專利名稱：一種天然氣水合物三維實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種天然氣水合物三維實驗裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(NGH)是一種天然氣與水形成的非化學(xué)計量的籠形化合物。在NGH 中，水分子(主體分子)通過氫鍵作用形成具有一定尺寸空穴的晶格主體，較小的氣體分子 (客體分子，主要是甲烷)包容在空穴中，從而形成外觀類似雪花或冰的固態(tài)化合物，其密度為0.905 0.91g/cm3。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1體積典型的NGH包含164體積的天然氣。自然界中在陸地的永凍區(qū)和大陸邊緣的海底深層砂礫中存在大量的天然氣水合物。據(jù)估計，以水合物形式存在的碳含量大于目前所有化石燃料中碳含量的總和，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的新能源之一。海底中水合物資源是不穩(wěn)定的，天然氣水合物在海底沉積層中有穩(wěn)定區(qū)和存在區(qū)，海底溫壓條件的輕微改變都足以使水合物發(fā)生不同程度的分解。因此研究水合物的形成、分解機(jī)理對水合物資源的開發(fā)和利用具有重要的意義和參考價值。目前大多數(shù)有關(guān)天然氣水合物的開發(fā)思路基本上都是首先考慮如何將蘊(yùn)藏在沉積物中的天然氣水合物進(jìn)行分解，然后再將天然氣開采至地面。一般來說，人為地打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度壓力條件，造成其分解，是目前開發(fā)天然氣水合物中甲烷資源量的主要方法。現(xiàn)有的開采方法大體上可分為熱力開采法；化學(xué)劑開采法；降壓開采法。目前，研究出天然氣水合物有效、快速、經(jīng)濟(jì)的開采方法，為大規(guī)模開采天然氣水合物提供實驗基礎(chǔ)和依據(jù)，是緩解與日俱增的能源壓力的有效途徑。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，有必要提供一種能自由改變實驗邊界條件的邊界條件可變的天然氣水合物三維實驗裝置。一種天然氣水合物三維實驗裝置，包括三維反應(yīng)釜、溫度和邊界控制單元、進(jìn)口控制單元、出口控制單元、數(shù)據(jù)處理單元；三維反應(yīng)釜設(shè)置在溫度和邊界控制單元中，三維反應(yīng)釜內(nèi)為密封的模擬腔，模擬腔內(nèi)填充有多孔介質(zhì)，用于模擬海底環(huán)境；溫度和邊界控制單元用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度及邊界條件；進(jìn)口控制單元用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水、天然氣，并控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元用于控制模擬開采之后的天然氣、 水的輸出壓力；進(jìn)口控制單元、出口控制單元、溫度和邊界控制單元內(nèi)的感應(yīng)元件均通過信號線和數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理單元連接；數(shù)據(jù)處理單元用于采集和處理各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號。所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，三維反應(yīng)釜包括釜體和釜體蓋板，釜體蓋板與釜體之間固定密封；釜體與釜體蓋板之間的密封腔即所述的模擬腔，釜體的內(nèi)壁為平面壁面，構(gòu)成不滲透直線邊界，釜體的內(nèi)壁上設(shè)置有可變溫度邊界層。所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，模擬腔的體積為0. IL 500L。所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，三維反應(yīng)釜的耐壓范圍為0 40MPa。[0010]所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，釜體的外壁為正方體或圓柱體，模擬腔為正方體。