專利名稱：天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
海洋天然氣水合物，由于其存在環(huán)境復(fù)雜，在開采過程可能帶來地質(zhì)與環(huán)境問題， 而且在海洋中試開采的成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，故預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行水合物開采實(shí)驗(yàn)研究，獲取 必要的技術(shù)參數(shù)，具有重要的理論與實(shí)踐意義。水合物開采方法主要有熱激發(fā)(電加熱、注熱水)開采法、減壓開采法、注入化學(xué) 試劑開采法等，這些方法需要有一定的實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)天然氣水合物開 采實(shí)驗(yàn)裝置多為橫向、一維實(shí)驗(yàn)裝置，水合物開采實(shí)驗(yàn)時(shí)只能反映局部的水合物分解情況。 石油大學(xué)、中海油公司等通過“863”項(xiàng)目，分別研制了一維或二維實(shí)驗(yàn)裝置，主要依靠電阻 法、電容法等測定水合物分解過程體系的電學(xué)參數(shù)的變化，以此來指示反應(yīng)的進(jìn)程。但由于 該法使用條件的限制，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映沉積體系中不同層位水合物飽和度變化情況。而 天然氣水合物飽和度的變化，是反映水合物開采過程狀態(tài)和進(jìn)程的重要參數(shù)。國外對水合 物開采實(shí)驗(yàn)研究采用的裝置有橫向、縱向結(jié)構(gòu)，但是仍不能同時(shí)監(jiān)測到水合物分解過程水 合物飽和度的變化，也不能反映沉積物不同位置的分解狀態(tài)。而且，難以在同一裝置分別實(shí) 現(xiàn)水合物各種開采方法實(shí)驗(yàn)研究。在海底，天然氣水合物是極其脆弱的，一旦某種因素(如海平面下降、海底構(gòu)造活 動、海底熱流值增高、鉆井或采氣不當(dāng)?shù)?引起海底壓力降低或溫度上升，天然氣水合物將 有可能分解成天然氣和水，從而影響海底沉積物的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致海底滑坡和海洋結(jié)構(gòu) 物的嚴(yán)重失穩(wěn)，天然氣的大量釋放，會造成生物死亡和氣候變暖等環(huán)境災(zāi)害。所以模擬水合 物的開采參數(shù)與條件，對實(shí)際操作具有很好的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝 置，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)驗(yàn)效果好。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案其包括反應(yīng)釜、供氣裝置、供液裝置、 溫控裝置、氣液分離器，反應(yīng)釜分別與供氣裝置、供液裝置、溫控裝置、氣液分離器連接；反 應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有時(shí)域反射探針，時(shí)域反射探針通過時(shí)域反射儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。本發(fā)明旨在提供一種能夠反映實(shí)際沉積物地層水合物分解情況和實(shí)時(shí)監(jiān)測開采 過程中不同層位水合物飽和度變化，而且可實(shí)現(xiàn)多種開采方法實(shí)驗(yàn)的天然氣水合物開采實(shí) 驗(yàn)裝置。在利用本裝置進(jìn)行天然氣水合物開采時(shí)，需要預(yù)先在本裝置反應(yīng)釜內(nèi)多孔介質(zhì)中 合成水合物樣品?？梢愿鶕?jù)所模擬的實(shí)際條件，在不同條件下合成水合物樣品。時(shí)域反射技術(shù)(Time Domain Reflectometry，簡稱TDR)，根據(jù)探測的表觀介電常 數(shù)與含水量的關(guān)系，可得出水合物飽和度。本發(fā)明將TDR技術(shù)應(yīng)用于本裝置中，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 監(jiān)測水合物分解過程中水合物飽和度的變化，進(jìn)而通過水合物飽和度的變化指示水合物的開采程度。