CN114542021B - 一种热化学法强化co2置换开采ch4水合物的装置及方法 - Google Patents

一种热化学法强化co2置换开采ch4水合物的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置和方法，涉及天然气水合物开采领域。该装置包括反应器、增压注气系统、增压注料系统、抽真空系统、控温冷浴系统、产出气收集分析系统和数据检测采集系统。该方法在反应器的石英砂孔隙中生成天然气水合物；实验试验装置采取氧化钙在水合物沉积层中发生的水化反应，以强化二氧化碳置换开采天然气水合物；通过控制、调节氧化钙量、压力和温度，同时进行开采天然气水合物和封存二氧化碳，并提高二氧化碳置换天然气水合物的开采效果。

Description

一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其是一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置及方法。
背景技术
天然气水合物是一种非常规天然气资源，已探明海洋及大陆冻土带中天然气水合物中天然气总储量为(1.8-2.1)×1016m3，是全球化石能源储量的两倍左右，高效开采天然气水合物是各国未来能源战略发展目标。尽管现阶段全球各国对天然气水合物资源已经进行了多次试采现场试验，但距离开采商业化仍有差距。因此，探究持续、高效和安全的开采生产技术仍是天然气水合物开采的主要目标。
二氧化碳置换开采水合物是一种将二氧化碳及其混合气注入到天然气水合物沉积层的方法。其可以置换出水合物笼中的甲烷分子，同时将二氧化碳埋存于水合物沉积层。这是由于在相同的温压下，二氧化碳水合物比甲烷水合物稳定性更高。二氧化碳置换法开采天然气水合物可以维持沉积层的机械稳定性，从而避免海底滑坡等地质灾害，因此是一种有潜力的开采天然气水合物方法。但在二氧化碳置换开采过程中，二氧化碳在天然气水合物沉积层的传质过程受限，导致甲烷开采率低且开采速率慢，不能实现天然气水合物高效开采的要求。
针对以上气态二氧化碳置换开采甲烷水合物的置换速率和置换率低的问题，本发明设计一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置及方法。由于氧化钙在沉积层中会发生水化反应，释放出热量，其不仅破坏甲烷水合物层，强化二氧化碳在沉积层的传质过程，还可以促进甲烷水合物吸热分解，以提高甲烷开采率。同时水化产物氢氧化钙可以将未参与置换的二氧化碳吸收转化为碳酸钙，可以提高开采产出气的甲烷浓度并进一步稳固底层。
发明内容
本发明的目的在于提高二氧化碳置换开采甲烷水合物的置换速率和置换率，设计一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置及方法。
本发明技术方案如下：
具体地，本发明提供一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其包括反应器、增压注气系统、增压注料系统、抽真空系统、控温冷浴系统、产出气收集分析系统和数据检测采集系统；
所述反应器包括釜体、顶盖、防砂过滤层以及釜体中部固定的环形进料管路，所述釜体下部设有排液口、排液阀和温度传感器安装孔，所述顶盖设置有排气口、抽真空口和防爆阀；
所述增压注气系统包括二氧化碳气瓶、甲烷气瓶、流体增压泵、气体预冷管路、冷浴箱和第一循环制冷水浴机，所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶出口管路分别经过减压阀、第一三通阀、流体增压泵、气体预冷管路、第一截止阀至第二三通阀，所述第一截止阀和第二三通阀管线上设置有气体质量流量计；
所述增压注料系统包括精密手摇泵、进料、液压活塞，所述液压活塞能够紧贴进料釜壁做上下移动，所述精密手摇泵通过液压油管路连接至进料釜，所述进料釜侧面和顶部分别设有进料管路和出料管路，所述出料管路通过第二单向阀连接至第二三通阀；
所述抽真空系统包括真空泵，所述真空泵与所述反应器的顶部抽真空口通过管线连通；
所述控温冷浴系统包括水浴箱、第二循环制冷水浴机，水浴箱顶部和底部分别设有出液口和进液口连通于第二循环制冷水浴机；
所述产出气收集分析系统包括气体收集罐、过滤器和气相色谱分析仪，所述收集罐管路经过第三三通阀、过滤器连接至反应器排气口，所述气相色谱仪通过管路连接至第三三通阀；
