CN204945118U - 一种水合物管式驱替反应实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水合物管式驱替反应实验装置，包括一管式反应釜，管式反应釜一端设置有总进管，管式反应釜另一端设置有总出管，总进管通过第一管路与第一平流泵相连通，第一平流泵通过第二管路与存储罐下部相连通，第一管路与第二管路之间设置有第一连接管路；总出管通过第三管路与存储罐上部相连通，总出管上连接有第四管路，第四管路与第二气瓶相连通。通过相关传感器监测水合物反应过程中各个参数的变化状况，从而确定水合物诱导期、生成速率、饱和度以及水合物的各向异性分布状况，从而获取模拟海底二氧化碳水合物的形成分布规律与相关参数。

Description

一种水合物管式驱替反应实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种水合物管式驱替反应实验装置。

背景技术

CO₂海洋封存技术是减少大气CO₂的主要措施之一，它通过管道将捕获富集的CO₂直接注入海洋水柱体或海底沉积物中，CO₂以液态或固态水合物的形式封存。其中海底沉积层内CO₂封存是将CO₂注储于海底多孔床层内，液态的CO₂在沉积层孔隙中溶解、扩散，在物理、化学和矿化作用下大量聚集在沉积层盖层之下，从而形成一个圈闭空间。由于和人类生存空间有海水层的间隔，相对于一般的内陆地质封存方式具有更高的安全性。如果发生海底地质灾害、地壳运动导致储层裂隙，CO₂将沿着裂隙向上运移、泄漏(水合物也可能分解成CO₂)。当CO₂再次渗流进入水合物稳定区域，水合物又在储层内形成和不断长大，使得沉积层孔隙度和渗透率急剧减小，从而封闭CO₂的泄漏通道。即使还有部分CO₂渗透过水合物盖层继续运移、上升扩散到海洋中，也会由于CO₂与海水密度差异，形成CO₂的“湖泊型”海洋封存。

由此可见，海底沉积层为CO₂的捕集提供了永久储库，重力作用、水合物覆盖层及其它地质化学作用的多重俘获机理可以防止CO₂发生大量逸出。近年来有不少学者提出CO₂置换开采海底天然气水合物，不但CO₂水合物的生成热可用于分解天然气水合物，而且CO₂水合物有助于稳固亏空的储层，防止因水合物开采造成海底滑坡等自然灾害^[5]。CO₂置换开采方法具有经济和环境上的双重意义，与传统的水合物开采方法相比具有明显的优势。

无论CO₂海底封存还是置换开采天然气水合物，其本质都是多孔介质中CO₂-孔隙水驱替形成水合物并伴有热扩散效应的CO₂渗流过程。CO₂与孔隙水两相竞争驱替、溶解、运移，并在温度、压力、盐度和孔隙毛细管压力共同约束下形成水合物并继续向周围渗流；CO₂水合物形成又会降低地层孔隙度和渗透率，从而影响CO₂在海底沉积层中的运移。同时，CO₂水合物形成过程中释放大量相变潜热(约65kJ/mol)，而地层多孔骨架、水合物和孔隙流体(CO₂、海水)具有不同的热力学性质(如比热容和导热系数)，这些热量在非均相中的热扩散效应不能忽略。因此，深入研究沉积层中水合物驱替形成和CO₂运移过程，对CO₂海底封存、天然气水合物置换开采以及评估水合物藏失稳分解都具有重要的意义。从目前报道的文献来看，有关沉积物中CO₂水合物研究主要集中在CO₂-孔隙水静置模式(这里的“静置模式”是指CO₂与孔隙水处于宏观静止状态)形成水合物热力学、动力学实验或数值模拟，缺乏对海底沉积层中液态CO₂-孔隙水两相竞争驱替模式形成水合物动力学和热扩散效应研究。因此，获得结论或者模型尚无法直接应用。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种水合物管式驱替反应实验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型方案包括：

一种水合物管式驱替反应实验装置，其包括用于控制水合物管式驱替反应实验装置运行的控制中心，其中，水合物管式驱替反应实验装置还包括一管式反应釜，管式反应釜一端设置有总进管，管式反应釜另一端设置有总出管，总进管通过第一管路与第一平流泵相连通，第一平流泵通过第二管路与存储罐下部相连通，第一管路与第二管路之间设置有第一连接管路；

总出管通过第三管路与存储罐上部相连通，总出管上连接有第四管路，第四管路与第二气瓶相连通，第四管路下方的总出管上设置有第五管路，第五管路与第二平流泵相连通，第二平流泵通过第六管路与总出管相连通，第五管路与第六管路之间的总出管上设置有第一阀门；第三管路通过第七管路与第一气瓶相连通；