同時(shí)，本項(xiàng)發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行熱激發(fā)(電加熱、注熱水)開采法、減壓開 采法、注入化學(xué)試劑開采法等實(shí)驗(yàn)研究。反應(yīng)釜包括外殼體和內(nèi)殼體，外殼體和內(nèi)殼體之間設(shè)置冷卻層，冷卻層與溫控裝 置低溫恒溫循環(huán)器連接，外殼體上設(shè)有冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口，冷卻液進(jìn)口、冷卻液出口 分別與冷卻層連通。冷卻層中裝有由溫控裝置低溫恒溫循環(huán)器冷卻的循環(huán)液體。所述冷卻 層和溫控裝置是用以控制反應(yīng)釜處于所設(shè)定的恒溫狀態(tài)。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用于測量記錄實(shí)驗(yàn)過程中反應(yīng)釜內(nèi)的溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接用于測量反應(yīng)釜內(nèi)溫度的溫度傳感器、測量反應(yīng)釜內(nèi)壓力的壓力傳 感器，以及測量進(jìn)出反應(yīng)釜流體流量的氣體流量計(jì)以及監(jiān)測水合物飽和度的時(shí)域反射儀。所述反應(yīng)釜內(nèi)底蓋設(shè)一系列穿孔，可用于分別插入感測元件。通過反應(yīng)釜底蓋，釜 內(nèi)置有三個(gè)不同長度的時(shí)域反射探針，在時(shí)域反射探針不同位置上設(shè)置了溫度探頭。通過反應(yīng)釜底蓋，釜內(nèi)置有電加熱棒，可進(jìn)行電加熱開采水合物。進(jìn)行注熱水或注 化學(xué)試劑開采水合物時(shí)，用注液管將電加熱棒替換下來，進(jìn)行注熱水或注化學(xué)試劑開采水 合物。供氣裝置包括相互連接的氣瓶和氣動增壓泵，向反應(yīng)釜注入實(shí)驗(yàn)所用甲烷氣體； 氣動增壓泵通過管道、閥門與反應(yīng)釜連通，將氣體從反應(yīng)釜上部引入反應(yīng)釜內(nèi)，使實(shí)驗(yàn)氣體 自上向下向多孔介質(zhì)填充區(qū)擴(kuò)散，與多孔介質(zhì)填充區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)中的水反應(yīng)合成水合物。供液裝置包括平流泵和加熱器，用于向反應(yīng)釜內(nèi)輸送熱液或化學(xué)試劑流體，以進(jìn) 行水合物注熱液、注化學(xué)試劑開采過程的模擬。進(jìn)行水合物注入熱液和化學(xué)試劑開采實(shí)驗(yàn) 時(shí)，液體通過平流泵和加熱器由反應(yīng)釜底端注液管向已合成水合物的反應(yīng)釜內(nèi)注入。在分解流體流出管道上設(shè)有背壓閥、減壓閥，用來調(diào)節(jié)水合物分解壓力，使分解流 體流出，確保實(shí)驗(yàn)過程中水合物分解能在指定的分解壓力下進(jìn)行。氣液分離器底端設(shè)置在電子天平上，氣液分離器頂端連接氣體流量計(jì)，氣液分離 器將水合物分解過程產(chǎn)生的水和氣體分離，水量由天平量出，氣體量由氣體流量計(jì)測量。氣液分離器底端連通回收槽，用以回收水合物分解產(chǎn)生的水。在利用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行天然氣水合物模擬開采時(shí)，需要預(yù)先在多孔介質(zhì)中合成水 合物樣品?？梢愿鶕?jù)所模擬的實(shí)際條件，在不同條件下合成水合物樣品。本發(fā)明中，合成了 均勻分布的水合物，即可利用該水合物樣品進(jìn)行不同模式下的分解實(shí)驗(yàn)研究，模擬開采過 程。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)釜為縱向結(jié)構(gòu)，能夠更好的模擬海底沉積物環(huán)境；應(yīng)用時(shí)域 反射技術(shù)，來實(shí)時(shí)監(jiān)測水合物飽和度變化；溫度測點(diǎn)多，能夠反映實(shí)驗(yàn)進(jìn)程；實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí) 現(xiàn)用多種開采方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做詳細(xì)描述圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本裝置包括反應(yīng)釜1、供氣裝置、供液裝置、溫控裝置2、氣液分離器3，反應(yīng)釜1分別與供氣裝置、供液裝置、溫控裝置2、氣液分離器3連接；反應(yīng)釜1內(nèi)設(shè)有時(shí)域反射探針4， 時(shí)域反射探針4通過時(shí)域反射儀5與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6連接。