一种空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统

1.本发明涉及石油与天然气开发实验装置技术领域，具体为一种空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统。


背景技术：

2.氢能是最清洁的新能源。发展氢工业，提高氢能在终端能源的占比，是减小石油天然气对外依存度、优化能源结构的关键，是实现国家“能源自主”、推动能源供给侧结构性改革、保障国家能源安全的战略选择。
3.目前的制氢方法主要有化石燃料地面气化重整制氢、工业副产品制氢(灰氢)、生物质制氢(蓝氢)、太阳能核能利用的水电解制氢(绿氢)，这些制氢方法的最大问题是碳排放高、能耗高、成本高，制氢用氢过程实际上成了“制污治污”的过程。
4.地层原位制氢是利用地层残余油气制备氢气，可以充分利用地下原油，将地下不可动用的资源转化为新能源。目前对于空气热化学油气原位制氢，国内还没有一套成熟完善的实验装置与处理方法能够对油气在地层条件下进行较好的空气热化学油气原位制氢智能监控仿真模拟和分析。传统的装置只能从宏观和整体的角度对最终结果进行分析，而缺乏在局部和过程中变化的检测和分析，因此，需要对实验系统进行特殊的设计，才能保证实验系统能更加清晰的还原空气热化学油气原位制氢仿真模拟，明确掌握其中一系列的反应变化。