总进管与一气相连通管相连通，第七管路通过第二连接管与该气相连通管相连通。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述第一管路在近第一平流泵端设置有第二阀门，第一管路在近总进管端设置有第三阀门，第二管路在近第一平流泵端设置有第四阀门，第一连接管在第二阀门端设置有第五阀门，第一连接管在近第四阀门端设置有第六阀门；上述第五管路上设置有第七阀门，第六管路上设置有第八阀门。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述第四管路与总出管连接处设置有备压阀，备压阀与第二气瓶之间的第四管路上设置有第一减压稳压阀，备压阀上方的第三管路上设置有第十阀门；第七管路上自第一气瓶至第三管路的方向依次布置有第二减压稳压阀、气体流量计、单向阀、第十一阀门与第十二阀门，第二连接管的一端位于地十一阀门与第十二阀门之间；气相连通管上设置有第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门与第十六阀门，第十三阀门、第十四阀门位于第二连接管端的气相连通管上，第二连接管的另一端位于第十三阀门与第十四阀门之间，第十五阀门、第十六阀门位于总进管端的气相连通管上，总进管与气相连通管的连接处位于第十五阀门与第十六阀门之间。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述总进管与总出管之间设置有压差计，压差计的两侧分别设置有控制阀门。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述管式反应釜内布置有多个温度传感器、压力传感器、时域反射探针，时域反射探针与TDR采集转换器线路连接，多个温度传感器、压力传感器、TDR采集转换器均通过数据采集仪与控制中心线路连接。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述管式反应釜、存储罐均配置有恒温水域设备。

所述的水合物管式驱替反应实验装置，其中，上述第三管路上设置有第一排出管，第一排出管上设置有第一排出阀门，第二管路上设置有第二排出管，第二排出管上设置有第二排出阀门，总出管上在近管式反应釜端设置有第三排出管，第三排出管上设置有第三排出阀门。

本实用新型提供的一种水合物管式驱替反应实验装置，通过相关传感器监测水合物反应过程中各个参数的变化状况，从而确定水合物诱导期、生成速率、饱和度以及水合物的各向异性分布状况，从而获取模拟海底二氧化碳水合物的形成分布规律与相关参数。

附图说明

图1为本实用新型中水合物管式驱替反应实验装置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种水合物管式驱替反应实验装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种水合物管式驱替反应实验装置，如图1所示的，其包括用于控制水合物管式驱替反应实验装置运行的控制中心1，其中，水合物管式驱替反应实验装置还包括一管式反应釜2，管式反应釜2一端设置有总进管3，管式反应釜2另一端设置有总出管4，总进管3通过第一管路5与第一平流泵6相连通，第一平流泵6通过第二管路7与存储罐8下部相连通，第一管路5与第二管路7之间设置有第一连接管路9；

总出管4通过第三管路10与存储罐8上部相连通，总出管4上连接有第四管路11，第四管路11与第二气瓶12相连通，第四管路11下方的总出管4上设置有第五管路13，第五管路13与第二平流泵14相连通，第二平流泵14通过第六管路15与总出管4相连通，第五管路13与第六管路15之间的总出管4上设置有第一阀门16；第三管路10通过第七管路17与第一气瓶18相连通；

总进管3与一气相连通管19相连通，第七管17路通过第二连接管20与该气相连通管19相连通。

更进一步的，上述第一管路5在近第一平流泵6端设置有第二阀门21，第一管路5在近总进管3端设置有第三阀门22，第二管路7在近第一平流泵6端设置有第四阀门23，第一连接管9在第二阀门21端设置有第五阀门24，第一连接管9在近第四阀门23端设置有第六阀门25；上述第五管路13上设置有第七阀门26，第六管路15上设置有第八阀门27。

而且上述第四管路11与总出管4连接处设置有备压阀28，备压阀28与第二气瓶12之间的第四管路11上设置有第一减压稳压阀29，备压阀28上方的第三管路10上设置有第十阀门30；第七管路17上自第一气瓶18至第三管路10的方向依次布置有第二减压稳压阀31、气体流量计32、单向阀33、第十一阀门34与第十二阀门35，第二连接管20的一端位于第十一阀门34与第十二阀门35之间；气相连通管19上设置有第十三阀门36、第十四阀门37、第十五阀门38与第十六阀门39，第十三阀门36、第十四阀门37位于第二连接管20端的气相连通管19上，第二连接管20的另一端位于第十三阀门36与第十四阀门37之间，第十五阀门38、第十六阀门39位于总进管3端的气相连通管19上，总进管3与气相连通管19的连接处位于第十五阀门38与第十六阀门39之间。