反應(yīng)釜1包括外殼體7和內(nèi)殼體8，外殼體7和內(nèi)殼體8之間設(shè)置冷卻層9，冷卻 層9與溫控裝置2連接，外殼體7上設(shè)有冷卻液進(jìn)口 10和冷卻液出口 11，冷卻液進(jìn)口 10、 冷卻液出口 11分別與冷卻層9連通。供氣裝置包括相互連接的氣瓶13和氣動增壓泵14， 氣動增壓泵14通過管道15和閥門16與反應(yīng)釜1連通，管道15通過背壓閥17、減壓閥23 與氣液分離器3連通。氣液分離器3頂端連接氣體流量計(jì)18，氣液分離器3底端設(shè)置在電 子天平19上，氣液分離器3底端連通回收槽20。供液裝置包括加熱器21和平流泵22。反應(yīng)釜1為縱向結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝沉積物，能更好的模擬海底沉積物環(huán)境。在反應(yīng)釜1底 部同軸安裝了三支不同長度的同軸型時(shí)域反射探針4，與時(shí)域反射儀5連接，用來監(jiān)測沉積 物不同層位水合物飽和度變化。在時(shí)域反射探針內(nèi)，不同位置上設(shè)置了溫度探頭(PtlOO熱 電阻)，以測量沿探針長度方向上的溫度場變化。在反應(yīng)釜內(nèi)壁處也安裝了一支溫度探頭 (PtlOO熱電阻)，來反映沉積物外側(cè)溫度變化。溫控裝置使用低溫恒溫循環(huán)器，通過冷卻液(乙醇)在冷卻層9內(nèi)循環(huán)流動來控 溫。反應(yīng)釜1內(nèi)設(shè)有電加熱棒12，用于電加熱開采水合物。在注熱水與注化學(xué)試劑開采中， 用注液管將電加熱棒12替換，液體通過平流泵22經(jīng)過加熱器21從反應(yīng)釜1底部注液管注 入釜體。反應(yīng)釜1分解流體流出管道上接背壓閥17，通過調(diào)節(jié)背壓閥17可使水合物在不同 壓力下分解，氣液分離后，用精密流量計(jì)測量水合物分解氣體流速，水量由電子天平19量 出ο本裝置使用時(shí)，其具體步驟為水合物合成(1)將飽和沉積物緊密地填進(jìn)反應(yīng)釜1中，至?xí)r域反射探針4被完全蓋??；(2)封 閉好，關(guān)閉所有閥門16 ； (3)對系統(tǒng)抽真空后，打開進(jìn)氣閥門，向反應(yīng)釜1內(nèi)注入一定壓力的 甲烷氣體；(4)靜置一段時(shí)間，待氣體在沉積物中滲透均勻，打開溫控裝置的低溫恒溫循環(huán) 器，對反應(yīng)釜1降溫，合成水合物。天然氣水合物常規(guī)開采方法有三種減壓法、熱激發(fā)法(電加熱、注熱水)和注化 學(xué)試劑法。1.減壓法開采水合物即降低體系的壓力，使其低于所在溫度下水合物的平衡壓 力，一般通過降低水合物層下面的游離氣體的壓力，使與氣體接觸的水合物變得不穩(wěn)定而 分解，分解出的氣體由井筒采出，分解出的水留在地層中，通過控制天然氣的采出速度可以 控制儲層壓力，進(jìn)而控制地層水合物的分解。(1)調(diào)節(jié)背壓閥17，將背壓閥17壓力調(diào)節(jié)在分解壓力上，同時(shí)調(diào)節(jié)流量控制閥，使 流速在流量計(jì)的量程范圍內(nèi)；( 迅速將系統(tǒng)壓力降低至分解壓力值，水合物分解；(3)分 解氣體從閥門中流出；(4)軟件記錄各種參數(shù)。2.電加熱法開采水合物(1)調(diào)節(jié)背壓閥17，使其壓力與反應(yīng)釜1內(nèi)壓力相等，同時(shí)調(diào)節(jié)流量控制閥，使流 速在流量計(jì)的量程范圍內(nèi)；( 開啟電加熱棒12至一定溫度，水合物分解；C3)分解氣體從 閥門16中流出；(4)軟件記錄各種參數(shù)。3.注熱水開采水合物屬熱激發(fā)法，即利用組鉆探技術(shù)在天然氣水合物穩(wěn)定層中安裝管道，通過熱流體(熱水、水蒸氣、熱鹽水等)將熱量輸入到水合物層，使水合物體系的 溫度上升達(dá)到水合物分解所需要的溫度。(1)調(diào)節(jié)背壓閥17，使其壓力與反應(yīng)釜1內(nèi)壓力相等，同時(shí)調(diào)節(jié)流量控制閥，使流 速在流量計(jì)的量程范圍內(nèi)；( 將待注入液體升至一定溫度；C3)開啟平流泵22將液體在 設(shè)定流速下注入反應(yīng)釜1中，水合物分解；(4)分解氣體分別從閥門16中流出。