专利名称：天然气水合物模拟开采实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种实验装置，尤其涉及一种天然气水合物模拟开采实验装置。
背景技术：
海洋天然气水合物，由于其存在环境复杂，在开采过程可能带来地质与环境问题， 而且在海洋中试开采的成本高、风险大，故预先在实验室内进行水合物开采实验研究，获取 必要的技术参数，具有重要的理论与实践意义。水合物开采方法主要有热激发(电加热、注热水)开采法、减压开采法、注入化学 试剂开采法等，这些方法需要有一定的实验装置和技术来实现。目前，国内天然气水合物开 采实验装置多为横向、一维实验装置，水合物开采实验时只能反映局部的水合物分解情况。 石油大学、中海油公司等通过“863”项目，分别研制了一维或二维实验装置，主要依靠电阻 法、电容法等测定水合物分解过程体系的电学参数的变化，以此来指示反应的进程。但由于 该法使用条件的限制，不能实现实时反映沉积体系中不同层位水合物饱和度变化情况。而 天然气水合物饱和度的变化，是反映水合物开采过程状态和进程的重要参数。国外对水合 物开采实验研究采用的装置有横向、纵向结构，但是仍不能同时监测到水合物分解过程水 合物饱和度的变化，也不能反映沉积物不同位置的分解状态。而且，难以在同一装置分别实 现水合物各种开采方法实验研究。在海底，天然气水合物是极其脆弱的，一旦某种因素(如海平面下降、海底构造活 动、海底热流值增高、钻井或采气不当等)引起海底压力降低或温度上升，天然气水合物将 有可能分解成天然气和水，从而影响海底沉积物的稳定性，甚至导致海底滑坡和海洋结构 物的严重失稳，天然气的大量释放，会造成生物死亡和气候变暖等环境灾害。所以模拟水合 物的开采参数与条件，对实际操作具有很好的指导意义。
实用新型内容本实用新型的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种天然气水合物模拟开采实 验装置，其结构简单，实验效果好。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案其包括反应釜、供气装置、供液 装置、温控装置、气液分离器，反应釜分别与供气装置、供液装置、温控装置、气液分离器连 接；反应釜内设有时域反射探针，时域反射探针通过时域反射仪与数据采集系统连接。本实用新型旨在提供一种能够反映实际沉积物地层水合物分解情况和实时监测 开采过程中不同层位水合物饱和度变化，而且可实现多种开采方法实验的天然气水合物开 采实验装置。在利用本装置进行天然气水合物开采时，需要预先在本装置反应釜内多孔介 质中合成水合物样品。可以根据所模拟的实际条件，在不同条件下合成水合物样品。时域反射技术(Time Domain Reflectometry，简称TDR)，根据探测的表观介电常 数与含水量的关系，可得出水合物饱和度。本实用新型将TDR技术应用于本装置中，可实现 实时监测水合物分解过程中水合物饱和度的变化，进而通过水合物饱和度的变化指示水合
3物的开采程度。同时，本项实用新型的实验装置，可以进行热激发(电加热、注热水)开采 法、减压开采法、注入化学试剂开采法等实验研究。反应釜包括外壳体和内壳体，外壳体和内壳体之间设置冷却层，冷却层与温控装 置低温恒温循环器连接，外壳体上设有冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口、冷却液出口 分别与冷却层连通。冷却层中装有由温控装置低温恒温循环器冷却的循环液体。所述冷却 层和温控装置是用以控制反应釜处于所设定的恒温状态。所述数据采集系统是用于测量记录实验过程中反应釜内的温度、压力等实验数 据。数据采集系统连接用于测量反应釜内温度的温度传感器、测量反应釜内压力的压力传 感器，以及测量进出反应釜流体流量的气体流量计以及监测水合物饱和度的时域反射仪。所述反应釜内底盖设一系列穿孔，可用于分别插入感测元件。通过反应釜底盖，釜 内置有三个不同长度的时域反射探针，时域反射探针内不同高度分别设有温度探头，温度 探头与数据采集系统连接。通过反应釜底盖，釜内置有电加热棒，可进行电加热开采水合物。进行注热水或注 化学试剂开采水合物时，用注液管将电加热棒替换下来，进行注热水或注化学试剂开采水 合物。供气装置包括相互连接的气瓶和气动增压泵，向反应釜注入实验所用甲烷气体； 气动增压泵通过管道、阀门与反应釜连通，将气体从反应釜上部引入反应釜内，使实验气体 自上向下向多孔介质填充区扩散，与多孔介质填充区内多孔介质中的水反应合成水合物。