天然气水合物一维开采模拟实验装置.pdf

本发明公开了一种天然气水合物一维开采模拟实验装置，模拟实验管置于温控箱内，模拟实验管内为密封的模拟腔，该模拟实验管的前端通过控制阀与天然气供给单元、工作液供给单元连接相通，后端通过控制阀与后处理单元连接相通，模拟实验管、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。本实用新型可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方式进行优化和综合评价。

1、  一种天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：模拟实验管(1)置于温控箱(2)内，模拟实验管(1)内为密封的模拟腔(3)，该模拟实验管(1)的前端通过控制阀与天然气供给单元、工作液供给单元连接相通，后端通过控制阀与后处理单元连接相通，模拟实验管(1)、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。

2、  如权利要求1所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述模拟实验管(1)为透明管。

3、  如权利要求1所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述模拟实验管(1)为圆筒状，在该圆筒状模拟实验管(1)上沿轴向方向设置有至少两个温度传感器(16)、压力计量器，所述感应元件包括该温度传感器(16)、压力计量器。

4、  如权利要求3所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述压力计量器压力传感器(17)、差压传感器(18)。

5、  如权利要求3所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述模拟实验管(1)轴向设置有至少两个取压测温装置(5)，所述至少两个温度传感器(16)、压力计量器分别设于各取压测温装置(5)上。

6、  如权利要求5所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：在所述模拟实验管(1)两个轴端各设有一个端盖(24)将所述模拟实验管(1)密封，两个端盖(24)之间通过拉杆(5)连接。

7、  如权利要求1至5中任一项所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐(6)、液压泵(7)、中间容器(9)、预热罐(8)，工作液供给单元的输出口与所述模拟实验管(1)相通，所述感应元件包括设于工作液储存罐(6)、中间容器(9)或预热罐(8)下方的天平(19)。

8、  如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述天然气供给单元包括依次连通的天然气源(10)、减压阀(12)、气体流量计(11)，所述感应元件包括该气体流量计(11)。

9、  如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述后处理单元包括回压阀(13)、气液分离器(14)以及与该气液分离器(14)连接的气体流量计(11)、储液罐(15)，所述感应元件包括该气体流量计(11)、设于储液罐(15)下方的天平(19)。

10、  如权利要求1至4中任一项所述天然气水合物一维开采模拟实验装置，其特征在于：所述数据处理单元包括电脑(23)，在电脑(23)内设有数据采集模块、数据处理模块。