所述数据检测采集系统包括计算机、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、气体流量计、第一压力传感器、第二压力传感器；所述第一温度传感器插设于冷浴箱，所述第二温度传感器和第三温度传感器插设于反应器温度传感器安装孔，所述第一压力传感器置于反应器顶盖，所述第四温度传感器和第二压力传感器插设于收集罐，所述传感器的信号输出端均连接所述计算机。
进一步地，所述增压注料系统中精细手摇泵使用液压油和液压活塞控制进料釜中的缓释乙基纤维素-氧化钙胶囊浆液定量注入反应器中。
进一步地，所述的反应器中环形进料管路(25)每间隔20.0mm设置进料孔。
进一步地，所述第二温度传感器和第三温度传感器分别设置3个反应器内温度监测点。
进一步地，所述截止阀包括第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止和第七截止阀；所述第一截止阀位于进料釜的进料管线上；所述第二截止阀位于第二三通阀和第二单向阀间管线上；所述第三截止阀位于第二三通阀和第一单向阀间管线上；所述第四截止阀位于反应器抽真空口和真空泵间管线上；所述第五截止阀位于反应器排气口和过滤器间管线上；所述第六截止阀位于第三三通阀和收集间管线上；所述第七截止位于第三三通和气相色谱仪间管线上。
进一步地，本发明还提供一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的模拟实验方法，其包括以下步骤：
S1、使用去离子水清洗反应器内部，烘干反应器内壁，再向反应器内加入石英砂和去离子水，再放入防砂过滤网；合釜后，打开第四截止阀，使用真空泵将反应釜抽真空20min，再通过环形进料管路向反应釜内均匀通入预冷的甲烷至8.0MPa，并使用气体质量流量计记录甲烷注入量，随后设定第二循环制冷水浴机，使水浴箱内温度恒定为2℃，以生成甲烷水合物；
S2、以乙基纤维素作为囊壁材料、氧化钙为囊芯材料，以相分离法制备延迟释放微胶囊乳液，并吸入进料釜中；
S3、设定第一循环制冷水浴机温度为0℃，当3h内反应器内压力变化小于0.01MPa时，即甲烷水合物生成过程结束，将第二循环制冷水浴机温度设定为-5℃，打开第五截止阀和第六截止阀，快速排出反应器内气相残余甲烷；
S4、快速打开二氧化碳减压阀，通过增压供气系统将低温二氧化碳气体通过环形进气管道均匀注入反应器，并使用气体质量流量计记录二氧化碳的注入量；关闭二氧化碳减压阀和第三截止阀，打开第二截止阀，使用精密手摇泵将氧化钙缓释微胶囊乳液逐步注入反应器内；
S5、利用第二循环制冷水浴机调节水浴箱的温度至275.15K，进行原位热化学甲烷水合物开采、二氧化碳封存过程，通过数据检测采集系统检测注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，并通过产出气收集分析系统定时记录气相色谱仪的分析结果；
S6、试验结束时关闭所有截止阀，调节水浴箱的温度至298.15K，分解反应器内水合物，并通过数据采集系统记录内部压力值，并对残余气体利用气相色谱仪进行分析。
本发明采用以上技术方案具有以下优点：
(1)本装置反应器内部设置环形进料管路，可以使甲烷充分扩散至石英砂孔隙中，也可以使二氧化碳有效分布在水合物沉积层中，并可以调节进气管路在釜内的相对高度，进而分析不同方式的天然气水合物开采效果；
(2)该装置可以通过氧化钙微胶囊注入的方法在反应釜内发生水化反应，释放热量加速甲烷水合物分解，提高甲烷水合物藏的开采效率；此外，通过二氧化碳注入，实现二氧化碳在水合物藏内的封存并置换出部分甲烷；
附图说明
图1是本发明一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置示意图；
图2是反应器内部结构示意图；
图3为进气管路结构示意图。
图1和图2中各个部件如下：