所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，當(dāng)設(shè)置等溫邊界條件時，可變溫度邊界層為不銹鋼板；當(dāng)設(shè)置絕熱邊界條件時，可變溫度邊界層為絕熱板；當(dāng)設(shè)置等熱流邊界條件時，可變溫度邊界層為電加熱片。所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其中，溫度和邊界控制單元包括邊界控制部分和溫度控制部分，邊界控制部分由不銹鋼板包圍形成，不銹鋼板包圍釜體蓋板以下的釜體外壁，形成空腔，稱為邊界控制空腔，在邊界控制空腔的頂部設(shè)置一個水泵和一個放空閥，在邊界控制空腔的底部設(shè)置一個真空泵；溫度控制部分是個恒溫箱，將整個三維反應(yīng)釜及邊界控制部分置于其中。一種上述天然氣水合物三維實驗裝置的三維模擬實驗方法，包括通過調(diào)節(jié)恒溫箱溫度控制部分的溫度以設(shè)定實驗環(huán)境溫度，通過更換可變溫度邊界層及控制邊界控制部分以實現(xiàn)不同的邊界條件；通過進(jìn)口控制單元注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物的生成過程；當(dāng)天然氣水合物生成完成后，通過控制進(jìn)口控制單元與出口控制單元，模擬天然氣水合物的開采過程；實驗完成后通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。所述的三維模擬實驗方法，其中，當(dāng)實驗需要等溫邊界條件時，將可變溫度邊界層更換為不銹鋼板，封閉模擬腔，打開水泵與放空閥，向邊界控制空腔內(nèi)注入冷卻液體，當(dāng)邊界控制空腔注滿冷卻液體后，調(diào)節(jié)溫度控制部分為恒定溫度，即完成等溫邊界條件的設(shè)定； 當(dāng)實驗需要絕熱邊界條件時，將可變溫度邊界層更換為絕熱板，關(guān)閉放空閥，打開真空泵， 將邊界控制空腔內(nèi)抽成真空，即完成絕熱邊界條件的設(shè)定；當(dāng)實驗需要等熱流邊界條件時， 將可變溫度邊界層更換為電加熱板，按照需要選擇是否將邊界控制空腔抽成真空，打開電加熱板電源控制所需的功率大小，即完成等熱流邊界條件的設(shè)定。所述的三維模擬實驗方法，其中，本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以1 :2的比例調(diào)制而成。其他可以達(dá)到恒溫效果的冷卻液體也同樣適用。本實用新型的有益效果是可以自由的改變實驗邊界條件；適用于各種大小的三維反應(yīng)釜；可以讓三維水合物物理模擬裝置由受局限的實驗室尺度，放大到無限大地層上去；可以模擬出地層溫度梯度及周圍加熱的開采方式。

圖1為本實用新型天然氣水合物三維實驗裝置的示意圖。圖2為圖1中三維反應(yīng)釜及溫度和邊界控制單元的組成結(jié)構(gòu)圖。圖3為圖1中三維反應(yīng)釜及溫度和邊界控制單元的俯視圖。
具體實施方式
物理模型實驗?zāi)康氖悄M實際水合物藏相對無限大地層動態(tài)參數(shù)變化情況，但是實驗反應(yīng)釜是有邊界存在的，邊界的存在對滲流場的等勢線分布、流線分布和井的產(chǎn)量都會產(chǎn)生影響，通常稱這種影響為“邊界效應(yīng)”。為了處理滲流場的“邊界效應(yīng)”，根據(jù)直線不滲透邊界的匯點反應(yīng)法，不滲透邊界可以當(dāng)作鏡面，在其另一側(cè)的對稱位置上反映一口等強(qiáng)度的虛擬生產(chǎn)井(如果有邊界則同時在對稱位置上反映同類型邊界)，這時形成的滲流場和邊界對井的影響形成的滲流場完全相同，因此解決了邊界效應(yīng)對滲流場的影響。由于各地的地質(zhì)條件和天然氣水合物的成分不同，形成機(jī)制各異，所以通過模擬實驗進(jìn)行研究，直接指導(dǎo)勘查開發(fā)，為模擬實際地層的水合物生成與開采過程，要使物理模型存在可變換的溫度邊界條件。溫度場邊界條件共有三種等溫邊界，絕熱邊界和等熱流邊界。當(dāng)水合物三維實驗物理模型需要在等溫條件下生成及分解，需要溫度場的等溫邊界條件。當(dāng)水合物三維實驗物理模型需要擴(kuò)展到無限大地層中，必須形成四壁的滲流場的不滲透直線邊界及溫度場的絕熱邊界。當(dāng)水合物三維實驗物理模型需要模擬地層中的溫度梯度或者是四周均勻加熱如微波加熱時需要形成溫度場的等熱流邊界。本實用新型的目的就是提供一種邊界條件可變的天然氣水合物三維實驗裝置，該實驗裝置通過實驗實現(xiàn)對水合物開采的模擬，并且通過改變邊界條件實現(xiàn)各種模擬需要， 從而使三維模擬實驗得到擴(kuò)展。請參閱圖1，本實用新型的邊界條件可變的天然氣水合物三維實驗裝置包括三維反應(yīng)釜、溫度和邊界控制單元、進(jìn)口控制單元、出口控制單元、數(shù)據(jù)處理單元。