更进一步的，上述总进管3与总出管4之间设置有压差计40，压差计40的两侧分别设置有控制阀门41。上述管式反应釜2内布置有多个温度传感器42、压力传感器43、时域反射探针44，时域反射探针44与TDR采集转换器45线路连接，多个温度传感器42、压力传感器43、TDR采集转换器45均通过数据采集仪50与控制中心1线路连接。而且还可以在管式反应釜2的釜臂上设置多个可视窗口，并在可视窗口处安装高清摄像头，再将高清摄像头与控制中心1相连接，可以直观的观看管式反应釜2内的水合物反应情况。

上述管式反应釜2、存储罐8均配置有恒温水域设备46。上述第三管路10上设置有第一排出管47，第一排出管47上设置有第一排出阀门，第二管路7上设置有第二排出管48，第二排出管48上设置有第二排出阀门，总出管4上在近管式反应釜2端设置有第三排出管49，第三排出管49上设置有第三排出阀门。

为了更进一步的描述本实用新型，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

步骤1：实验开始前，检查整个系统密闭性良好后关闭所有阀门，打开存储罐8顶部的快插头，将存储罐8装满蒸馏水，再将快插头接好，打开阀门第四阀门23、第六阀门25、第十阀门30、第一阀门16、第八阀门27、第二排出阀门，将存储罐8的蒸馏水通过第一平流泵6送入管式反应釜2中，待管式反应釜2中充满蒸馏水后，经第二平流泵14送入存储罐8，此时第一排出阀门是开启的，目的是让整个系统充满蒸馏水，将整个体统中的空气通过第一排出阀门排出，消除空气对水合物反应过程的影响。

步骤2：然后，关闭第一平流泵6、第二平流泵14，关闭阀门第一排出阀门、第十阀门30、第二排出阀门，同步骤1中将存储罐8再次装满蒸馏水，打开第十一阀门34与第十二阀门35，开启充满有二氧化碳的第一气瓶18，通过第二减压稳压阀31，设置压力为2MPa，气体会通过气体流量计32经单向阀33，进入存储罐8，此时打开第一排出阀门，在压力的作用下存储罐8中的一部分蒸馏水被排出，为反应气体二氧化碳留出存储空间。排出的水量可以用量筒测量，具体水量可根据实验要求确定。此方法的目的在于保证整个系统中不会有空气进入，待排出一定体积蒸馏水后，关闭第二排出阀门。根据实验要求重新设置第二减压稳压阀31，向存储罐8中充入二氧化碳，待第二减压稳压阀31的指针稳定后，说明存储罐8中的二氧化碳气体达到设定压力，关闭第二减压稳压阀31及阀门第十一阀门34与第十二阀门35,此处存储罐8装有一支温度传感器和一支压力传感器，测量此时存储罐8中充满气体后的气体的温度和压力，用以当实验结束后，通过反应结束后存储罐8的气体压力和温度，利用热力学方程，求出反应过程中气体的消耗量。此时打开恒温水域设备，设置好实验温度并开启循环，使得存储罐8中的二氧化碳和水在恒定的温度下进行溶解饱和。利用气体流量计和排出的水量可计算此次充入存储罐8中的二氧化碳的气体量，为后续计算二氧化碳水合物的生成量提供定量基础数据。

步骤3：待到步骤2中的二氧化碳在蒸馏水中溶解饱和后，打开第十阀门30、第三排出阀门，启动第一平流泵6、第二平流泵14，根据实验要求设定好恒温水域设备启动，开始动态循环状态下的二氧化碳水合物反应，通过温度传感器42、压力传感器43、时域反射探针44、差压计40监测水合物反应过程温度、压力和压差的变化，从而可以确定水合物诱导期、饱和度以及水合物一维方向上的沿程分布情况。所有的数据信号可以实时采集并传输到电脑12。温度传感器42、压力传感器43、差压计40可对水合物生成过程进行温度、压力和压差实时监测，判断水合物是否反应以及反应程度，通过温度可计算出水合物诱导期，可通过热力学方程计算出水合物反应量，从而确定水合物饱和度；时域反射探针44引导传输过来的电磁波在管式反应釜2含水合物的沉积介质中进行传播，通过TDR采集转换器45获得波形，从而得到介电常数，再根据介质含水量与介电常数之间的经验公式，获得含水合物沉积介质中的含水量，从而最终确定管式反应釜2一维方向上沉积物中含水量的变化以及水合物饱和度的变化，确定水合物一维方向上的沿程分布情况；在时域反射探针44处，还安装有5个视窗，此处通过安装在管式反应釜2内部的高清摄像头，来观察管式反应釜2中水合物的生成情况，可以直观观测到水合物的生成。差压计40还可用来测量含水合物沉积物的渗透率。