CO2气瓶1、CH4气瓶2、二氧化碳减压阀3、甲烷减压阀4、第一三通阀5、流体增压泵6、气体预冷管路7、冷浴箱8、第一循环制冷水浴机9，第一单向阀10、第二三通阀11、第一温度传感器12、气体流量计13、精密手摇泵14、进料釜15、液压活塞16、液压油管路17、进料管路18、出料管路19、第二单向阀20、真空泵21、釜体22、顶盖23、防砂过滤层24、环形进料管路25、排液口26、排液阀27、温度传感器安装孔28、排气口29、抽真空口30、第一压力传感器31、防爆阀32、水浴箱33、第二循环制冷水浴机34、收集罐35、过滤器36、气相色谱仪37、第三三通阀38、、括计算机39、排气口40、第二温度传感器41、第三温度传感器42、第四温度传感器43、第二压力传感器44、第一截止阀45、第二截止阀46、第三截止阀47、第四截止阀48、第五截止阀49、第六截止阀50、第七截止阀51。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例提供一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置。如图1所示，它包括反应器、增压注气系统、增压注料系统、抽真空系统、控温冷浴系统、产出气收集分析系统和数据检测采集系统；
反应器包括釜体22、顶盖23、防砂过滤层24以及釜体中部固定的环形进料管路25，釜体顶部设有排液口26、排液阀27和温度传感器安装孔28，釜体顶盖设置有排气口29、抽真空口30和防爆阀32；
增压注气系统包括CO2气瓶1、CH4气瓶2、流体增压泵6、气体预冷管路7、冷浴箱8和第一循环制冷水浴机9，所述二氧化碳气瓶和甲烷气瓶出口管路分别经过二氧化碳减压阀3、甲烷减压阀4、第一三通阀5、流体增压泵6、气体预冷管路7、第一单向阀10至第二三通阀11，所述第一截止阀10和第二三通阀11管线上设置有气体流量计13；
增压注料系统包括精密手摇泵14、进料釜15、液压活塞16，所述液压活塞16能够紧贴进料釜壁做垂直位移，精密手摇泵14通过液压油管路17连接至进料釜，进料釜侧面和顶部分别设有进料管路18和出料管路19，出料管路19通过第二单向阀20连接至第二三通阀11；
抽真空系统包括真空泵21，真空泵21与所述反应器的顶端抽真空口30通过管线连通；
控温冷浴系统包括水浴箱33、第二循环制冷水浴机34，水浴箱顶部和底部分别设有出液口和进液口连通于第二循环制冷水浴机；
产出气收集分析系统包括收集罐35、过滤器36和气相色谱仪37，所述收集罐管路经过第三三通阀38、过滤器36连接至反应器排气口29，所述气相色谱仪37通过管路连接至第三三通阀38；
数据检测采集系统包括计算机39、第一温度传感器40、第二温度传感器41、第三温度传感器42、第四温度传感器43、气体流量计13、第一压力传感器31、第二压力传感器44；所述第一温度传感器插设于冷浴箱8，所述第二温度传感器41和第三温度传感器42插设于反应器温度传感器安装孔28，所述第一压力传感器31置于反应器顶盖23，所述第四温度传感器43和第二压力传感器44插设于收集罐35，所述传感器的信号输出端均连接所述计算机39。
以下实施例提供一种利用本装置进行热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的方案：
实施例2
检查反应釜气密性后，使用去离子水清洗反应器内部，加热烘干反应器内壁，再向反应器内加入石英砂和去离子水，再放入防砂过滤网；合釜后，打开第四截止阀，使用真空泵将反应釜抽真空20min，打开甲烷减压阀再通过环形进料管路向反应釜内均匀通入预冷的甲烷至8.0MPa，并使用气体质量流量计记录甲烷注入量，随后设定第二循环制冷水浴机，使水浴箱内温度恒定为2℃，生成1.2mol甲烷水合物。以乙基纤维素(EC)作为囊壁材料、氧化钙(30g)为囊芯材料，以相分离法制备缓释微胶囊乳液，并通过进料管路吸入进料釜中。当3h内反应器内压力变化小于0.01MPa时，即甲烷水合物生成过程结束，分别设定第一循环制冷水浴机和第二循环制冷水浴机的温度至0℃和-5℃，打开第五截止阀和第六截止阀，快速排出反应器内气相中残余甲烷。迅速打开二氧化碳减压阀，通过增压供气系统将低温二氧化碳气体通过环形进气管道均匀注入反应器至3.5MPa，并使用气体质量流量计记录二氧化碳的注入量；关闭二氧化碳减压阀和第三截止阀，打开第二截止阀，使用精密手摇泵将氧化钙缓释微胶囊乳液逐步注入反应器内。利用第二循环制冷水浴机调节水浴箱的温度至2.0℃，进行原位热化学甲烷水合物开采、二氧化碳封存过程，通过数据检测采集系统实时检测注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，并通过产出气收集分析系统定时记录气相色谱仪的分析结果。约5h后，反应器内进料管路附近温度监测点温度增加5.4℃，釜内压力提高0.44MPa，表明水合物中发生氧化钙水化反应。通过气相色谱仪的分析，置换初始时、水化反应后和置换结束后釜内甲烷浓度分别为：1.2％、30.4％和38.7％，计算得到甲烷开采率52.3％。试验结束时关闭所有截止阀，调节水浴箱的温度至25℃，分解反应器内水合物，并通过数据采集系统记录内部压力值，并对残余气体利用气相色谱仪进行分析。