三維反應(yīng)釜設(shè)置在溫度和邊界控制單元中，三維反應(yīng)釜內(nèi)為密封的模擬腔，在該三維反應(yīng)釜上設(shè)置有進(jìn)口控制單元與出口控制單元用以控制天然氣水合物的生成與開采。 模擬腔內(nèi)填充有多孔介質(zhì)，作為水合物生成的空間，用于模擬海底環(huán)境。溫度和邊界控制單元用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度及三維反應(yīng)釜的邊界條件。進(jìn)口控制單元用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水、天然氣，并控制輸入的天然氣的壓力。出口控制單元用于控制模擬開采之后的天然氣、水的輸出壓力。進(jìn)口控制單元、出口控制單元、溫度和邊界控制單元內(nèi)各感應(yīng)元件均通過信號線和數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理單元連接。數(shù)據(jù)處理單元用于采集和處理各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號，數(shù)據(jù)處理單元可以采用計算機(jī)實現(xiàn)。本實用新型中，進(jìn)口控制單元、出口控制單元、數(shù)據(jù)處理單元均采用現(xiàn)有三維水合物開采物理模擬技術(shù)，以下詳細(xì)說明三維反應(yīng)釜及溫度和邊界控制單元。請參閱圖2和圖3，三維反應(yīng)釜包括釜體1和釜體蓋板4，釜體蓋板4與釜體1之間使用若干螺栓3固定密封；釜體1與釜體蓋板4之間的密封腔形成模擬腔2。為構(gòu)成不滲透直線邊界，所述模擬腔2應(yīng)為正方體，釜體1的外壁可依需求制造成多種形狀，如正方體、圓柱體等，優(yōu)選圓柱體。釜體1的內(nèi)壁為平面壁面，構(gòu)成不滲透直線邊界，所述模擬腔2 的體積由實驗需要決定，可以在0. IL 500L范圍內(nèi)取值。三維反應(yīng)釜的耐壓范圍為0 40MPao釜體1的內(nèi)壁上設(shè)置有可變溫度邊界層5，因為模擬腔2為正方體空腔，共有六個面，所以共有六塊可變溫度邊界層5，六塊可變溫度邊界層5的材料均可變換。當(dāng)設(shè)置等溫邊界條件時，可變溫度邊界層5為不銹鋼板；當(dāng)設(shè)置絕熱邊界條件時，可變溫度邊界層5更換為絕熱板；當(dāng)設(shè)置等熱流邊界條件時，可變溫度邊界層5更換為電加熱片。
5[0038]所述溫度和邊界控制單元分為兩部分邊界控制部分和溫度控制部分。邊界控制部分由不銹鋼板7包圍形成，不銹鋼板7包圍釜體蓋板4以下的釜體1 外壁，形成空腔，稱為邊界控制空腔6。在所述邊界控制空腔6的頂部設(shè)置一個水泵8和一個放空閥10，在所述邊界控制空腔6的底部設(shè)置一個真空泵9。溫度控制部分是個恒溫箱11，恒溫箱11可依需求采用多種恒溫方式，如水浴恒溫，空氣浴恒溫等，優(yōu)選水浴恒溫。恒溫箱11的外壁可依需求制造成多種形狀，如正方體、 圓柱體等，優(yōu)選正方體。將整個三維反應(yīng)釜及邊界控制部分置于其中，恒溫箱11的四壁為絕熱壁13，上方蓋有絕熱蓋板12。所述絕熱壁13及絕熱蓋板12是由不銹鋼片包裹的絕熱層構(gòu)成，保證恒溫箱11的恒溫效果。采用上述邊界條件可變的天然氣水合物三維實驗裝置進(jìn)行三維模擬實驗時，首先通過調(diào)節(jié)溫度控制部分的恒溫箱溫度以設(shè)定實驗環(huán)境溫度，再通過更換可變溫度邊界層5 及控制邊界控制部分控制不同邊界條件。當(dāng)實驗需要等溫邊界條件時，將可變溫度邊界層5更換為不銹鋼板，封閉模擬腔 2，打開水泵8與放空閥10向邊界控制空腔6內(nèi)注入冷卻液體，當(dāng)邊界控制空腔6注滿冷卻液體后，調(diào)節(jié)溫度控制部分為恒定溫度，即完成等溫邊界條件設(shè)定。本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以12的比例調(diào)制而成。當(dāng)實驗需要絕熱邊界條件時，將可變溫度邊界層5更換為絕熱板，關(guān)閉放空閥10， 打開真空泵9，將邊界控制空腔6內(nèi)抽成真空，由于可變溫度邊界層5中絕熱層的絕熱作用與邊界控制空腔6的真空隔層絕熱作用，即完成絕熱邊界條件的設(shè)定。當(dāng)實驗需要等熱流邊界條件時，將可變溫度邊界層5更換為電加熱板，按照需要選擇是否將邊界控制空腔6抽成真空，打開電加熱板電源控制所需的功率大小，即完成等熱流邊界條件的設(shè)定。通過進(jìn)口控制單元注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物的生成過程。