技术实现要素：

5.为解决现有技术条件的不足，本发明提供了一种空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统。本系统可以模拟利用空气热化学、水蒸汽转化、热裂解、水热裂解、催化重整反应在储层中原位制氢与改质的过程，本发明的具体方案如下：
6.一种空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统，包括供氧模块、原料注入模块、反应器模块、油气水分离取样模块及样品分析模块。供氧模块和原料注入模块分别与反应器模块的入口连接，用于向反应器模块提供富氧气体和反应原料；反应器模块出口连接油气水分离取样模块，用于对反应产物进行分离；所述样品分析模块对油气水分离取样模块中收集到的样品进行分析。所述反应器模块包括反应器，反应器出口设置有回压阀，反应器中设置地层模型，用于模拟地层油藏；反应器外设置有x射线衍射仪，x射线衍射仪的接收端与射线管相对设置于地层模型的两侧，射线管沿地层模型中流体流动方向布置，用于测定地层模型中的温度分布，x射线的射线管和接收仪均与成像控制分析仪连接，在成像控制分析仪上成像显示模拟地层温度分布；反应器外设置核磁共振微缩传感器，核磁共振微缩传感器的接收端与发射端相对设置于地层模型的两侧，用于对地层模型进行扫描，测定地层模型中物质的分布；核磁共振微缩传感器的接收端与发射端分别与成像控制分析仪连接，在成像控制分析仪实时显示地层模型中物质的分布；反应器利用微波加热装置加热以模拟地层温度；电磁能直接作用于介质分子而转换成热能，其透射性能使物料内外介质同时受热，
并且高温高压反应器外层涂有防电磁干扰隔热涂层，减少热量损失对实验的影响。
7.作为本发明的一种具体实施方式，本发明的供氧模块采用目前成熟的空压制氧工艺，属于现有技术，其流程也不仅限于一种形式，比如，供氧模块包括依次连接的空压机、空分机、制氧机、增压泵和气体流量计，气体流量计用于计量注入反应器模块的氧气量，也作为调整空压模块负荷的依据。
8.作为本发明的一种具体实施方式，所述原料注入模块用于向反应器模块注入水蒸气、制氢与改质催化剂、石油、天然气和地层水，当然也可以根据需要增加其他注入流体，制氢与改质催化剂可以为纳米颗粒、液相催化剂、气相催化剂；所述原料注入模块包括依次连接的多功能控制泵、多通道阀和活塞容器，活塞容器位于恒温箱中，用于储存待注入流体，活塞容器有多个且并联设置，每个活塞容器的入口分别与多通道阀的一个端口连接、出口均与所述反应器连接。
9.作为本发明的一种具体实施方式，所述油气水分离取样模块包括油气水三相分离器、气体取样袋和液体取样罐；油气水三相分离器中部与所述反应器连接、气相出口连接气体计量仪和气体取样袋、水相和油相出口均分别连接有液体计量仪和液体取样罐。
10.作为本发明的一种具体实施方式，所述样品分析模块包括气体样品分析模块和液体样品分析模块，所述气体样品分析模块包括气相色谱仪和质谱分析仪，所述气相色谱仪和质谱分析仪用于分析气体取样袋中气体组分，所述液体样品分析模块包括油相色谱仪、红外分光仪、流变仪、四组分分析仪、元素分析仪，用于分析液体取样罐中油样的组分。
11.作为本发明的一种具体实施方式，所述模拟系统还包括气体微量自动监控模块，用于检测装置的气体泄漏情况；所述气体微量自动监控模块包括气体检测红外成像仪，用于检测环境中的氢气和燃气含量。
12.作为本发明的一种具体实施方式，所述模拟系统还包括智能监控系统模块，用于跟踪掌握各模块安全情况，待温度、压力和有害气体浓度达到临界值时会自动做出应急处理，保障整个实验过程的安全。
13.与现有技术相比，具有以下优点：
14.(1)本发明能够模拟油气在地层条件下原位制氢过程对于理解油气藏原位制氢的产生机理和现场应用具有重要意义。
15.(2)通过x射线测量物体内部温度，既不改变模拟地层孔渗情况，还可以更加直观的监测模拟地层温度变化。
16.(3)通过核磁共振传感器动态地检测模拟地层中原油、天然气、地层水、氢气以及合成气的三维分布情况，实现空气热化学油气原位制氢与改质局部和整体动态分析。
17.(4)本发明微量自动监控模块能及时在实验中发现气体泄漏问题并自动终止实验，保障整个实验在安全有序条件下进行。
附图说明
18.图1为本实施例的整体结构示意图。
具体实施方式
19.为下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方
式不限于此。
20.在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
21.实施例：
22.请参考图1，一种空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统，包括供氧模块、原料注入模块、反应器模块、油气水分离取样模块、样品分析模块、气体微量自动监控模块、智能监控系统模块。供氧模块和原料注入模块分别与反应器模块的入口连接，用于向反应器模块提供富氧气体和反应原料；反应器模块出口连接油气水分离取样模块，用于对反应产物进行分离；所述样品分析模块对油气水分离取样模块中收集到的样品进行分析。
23.所述反应器模块包括反应器1，反应器1出口设置回压阀2，用于控制反应器中压力，反应器1出入口均设置均设置压力传感器3，反应器1还连接有真空泵4，用于加快地层模型饱和油水气。反应器1中设置地层模型，用于模拟地层油藏；反应器1外设置有x射线衍射仪5，x射线衍射仪5的接收端与射线管相对设置于地层模型的上、下两侧，射线管沿地层模型中流体流动方向布置，用于测定地层模型中的温度分布，x射线的射线管和接收仪均与成像控制分析仪连接，在成像控制分析仪上成像显示模拟地层温度分布；反应器1外设置核磁共振微缩传感器6，核磁共振微缩传感器6的接收端与发射端相对设置于地层模型的前、后两侧，用于对地层模型进行扫描，测定地层模型中物质分布；核磁共振微缩传感器6的接收端与发射端分别与成像控制分析仪连接，在成像控制分析仪实时显示地层模型中原油、天然气、地层水、氢气以及合成气的三维分布情况的分布；反应器1利用微波加热装置加热以模拟地层温度，微波加热装置设置于反应器的入口，微波加热装置的微波发射端伸入反应器中；电磁能直接作用于介质分子而转换成热能，其透射性能使物料内外介质同时受热，并且高温高压反应器外层涂有防电磁干扰隔热涂层，减少热量损失对实验的影响。
24.供氧模块采用目前成熟的空压制氧工艺，属于现有技术，其包括依次连接的空压机7、空分机8、制氧机9、增压泵10和气体流量计11，气体流量11计用于计量注入反应器模块的氧气量。
25.所述原料注入模块包括依次连接的多功能控制泵12、多通道阀13和活塞容器14，活塞容器14有四个且并联设置，这四个活塞容器中分别储存制氢与改质催化剂、原油、天然气和地层水，每个活塞容器的入口分别与多通道阀的一个端口连接、出口均与反应器连接。活塞容器14位于恒温箱中，以便预热待注入流体。
26.所述油气水分离取样模块包括油气水三相分离器15、气体取样袋16和液体取样罐17；油气水三相分离器15中部与回压阀2出口连接、气相出口连接气体计量仪18和气体取样袋16、水相和油相出口均分别连接有液体计量仪19和液体取样罐17。
27.所述样品分析模块包括气体样品分析模块和液体样品分析模块，所述气体样品分析模块包括气相色谱仪和质谱分析仪，用于分析气体取样袋中气体组分；所述液体样品分析模块包括油相色谱仪、红外分光仪、流变仪、四组分分析仪、元素分析仪，用于分析液体取样罐中油样的组分。
28.所述气体微量自动监控模块，用于检测装置的气体泄漏情况；所述气体微量自动
监控模块包括气体检测红外成像仪，用于检测环境中的氢气和燃气含量。
29.所述智能监控系统模块，用于跟踪掌握各模块安全情况，待温度、压力和有害气体浓度达到临界值时会自动做出应急处理，比如切断阀门、关闭加热，保障整个实验过程的安全。
30.所述的成像分析与控制仪不仅显示实验过程中的各个数据，并且可以控制空分模块、流体注入模块、高温高压反应器模块、气体微量自动监控模块和油气水分离取样模块，高效快捷。
31.此外，出于安全考虑，在反应器1出入口还设置有安全阀，防止试验过程中超压损坏设备。
32.本实施例空气热化学油气原位制氢与改质模拟系统的一种使用方法包括以下步骤：
33.s1、将岩心样品或者岩屑作为地层模型装入反应器中，安装好微波加热装置、x射线衍射仪和核磁共振微缩传感器，依次将系统的各个模块连接好，对装置进行自检和压力测试。
34.s2、用真空泵对反应器抽真空处理，调整回压阀压力至目标地层压力，通过原料注入模块按照目标地层所需比例，向高温高压反应模块注入天然气、原油和地层水的样品；利用微波加热装置加热地层模型至目标油藏温度。
35.s3、增加回压阀压力，通过原料注入模块注入制氢与改质催化剂，然后控制供氧模块按所需要求向反应器模块注入富氧气体，启动气体加热器将富氧气体加热，与模拟地层部分原油发生氧化反应放出热量，当模拟地层温度过高时，可通过蒸汽发生器注入水蒸气或减小注入富氧气体速率降低温度至反应温度，或者通过启动微波加热器直接加热地层模型，使样品在模拟地层中进行原位制氢与改质，实验过程中记录地层岩心的温度和物质分布。
36.s4、反应结束后，利用惰性气体驱替地层岩心，通过油气水分离取样将反应生成的产出物进行三相分离和计量，通过样品分析模块测定产出气液的组分和性质。
37.s5、重复步骤s2-s4，调整油水气比例、注入催化剂量、氧气量、温度、水蒸气注入时机、驱替方式，测定不同实验条件下的产物分布。
38.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。