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1、(10)授权公告号 CN 203931312 U(45)授权公告日 2014.11.05CN203931312U(21)申请号 201420252702.4(22)申请日 2014.05.16G09B 25/00(2006.01)E21B 43/22(2006.01)(73)专利权人青岛海洋地质研究所地址 266071 山东省青岛市市南区福州南路62号(72)发明人刘昌岭 赵仕俊 孙建业 刘乐乐(74)专利代理机构青岛发思特专利商标代理有限公司 37212代理人万桂斌(54) 实用新型名称CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置(57) 摘要本实用新型涉及一种试验装置，具体地说，涉及一种采用CO。
2、2置换开采天然气水合物的模拟装置，所述试验装置包括反应釜、恒温控制系统、注气注液系统、液体循环加热系统、回压控制系统、抽真空与气液分离系统、产气在线检测系统和数据采集系统；本实用新型采用时域反射技术实现了水合物饱和度的实时监测，简便，计算量小，为准确探讨置换反应速率提供了数据支撑；反应釜产气管道与气相色谱仪连接，可以实现产气组分的实时测量；模拟环境更加接近海底开采环境。(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 权利要求书2页 说明书4页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书2页 说明书4页 附图1页(10)授权公告号 CN 2039。
3、31312 UCN 203931312 U1/2页21.一种CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，所述试验模拟装置包括反应釜(29)、恒温控制系统、注气注液系统、液体循环加热系统、回压控制系统、抽真空与气液分离系统、产气在线检测系统和数据采集系统；所述恒温控制系统为恒温浴室(26)；所述反应釜(29)置于恒温浴室(26)内，反应釜(29)底部安装固定单向渗透钢板(28)，单向渗透钢板(28)与底盖(31)之间安装底部加热管(33)，反应釜顶盖(30)上设有1个注气注液口、1个产气口，底盖(31)上设有1个注气口、1个放空口和2个TDR探针孔，反应釜(29)侧壁上分层设有3个温度测。
4、量孔；所述注气注液系统，包括CH4气瓶(1)、CO2气瓶(2)、电子天平(7)、中间容器(9)；所述CH4气瓶(1)通过管道连通反应釜(29)的注气注液口，管道上设有增压泵(4)以及截止阀(5)、压力表(6)和压力传感器(10)；所述CO2气瓶(2)通过管道连通反应釜(29)的注气注液口和反应釜底盖(31)上的注气口，所述管道上安装有压力表(6)、压力传感器(10)和截止阀(5)；电子天平(7)与中间容器(9)通过管道连通，电子天平(7)与中间容器(9)之间的管道上设有平流泵(8)，中间容器(9)通向反应釜(29)注气注液口的管道上设有压力表(6)；所述液体循环加热系统，包括预热水箱(15)、。
5、设置在反应釜(29)注气注液口处的U型加热管(32)，以及设置在单向渗透钢板(28)和底盖(31)之间的底部加热管(33)，所述U型加热管(32)两端分别通过管路连通预热水箱(15)，所述底部加热管(33)的两端分别通过管路连通预热水箱(15)，预热水箱(15)内设有温度控制器(16)和温度探头(12)，预热水箱(15)出口处设有水泵(14)；回压控制系统，包括N2气瓶(19)和回压阀(18)，N2气瓶(19)通过管道连接至反应釜顶盖(30)上的产气口，连通N2气瓶(19)与产气口的管道上设有回压阀(18)，所述产气口处设有放空管道，放空管道上设有安全阀(11)和压力传感器(10)；所述抽真空。
6、与气液分离系统，包括真空泵(22)以及气液分离器(20)，气液分离器(20)通过管道连通回压阀(18)，气液分离器(20)的底部设有出液管道及截止阀(5)，气液分离器(20)与真空泵(22)之间设有干燥筒(21)，干燥筒(21)与真空泵(22)之间的管道上设有压力表(6)；所述的产气在线检测系统为气相色谱仪(23)，气相色谱仪(23)通过管道连接在干燥筒(21)与真空泵(22)之间；所述的数据采集系统，包括相互连接的工控机(25)和数据采集器(24)，所述数据采集器(24)与模拟试验装置中的温度探头(12)、压力传感器(10)、TDR信号采集器(17)连接，所述的TDR信号采集器(17)连接T。