當(dāng)天然氣水合物生成完成后，通過控制進(jìn)口控制單元與出口控制單元，模擬天然氣水合物的開采過程。實驗完成后通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。以下是具體的實施例實施例一通過調(diào)節(jié)溫度控制部分的恒溫箱11溫度設(shè)定實驗環(huán)境溫度，通過更換可變溫度邊界層5及控制邊界控制部分使模擬腔邊界處于等溫邊界條件下。將六塊可變溫度邊界層5全部更換為不銹鋼板，封閉模擬腔2，打開水泵8與放空閥10，向邊界控制空腔6內(nèi)注入冷卻液體，當(dāng)邊界控制空腔6注滿冷卻液體后，調(diào)節(jié)溫度控制部分為恒定溫度，即完成等溫邊界條件設(shè)定。本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以1 2 的比例調(diào)制而成。通過進(jìn)口控制單元注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物在等溫邊界條件下的生成。當(dāng)生成完成后，通過控制進(jìn)口控制單元與出口控制單元，模擬天然氣水合物在等溫邊界條件下的開采。實驗完成通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。[0055]實例二通過調(diào)節(jié)溫度控制部分的恒溫箱11溫度設(shè)定實驗環(huán)境溫度，通過更換可變溫度邊界層5及控制邊界控制部分使模擬腔邊界處于絕熱邊界條件下。本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以12的比例調(diào)制而成。將位于模擬腔2的四個側(cè)壁位置的可變溫度邊界層5更換為絕熱板，將位于模擬腔2的頂面和底面位置的可變溫度邊界層5更換為不銹鋼板，封閉模擬腔2。關(guān)閉放空閥 10打開真空泵9，將邊界控制空腔6內(nèi)抽成真空，由于可變溫度邊界層5中絕熱層的絕熱作用與邊界控制空腔6的真空隔層絕熱作用，即完成四周壁面的絕熱邊界條件。通過進(jìn)口控制單元，注入天然氣和水，控制壓力，生成天然氣水合物。當(dāng)生成完成后，選擇開采方案，通過控制進(jìn)口控制單元與出口控制單元，模擬水合物在四壁絕熱邊界條件下的開采。實驗完成后通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。由于不可滲透邊界條件由三維反應(yīng)釜的釜體1的平面釜壁形成。這樣通過之前所述的操作實驗數(shù)據(jù)可以通過“鏡面理論”發(fā)展到無限大地層上去。實例三通過調(diào)節(jié)溫度控制部分的恒溫箱11溫度設(shè)定實驗環(huán)境溫度，通過更換可變溫度邊界層5及控制邊界控制部分使模擬腔邊界處于等熱流邊界條件下。本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以12的比例調(diào)制而成。將位于模擬腔2的底面位置的可變溫度邊界層5更換為電加熱板，將位于模擬腔2 的頂面位置的可變溫度邊界層5更換為不銹鋼板，將位于模擬腔2的四個側(cè)壁位置的可變溫度邊界層5更換為絕熱板，封閉模擬腔2，關(guān)閉放空閥10，打開真空泵9，將邊界控制空腔 6內(nèi)抽成真空。打開電加熱板電源，調(diào)節(jié)至合適功率，使模擬腔上下存在合適的溫度梯度。通過進(jìn)口控制單元，注入天然氣和水，控制壓力，生成天然氣水合物。當(dāng)生成完成后，選擇開采方案，通過控制進(jìn)口控制單元與出口控制單元，模擬水合物在有上下溫度梯度的情況下的開采。實驗完成后通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。由于不可滲透邊界條件由三維反應(yīng)釜的釜體1的平面釜壁形成。這樣通過之前所述的操作實驗數(shù)據(jù)可以通過“鏡面理論”發(fā)展到無限大地層上去。實例四通過調(diào)節(jié)溫度控制部分的恒溫箱11溫度設(shè)定實驗環(huán)境溫度，通過更換可變溫度邊界層5及控制邊界控制部分使模擬腔邊界處于等熱流邊界條件下。本實驗中冷卻液體由純水與乙二醇以12的比例調(diào)制而成。將位于模擬腔2的四個側(cè)壁位置的可變溫度邊界層5更換為電加熱板，將位于模擬腔2的頂面和底面位置的可變溫度邊界層5更換為不銹鋼板，封閉模擬腔2，打開水泵8 與放空閥10，向邊界控制空腔6內(nèi)注入冷卻液體。關(guān)閉電加熱板電源，通過進(jìn)口控制單元，注入天然氣和水，控制壓力，生成天然氣水合物。