CN114278274B - 一种天然气水合物开采模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于天然气开采模拟设备技术领域，尤其涉及一种天然气水合物开采模拟装置和方法，所述装置包括：注气单元、温控单元、反应单元、出口控制单元和数据处理单元，所述注气单元与反应单元连通，反应单元设置在温控单元内，温控单元用于控制反应单元的反应条件，出口控制单元与反应单元连接，数据处理单元与注气单元、温控单元、反应单元和出口控制单元连接，用于数据采集和数据处理。本发明在真实地模拟天然气水合物储层特点下，能进行一维大尺度的开采天然气水合物实验，可对降压、N2吹洗、置换等方法进行开采评价，能对多种开采方法对特定水合物地层的开采的效率、经济性进行考察，为天然气水合物的商业开采提供可靠方案和技术指导。

Description

一种天然气水合物开采模拟装置和方法

技术领域

本发明属于天然气开采模拟设备技术领域，尤其涉及一种天然气水合物开采模拟装置和方法。

背景技术

目前来说，天然气水合物开采方法主要包括降压法、注热法、注入化学抑制剂法、置换法等，且都应用于野外的试开采。其中降压、注热和注入化学抑制剂法是人为的打破天然气水合物存在的温压平衡条件，使天然气水合物发生分解，然后将天然气采至地面；置换法是通过二氧化碳将天然气水合物中的天然气置换出来，得到二氧化碳水合物与天然气，实现天然气的开采。

针对各种水合物开采方法需要有一定的模拟实验装置来评价其对特定水合物藏开采效果的好坏，为野外开采和商业化开采提供理论和技术上的支持。

目前，国内天然气水合物开采实验装置多为横向、一维、小尺度三维实验装置，水合物开采实验时只能反映局部、短距离的水合物开采情况，无法考察随着开采半径增大开采效率、效果等变化的情况，从而制约了对大尺度下野外开采水合物的有效、经济、安全方法的选择。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种天然气水合物开采模拟装置，旨在解决背景技术第三部分中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种天然气水合物开采模拟装置，所述装置包括：注气单元、温控单元、反应单元、出口控制单元和数据处理单元，所述注气单元与反应单元连通，用于向反应单元输送反应气体，并控制注入气体的流量和压力，反应单元设置在温控单元内，温控单元用于控制反应单元的反应条件，反应单元用于模拟水合物地层环境，出口控制单元与反应单元连接，用于控制模拟开采的气体、水的输出压力，并可对开采出的气体进行收集，数据处理单元与注气单元、温控单元、反应单元和出口控制单元连接，用于数据采集和数据处理。

优选的，所述注气单元包括CH4气瓶、第一减压阀、CO2气瓶、第二减压阀、N2气瓶、第三减压阀、第一截止阀、恒压恒流泵、第二截止阀、第三截止阀、第一活塞罐、第二活塞罐、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀以及主管道，CH4气瓶、CO2气瓶和N2气瓶分别通过第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀与主管道连通，恒压恒流泵分别通过第二截止阀和第三截止阀连接有第一活塞罐和第二活塞罐，第一活塞罐和第二活塞罐分别通过第五截止阀和第四截止阀与主管道连接，主管道上还设置有第一截止阀和第六截止阀，第一截止阀和第六截止阀分别位于第五截止阀和第四截止阀与主管道连接连接处的两侧，且第一截止阀位于靠近CH4气瓶的一侧，主管道与反应单元连接；反应单元为一维反应釜，一维反应釜与主管道连接，温控单元为低温水浴设备，一维反应釜设置在低温水浴设备内。

优选的，所述一维反应釜包括首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜，中段反应釜至少包括一段，首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜之间通过球阀连接，首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜上均设置有注气口、温压监控件和出气口。