7、DR信号探针(13)，所述TDR信号探针(13)固定在反应釜底盖(31)的TDR探针孔内。2.根据权利要求1所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，所述反应釜(29)安装于小车(36)上，小车下安装滚轮。3.根据权利要求1所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，所述反应釜(29)的顶盖(30)和底盖(31)与反应釜(29)主体采用卡箍快开结构固定。4.根据权利要求1所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，所述的反应釜(29)可承受的最大压力为25MPa。权 利 要 求 书CN 203931312 U2/2页35.根据权利要求1所述的CO2置。
8、换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，所述反应釜(29)高350mm，外径300mm。6.根据权利要求6所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，回压阀(18)的回压控制范围为025MPa，控制精度为0.1MPa。7.根据权利要求6所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，其特征在于，恒温浴室(26)内温度控制范围为-20120，控制精度0.1。权 利 要 求 书CN 203931312 U1/4页4CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置技术领域0001 本实用新型涉及一种试验装置，具体地说，涉及一种采用CO2置换开采天然气水合物的模拟装置。背景技术0002 天然气水。
9、合物(简称水合物)广泛分布于高纬度极低冻土地层和海洋深水地层环境中，具有储量大和能量密度高等特点。随着世界经济的飞速发展，传统化石燃料的消耗量越来越多，一方面导致了全球能源的日益枯竭，另一方面引起了大气温度的日益升高。水合物开采和降低全球温室效应已成为研究热点。0003 用CO2置换开采水合物的原理是：通过客体分子CO2降低水合物中CH4分子的分压，将CH4分子置换出来。在置换过程中，CO2水合物的生成过程提供了CH4水合物分解过程所需要的热量。该方法不仅可以采集大量的CH4以缓解能源危机，还可以埋存大气中过量的CO2来降低温室效应，同时还可以保持含水合物地层的稳定性，进而减少地质灾害的发生。。
10、0004 专利号为2010106056318，名称为一种CO2开采天然气水合物的试验模拟系统，公开了一种包括反应釜、检测系统、数据采集系统、供气与增加系统的试验模拟装置，该模拟装置无法实现对水合物饱和度的实时监测。实用新型内容0005 为解决上述问题，本实用新型提供一种可以实现对水合物饱和度实时监测的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置。0006 本实用新型所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，包括反应釜、恒温控制系统、注气注液系统、液体循环加热系统、回压控制系统、抽真空与气液分离系统、产气在线检测系统和数据采集系统；0007 所述恒温控制系统为恒温浴室；0008 所述反应釜置于恒温。
11、浴室内，反应釜底部安装固定单向渗透钢板，单向渗透钢板与底盖之间安装底部加热管，反应釜顶盖上设有1个注气注液口、1个产气口，底盖上设有1个注气口、1个放空口和2个TDR探针孔，反应釜侧壁上分层设有3个温度测量孔；0009 所述注气注液系统，包括CH4气瓶、CO2气瓶、电子天平、中间容器；所述CH4气瓶通过管道连通反应釜的注气注液口，管道上设有增压泵以及截止阀、压力表和压力传感器；所述CO2气瓶通过管道连通反应釜的注气注液口和反应釜底盖上的注气口，所述管道上安装有压力表、压力传感器和截止阀；电子天平与中间容器通过管道连通，电子天平与中间容器之间的管道上设有平流泵，中间容器通向反应釜注气注液口的管道。
