一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气水合物开采领域，尤其涉及的是一种合成海洋天然气水合物样品的生成实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]天然气水合物(Natural Gas Hydrates，NGH)是在一定条件下由轻经、C02及H2S等小分子气体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质(因遇火可以燃烧，俗称可燃冰)，是一种非化学计量型晶体化合物，或称笼形水合物、气体水合物。自然界中存在的NGH中天然气的主要成分为甲烧(>90% )，所以又常称为甲烧水合物(Methane Hydrates)。理论上，一个饱和的甲烷水合物分子结构内，甲烷与水的克分子比为1:6，在标准状况下，甲烷气与甲烷水合物的体积比为164:1，也就是说单位体积的甲烷水合物分解可产生164单位体积的甲烷气体，因而是一种重要的潜在未来资源。
[0003]地球上的NGH蕴藏量十分丰富，大约27 %的陆地(大部分分布在冻结岩层)和90 %的海域都含有NGH，陆地上的NGH存在于200—2000m深处，海底之下沉积物中的NGH埋深为500— 800m。其中海洋区域的NGH资源量占水合物总资源量的99%。资源调查显示，我国南海、东海陆坡一冲绳海、青藏高原冻土带都蕴藏着NGH。因此，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日倶增的能源压力的有效途径。
[0004]天然气水合物可以以多种方式存在于自然界中，基于天然气水合物的特点，它与常规传统型能源的开发不同。表现在水合物在洋底埋藏是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。而天然气水合物矿藏在全世界的成藏条件不同，其存在方式也不相同。主要表现在:1、多孔介质的不同，由于地质条件引起的地下岩石及海底沉积物的条件不同；2、温度压力等环境条件不同，是由于自然界条件不同，其中最明显的差别是海底水合物和冻土带水合物的环境条件不同；3、气、水和水合物饱和度不同，在不同的地区水合物藏的自由气，自由水及水合物的存在状态是决定水合物是否能开采，开采出是否具有经济价值的最重要因素；4、水合物赋存形态学不同，目前较为普遍的海洋水合物赋存形态分为:块状、层状、脉状、颗粒状和分散状。
[0005]目前世界上的天然气水合物开采研究主要处于实验室模拟和数值模拟的阶段。对于实验室模拟来说，合成与自然界条件相同，物性形态相似的水合物样品是目前的重中之重。目前世界上的天然气水合物开采实验模拟装置有很多，一般主要包括:高压反应釜，注液系统，注气系统，出口控制系统以及数据采集系统。但是水合物生成方法往往过于简单，通常是在石英砂中通过气液混合合成水合物，还没有一种合成真实条件中的海洋天然气水合物样品的实验装置及实验方法。因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种海洋天然气水合物样品的生成实验装置。该实验装置可以经济、有效、并准确的获得特定的各种饱和度条件、各种地质条件以及各种赋存形态条件下的水合物样品，从而使天然气水合物模拟实验条件更接近自然界条件，实验结果更具有可信度，为使现实中开采天然气水合物提供实验基础和依据。
[0007]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0008]—种合成海洋天然气水合物样品的实验装置，所述实验装置包括:
[0009]反应釜，所述反应釜包括带有密封容置空间的反应釜本体以及安装于反应釜本体中的内套，所述反应釜本体包括侧壁、上壁和下壁，其中，内套、上壁和下壁围成用于放置样品的样品腔，内套、侧壁以及上壁和下壁之间围成围压腔；
[0010]轴压活塞，所述轴压活塞包括伸入样品腔中的活塞本体以及连接部，所述连接部的下端固定连接于活塞本体上，其上端延伸至上壁的外侧，所述活塞本体、内套和上壁之间围成不与样品腔连通的轴压腔；
[0011 ] 釜外夹套，所述釜外夹套包围反应釜，所述釜外夹套和反应釜之间围成浴腔，通过温度控制系统改变浴腔内的温度以调节反应釜内的操作环境温度；
[0012]注入系统，用于向样品腔内注气和注液；
[0013]轴压控制系统，用于向轴压腔内注水或从轴压腔内抽水，以改变轴压腔的腔内压力；