实施例3
检查反应釜气密性后，使用去离子水清洗反应器内部，加热烘干反应器内壁，再向反应器内加入石英砂和去离子水，再放入防砂过滤网；合釜后，打开第四截止阀，使用真空泵将反应釜抽真空20min，打开甲烷减压阀再通过环形进料管路向反应釜内均匀通入预冷的甲烷至8.4MPa，并使用气体质量流量计记录甲烷注入量，随后设定第二循环制冷水浴机，使水浴箱内温度恒定为2℃，生成1.32mol甲烷水合物。以乙基纤维素(EC)作为囊壁材料、氧化钙(20.0g)为囊芯材料，以相分离法制备缓释微胶囊乳液，并通过进料管路吸入进料釜中。当3h内反应器内压力变化小于0.01MPa时，即甲烷水合物生成过程结束，分别设定第一循环制冷水浴机和第二循环制冷水浴机的温度至0℃和-5℃，打开第五截止阀和第六截止阀，快速排出反应器内气相中残余甲烷。迅速打开二氧化碳减压阀，通过增压供气系统将低温二氧化碳气体通过环形进气管道均匀注入反应器至3.5MPa，并使用气体质量流量计记录二氧化碳的注入量；关闭二氧化碳减压阀和第三截止阀，打开第二截止阀，使用精密手摇泵将氧化钙缓释微胶囊乳液逐步注入反应器内。利用第二循环制冷水浴机调节水浴箱的温度至2.0℃，进行原位热化学甲烷水合物开采、二氧化碳封存过程，通过数据检测采集系统实时检测注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，并通过产出气收集分析系统定时记录气相色谱仪的分析结果。约5h后，反应器内进料管路附近温度监测点温度增加4.2℃，釜内压力提高0.31MPa，表明水合物中发生氧化钙水化反应。通过气相色谱仪的分析，置换初始时、水化反应后和置换结束后釜内甲烷浓度分别为：1.2％、24.4％和32.7％，计算得到甲烷开采率41.3％。试验结束时关闭所有截止阀，调节水浴箱的温度至25℃，分解反应器内水合物，并通过数据采集系统记录内部压力值，并对残余气体利用气相色谱仪进行分析。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：反应器、增压注气系统、增压注料系统、抽真空系统、控温冷浴系统、产出气收集分析系统和数据检测采集系统；
所述反应器包括釜体(22)、顶盖(23)、防砂过滤层(24)以及环形进料管路(25)；所述釜体(22)顶部设置有防砂过滤层(24)和顶盖(23)，所述釜体内部固定有环形进料管路(25)；
所述增压注气系统包括CO2气瓶(1)、CH4气瓶(2)、流体增压泵(6)、气体预冷管路(7)、冷浴箱(8)和第一循环制冷水浴机(9)；所述CO2气瓶(1)和CH4气瓶(2)分别与流体增压泵(6)连接，所述流体增压泵(6)与设置于冷浴箱(8)中的气体预冷管路(7)连接，所述冷浴箱(8)和第一循环制冷水浴机(9)连接；
所述增压注料系统包括精密手摇泵(14)、进料釜(15)和液压活塞(16)；所述液压活塞(16)能够紧贴进料釜壁做上下移动；所述精密手摇泵(14)通过液压活塞(16)与进料釜(15)连接；
所述抽真空系统包括真空泵(21)，所述真空泵(21)与所述反应器的顶部抽真空口(30)通过管线连通；
所述控温冷浴系统包括水浴箱(33)和第二循环制冷水浴机(34)；所述水浴箱(33)顶部和底部分别设有出液口和进液口连通于第二循环制冷水浴机(34)；所述釜体(22)设置于水浴箱(33)内部；
所述产出气收集分析系统包括收集罐(35)、过滤器(36)和气相色谱仪(37)；所述收集罐(35)管路经过第三三通阀(38)、过滤器(36)连接至反应器排气口(29)，所述气相色谱仪(37)通过管路连接至第三三通阀(38)；
所述数据检测采集系统包括计算机(39)、第一温度传感器(40)、第二温度传感器(41)、第三温度传感器(42)、第四温度传感器(43)、气体流量计(13)、第一压力传感器(31)和第二压力传感器(44)；所述第一温度传感器(40)插设于冷浴箱(8)，所述第二温度传感器(41)和第三温度传感器(42)插设于反应器温度传感器安装孔(28)，所述第一压力传感器(31)置于反应器顶盖(23)上，所述第四温度传感器(43)和第二压力传感器(44)插设于收集罐(35)，所有传感器的信号输出端均连接所述计算机(39)；
上述装置的使用方法包括以下步骤：
