装置还包括第四导管(9)、第二抽液泵(10)、第五导管(12)和第二阀门(13)；所述二氧化碳气瓶(8)的出口与第二抽液泵(10)通过第四导管(9)相连；所述第二抽液泵(10)与二氧化碳流量计(11)相连；所述第五导管(12)一端与二氧化碳流量计(11)相连，另一端设置在反应器(15)的水合物模拟层(17)中；所述第五导管(12)上设有第二阀门(13)。
5.根据权利要求4所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述的装置还包括第三抽液泵(21)、第六导管(23)和第三阀门(24)；所述盐水容器(20)经第三抽液泵(21)与盐水流量计(22)相连；所述第六导管(23)一端与盐水流量计(22)相连，另一端设置在反应器(15)的水合物模拟层(17)中；所述第六导管(23)上设有第三阀门(24)。
6.根据权利要求5所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述的装置还包括第八导管(28)、第五阀门(29)、第二稳压阀(30)、第一容器瓶塞(33)、第六阀门(34)、第九导管(35)、第二容器瓶塞(38)、第七阀门(39)和第十导管(42)；所述第八导管(28)一端设置在反应器(15)的水合物模拟层(17)中，另一端通过第一容器瓶塞(33)与石灰水容器(32)相连，并设置在石灰水容器(32)下部，第八导管(28)上设有第五阀门(29)和第二稳压阀(30)；所述第九导管(35)一端通过第一容器瓶塞(33)与石灰水容器(32)相连，并设置在石灰水容器(32)上部，另一端通过第二容器瓶塞(38)与纯净水容器(37)相连，并设置在纯净水容器(37)上部，第九导管(35)上设有第六阀门(34)；所述第十导管(42)一端设置在纯净水容器(37)下部，另一端上设有第七阀门(39)。
7.根据权利要求6所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，其特征在于，所述的装置还包括第七导管(25)、第四阀门(26)、第一稳压阀(27)、温度计(40)和压力计(41)；所述第七导管(25)一端设置在反应器(15)中的水合物模拟层(17)；另一端经第四阀门(26)连接第一稳压阀(27)；温度计(40)设置在反应器(15)中的水合物模拟层(17)中；反应器(15)一侧连接压力计(41)。
8.一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的方法，其特征在于，基于权利要求7所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的装置，包括以下步骤：
配置盐水溶液，置于盐水容器(20)内，关闭第一阀门(2)、第二阀门(13)、第五阀门(29)，打开第三阀门(24)、第四阀门(26)，通过第三抽液泵(21)向反应器(15)内的水合物模拟层(17)注入盐水溶液；
待盐水溶液注满反应器后，关闭第四阀门(26)，继续注入盐水溶液，使反应器内压力达到地层预设压力，维持设定时间，通过压力计(41)检查密封性；
关闭第三阀门(24)，按实际地质温度，设置恒温箱(14)的温度；并根据温度计(40)进行调节；
打开第一阀门(2)，设置第一稳压阀(27)的压力值，打开第四阀门(26)，通过第一抽液泵(4)向水合物模拟层(17)注入甲烷气体，观察天然气水合物的形成；
关闭第一阀门(2)，关闭第四阀门(26)，打开第二阀门(13)，打开第五阀门(29)，打开第六阀门(34)、打开第七阀门(39)，通过第二抽液泵(10)，使二氧化碳气体通过第五导管(12)注入到水合物模拟层(17)，观察天然气水合物的分解和二氧化碳水合物的形成过程；
根据实验设计，改变恒温箱(14)的设置，研究不同温度、压力条件下的二氧化碳置换甲烷水合物开采和二氧化碳水合物形成的条件；
依据二氧化碳流量计(11)、甲烷流量计(6)和第一电子天平(31)、第二电子天平(37)数值，计算甲烷水合物生成量、二氧化碳水合物生成量以及二氧化碳置换甲烷水合物置换效率；
实验完成后，取出反应器(15)，关闭各阀门。
9.根据权利要求8所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的方法，其特征在于，所述甲烷流量计(6)、二氧化碳流量计(11)和盐水流量计(22)的量程均为1000mL/min，精度均为0.1mL/min，耐压均为50MPa。
10.根据权利要求9所述的一种模拟二氧化碳开采天然气水合物并封存的方法，其特征在于，所述第一电子天平(31)和第二电子天平(36)的量程为0.00-3000.00g，测量精度为0.01g。
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