CN111175466A - 一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置及方法，所述装置包括可模拟地层围压条件下天然气水合物生成及保压转移反应釜，反应釜底部与第二双向液压缸连接，反应釜顶端设有与釜内径相同通径的保压球阀，保压球阀另一端与第一双向液压缸连接；第一双向液压缸和第二双向液压缸分别与液压站相连；反应釜固定在一个可180°上下旋转的支架上。本发明能够用于模拟生成地层围压条件下的天然气水合物，并实现天然气水合物的保压转移，以及实现天然气水合物的分解可视化，为天然气水合物的分解研究提供更真实、更全面以及更低成本的指导。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测量技术领域，具体涉及一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置及方法。
背景技术
2017年5月，我国南海神狐海域天然气水合物试采成功，天然气水合物开采进入新的篇章。我国南海海域和青藏高原有着丰富的天然气水合物资源，这将对我国未来能源发展提供强有力的保障。同年 11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。
然而含天然气水合物的沉积物储层较深，其结构及环境复杂，目前若要实现大规模开采利用仍存在一定问题。其主要在于天然气水合物的原位长时间持续分解释气技术目前仍无法实现。这就对天然气水合物分解机理的掌握提出了更高的要求。目前人们实验研究天然气水合物分解主要从微观和宏观入手。微观尺度上的研究并不能很好的反映天然气水合物宏观分解情况。宏观上要么仅监测温压变化，要么使用X射线计算机断层成像或者核磁共振技术来其分解情况。前者监测到的信息较少，不能很好地反映天然气水合物分解情况，后者投资较大，且对大小及天然气水合物生成条件(围压情况、压力大小)有一定限制。
发明内容
为了克服现有水合物分解机理研究手段存在的上述问题，本发明提供一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置及技术。该装置不仅可模拟地层围压原位生成天然气水合物，而且可以实现保压转移，对转移过程中的分解气体进行完全计量，最重要的是可以实现天然气水合物分解的可视化，且不需用到X射线计算机断层成像或者核磁共振等价格高昂的设备。能够为天然气水合物分解的研究提供更全面、更直观地认识。
本发明的另一目的是提供一种可模拟地层围压的天然气水合物生成及保压转移分解可视化的方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，包括天然气水合物生成及保压转移***、液压***、天然气水合物可视分解***和数据采集***，
所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***相连接，并在液压***的驱动下实现保压转移；
所述天然气水合物可视分解***与所述天然气水合物生成及保压转移***可拆卸连接；
所述数据采集***分别与所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***和所述天然气水合物可视分解***相连接，并实现***内数据参数的采集。
其中，所述天然气水合物生成及保压转移***包括反应釜、第一样品衬管、第二样品衬管和旋转支架；
所述液压***包括第一双向液压缸、第二双向液压缸和液压站，所述第一双向液压缸和第二双向液压缸均与液压站相连接，并在液压站的驱动下沿竖直方向往复运动；
所述反应釜与旋转支架相连接并在旋转支架带动下竖直翻转转动，所述第一样品衬管套接在第二样品衬管内，所述第二样品衬管套接在第二双向液压缸内；
所述反应釜上方设有保压球阀，所述保压球阀与第一双向液压缸可拆卸连接，所述反应釜的下部与第二双向液压缸可拆卸连接。
其中，所述天然气水合物可视分解***包括可视水合物分解釜，所述可视水合物分解釜与保压球阀可拆卸连接。
其中，所述数据采集***包括的温度传感器、压力传感器，气体流量计、液体流量计、数据采集器，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置在反应釜或者可视水合物分解釜内，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置通过数据采集器与远程终端相连接。
进一步，所述保压球阀的通径与反应釜的釜内径相同。
进一步，所述保压球阀通过快速连接件与第一双向液压缸可拆卸连接，所述反应釜通过快速连接件与第二双向液压缸可拆卸连接。
进一步，所述快速连接件为卡箍卡盘式连接件，用以实现可拆卸的密封连接。
进一步，所述反应釜和可视水合物分解釜上均设有进气口、出气口、进水口和出水口，所述进气口和出气口处连接有气体流量计，所述进水口和出水口处连接有液体流量计；所述数据采集***还包括录像机，所述录像机设置在可视水合物分解釜的前方与远程终端相连。
所述远程终端为计算机或者其他数据处理装置。
进一步，所述第一样品衬管、第二样品衬管和可视水合物分解釜均由亚克力或聚碳酸酯材料制成。
本发明还提供一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解可视化方法，包括以下步骤：