S1、使用去离子水清洗反应器内部，烘干反应器内壁，再向反应器内加入石英砂和去离子水，合釜后，打开第四截止阀，使用真空泵将反应釜抽真空，通过环形进料管路向反应釜内通入预冷的甲烷至8MPa，并使用气体质量流量计记录甲烷注入量，随后设定第二循环制冷水浴机温度为2℃以生成甲烷水合物；
S2、以乙基纤维素作为囊壁材料、氧化钙为囊芯材料，以相分离法制备延迟释放微胶囊乳液，并注入进料釜中；
S3、设定第一循环制冷水浴机温度为0℃在甲烷水合物生成过程结束后，将第二循环制冷水浴机温度设定为-5℃，打开第五截止阀和第六截止阀，快速排出反应器内残余甲烷；
S4、打开二氧化碳减压阀，通过增压供气系统注入1.2±0.5mol低温二氧化碳气体通过环形进气管道均匀进入反应器，开始二氧化碳置换开采天然气水合物，并使用气体质量流量计记录二氧化碳注入量；
关闭二氧化碳减压阀和第三截止阀，打开第二截止阀，使用精密手摇泵将氧化钙微胶囊乳液逐步注入反应器内；
S5、利用第二循环制冷水浴机调节水浴箱的温度至275.15K，开始进行原位热化学甲烷水合物开采、二氧化碳封存过程，通过数据检测采集系统检测注入、采出气体的流量、反应器中的温度和压力，并通过产出气收集分析系统定时记录气相色谱仪的分析结果；
S6、试验结束时关闭所有截止阀，调节水浴箱的温度至298.15K，分解反应器内水合物，并通过数据采集系统记录内部压力值，并对残余气体利用气相色谱仪进行分析。
2.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：所述釜体(22)下部设有排液口(26)、排液阀(27)和温度传感器安装孔(28)，所述顶盖设置有排气口(29)、抽真空口(30)和防爆阀(32)。
3.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：所述精密手摇泵(14)通过液压油管路(17)连接至进料釜(15)，所述进料釜(15)侧面和顶部分别设有进料管路(18)和出料管路(19)，所述出料管路(19)通过第二单向阀(20)连接至第二三通阀(11)。
4.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：第一单向阀(10)和第二三通阀(11)管线上设置有气体流量计(13)。
5.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：所述增压注料系统中精细手摇泵(14)使用液压油和液压活塞(16)控制进料釜(15)中的缓释乙基纤维素-氧化钙胶囊浆液定量注入反应器中。
6.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：所述CO2气瓶(1)和CH4气瓶(2)出口管路分别经过二氧化碳减压阀(3)、甲烷减压阀(4)与第一三通阀(5)连接，所述第一三通阀(5)与流体增压泵(6)、气体预冷管路(7)、第一单向阀(10)至第二三通阀(11)顺次连接，所述第二三通阀(11)与环形进料管路(25)连接。
7.根据权利要求1所述一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：所述环形进料管路(25)每间隔20.0mm设置进料孔。
8.根据权利要求1所述的一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：位于釜体(22)内部，所述第二温度传感器(41)和第三温度传感器(42)分别设置3个反应器内温度监测点。
9.根据权利要求1所述的一种热化学法强化CO2置换开采CH4水合物的装置，其特征在于：还包括截止阀；所述截止阀包括第一截止阀(45)、第二截止阀(46)、第三截止阀(47)、第四截止阀(48)、第五截止阀(49)、第六截止阀(50)和第七截止阀(51)；所述第一截止阀(45)位于进料釜的进料管路(18)上；所述第二截止阀(46)位于第二三通阀(11)和第二单向阀(20)间管线上；所述第三截止阀(47)位于第二三通阀(11)和第一单向阀(10)间管线上；所述第四截止阀(48)位于反应器抽真空口(30)和真空泵(21)间管线上；所述第五截止阀(49)位于反应器排气口(29)和过滤器(36)间管线上；所述第六截止阀(50)位于第三三通阀(38)和收集罐(35)间管线上；所述第七截止阀(51)位于第三三通阀(38)和气相色谱仪(37)间管线上。
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