12、上设有压力表；0010 所述液体循环加热系统，包括预热水箱、设置在反应釜注气注液口处的U型加热管，以及设置在单向渗透钢板和底盖之间的底部加热管，所述U型加热管两端分别通过管路连通预热水箱，所述底部加热管的两端分别通过管路连通预热水箱，预热水箱内设有温度控制器和温度探头，预热水箱出口处设有水泵；说 明 书CN 203931312 U2/4页50011 回压控制系统，包括N2气瓶和回压阀，N2气瓶通过管道连接至反应釜顶盖上的产气口，连通N2气瓶与产气口的管道上设有回压阀，所述产气口处设有放空管道，放空管道上设有安全阀和压力传感器；0012 所述抽真空与气液分离系统，包括真空泵以及气液分离器，气液分。
13、离器通过管道连通回压阀，气液分离器的底部设有出液管道及截止阀，气液分离器与真空泵之间设有干燥筒，干燥筒与真空泵之间的管道上设有压力表；0013 所述的产气在线检测系统为气相色谱仪，气相色谱仪通过管道连接在干燥筒与真空泵之间；0014 所述的数据采集系统，包括相互连接的工控机和数据采集器，所述数据采集器与模拟试验装置中的温度探头、压力传感器、TDR信号采集器连接，所述的TDR信号采集器连接TDR信号探针，所述TDR信号探针固定在反应釜底盖的TDR探针孔内。0015 采用TDR探针可实现对水合物饱和度的实时监测，同时反应釜内设置的单向渗透钢板，可保证气体分子从下而上穿过单向渗透钢板，水分子不能从上。
14、而下穿过单向渗透钢板，为模拟海洋地层环境提供了保证。反应釜底部加热管则可有效防止含水合物制备过程中固体水合物堵塞钢板的渗透通道，反应釜顶部的U型加热管，为水合物的分解提供恒温热源。0016 优选的，所述反应釜安装于小车上，下车下安装滚轮，方便反应釜进出恒温浴室。0017 优选的，所述反应釜的顶盖和底盖与反应釜主体采用卡箍固定，采用卡箍固定，便于顶盖和底盖的拆卸，便于填充多孔介质和试验后的清洗。0018 优选的，所述的反应釜可承受的最大压力为25MPa，反应釜高350mm，外径300mm。0019 优选的，回压阀的回压控制范围为025MPa，控制精度为0.1MPa。0020 优选的，恒温浴室内温。
15、度控制为-20120，控制精度0.1。0021 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：0022 1)采用时域反射技术实现了水合物饱和度的实时监测，简便，计算量小，为准确探讨置换反应速率提供了数据支撑；0023 2)单向渗透钢板拆卸方便，顶盖和底盖拆卸方便，便于清洗设备和多孔介质的填充；0024 3)气体进入反应釜采用下进气的方式，模拟海底气体从沉积物底部向上扩散，同时采用恒温空气浴室模拟海底温度，单向渗透钢板更加接近海底的生成环境，模拟更加逼真；0025 4)反应釜产气管道与气相色谱仪连接，可以实现产气组分的实时测量。附图说明0026 图1为本实用新型试验模拟装置图；0027 图2为图1中反。
16、应釜内部结构示意图；0028 图3为图1中反应釜外部结构示意图。0029 其中，1-CH4气瓶；2-CO2气瓶；3-减压阀；4-增压泵；5-截止阀；6-压力表；7-电子天平；8-平流泵；9-中间容器；10-压力传感器；11-安全阀；12-温度探头；13-TDR信号探针；14-水泵；15-预热水箱；16-温度控制器；17-TDR信号采集器；18-回压阀；19-N2气瓶；说 明 书CN 203931312 U3/4页620-气液分离器；21-干燥筒；22-真空泵；23-气相色谱仪；24-数据采集器；25-工控机；26-恒温浴室；27-饱和沉积物；28-单向渗透钢板；29-反应釜；30-顶盖；31-。
17、底盖；32-U型加热管；33-底部加热管；34-上部卡箍；35-下部卡箍；36-小车；37-转动轴。具体实施方式0030 下面结合附图对本实用新型做进一步解释。0031 本实用新型所述的CO2置换开采天然气水合物试验模拟装置，包括反应釜29、恒温控制系统、注气注液系统、液体循环加热系统、回压控制系统、抽真空与气液分离系统、产气在线检测系统和数据采集系统。0032 所述恒温控制系统为恒温浴室26，恒温浴室26内温度控制为-20120，控制精度0.1。0033 所述反应釜29置于恒温浴室26内，反应釜29安装于小车上，反应釜39可绕转动轴37进行360转动，小车下安装滚轮，可沿固定轨道滑动。反应釜。
