天然气水合物模拟实验装置

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天然气水合物模拟实验装置\n技术领域\n[0001] 本发明是关于一种实验装置，尤其涉及一种基于传质过程的天然气水合物模拟实验装置。\n背景技术\n[0002] 20世纪90年代以来，随着人们对天然气水合物认识的逐步加深，天然气水合物作为一种重要战略资源和潜在的地质环境影响因素，在全世界的范围内进行了深入全面的研究。毫无疑问，实验室规模下的模拟实验研究是其中重要的一环，目前水合物的研究手段呈现出跨学科、跨专业的应用特点，大量新颖技术与手段被应用到水合物的研究中来，其途径主要有三类：原位测试装置中直接应用；采用现代测试技术研究水合物样品；改造测试仪器使之适应水合物的原位测试。\n[0003] 通过室内实验模拟研究，综合分析天然气水合物形成及分解过程中，各物化和力学等参数的动态变化，对于进一步认识天然气水合物产出条件、形成机制、分布规律、环境效应等有着重要的指导意义。业渝光等（2008）利用超声和时域反射联合探测技术，研究了沉积物中水合物饱和度与声学特性的关系；宋立群等（2011）针对天然气水合物的形成条件影响因素，通过实验测试手段，研究了天然气水合物形成时天然气的组成、酸气含量、水的矿化度、醇类等各种因素对形成的压力温度条件的影响；孙建业等（2009）基于自行研发的天然气水合物模拟开采实验装置，进行了电加热法和减压法两种开采技术的实验研究；李淑霞等（2010）利用自制的水合物开采模拟实验系统，模拟海洋地质条件下多孔介质中天然气水合物注热盐水分解动态过程及注热参数对热力开采能量效率的影响；张旭辉等（2012）通过在室内合成水合物沉积物进行离心机实验，探索了水合物分解引起海底斜坡变形和滑塌的演化过程和破坏特征；孙晓杰等（2012）利用自主研制的水合物原位测量系统，研究了不同围压条件下不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样的力学性质。上述的实验研究分析都离不开水合物模拟实验装置，同时装置的研发与设计也直接影响着实验类型及测试的参数。\n[0004] 国内开展水合物模拟实验装置的研究设计单位主要有青岛海洋地质研究所、中国科学院广州能源研究所、中国科学院武汉岩土力学研究所、中国海洋大学、中国石油大学（华东）、大连理工大学、中国海洋石油总公司等机构，但每家单位研制的仪器均存在一定的不足之处。如：中国专利申请号为201010282443.6的天然气水合物的电阻的测定方法及其专用装置功能较单一，只能测定反应釜内天然气水合物电阻；中国专利申请号为201010222093.4的天然气水合物热物理特性模拟实验装置、中国专利申请号为\n200520085585.8的天然气水合物模拟生成装置、中国专利申请号为200410051811.0的原位测量气体水合物及含水合物沉积物热物性的方法和装置等，其水合物形成和分解均是在各自独立的小容器中，不能反映真实地层中水合物仅在局部层段赋存的现象，同时气体从容器顶部进入，与自然环境中气体由下部往上扩散不一致。\n[0005] 中国天然气水合物资源量巨大，研究水合物的生成、富集和分解的机理对于勘探及开发利用天然气水合物资源具有重要意义，建立一种天然气水合物模拟实验装置进行天然气水合物基础理论研究显得尤为必要。\n[0006] 由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种天然气水合物模拟实验装置，以克服现有技术的缺陷。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的在于提供一种天然气水合物模拟实验装置，以克服现有实验装置功能单一、反应釜容积小不能反映真实地层中水合物层段赋存现象等缺点。\n[0008] 本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物模拟实验装置，能实时测量温度、压力分布、以及水合物饱和度变化；实现纯水中水合物生成、分解的视频检测；实现水平或垂直上的温度梯度、以及自然状态的设备下部进气。