步骤1、在天然气水合物生成及保压转移***中模拟地层围压条件下的天然气水合物生成；
步骤2、样品转移：将天然气水合物生成及保压转移***中生成的天然气水合物转移至天然气水合物可视分解***中；
步骤3、在天然气水合物可视分解***中进行天然气水合物可视化分解，并通过数据采集***记录相关数据信息。
进一步，所述步骤1具体为：反应釜固定在旋转支架上，使保压球阀一端位于釜的上部，反应釜与第二双向液压缸通过快接接口连接，打开保压球阀，第二样品衬管和第一样品衬管依次内嵌在反应釜内，在第一样品衬管内加入用于模拟天然气水合物生长环境的多孔介质，然后连接第一双向液压缸，第一双向液压缸和第二双向液压缸分别连接液压站，通过进气口和进水口向反应釜内注水、注天然气并计量，一定温度、压力(水合物相平衡曲线以上)和时间(1-50小时)后，液压站驱动第一双向液压缸对釜内沉积物及水合物进行往复施压，直至水合物饱和度达到要求；
进一步，所述步骤2具体为：收回第一双向液压缸的液压杆，关闭保压球阀，拆卸下第一双向液压缸，连接可视水合物分解釜，打开反应釜放气阀门并对释放气体进行收集并计量，压力变成常压后打开保压球阀，液压站驱动第二双向液压缸将第一样品衬管及内部样品推出反应釜，过程中利用旋转支架使反应釜上下旋转180°，利用重力使样品进入可视水合物分解釜内；
进一步，所述步骤3具体为：打开可视水合物分解釜上的放气阀门并对释放气体进行收集、计量，根据需要调整可视水合物分解釜周围的环境温度(升温)或者向可视水合物分解釜内注入热溶液等对天然气水合物进行分解，过程中用摄像机录制天然气水合物分解全过程，同时记录温度、压力变化及气、水流量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、天然气水合物生成及保压转移反应釜设计压力为0～30MPa，设计温度为-20～200℃，能够满足模拟冻土层和海底含水合物沉积物层的温度和压力条件；
2、本装置配有双向液压缸，轴向压力可达30MPa，可模拟冻土层和海底含水合物沉积物层的围压，生成的天然气水合物样品更接近原位条件，且双向液压缸可双向移动，阶段施压，为高饱和度水合物快速生成提供条件；
3、天然气水合物生成及保压转移反应釜配有大通径球阀，可以在双向液压缸施压间隔关闭，使反应釜内压力稳定，解决了活塞易漏气的难题，且可以起到压力隔断作用，能够在水合物样品生成后卸下双向液压缸从而换上可视不耐压的水合物分解釜；
4、天然气水合物生成及保压转移反应釜内依次套有两个样品衬管，避免了多孔介质与釜壁接触且利于样品成型，解决了多孔介质进入活塞与釜壁缝隙磨损设备等问题，使样品更容易转移；
5、可视水合物分解釜能够提供天然气水合物分解过程中的可视观测途径，透过釜壁和内部样品衬管，可以很好地观察整个分解过程；
6、天然气水合物生成及保压转移反应釜顶部和底部连接口均为快接连接口，利于在实验过程中拆卸双向液压缸及安装可视水合物分解釜；
7、所述的装置既可实现模拟地层围压，又可在水合物生成后保压转移，对转移过程中的分解气体进行完全计量，最终实现原位分解可视化，且不需用到X射线计算机断层成像或者核磁共振等价格高昂的设备，对天然气水合物的分解情况掌握更多的信息(水合物在多孔介质中的成藏状态、水合物在多孔介质中的分解情况)。从而为天然气水合物分解机理提供更全面、更直观、更深入的研究指导。
附图说明
图1是本发明可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置结构示意图。
图2是本发明可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置运行过程图，其中(a)为模拟地层围压生成天然气水合物的过程， (b)为生成的天然气水合物样品保压转移过程，(c)为天然气水合物样品分解可视化过程。
图中各个部件如下：
1.第一双向液压缸、2.天然气水合物生成及保压转移反应釜、3. 第二双向液压缸、4.旋转支架、5和5’.液压站、6.第一样品衬管、7. 第二样品衬管、8.可视水合物分解釜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
如图1所示，本发明提供一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，包括天然气水合物生成及保压转移***、液压***、天然气水合物可视分解***和数据采集***，
所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***相连接，并在液压***的驱动下实现保压转移；
所述天然气水合物可视分解***与所述天然气水合物生成及保压转移***可拆卸连接；
所述数据采集***分别与所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***和所述天然气水合物可视分解***相连接，并实现***内数据参数的采集。
其中，所述天然气水合物生成及保压转移***包括反应釜2、第一样品衬管6、第二样品衬管7和旋转支架4；
所述液压***包括第一双向液压缸1、第二双向液压缸3和液压站5，所述第一双向液压缸1和第二双向液压缸3均与液压站5相连接，并在液压站的驱动下沿竖直方向往复运动；