天然气水合物一维开采模拟实验装置
技术领域
本发明涉及一种实验设备，尤其涉及一种天然气水合物一维开采模拟实验装置。
背景技术
天然气水合物是指天然气与水在一定温度和压力下生成的一种笼状晶体物质，其遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”，早期天然气水合物的研究主要是为了解决油、气生产和运输过程中管道、设备的堵塞问题，主要是抑制水合物的生成。随着人们对水合物研究的不断深入，水合物的特性及对环境的影响越来越为人类认识，更重要的是其作为一种有效的替代能源的价值也益显突出。
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。也就是说，水合物在开采过程中发生相变。目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何将蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然后再将天然气采至地面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。现有的开采方法大体上可分为以下三类：
(一)热力开采法，此方法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入天然气水合物储层，或采用火驱法、电极原位加热等诸多方法促使储层温度上升而达到水合物分解得目的；
(二)化学剂开采法，此方法主要是利用某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等来改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，以达到分解的目的；
(三)降压开采法，通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而促使天然气水合物分解，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法。
降压开采法与热力开采法、化学剂开采法相结合的开采，可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一，目前，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，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。
由于各地的地质条件和天然气水合物的成分不同，形成机制各异，所以通过模拟实验进行研究，直接指导勘查开发，但现有的实验设备相对比较简单，难以满足目前海洋天然气水合物的研究需要，同时完全为海洋天然气水合物勘探开发服务的专业模拟实验室还是不多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气水合物一维开采模拟实验装置，该模拟实验装置可以综合研究各种开采机理、开采动态、并对各种开采方式进行优化和综合评价。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种天然气水合物一维开采模拟实验装置，模拟实验管置于温控箱内，模拟实验管内为密封的模拟腔，该模拟实验管的前端通过控制阀与天然气供给单元、工作液供给单元连接相通，后端通过控制阀与后处理单元连接相通，模拟实验管、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。
本发明中，工作液供给单元用于向模拟实验管内输入水，天然气供给单元用于向模拟实验管内输入天然气，并可控制输入的工作液、天然气的压力，温控箱用于控制模拟实验管内的温度，后处理单元将模拟开采之后的天然气、水等向外输出，各感应元件感应向模拟实验管内输入的天然气量、输入的水量、模拟开采输出的天然气量、开采之后产生的水量，以及感应模拟实验管内的温度及压力，并由数据处理单元进行处理分析，可根据各感应元件的输入信号输出时间-压力曲线、时间-温度曲线、压力-开采量曲线等等，以对各数据进行综合评价，为实际的开采提供指导；
本发明的进一步改进是：
所述模拟实验管为透明管。透明管可方便实验者观察模拟实验管内的水合物的状态，也可以加设摄像头，将摄像头所拍摄的情况输入电脑或用于实验者远距离观察。
所述模拟实验管为圆筒状，在该圆筒状模拟实验管上沿轴向方向设置有至少两个温度传感器、压力计量器，所述感应元件包括该温度传感器、压力计量器。纵向设置的至少两个温度传感器、压力计量器可测量模拟实验管内纵向的的温度、压力等参数。其中，所述压力计量器为压力传感器、差压传感器。
所述模拟实验管轴向设置有至少两个取压测温装置，所述至少两个温度传感器、压力计量器分别设于各取压测温装置上。安装时，将至少两个取压测温装置装于模拟实验管上，其上的压力传感器、温度传感器用于测量模拟实验管内的温度、压力值。
在所述模拟实验管两个轴端各设有一个端盖将所述模拟实验管密封，两个端盖之间通过拉杆连接(在端盖上也可设有温度传感器、压力计量器)。两个端盖使模拟实验管内形成密封空间，在模拟实验管内为高压的情况下，拉杆可保证两个取压测温装置不至于脱落。
所述工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐、液压泵、中间容器、预热罐，工作液供给单元的输出口与所述模拟实验管相通，所述感应元件包括设于工作液储存罐、中间容器或预热罐下方的天平。中间容器是在当实验过程需要加入助剂时，避免助剂对液压泵的损坏而使用的一种间接容器，在水合物注热开采实验中，需将预热罐加热到实验所需温度，工作液流经预热罐充分换热后进入模拟实验管中。