供液装置包括平流泵和加热器，用于向反应釜内输送热液或化学试剂流体，以进 行水合物注热液、注化学试剂开采过程的模拟。进行水合物注入热液和化学试剂开采实验 时，液体通过平流泵和加热器由反应釜底端注液管向已合成水合物的反应釜内注入。在分解流体流出管道上设有背压阀、减压阀，用来调节水合物分解压力，使分解流 体流出，确保实验过程中水合物分解能在指定的分解压力下进行。气液分离器底端设置在电子天平上，气液分离器顶端连接气体流量计，气液分离 器将水合物分解过程产生的水和气体分离，水量由天平量出，气体量由气体流量计测量。气液分离器底端连通回收槽，用以回收水合物分解产生的水。在利用本实验装置进行天然气水合物模拟开采时，需要预先在多孔介质中合成水 合物样品。可以根据所模拟的实际条件，在不同条件下合成水合物样品。本实用新型中，合 成了均勻分布的水合物，即可利用该水合物样品进行不同模式下的分解实验研究，模拟开 采过程。本实用新型的优点反应釜为纵向结构，能够更好的模拟海底沉积物环境；应用 时域反射技术，来实时监测水合物饱和度变化；温度测点多，能够反映实验进程；实验装置 可实现用多种开采方法进行实验。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做详细描述
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
本装置包括反应釜1、供气装置、供液装置、温控装置2、气液分离器3，反应釜1分 别与供气装置、供液装置、温控装置2、气液分离器3连接；反应釜1内设有时域反射探针4， 时域反射探针4通过时域反射仪5与数据采集系统6连接。反应釜1包括外壳体7和内壳体8，外壳体7和内壳体8之间设置冷却层9，冷却 层9与温控装置2连接，外壳体7上设有冷却液进口 10和冷却液出口 11，冷却液进口 10、 冷却液出口 11分别与冷却层9连通。供气装置包括相互连接的气瓶13和气动增压泵14， 气动增压泵14通过管道15和阀门16与反应釜1连通，管道15通过背压阀17、减压阀24 与气液分离器3连通。气液分离器3顶端连接气体流量计18，气液分离器3底端设置在电 子天平19上，气液分离器3底端连通回收槽20。供液装置包括加热器21和平流泵22。反应釜1为纵向结构，内装沉积物，能更好的模拟海底沉积物环境。在反应釜1底 部同轴安装了三支不同长度的同轴型时域反射探针4，与时域反射仪5连接，用来监测沉积 物不同层位水合物饱和度变化。在时域反射探针内，不同位置上设置了温度探头(PtlOO热 电阻)，以测量沿探针长度方向上的温度场变化。在反应釜内壁处也安装了一支温度探头 (PtlOO热电阻)，来反映沉积物外侧温度变化。温控装置使用低温恒温循环器，通过冷却液(乙醇)在冷却层9内循环流动来控 温。反应釜1内设有电加热棒12，用于电加热开采水合物。在注热水与注化学试剂开采中， 用注液管23将电加热棒12替换，液体通过平流泵22经过加热器21从反应釜1底部注液 管23注入釜体。反应釜1分解流体流出管道上接背压阀17，通过调节背压阀17可使水合 物在不同压力下分解，气液分离后，用精密流量计测量水合物分解气体流速，水量由电子天 平19量出。本装置使用时，其具体步骤为水合物合成(1)将饱和沉积物紧密地填进反应釜1中，至时域反射探针4被完全盖住；(2)封 闭好，关闭所有阀门16 ;(3)对系统抽真空后，打开进气阀门，向反应釜1内注入一定压力的 甲烷气体；(4)静置一段时间，待气体在沉积物中渗透均勻，打开温控装置的低温恒温循 环器，对反应釜1降温，合成水合物。天然气水合物常规开采方法有三种减压法、热激发法(电加热、注热水)和注化 学试剂法。1.减压法开采水合物即降低体系的压力，使其低于所在温度下水合物的平衡压 力，一般通过降低水合物层下面的游离气体的压力，使与气体接触的水合物变得不稳定而 分解，分解出的气体由井筒采出，分解出的水留在地层中，通过控制天然气的采出速度可以 控制储层压力，进而控制地层水合物的分解。(1)调节背压阀17，将背压阀17压力调节在分解压力上，同时调节流量控制阀，使 流速在流量计的量程范围内；(2)迅速将系统压力降低至分解压力值，水合物分解；(3)分 解气体从阀门中流出；(4)软件记录各种参数。2.电加热法开采水合物(1)调节背压阀17，使其压力与反应釜1内压力相等，同时调节流量控制阀，使流 速在流量计的量程范围内；(2)开启电加热棒12至一定温度，水合物分解；(3)分解气体从阀门16中流出；(4)软件记录各种参数。