\n[0009] 本发明的目的是这样实现的，一种天然气水合物模拟实验装置，所述模拟实验装置包括有纵向反应设备和与纵向反应设备密封连通的横向反应设备，纵向反应设备中连通设有蓝宝石反应釜；所述蓝宝石反应釜一侧对应设置可视化设备；所述纵向反应设备、横向反应设备和蓝宝石反应釜上设有温度梯度控制层和探针测量系统；所述纵向反应设备、横向反应设备、蓝宝石反应釜和可视化设备设置在一冷库房内；所述探针测量系统连接有数据采集处理系统；所述纵向反应设备底部密封设有进气管路、增压管路和排水管路；所述纵向反应设备顶部密封设有排气管路。\n[0010] 在本发明的一较佳实施方式中，所述纵向反应设备和横向反应设备构成H形管网；所述纵向反应设备是由一个纵向反应釜构成，或由多个纵向反应釜串联导通构成；所述横向反应设备是由一个横向反应釜构成，或由多个横向反应釜串联导通构成；所述蓝宝石反应釜设置在纵向反应设备的上端；所述各反应釜之间通过可扩展口实现密封连接。\n[0011] 在本发明的一较佳实施方式中，所述冷库房设有制冷系统；所述冷库房内设有设备基座，所述管网设置在所述设备基座上。\n[0012] 在本发明的一较佳实施方式中，所述纵向反应设备中最下端的纵向反应釜底部设有密封底盖，所述纵向反应设备中最上端的纵向反应釜顶部设有密封顶盖；所述进气管路、增压管路和排水管路穿过所述密封底盖，密封底盖上方设有进气垫；所述排气管路穿过所述密封顶盖。\n[0013] 在本发明的一较佳实施方式中，所述进气管路中依序设有气瓶、压力调节计、进气阀和流量计；所述增压管路中设有增压设备；所述排水管路中设有排水阀；所述排气管路中设有排气阀。\n[0014] 在本发明的一较佳实施方式中，所述蓝宝石反应釜上设有蓝宝石可视窗；所述可视化设备包括对应所述蓝宝石可视窗设置的冷光摄像设备和显微观察设备。\n[0015] 在本发明的一较佳实施方式中，所述纵向反应设备、横向反应设备中的全部或个别反应釜上设置温度梯度控制层和探针测量系统。\n[0016] 在本发明的一较佳实施方式中，设置在蓝宝石反应釜上的探针测量系统包括有温度探针、压力探针、时域反应仪探针、声学测量探针和电化学阻抗探针。\n[0017] 在本发明的一较佳实施方式中，设置在纵向反应釜和横向反应釜上的探针测量系统包括有温度探针、压力探针、时域反应仪探针和声学测量探针。\n[0018] 在本发明的一较佳实施方式中，蓝宝石反应釜、纵向反应釜和横向反应釜的半径和长度相同；内径为148mm，设计压力为30MPa，使用压力为9.99Mpa，反应釜每节长度不超过1m，每节容积为17.89L。\n[0019] 由上所述，本发明是一种基于传质过程的天然气水合物模拟实验装置，可以通过控制设备实现容器中温度呈现梯度分布，可实现水合物在容器中局部层段合成；气体从容器底部进气，以扩散方式向上运移，能够有效地模拟水合物形成与分解；模拟实验装置可实时测量温度、压力分布、以及水合物饱和度变化；可在设备的任意部位实现热量或不同介质的交换，开展传质过程中开采模拟的影响研究；采用电化学阻抗谱，可测得区域的阻抗谱；\n经计算机采集处理实验数据，可以进一步认识水合物的形成规律、水合物层传质及分解规律。\n附图说明\n[0020] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：\n[0021] 图1：为本发明天然气水合物模拟实验装置的结构示意图。\n[0022] 图2：为本发明中蓝宝石反应釜的结构及探测布置示意图。\n[0023] 图3：为本发明中纵向反应釜的结构及探测布置示意图。\n具体实施方式\n[0024] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。