优选的，首段反应釜的一端与主管道连接，且所有注气口均与注气单元连接，尾段反应釜远离中段反应釜的一端与出口控制单元连接。

优选的，一维反应釜的耐压范围为0 -35Mpa。

优选的，出口控制单元包括第七截止阀、气液分离器、干燥器、背压阀、质量流量计、第八截止阀、第九截止阀和储气罐，第七截止阀、气液分离器、干燥器、背压阀、质量流量计、第九截止阀和储气罐依次串联连接，气液分离器与反应单元连接。

本发明实施例的另一目的在于提供一种天然气水合物开采模拟方法，所述方法包括：

水合物合成前准备：将混有一定量蒸馏水的模拟介质一维反应釜中，通过球阀连接各段反应釜并安装检测设备；连接实验装置的管路，关闭每段反应釜间的球阀，并对每段反应釜进行N2测压和作抽真空处理；

合成水合物：将一维反应釜放入低温水浴中，保持球阀关闭，并向每段反应釜注入相同压力的CH4气体，进行定容合成，根据单段反应釜在水合物合成前后温压变化计算水合物合成量；

水合物模拟开采：打开每段反应釜间的球阀，使一维反应釜压力稳定，之后进行降压开采试验、N2气吹洗开采试验和置换开采实验；

开采效果评价：在开采实验结束后，关闭每段反应釜间的球阀，之后针对各种开采方法进行开采效果评价。

优选的，所述水合物模拟开采的步骤，具体包括：

降压开采实验：调整出口控制单元压力，设置实验压力进行降压开采；

N2气体吹洗开采：调整出口控制单元的压力至地层压力，通过注气单元向一维反应釜定压或定流量注入氮气，并在开采过程中定时对各个单段反应釜进行取气；

置换开采实验：调整出口控制单元的压力，通过注气单元向一维反应釜定压或定流量注入液态CO2、气态CO2或CO2-N2混合气体，并在开采过程中定时通过单段反应釜进行取气。

优选的，所述开采效果评价的步骤，具体包括：

降压开采：开采实验结束后，升高水浴温度，将每段反应釜内水合物进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，通过开采过程中温度压力变化，得知降压开采半径和水合物层渗透情况的变化，通过出口控制单元记录得知产气速率变化，通过上述参数对降压开采效果进行评价；

N2气体吹洗开采：开采实验结束后，将一维反应釜快速冷却，排空每段反应釜内的气体，进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对N2吹洗开采的影响，通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况和水合物分解剧烈程度的变化，通过出口控制单元中流量和出口气体组分变化得知N2气体吹洗开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对N2气体吹洗开采效果进行评价。

置换开采：置换开采实验结束后，将一维反应釜快速冷却，排空每段反应釜内气体，进行升温分解，通过分解后通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量；对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对置换开采的影响；通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况的变化；通过出口控制单元中的流量和出口气体组分变化得知置换开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对置换开采效果进行评价。

本发明提供了一种天然气水合物开采模拟装置，可在真实地模拟天然气水合物储层特点下，能进行一维大尺度的开采天然气水合物实验，可对降压、N2吹洗、置换等方法进行开采评价，能对多种开采方法对特定水合物地层的开采的效率、经济性进行考察，为天然气水合物的商业开采提供可靠方案和技术指导。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种天然气水合物开采模拟装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一维反应釜的结构示意图。

附图中：1、CH4气瓶；2、第一减压阀；3、CO2气瓶；4、第二减压阀；5、N2气瓶；6、第三减压阀；7、第一截止阀；8、恒压恒流泵；9、第二截止阀；10、第三截止阀；11、第一活塞罐；12、第二活塞罐；13、第四截止阀；14、第五截止阀；15、第六截止阀；16、第七截止阀；17、低温水浴设备；18、一维反应釜；19、第七截止阀；20、气液分离器；21、干燥器；22、背压阀；23、质量流量计；24、第八截止阀；25、第九截止阀；26、储气罐；27、数据转化模块；28、气相色谱分析设备；29、数据处理设备；30、注气口；31、温压监控件；32、出气口；33、球阀；34、首段反应釜；35、中段反应釜；36、尾段反应釜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种天然气水合物开采模拟装置结构示意图，所述装置包括：注气单元、温控单元、反应单元、出口控制单元和数据处理单元，所述注气单元与反应单元连通，用于向反应单元输送反应气体，并控制注入气体的流量和压力，反应单元设置在温控单元内，温控单元用于控制反应单元的反应条件，反应单元用于模拟水合物地层环境，出口控制单元与反应单元连接，用于控制模拟开采的气体、水的输出压力，并可对开采出的气体进行收集，数据处理单元与注气单元、温控单元、反应单元和出口控制单元连接，用于数据采集和数据处理。