當(dāng)生成完成后，打開電加熱板電源，調(diào)節(jié)至合適功率，設(shè)定等熱流邊界條件，使得整個模擬腔溫度升高。再通過控制出口控制單元，模擬水合物在四周加熱的情況下的開采， 如四周微波加熱。實驗完成后通過數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)。綜上，本實用新型的有益效果是可以自由的改變實驗邊界條件；適用于各種大小的三維反應(yīng)釜；可以讓三維水合物物理模擬裝置由受局限的實驗室尺度，放大到無限大地層上去；可以模擬出地層溫度梯度及周圍加熱的開采方式。以上所述實施例僅表達(dá)了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。因此，本實用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于包括三維反應(yīng)釜、溫度和邊界控制單元、進(jìn)口控制單元、出口控制單元、數(shù)據(jù)處理單元；三維反應(yīng)釜設(shè)置在溫度和邊界控制單元中，三維反應(yīng)釜內(nèi)為密封的模擬腔，模擬腔內(nèi)填充有多孔介質(zhì)，用于模擬海底環(huán)境；溫度和邊界控制單元用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度及邊界條件；進(jìn)口控制單元用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水、天然氣，并控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元用于控制模擬開采之后的天然氣、水的輸出壓力；進(jìn)口控制單元、出口控制單元、溫度和邊界控制單元內(nèi)的感應(yīng)元件均通過信號線和數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理單元連接；數(shù)據(jù)處理單元用于采集和處理各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于三維反應(yīng)釜包括釜體和釜體蓋板，釜體蓋板與釜體之間固定密封；釜體與釜體蓋板之間的密封腔即所述的模擬腔，釜體的內(nèi)壁為平面壁面，構(gòu)成不滲透直線邊界，釜體的內(nèi)壁上設(shè)置有可變溫度邊界層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于模擬腔的體積為 0. IL 500L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于三維反應(yīng)釜的耐壓范圍為0 40MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于釜體的外壁為正方體或圓柱體，模擬腔為正方體。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于當(dāng)設(shè)置等溫邊界條件時，可變溫度邊界層為不銹鋼板；當(dāng)設(shè)置絕熱邊界條件時，可變溫度邊界層為絕熱板； 當(dāng)設(shè)置等熱流邊界條件時，可變溫度邊界層為電加熱片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物三維實驗裝置，其特征在于溫度和邊界控制單元包括邊界控制部分和溫度控制部分，邊界控制部分由不銹鋼板包圍形成，不銹鋼板包圍釜體蓋板以下的釜體外壁，形成空腔，稱為邊界控制空腔，在邊界控制空腔的頂部設(shè)置一個水泵和一個放空閥，在邊界控制空腔的底部設(shè)置一個真空泵；溫度控制部分是個恒溫箱， 將整個三維反應(yīng)釜及邊界控制部分置于其中。
專利摘要本實用新型涉及一種能自由改變實驗邊界條件的邊界條件可變的天然氣水合物三維實驗裝置。所述實驗裝置包括三維反應(yīng)釜、溫度和邊界控制單元、進(jìn)口控制單元、出口控制單元、數(shù)據(jù)處理單元；三維反應(yīng)釜設(shè)置在溫度和邊界控制單元中。本實用新型可以自由的改變實驗溫度邊界條件；適用于各種大小的三維反應(yīng)釜；可以讓三維水合物物理模擬裝置由受局限的實驗室尺度，放大到無限大地層上去；可以模擬出地層溫度梯度及周圍加熱的開采方式。
文檔編號G09B25/02GK202117640SQ20112022573
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者張郁, 李剛, 李小森, 王屹, 陳朝陽, 黃寧生 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所