18、29可承受的最大压力为25MPa，高350mm，外径300mm。反应釜29底部安装固定单向渗透钢板28，单向渗透钢板28允许气体分子从下而上穿过，而水分子不能自上而下穿过。单向渗透钢板28与底盖31之间安装底部加热管33，反应釜顶盖30上设有1个注气注液口、1个产气口，底盖31上设有1个注气口、1个放空口和2个TDR探针孔，反应釜29侧壁上分层设有3个温度测量孔，反应釜29的顶盖30和反应釜29主体采用上部卡箍34固定，反应釜29主体和底盖31通过下部卡箍35固定。0034 所述注气注液系统，包括CH4气瓶1、CO2气瓶2、电子天平7、中间容器9；所述CH4气瓶1通过管道连通反应釜29的注气注。
19、液口，管道上设有增压泵4以及截止阀5、压力表6和压力传感器10；所述CO2气瓶2通过管道连通反应釜29的注气注液口和反应釜底盖31上的注气口，所述管道上安装有压力表6、压力传感器10和截止阀5；电子天平7与中间容器9通过管道连通，电子天平7与中间容器9之间的管道上设有平流泵8，中间容器9通向反应釜29注气注液口的管道上设有压力表6。0035 所述液体循环加热系统，包括预热水箱15、设置在反应釜29注气注液口处的U型加热管32，以及设置在单向渗透钢板28和底盖31之间的底部加热管33，所述U型加热管32两端分别通过管路连通预热水箱15，所述底部加热管33的两端分别通过管路连通预热水箱15，预热水。
20、箱15内设有温度控制器16和温度探头12，预热水箱15出口处设有水泵14。0036 回压控制系统，包括N2气瓶19和回压阀18，N2气瓶19通过管道连接至反应釜顶盖30上的产气口，连通N2气瓶19与产气口的管道上设有回压阀18，所述产气口处设有放空管道，放空管道上设有安全阀11和压力传感器10。0037 所述抽真空与气液分离系统，包括真空泵22以及气液分离器20，气液分离器20通过管道连通回压阀18，气液分离器20的底部设有出液管道及截止阀5，气液分离器20与真空泵22之间设有干燥筒21，干燥筒21与真空泵22之间的管道上设有压力表6。0038 所述的产气在线检测系统为气相色谱仪23，气相色谱。
21、仪23通过管道连接在干燥筒21与真空泵22之间。0039 所述的数据采集系统，包括相互连接的工控机25和数据采集器24，所述数据采集说 明 书CN 203931312 U4/4页7器24与模拟试验装置中的温度探头12、压力传感器10、TDR信号采集器17连接，所述的TDR信号采集器17连接TDR信号探针13，所述TDR信号探针13固定在反应釜底盖31的TDR探针孔内。0040 采用上述装置进行试验模拟的方法，具体包括以下步骤：0041 (1)反应釜29清理：采用去离子水清洗反应釜29内壁、顶盖30、底盖31和单向渗透钢板28。0042 (2)沉积物制备：均匀混合石英砂和纯水，制备饱和沉积物27。
22、，将饱和沉积物27均匀装于反应釜29内的单向渗透钢板28之上，饱和沉积物27的高度稍大于TDR信号探针13高度。0043 (3)TDR信号初始化：采用数据采集系统测量饱和沉积物27对应的初始TDR信号波形。0044 (4)连接管路并检漏：按照各个装置的连接方式连接试验装置，向试验系统内注入CH4至反应釜内气体压力0.3MPa并静置，确保试验装置无泄漏。0045 (5)抽真空：采用真空泵22抽真空，排除系统内的空气。0046 (6)制备含水合物沉积物：调节恒温浴室的温度为4.0并保持恒定，向反应釜29内注入CH4，至反应釜29内压力达到12.0MPa，合成水合物沉积物，采用数据采集系统测量TDR信号波形。0047 (7)驱替CH4气体：降低反应釜内温度为1.0，迅速放空反应釜中CH4，并从反应釜上部注入气态CO2进行冲洗，采用数据采集系统测量TDR波形。0048 (8)CO2置换开采:关闭出口阀门，向反应釜内注入气态CO2或液态CO2至气体压力达到3.0MPa,进行置换开采，采用数据采集系统实时监测。0049 (9)产气分析：每隔10小时采用气象色谱仪测量产气组分，当产气组分变化很小时放空反应釜内混合气体，水合物完全分解后，测量反应釜内混合器组分。说 明 书CN 203931312 U1/1页8图1图2图3说 明 书 附 图CN 203931312 U。