\n[0025] 如图1、图2和图3所示，本发明提出一种天然气水合物模拟实验装置100，所述模拟实验装置100包括有纵向反应设备1和与纵向反应设备1密封连通的横向反应设备2，纵向反应设备1中连通设有蓝宝石反应釜3；所述蓝宝石反应釜3一侧对应设置可视化设备4；所述纵向反应设备1、横向反应设备2和蓝宝石反应釜3上设有温度梯度控制层5和探针测量系统6；所述纵向反应设备1、横向反应设备2、蓝宝石反应釜3和可视化设备4设置在一冷库房7内；所述探针测量系统4连接有数据采集处理系统8，所述数据采集处理系统包括数据采集器和计算机；所述纵向反应设备1底部密封设有进气管路91、增压管路92和排水管路93；所述纵向反应设备1顶部密封设有排气管路94。\n[0026] 在本实施方式中，如图1所示，所述纵向反应设备1和横向反应设备2构成H形管网；所述纵向反应设备1是由多个纵向反应釜11串联导通构成；所述横向反应设备2是由一个横向反应釜21构成；所述蓝宝石反应釜3设置在纵向反应设备1的上端；所述各反应釜是一个耐低温、耐高压的容器，各反应釜之间通过可扩展口实现密封连接。所述冷库房7设有制冷系统71；所述冷库房7内设有设备基座72，设备基座72是钢筋混凝土结构，用于固定整个设备，所述管网设置在所述设备基座72上。\n[0027] 在本实施方式中，蓝宝石反应釜3、纵向反应釜11和横向反应釜21的结构基本相同；如图2所示，为蓝宝石反应釜3的结构示意图；如图3所示，为纵向反应釜11的结构示意图；所示各单个反应釜的两端设有密封盖；但是，当各反应釜连通接入整体设备后，可根据实际的连接情况去除相应端的密封盖；在本实施方式中，所述纵向反应设备1中最下端的纵向反应釜11底部设有密封底盖111，所述纵向反应设备1中最上端的纵向反应釜11顶部设有密封顶盖112；所述进气管路91、增压管路92和排水管路93穿过所述密封底盖111，密封底盖111上方设有进气垫113，可实现下进气，通过进气端的变温处理，使得进气端不会有水合物生成导致进气管路阻塞；所述排气管路94穿过所述密封顶盖112。\n[0028] 在本实施方式中，所述进气管路91中依序设有气瓶911、压力调节计912、进气阀\n913和流量计914；所述增压管路92中设有增加设备921；所述排水管路93中设有排水阀\n931；所述排气管路94中设有排气阀941。\n[0029] 在本实施方式中，如图2所示，所述蓝宝石反应釜3上设有蓝宝石可视窗31；所述可视化设备4包括对应所述蓝宝石可视窗31设置的冷光摄像设备41和显微观察设备42；\n水溶液中水合物形成动态可通过冷光摄像设备41传输到计算机。沉积物中水合物的生成状态、组成成分可以通过这些窗口利用拉曼光谱技术检测，在相对的部位布置电化学电极对，利用电化学工作站可以测得该处的阻抗谱。采用独特的电化学阻抗谱及拉曼光谱技术结合的测量手段，通过所获得的沉积物组分及阻抗谱数据，可以计算获得此处的离子浓度、扩散系数、电阻率等，甚至可以检测到水合物分解时微裂纹的出现。\n[0030] 在本实施方式中，根据实验要求，可以选择在所述纵向反应设备、横向反应设备中的全部或个别反应釜上设置温度梯度控制层5和探针测量系统6。设置在蓝宝石反应釜3上的探针测量系统6包括有温度探针61、压力探针62、时域反应仪探针63、声学测量探针\n64和电化学阻抗探针65，蓝宝石反应釜3根据实验需要设置上述全部或部分探针；上述探针与数据采集器连接；而设置在纵向反应釜11和横向反应釜21上的探针测量系统6包括有温度探针61、压力探针62、时域反应仪探针63和声学测量探针64，不包括电化学阻抗探针65。这些测量点可测量沿管线方向的温度、压力、饱和度等参数分布。\n[0031] 如果探针测量系统6设置在顶部的反应釜上，可以通过密封顶盖将相应的探针密封插入反应釜中；如果探针测量系统6设置在设备中间的反应釜上时，可以在反应釜侧面开孔，利用螺纹卡套技术来安装，这是一种成熟的工艺。\n[0032] 本实施方式中所述的蓝宝石反应釜3、纵向反应釜11和横向反应釜21的半径和长度相同；其内径为148mm，设计压力为30MPa，使用压力为9.99Mpa，反应釜每节长度不超过\n1m，每节容积为17.89L。