所述反应釜2与旋转支架4相连接并在旋转支架4带动下竖直翻转转动，所述第一样品衬管6套接在第二样品衬管7内，所述第二样品衬管7套接在第二双向液压缸3内；
所述反应釜2上方设有保压球阀，所述保压球阀的通径与反应釜 2的釜内径相同，所述反应釜2的下部与第二双向液压缸3可拆卸连接，用于天然气水合物生成时，所述保压球阀与第一双向液压缸可拆卸连接；用于观察天然气水合物分解时，所述可视水合物分解釜8与保压球阀可拆卸连接。所述保压球阀通过快速连接件与第一双向液压缸可拆卸连接，所述反应釜2通过快速连接件与第二双向液压缸3可拆卸连接。
其中，所述数据采集***包括的温度传感器、压力传感器，气体流量计、液体流量计、数据采集器，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置在反应釜2或者可视水合物分解釜8内，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置通过数据采集器与远程终端相连接。
所述反应釜2和可视水合物分解釜8上均设有进气口、出气口、进水口和出水口，所述进气口和出气口处连接有气体流量计，所述进水口和出水口处连接有液体流量计；所述数据采集***还包括录像机，所述录像机设置在可视水合物分解釜8的前方与计算机相连，所述录像机用于录制可视水合物分解釜8内分解情况并传送至远程终端。
所述远程终端可以为计算机也可以为其他数据处理装置。
所述第一样品衬管6、第二样品衬管7和可视水合物分解釜8均由亚克力或聚碳酸酯材料制成。
其中，先将第一双向液压缸1、反应釜2和第二液压缸3一次连接，通过控制环境温度、进气压力、对多孔介质施压情况以及反应时间，控制生成不同饱和度的天然气水合物。待生成所需要的天然气水合物样品后，排气泄压，关闭保压球阀，卸下第一双向液压缸1，替换上亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8，打开保压球阀，驱动第二双向液压缸3，配合旋转支架4的旋转，将天然气水合物样品转移进亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8，进行进一步分解操作及观察实验。整个天然气水合物生成及分解期间，通过反应釜2和亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8内置有的温、压传感器测量温压变化；通过反应釜2和亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8外进出气、水接口置有的气、水流量计计量进出气、水量；置于亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8前的录像机录制釜内分解情况。
下面对其具体的实施步骤加以说明：
步骤1、模拟地层围压条件下的天然气水合物生成：反应釜2固定在旋转支架4上，使保压球阀一端位于釜的上部，反应釜2与第二双向液压缸3通过快接接口连接，打开保压球阀，第二亚克力或聚碳酸酯等材料样品衬管7和第一亚克力或聚碳酸酯等材料样品衬管6依次内嵌在反应釜2内，在第一亚克力或聚碳酸酯等材料样品衬管6内加入用于模拟天然气水合物生长环境的多孔介质，然后连接第一双向液压缸1，第一双向液压缸1和第二双向液压缸3分别连接液压站5 和5’，向反应釜2内注水、注天然气并计量，一定温度、压力水合物相平衡曲线以上和时间1-50小时后，液压站5驱动第一双向液压缸1 对釜内沉积物及水合物进行往复施压1-30MPa，非施压期间可通过闭合保压球阀保压，直至水合物饱和度达到要求；
步骤2、样品转移：收回第一双向液压缸1的液压杆，关闭保压球阀，拆卸下第一双向液压缸1，连接亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8，打开反应釜2放气阀门并对释放气体进行收集并计量，压力变成常压后打开保压球阀，液压站5’驱动第二双向液压缸3将第一亚克力或聚碳酸酯等材料样品衬管6及内部样品推出反应釜2，过程中利用旋转支架4使反应釜2上下旋转180°，利用重力使样品进入亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8内；
步骤3、天然气水合物可视化分解：打开亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8上的放气阀门并对释放气体进行收集、计量，根据需要调整亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8周围的环境温度升温或者向亚克力或聚碳酸酯等材料可视水合物分解釜8 内注入热溶液热水、热盐溶液、热天然气水合物抑制剂溶液等对天然气水合物进行分解，过程中用摄像机录制天然气水合物分解全过程，同时记录温度、压力变化及气、水流量。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，包括天然气水合物生成及保压转移***、液压***、天然气水合物可视分解***和数据采集***，
所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***相连接，并在液压***的驱动下实现保压转移；