3.注热水开采水合物属热激发法，即利用组钻探技术在天然气水合物稳定层中 安装管道，通过热流体(热水、水蒸气、热盐水等)将热量输入到水合物层，使水合物体系的 温度上升达到水合物分解所需要的温度。(1)调节背压阀17，使其压力与反应釜1内压力相等，同时调节流量控制阀，使流 速在流量计的量程范围内；(2)将待注入液体升至一定温度；(3)开启平流泵22将液体在 设定流速下注入反应釜1中，水合物分解；(4)分解气体分别从阀门16中流出。(5)软件记 录各种参数。4.注化学试剂开采水合物通过向水合物体系里注入抑制剂(如甲醇、乙醇等)， 改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物的稳定温度或升高稳定压力，使体系的平衡曲 线偏移，导致水合物体系不稳定而造成水合物分解。目前广泛认为，采用多种开采方法联合开采具有很好的效果。采用上述的几种方法，使所合成的水合物分解，并通过排气系统将水合物分解产 生气排出反应釜，从而模拟水合物的开采过程。
权利要求一种天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，包括反应釜、供气装置、供液装置、温控装置、气液分离器，反应釜分别与供气装置、供液装置、温控装置、气液分离器连接；反应釜内设有时域反射探针，时域反射探针通过时域反射仪与数据采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，反应釜包括 外壳体和内壳体，外壳体和内壳体之间设置冷却层，冷却层与温控装置连接，外壳体上设有 冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口、冷却液出口分别与冷却层连通。
3.根据权利要求2所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，反应釜内设 有三个不同长度的时域反射探针。
4.根据权利要求2所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，时域反射探 针内不同高度分别设有温度探头，温度探头与数据采集系统连接。
5.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，供气装置包 括相互连接的气瓶和气动增压泵，气动增压泵通过管道、阀门与反应釜连通，管道通过背压 阀、减压阀与气液分离器连通。
6.根据权利要求5所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，气液分离器 顶端连接气体流量计，气液分离器底端设置在电子天平上。
7.根据权利要求6所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，气液分离器 底端连通回收槽。
8.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，供液装置包 括加热器和平流泵。
9.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，反应釜内设 置电加热棒。
10.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采实验装置，其特征在于，反应釜内设置注液管。
专利摘要本实用新型涉及一种实验装置，尤其涉及一种天然气水合物模拟开采实验装置。本实用新型的天然气水合物模拟开采实验装置，包括反应釜、供气装置、供液装置、温控装置、气液分离器，反应釜分别与供气装置、供液装置、温控装置、气液分离器连接；反应釜内设有时域反射探针，时域反射探针通过时域反射仪与数据采集系统连接。本实用新型的优点反应釜为纵向结构，能够更好的模拟海底沉积物环境；应用时域反射技术，来实时监测水合物饱和度变化；温度测点多，能够反映实验进程；实验装置可实现用多种开采方法进行实验。
文档编号E21C50/00GK201747338SQ201020253070
公开日2011年2月16日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者业渝光, 刁少波, 刘昌岭, 孙建业, 张剑, 程军 申请人:青岛海洋地质研究所