作为本发明的一个优选实施例，所述注气单元包括CH4气瓶1、第一减压阀2、CO2气瓶3、第二减压阀4、N2气瓶5、第三减压阀6、第一截止阀7、恒压恒流泵8、第二截止阀9、第三截止阀10、第一活塞罐11、第二活塞罐12、第四截止阀13、第五截止阀14、第六截止阀15、第七截止阀16以及主管道，CH4气瓶1、CO2气瓶3和N2气瓶5分别通过第一减压阀2、第二减压阀4和第三减压阀6与主管道连通，恒压恒流泵8分别通过第二截止阀9和第三截止阀10连接有第一活塞罐11和第二活塞罐12，第一活塞罐11和第二活塞罐12分别通过第五截止阀14和第四截止阀13与主管道连接，主管道上还设置有第一截止阀7和第六截止阀15，第一截止阀7和第六截止阀15分别位于第五截止阀14和第四截止阀13与主管道连接连接处的两侧，且第一截止阀7位于靠近CH4气瓶1的一侧，主管道与反应单元连接；反应单元为一维反应釜18，一维反应釜18与主管道连接，温控单元为低温水浴设备17，一维反应釜18设置在低温水浴设备17内。

在本实施例中，注气单元用于向一维管状长反应釜输入用于合成的天然气和用于开采的N2、CO2、CO2+N2等气体，并可控制注入气体的流量和压力；温控单元用于控制一维管状长反应釜的环境温度，提供水合物合成的低温环境；反应釜为一维管状长反应容器，分10段，可用于模拟水合物地层环境，可考察开采效果随开采半径变化的规律；出口控制单元用于控制模拟开采的气体、水的输出压力，并可对开采出的气体进行收集；数据处理单元用于采集和处理实验装置的温度、压力和流量等数据，也能对开采过程中采集气样组分进行测量和处理。

在本实施例中，在水合物合成时，开启CH4气瓶1，设置第一减压阀2至适当压力，打开第一截止阀7和第六截止阀15，向每段管状反应釜注入甲烷气体至实验压力；N2吹洗开采时，开启N2气瓶5，设置第三减压阀6至适当压力，打开第一截止阀7和第六截止阀15，向一维管状长反应釜注入适当压力的氮气；置换开采时，开启CO2气瓶3和N2气瓶5，设置第二减压阀4和第三减压阀6至适当压力，打开第四截止阀13和第五截止阀14，向第一活塞罐11和第二活塞罐12进行注气，配置混合气体，待气体混合均匀后，开启第二截止阀9和关闭第五截止阀14，用恒压恒流泵向第一活塞罐11注入流体进行向一维管状长反应釜18注气。活塞罐11和12可循环进行排出混合气和配置混合气，实现恒压或恒流注入气体。

如图2所示，作为本发明的一个优选实施例，所述一维反应釜18包括首段反应釜34、中段反应釜35和尾段反应釜36，中段反应釜35至少包括一段，首段反应釜34、中段反应釜35和尾段反应釜36之间通过球阀33连接，首段反应釜34、中段反应釜35和尾段反应釜36上均设置有注气口30、温压监控件31和出气口32。

如图2所示，作为本发明的一个优选实施例，首段反应釜34的一端与主管道连接，且所有注气口30均与注气单元连接，尾段反应釜36远离中段反应釜35的一端与出口控制单元连接。