所述天然气供给单元包括依次连通的天然气源、减压阀、气体流量计，所述感应元件包括该气体流量计。
所述后处理单元包括回压阀、气液分离器以及与该气液分离器连接的气体流量计、储液罐，所述感应元件包括该气体流量计、设于储液罐下方的天平。后处理单元主要指出口回压控制与产出计量，回压阀用于控制回压压力，气液分离器将其中的气、液分离之后，由气体流量计测出模拟开采的天然气量，天平用于测量所产出的水量，该后处理单元还可包括储液瓶、回压气瓶。
所述数据处理单元包括电脑，在电脑内设有数据采集模块、数据处理模块。数据采集模块用于采集各感应元件所感应的温度、压力、开采量等参数，数据处理模块可为数据处理软件或其它结构，数据处理模块将各感应元件的感应信号进行处理，以取得时间-温度、时间-压力、温度-开采量等曲线，用于对开采的情况进行分析，以指导实际的生产需要。
附图说明
图1是本发明所述实验装置的示意图；
附图标记说明：
1、模拟实验管，2、温控箱，3、模拟控，4、取压测温装置，5、拉杆，6、工作液储存罐，7、液压泵，8、预热罐，9、中间容器，10、天然气源，11、气体流量计，12、减压阀，13、回压阀，14、气液分离器，15、储液罐，16、温度传感器，17、压力传感器，18、差压传感器，19、天平，20、截止阀，21、放空阀，22、单向阀，23、电脑，24、端盖。
具体实施方式
请参见图1，一种天然气水合物一维开采模拟实验装置，模拟实验管1置于温控箱2内，模拟实验管1内为密封的模拟腔3，该模拟实验管1的前端通过控制阀与天然气供给单元、工作液供给单元连接相通，后端通过控制阀与后处理单元连接相通，模拟实验管1、天然气供给单元、工作液供给单元、后处理单元内均设有感应元件，各感应元件均与数据处理单元电连接。
其中，模拟实验管1为圆筒状透明管，模拟实验管1轴向设置有四个取压测温装置5，各取压测温装置5上均设有温度传感器16、压力计量器(压力计量器压力传感器17、差压传感器18)；在模拟实验管1两个轴端各设有一个端盖24将模拟实验管1密封，两个端盖24之间通过拉杆5连接。工作液供给单元包括依次连通的工作液储存罐6、液压泵7、中间容器9、预热罐8，工作液供给单元的输出口与模拟实验管1相通，感应元件包括设于工作液储存罐6、中间容器9或预热罐8下方的天平19；天然气供给单元包括依次连通的天然气源10、减压阀12、气体流量计11，感应元件包括该气体流量计11；后处理单元包括回压阀13、气液分离器14以及与该气液分离器14连接的气体流量计11、储液罐15，感应元件包括该气体流量计11、设于储液罐15下方的天平19；数据处理单元包括电脑23，在电脑23内设有数据采集模块、数据处理模块。
本发明天然气水合物一维开采模拟实验装置的运转情况如下所述：
一、模拟实验管1多孔介质中天然气水合物合成流程：
1、模拟实验管1中充填砂，如砂粒直径可分布在300μm-450μm范围内；拧紧拉杆5，上紧两端的取压测温装置4，密封的同时起到压实沙粒的作用；
2、把模拟实验管1放置到温控箱2内接入实验流程，连好管线和温度传感器16、压力传感器17；
3、试压确保系统未漏，在中间容器9内先注满盐水，利用液压泵7打蒸馏水，间接将盐水通过入口打入模拟实验管1，打出口作为水、气出口井，注入3-5倍于模拟实验管1体积的水溶液，保证管内水溶液饱和并均匀分布；
4、关出口阀门，关闭减压阀12、放空阀21，打开天然气源10阀门，打开截止阀20，将流量控制器设置到阀控状态，缓慢打开减压阀12，在保证气体流量计11不超量程的情况下逐步充入天然气，直到使系统压力升高到高于合成水合物所需压力(在2℃左右，压力升高到7-10MPa)；
5、关闭入口控制阀、天然气源10阀门。缓慢打开放空阀21放空，放空完毕后关闭减压阀12、截止阀20和放空阀21；
6、系统稳定足够长的时间，使天然气和水溶液在整个模拟实验管1中均匀分布；
设置温控箱2的平衡温度为2℃，模拟实验管1开始降温直到达到设定值；
7、经过足够长的反应时间，当系统压力不再变化时，水合物合成完毕。
整个实验过程中，精确测量并记录系统各温度、压力相应测量参数的变化，检测水合物的合成过程。
二、拟实验管多孔介质中天然气水合物降压分解流程：
1、用水合物合成实验得到的水合物进行实验；
2、系统保持恒温，入口封闭，出口以一定速度恒速降压(缓慢降压，防止发生节流现象)进行生产，出口连续计量产气量和产水量，同时全程精确测定各点压力和温度分布，如图3所示。
3、改变降压速度，重复以上实验过程，研究影响降压开采效果的主要因素，可评价出最优的降压开采技术方案。
三、模拟实验管多孔介质中天然气水合物注热分解流程：
1、利用水合物合成实验得到的水合物进行实验；
2、设定系统初始压力为出口系统回压，由于驱替所需压差很小，实验过程中，通过系统回压可控制系统出口压力，实验缓慢进行，可以近似整个系统处于等压状态，从而尽可能排除压力因素干扰，单独考虑温度因素；
3、入口以一定速度恒速注入恒温热水进行生产，出口连续计量产气量和产水量，同时全程精确测定平板各点压力及温度分布，见图4；
4、改变热水温度、注水速度，重复以上实验过程，研究影响热力开采效果的主要因素，可评价出最优的热力开采技术方案。
除此外，本发明多孔介质中天然气水合物一维开采模拟实验装置也可进行热力+降压开采、注化学剂开采等开采方式的实验研究，并与热力开采、降压开采结果进行对比，综合评价各种开采方案。