( 軟件記 錄各種參數(shù)。4.注化學(xué)試劑開采水合物通過向水合物體系里注入抑制劑(如甲醇、乙醇等)， 改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物的穩(wěn)定溫度或升高穩(wěn)定壓力，使體系的平衡曲 線偏移，導(dǎo)致水合物體系不穩(wěn)定而造成水合物分解。目前廣泛認(rèn)為，采用多種開采方法聯(lián)合開采具有很好的效果。采用上述的幾種方法，使所合成的水合物分解，并通過排氣系統(tǒng)將水合物分解產(chǎn) 生氣排出反應(yīng)釜，從而模擬水合物的開采過程。
權(quán)利要求
1.一種天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括反應(yīng)釜、供氣裝置、供液裝 置、溫控裝置、氣液分離器，反應(yīng)釜分別與供氣裝置、供液裝置、溫控裝置、氣液分離器連接； 反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有時(shí)域反射探針，時(shí)域反射探針通過時(shí)域反射儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，反應(yīng)釜包括 外殼體和內(nèi)殼體，外殼體和內(nèi)殼體之間設(shè)置冷卻層，冷卻層與溫控裝置連接，外殼體上設(shè)有 冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口，冷卻液進(jìn)口、冷卻液出口分別與冷卻層連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè) 有三個(gè)不同長度的時(shí)域反射探針。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，時(shí)域反射探 針內(nèi)不同高度分別設(shè)有溫度探頭，溫度探頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，供氣裝置包 括相互連接的氣瓶和氣動增壓泵，氣動增壓泵通過管道、閥門與反應(yīng)釜連通，管道通過背壓 閥、減壓閥與氣液分離器連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，氣液分離器 頂端連接氣體流量計(jì)，氣液分離器底端設(shè)置在電子天平上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，氣液分離器 底端連通回收槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，供液裝置包 括加熱器和平流泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè) 置電加熱棒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)置注液管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明的天然氣水合物模擬開采實(shí)驗(yàn)裝置，包括反應(yīng)釜、供氣裝置、供液裝置、溫控裝置、氣液分離器，反應(yīng)釜分別與供氣裝置、供液裝置、溫控裝置、氣液分離器連接；反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有時(shí)域反射探針，時(shí)域反射探針通過時(shí)域反射儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)釜為縱向結(jié)構(gòu)，能夠更好的模擬海底沉積物環(huán)境；應(yīng)用時(shí)域反射技術(shù)，來實(shí)時(shí)監(jiān)測水合物飽和度變化；溫度測點(diǎn)多，能夠反映實(shí)驗(yàn)進(jìn)程；實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)用多種開采方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
文檔編號E21B43/01GK102052065SQ20101022210
公開日2011年5月11日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者業(yè)渝光, 刁少波, 劉昌嶺, 孫建業(yè), 張劍, 程軍 申請人:青島海洋地質(zhì)研究所