在本实施例中，反应单元为一维反应釜18，一维反应釜18一端与注气单元连接，另一端与出口控制单元连接，总长5m，分为10段，段与段之间采用不锈钢球阀连接。每段管状反应釜长50cm，且侧面有3个孔，分别为注气口30、安装温压监控件31、出气口32，出气口32可以为排气口或采气口，其中每段管状反应釜的注气口30也与注气单元连接。

在本实施例中，温控单元为低温水浴设备17，低温水浴设备17为水合物反应提供温度条件，在水合物合成和开采时提供恒温低温环境，在开采效果分析时提供较低温或高温环境。

如图1所示，作为本发明的一个优选实施例，出口控制单元包括第七截止阀19、气液分离器20、干燥器21、背压阀22、质量流量计23、第八截止阀24、第九截止阀25和储气罐26，第七截止阀19、气液分离器20、干燥器21、背压阀22、质量流量计23、第九截止阀25和储气罐26依次串联连接，气液分离器20与反应单元连接。

在本实施例中，进行水合物开采时、打开第七截止阀19和第九截止阀25、调整背压阀22至合适压力、进行开采实验；在N2吹洗开采和置换开采时、每隔一段时间打开第八截止阀24进行采取气样。

在本实施例中，数据处理单元包括：数据转化模块27，气相色谱分析设备28，数据处理设备29，数据处理设备29可以为电脑。在实验过程中，一维反应釜18上的温压信号、恒压恒流泵8注入压力和流量信号和质量流量计23的流量通过数据转化模块27转换成数据处理设备29识别信号，进行数据记录；从一维反应釜18、注气单元出口等处采集的气样经气相色谱分析设备28检测后，气样气相组分结果记录于数据处理设备29上。

在本发明的一个实施例中还提供了一种天然气水合物开采模拟方法，所述方法包括：

水合物合成前准备：将混有一定量蒸馏水的模拟介质一维反应釜18中，通过球阀33连接各段反应釜并安装检测设备；连接实验装置的管路，关闭每段反应釜间的球阀33，并对每段反应釜进行N2测压和作抽真空处理；

合成水合物：将一维反应釜18放入低温水浴中，保持球阀33关闭，并向每段反应釜注入相同压力的CH4气体，进行定容合成，根据单段反应釜在水合物合成前后温压变化计算水合物合成量；

水合物模拟开采：打开每段反应釜间的球阀，使一维反应釜18压力稳定，之后进行降压开采试验、N2气吹洗开采试验和置换开采实验。

所述水合物模拟开采的步骤，具体包括：

降压开采实验：调整出口控制单元压力，设置实验压力进行降压开采；

N2气体吹洗开采：调整出口控制单元的压力至地层压力，通过注气单元向一维反应釜18定压或定流量注入氮气，并在开采过程中定时对各个单段反应釜进行取气；

置换开采实验：调整出口控制单元的压力，通过注气单元向一维反应釜定压或定流量注入液态CO2、气态CO2或CO2-N2混合气体，并在开采过程中定时通过单段反应釜进行取气。

开采效果评价：在开采实验结束后，关闭每段反应釜间的球阀33，之后针对各种开采方法进行开采效果评价。

所述开采效果评价的步骤，具体包括：

降压开采：开采实验结束后，升高水浴温度，将每段反应釜内水合物进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，通过开采过程中温度压力变化，得知降压开采半径和水合物层渗透情况的变化，通过出口控制单元记录得知产气速率变化，通过上述参数对降压开采效果进行评价；

N2气体吹洗开采：开采实验结束后，将一维反应釜18快速冷却，排空每段反应釜内的气体，进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对N2吹洗开采的影响，通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况和水合物分解剧烈程度的变化，通过出口控制单元中流量和出口气体组分变化得知N2气体吹洗开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对N2气体吹洗开采效果进行评价。