\n[0033] 本发明的天然气水合物模拟实验装置综合现有的水合物研究技术，在吸取温压测量、电阻测量、TDR等技术的基础上，基于传质过程的水合物性能研究设计，设备呈H型管网状，可实现水平或垂直上的温度梯度、以及自然状态的设备下部进气，采用快开式连接，可在水平及竖直两个方向自由组合变形；可在设备的任意部位实现热量或不同介质的交换，开展传质过程中开采模拟的影响研究。采用电化学阻抗谱，通过测得区域的阻抗谱，进而获得离子浓度、扩散系数、电阻率等参数。本发明的天然气水合物模拟实验装置能实现对天然气水合物形成分解过程中温度、压力和饱和度变化、水合物中气相、液相的扩散现象，水合物动态裂纹的形成等进行深入研究及模拟，将加深对天然气水合物成藏和开采的认识和理解。\n[0034] 本发明采用整体式空气浴，制冷系统与冷库房分开，以防止制冷压缩机组影响灵敏的传感器系统；低温循环液进入冷库房，通过热交换将冷库房温度降低，实现整个高压管路容器整体降温，系统处于一个温度相对恒定的环境下，并且可以灵活组合的温度梯度。\n[0035] 测量扩散系数的意义在于在水合物开采时，必定是水合物分解、汇流并导出的过程，这一过程中水合物中的变化与甲烷气体的扩散、沉积物中其他化学成分如各种盐正负离子的扩散必定息息相关。因此，利用拉曼确定某处的组分，测定扩散系数，结合水平、垂直方向上的温差，与其他部位的参数（组分、扩散系数）相比较，就可以归纳出在水平或垂直温度场作用下，在下进气的生成状态下，水合物分解的特征。\n[0036] 捕捉微裂纹的意义在于水合物分解时，水合物将丧失强度。由于气体的扩散流动，导致微裂纹出现、聚合，最终将导致水合物层的失稳，检测到微裂纹的产生过程，将对水合物的开采方法研究具有重要的指导意义。\n[0037] 开始实验之前，将蓝宝石反应釜、纵向反应釜、横向反应釜用蒸馏水洗净，再用饱和水冲洗后，依次连接，并在设备基座上安装好；在连接及安装过程中，根据实验需要，可向反应釜中加入饱和水、沉积物、或者人工岩样等介质；连接好温度探针、压力探针、时域反应仪（TDR）探针、电化学阻抗探针、声学测量探针等探针，并通过数据采集处理系统检验设备的密封性和探针的有效性；检验通过后，利用制冷系统将冷库房降至到相应温度，温度梯度控制层还可对反应釜中的温度进行呈梯度式的调节；通过气瓶、压力调节计等逐步向反应釜中注入气体；通过增压设备控制反应釜中的压力；通过控制温度和压力等因素，水合物缓慢地在反应釜中生成，温度探针、压力探针、TDR探针、电化学阻抗探针、声学测量探针等探针实时探测反应釜中各参数的变化，并将参数传送到数据采集处理系统，在计算机上可以实时显示各参数的数值及其变化曲线；当蓝宝石反应釜内的介质为饱和水溶液时，水合物在蓝宝石反应釜内形成过程中，其形成动态可通过冷光摄像设备传输到计算机，在计算机上实时显示，同时也可通过蓝宝石可视窗，利用显微观察设备清楚观察到水合物的形成，当生成量大时，通过蓝宝石可视窗，肉眼也可观察到水合物。\n[0038] 天然气水合物形成后，可以通过控制冷库房或温度梯度控制层升高反应釜中的温度，或通过增压设备降低反应釜中的压力，使天然气水合物开始分解，利用温度探针、压力探针、TDR探针、电化学阻抗探针、声学测量探针等探针实时探测反应釜中各参数的变化，并将参数传送到数据采集处理系统，在计算机上可以实时显示各参数的数值及其变化曲线。\n通过采集的参数及其变化趋势，可以针对天然气水合物形成及分解过程中温度、压力和饱和度变化、水合物中气相和液相的扩散、传质过程中开采模拟、水合物动态裂纹的形成等进行深入研究及模拟。\n[0039] 本发明天然气水合物模拟实验装置与现有技术相比具有以下有益效果：\n[0040] （1）装置采用快开式连接，可在水平及竖直两个方向自由组合变形；\n[0041] （2）可实时测量温度、压力分布、以及水合物饱和度变化，便于研究分析水合物形成分解的动态变化；\n[0042] （3）可在设备的任意部位实现热量或不同介质的交换，开展传质过程中开采模拟的影响研究；\n[0043] （4）采用电化学阻抗谱，通过测得区域的阻抗谱，可获得离子浓度、扩散系数、电阻率等参数。\n[0044] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。