步骤4：待水合物反应结束后，可进行渗透率的测量。渗透率的测量可用气体来测，也可用蒸馏水进行测量。用蒸馏水进行渗透率的测量的具体步骤如下。首先关闭第三阀门22、第十阀门30，使得管式反应釜2成为一个封闭系统，保证该系统中的参数不变，然后缓慢打开第三排出阀门，缓慢地排出一部分CO₂饱和液使得管式反应釜2压力略高于相应温度下CO₂水合物相平衡压力，且保证管式反应釜2内温度维持不变或者变化非常小，防止生成的二氧化碳水合物分解。然后将存储罐8中的混合液更换为蒸馏水，更换完毕后，打开第二气瓶12，设置第一减压稳压阀29，使得备压阀28、第一平流泵6、4三者的压力相同且都等于管式反应釜2中的压力，这样可以保证管式反应釜2中的二氧化碳水合物不会发生生成或者分解。同时，设置第一平流泵6、4的流速相同。然后打开阀门29、30，启动第一平流泵6、第二平流泵14，开始渗透率的测量。待第一平流泵6、第二平流泵14蒸馏水流量稳定，记录差压计40的压差，然后利用达西定律和步骤3中计算得到的水合物饱和度计算管式反应釜2中含水合物沉积物的渗透率。上述实验过程系统中的二氧化碳饱和液是在动态环境下进行的反应。

当然，也可以采用气体来测量含水合物沉积物的渗透率，也可以进行二氧化碳和蒸馏水在预先饱和之后再进行循环或静置反应，也可以用于传统的间歇式或连续供气水合物反应研究，可以根据实验目的通过各个阀门以及设备的运行来实现，在此不再一一赘述。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (7)

1.一种水合物管式驱替反应实验装置，其包括用于控制水合物管式驱替反应实验装置运行的控制中心，其特征在于，水合物管式驱替反应实验装置还包括一管式反应釜，管式反应釜一端设置有总进管，管式反应釜另一端设置有总出管，总进管通过第一管路与第一平流泵相连通，第一平流泵通过第二管路与存储罐下部相连通，第一管路与第二管路之间设置有第一连接管路；

总出管通过第三管路与存储罐上部相连通，总出管上连接有第四管路，第四管路与第二气瓶相连通，第四管路下方的总出管上设置有第五管路，第五管路与第二平流泵相连通，第二平流泵通过第六管路与总出管相连通，第五管路与第六管路之间的总出管上设置有第一阀门；第三管路通过第七管路与第一气瓶相连通；

总进管与一气相连通管相连通，第七管路通过第二连接管与该气相连通管相连通。

2.根据权利要求1所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述第一管路在近第一平流泵端设置有第二阀门，第一管路在近总进管端设置有第三阀门，第二管路在近第一平流泵端设置有第四阀门，第一连接管在第二阀门端设置有第五阀门，第一连接管在近第四阀门端设置有第六阀门；上述第五管路上设置有第七阀门，第六管路上设置有第八阀门。

3.根据权利要求2所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述第四管路与总出管连接处设置有备压阀，备压阀与第二气瓶之间的第四管路上设置有第一减压稳压阀，备压阀上方的第三管路上设置有第十阀门；第七管路上自第一气瓶至第三管路的方向依次布置有第二减压稳压阀、气体流量计、单向阀、第十一阀门与第十二阀门，第二连接管的一端位于地十一阀门与第十二阀门之间；气相连通管上设置有第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门与第十六阀门，第十三阀门、第十四阀门位于第二连接管端的气相连通管上，第二连接管的另一端位于第十三阀门与第十四阀门之间，第十五阀门、第十六阀门位于总进管端的气相连通管上，总进管与气相连通管的连接处位于第十五阀门与第十六阀门之间。

4.根据权利要求1所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述总进管与总出管之间设置有压差计，压差计的两侧分别设置有控制阀门。

5.根据权利要求1所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述管式反应釜内布置有多个温度传感器、压力传感器、时域反射探针，时域反射探针与TDR采集转换器线路连接，多个温度传感器、压力传感器、TDR采集转换器均通过数据采集仪与控制中心线路连接。

6.根据权利要求1所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述管式反应釜、存储罐均配置有恒温水域设备。

7.根据权利要求1所述的水合物管式驱替反应实验装置，其特征在于，上述第三管路上设置有第一排出管，第一排出管上设置有第一排出阀门，第二管路上设置有第二排出管，第二排出管上设置有第二排出阀门，总出管上在近管式反应釜端设置有第三排出管，第三排出管上设置有第三排出阀门。