所述天然气水合物可视分解***与所述天然气水合物生成及保压转移***可拆卸连接；
所述数据采集***分别与所述天然气水合物生成及保压转移***与液压***和所述天然气水合物可视分解***相连接，并实现***内数据参数的采集。
2.根据权利要求1所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，
所述天然气水合物生成及保压转移***包括反应釜(2)、第一样品衬管(6)、第二样品衬管(7)和旋转支架(4)；
所述液压***包括第一双向液压缸(1)、第二双向液压缸(3)和液压站(5)，所述第一双向液压缸(1)和第二双向液压缸(3)均与液压站(5)相连接，并在液压站的驱动下沿竖直方向往复运动；
所述反应釜(2)与旋转支架(4)相连接并在旋转支架(4)带动下竖直翻转转动，所述第一样品衬管(6)套接在第二样品衬管(7)内，所述第二样品衬管(7)套接在反应釜(2)内；所述反应釜(2)上方设有保压球阀，所述保压球阀与第一双向液压缸可拆卸连接，所述反应釜(2)的下部与第二双向液压缸(3)可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述天然气水合物可视分解***包括可视水合物分解釜(8)，所述可视水合物分解釜(8)与保压球阀可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述数据采集***包括的温度传感器、压力传感器，气体流量计、液体流量计、数据采集器，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置在反应釜(2)或者可视水合物分解釜(8)内，所述温度传感器、压力传感器，气体流量计和液体流量计设置通过数据采集器与远程终端相连接。
5.根据权利要求1所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述保压球阀的通径与反应釜(2)的釜内径相同。
6.根据权利要求1所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述保压球阀通过快速连接件与第一双向液压缸可拆卸连接，所述反应釜(2)通过快速连接件与第二双向液压缸(3)可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述反应釜(2)和可视水合物分解釜(8)上均设有进气口、出气口、进水口和出水口，所述进气口和出气口处连接有气体流量计，所述进水口和出水口处连接有液体流量计；所述数据采集***还包括录像机，所述录像机设置在可视水合物分解釜(8)的前方与计算机相连。
8.根据权利要求1所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解装置，其特征在于，所述第一样品衬管(6)、第二样品衬管(7)和可视水合物分解釜(8)均由亚克力或聚碳酸酯材料制成。
9.一种可围压生成天然气水合物及保压转移分解可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在天然气水合物生成及保压转移***中模拟地层围压条件下的天然气水合物生成；
步骤2、样品转移：将天然气水合物生成及保压转移***中生成的天然气水合物转移至天然气水合物可视分解***中；
步骤3、在天然气水合物可视分解***中进行天然气水合物可视化分解，并通过数据采集***记录相关数据信息。
10.根据权利要求9所述的可围压生成天然气水合物及保压转移分解可视化方法，其特征在于，
所述步骤1具体为：反应釜(2)固定在旋转支架(4)上，使保压球阀一端位于釜的上部，反应釜(2)与第二双向液压缸(3)通过快接接口连接，打开保压球阀，第二样品衬管(7)和第一样品衬管(6)依次内嵌在反应釜(2)内，在第一样品衬管(6)内加入用于模拟天然气水合物生长环境的多孔介质，然后连接第一双向液压缸(1)，第一双向液压缸(1)和第二双向液压缸(3)分别连接液压站(5)和(5’)，向反应釜(2)内注水、注天然气并计量，一定温度、压力(水合物相平衡曲线以上)和时间(1-50小时)后，液压站(5)驱动第一双向液压缸(1)对釜内沉积物及水合物进行往复施压，直至水合物饱和度达到要求；
所述步骤2具体包括：收回第一双向液压缸(1)的液压杆，关闭保压球阀，拆卸下第一双向液压缸(1)，连接可视水合物分解釜(8)，打开反应釜(2)放气阀门并对释放气体进行收集并计量，压力变成常压后打开保压球阀，液压站(5’)驱动第二双向液压缸(3)将第一样品衬管(6)及内部样品推出反应釜(2)，过程中利用旋转支架(4)使反应釜(2)上下旋转180°，利用重力使样品进入可视水合物分解釜(8)内；
所述步骤3具体为：打开可视水合物分解釜(8)上的放气阀门并对释放气体进行收集、计量，根据需要调整可视水合物分解釜(8)周围的环境温度(升温)或者向可视水合物分解釜(8)内注入热溶液等对天然气水合物进行分解，过程中用摄像机录制天然气水合物分解全过程，同时记录温度、压力变化及气、水流量。
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