[0014]围压控制系统，用于向围压腔内注水或从围压腔内抽水，以改变围压腔的腔内压力；
[0015]产出系统，用于从样品腔内采集产出物。
[0016]所述反应釜本体具体有壳体、反应釜上盖和反应釜下盖组成，其中所述侧壁即是该上、下端开口且中空的壳体，反应釜上盖和反应釜下盖分别通过上法兰和下法兰固定于壳体上、下开口端，所述上壁为固定连接于壳体上端的上法兰，在上法兰和内套的上端之间通过上密封塞(如橡胶圈)密封，所述下壁为固定连接于壳体下端的下法兰，在下法兰和内套的下端之间通过下密封塞密封。样品腔内容积100mL-10m3均可，为实现模拟真实天然气水合物地质条件，设计承压样品腔需大于20MPa。
[0017]注入系统包括:
[0018]注气单元，通过气体增压系统将气源注入样品腔，以检测实验装置的漏气情况以及向样品腔注入生成水合物所需的反应气；
[0019]注液单元，通过平流栗将水源的去离子水注入样品腔，以获得和实际水合物矿藏条件一致的孔隙水饱和度。
[0020]所述实验装置进一步包括一控制器，在轴压腔、围压腔样品腔以及浴腔中分别安装有第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器，所述轴压活塞上安装有位移传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、温度传感器以及位移传感器的信号输出端均电性连接于控制器。
[0021]所述轴压控制系统为手摇注水栗，当第一压力传感器测得的压力值小于轴压腔设定压力值时，启动所述手摇注水栗向轴压腔内注水，当第一压力传感器测得的压力值大于轴压腔设定压力值时，启动所述手摇注水栗从轴压腔内抽水。
[0022]所述围压控制系统为手摇注水栗，当第二压力传感器测得的压力值小于围压腔设定压力值时，启动所述手摇注水栗向围压腔内注水，当第二压力传感器测得的压力值大于围压腔设定压力值时，启动所述手摇注水栗从围压腔内抽水。
[0023]所述产出系统包括出口压力控制器、气液固三相分离器、固体收集计量天平、液体收集计量天平以及气体流量计，其中，所述气液固三相分离器通过连通管道与样品腔连通，所述出口压力控制器为安装于连通管道上的回压阀，所述气液固三相分离器由除砂器和气液分离器串联实现，所述固体收集计量天平通过计量除砂器质量变化记录产出砂量，所述液体收集计量天平计量气液分离器液体出口的产水质量，所述气体流量计计量气体出口的产出气量。
[0024]所述浴腔为循环水浴或空气浴。
[0025]本发明的另一目的在于提供一种海洋天然气水合物样品的生成实验方法。该实验方法可以经济、有效、并准确的获得特定的各种饱和度条件、各种地质条件以及各种赋存形态条件下的水合物样品，从而使天然气水合物模拟实验条件更接近自然界条件，实验结果更具有可信度，为使现实中开采天然气水合物提供实验基础和依据。该实验方法包括以下步骤:
[0026]步骤1、测量获得实际海底沉积物样品的物性参数，所述实际海底沉积物样品的物性参数包括温度、孔隙压力、上覆压力、绝对渗透率、孔隙度、粒径、比表面积、密度、水合物饱和度以及水合物分布形态学数据；
[0027]步骤2、制作与实际海底沉积物样品具有相同物性参数的多孔介质，或者直接采用实际水合物矿藏的沉积物样品作为实验样品生成所需的多孔介质，形成多孔介质颗粒；
[0028]步骤3、使用冰粉制作系统在低温环境下制作冰粉颗粒；
[0029]步骤4、将冰粉颗粒以块状、层状、脉状、颗粒状或者分散状与干燥后的多孔介质颗粒混合，并向样品腔中填充；整个填充的操作环境温度为零度以下，以保证冰粉不融化；
[0030]步骤5、通过轴压控制系统、围压控制系统分别控制样品腔的轴压和围压，以模拟海底地质力学性质；过程中环境温度任然保持零度以下；
[0031]步骤6、向样品腔中注入甲烷气，同时调整样品腔压力，使其等于实际海底沉积物样品的孔隙压力，注入甲烷气过程中保持系统温度低于零度，此时开始生成水合物，冰粉颗粒直接转化为甲烷水合物，当样品腔压力不再下降时，则冰粉颗粒全部反应为水合物，水合物生成完成，如果样品腔压力仍然下降，则继续向样品腔中注入甲烷气；
[0032]步骤7、升高反应釜内温度至实际地质条件下的温度，并调整样品腔压力为实际海底沉积物样品的孔隙压力；
[0033]步骤8、通过注液系统将样品腔内的自由气驱除，期间保持压力与温度保持不变，静止后，真实海底水合物样品制作完成。
[0034]将冰粉颗粒以块