置换开采：置换开采实验结束后，将一维反应釜18快速冷却，排空每段反应釜内气体，进行升温分解，通过分解后通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量；对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对置换开采的影响；通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况的变化；通过出口控制单元中的流量和出口气体组分变化得知置换开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对置换开采效果进行评价，所述单段反应釜为首段反应釜34、中段反应釜35和尾段反应釜36中的一种。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，所述装置包括：注气单元、温控单元、反应单元、出口控制单元和数据处理单元，所述注气单元与反应单元连通，用于向反应单元输送反应气体，并控制注入气体的流量和压力，反应单元设置在温控单元内，温控单元用于控制反应单元的反应条件，反应单元用于模拟水合物地层环境，出口控制单元与反应单元连接，用于控制模拟开采的气体、水的输出压力，并能够对开采出的气体进行收集，数据处理单元与注气单元、温控单元、反应单元和出口控制单元连接，用于数据采集和数据处理；所述注气单元包括CH₄气瓶、第一减压阀、CO₂气瓶、第二减压阀、N₂气瓶、第三减压阀、第一截止阀、恒压恒流泵、第二截止阀、第三截止阀、第一活塞罐、第二活塞罐、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀以及主管道，CH₄气瓶、CO₂气瓶和N₂气瓶分别通过第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀与主管道连通，恒压恒流泵分别通过第二截止阀和第三截止阀连接有第一活塞罐和第二活塞罐，第一活塞罐和第二活塞罐分别通过第五截止阀和第四截止阀与主管道连接，主管道上还设置有第一截止阀和第六截止阀，第一截止阀和第六截止阀分别位于第五截止阀和第四截止阀与主管道连接处的两侧，且第一截止阀位于靠近CH₄气瓶的一侧，主管道与反应单元连接；反应单元为一维反应釜，一维反应釜与主管道连接，温控单元为低温水浴设备，一维反应釜设置在低温水浴设备内；所述一维反应釜包括首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜，中段反应釜至少包括一段，首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜之间通过球阀连接，首段反应釜、中段反应釜和尾段反应釜上均设置有注气口、温压监控件和出气口。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，首段反应釜的一端与主管道连接，且所有注气口均与注气单元连接，尾段反应釜远离中段反应釜的一端与出口控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，一维反应釜的耐压范围为0 -35Mpa。

4.根据权利要求1所述的天然气水合物开采模拟装置，其特征在于，出口控制单元包括第七截止阀、气液分离器、干燥器、背压阀、质量流量计、第八截止阀、第九截止阀和储气罐，第七截止阀、气液分离器、干燥器、背压阀、质量流量计、第九截止阀和储气罐依次串联连接，气液分离器与反应单元连接。

5.一种天然气水合物开采模拟方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一所述的天然气水合物开采模拟装置进行模拟，所述方法包括：

水合物合成前准备：将混有一定量蒸馏水的模拟介质一维反应釜中，通过球阀连接各段反应釜并安装检测设备；连接实验装置的管路，关闭每段反应釜间的球阀，并对每段反应釜进行N₂测压和作抽真空处理；

合成水合物：将一维反应釜放入低温水浴中，保持球阀关闭，并向每段反应釜注入相同压力的CH₄气体，进行定容合成，根据单段反应釜在水合物合成前后温压变化计算水合物合成量；

水合物模拟开采：打开每段反应釜间的球阀，使一维反应釜压力稳定，之后进行降压开采试验、N₂气吹洗开采试验和置换开采实验；

开采效果评价：在开采实验结束后，关闭每段反应釜间的球阀，之后针对各种开采方法进行开采效果评价。

6.根据权利要求5所述的天然气水合物开采模拟方法，其特征在于，所述水合物模拟开采的步骤，具体包括：

降压开采实验：调整出口控制单元压力，设置实验压力进行降压开采；

N₂气体吹洗开采：调整出口控制单元的压力至地层压力，通过注气单元向一维反应釜定压或定流量注入氮气，并在开采过程中定时对各个单段反应釜进行取气；

置换开采实验：调整出口控制单元的压力，通过注气单元向一维反应釜定压或定流量注入液态CO₂、气态CO₂或CO₂-N₂混合气体，并在开采过程中定时通过单段反应釜进行取气。

7.根据权利要求5所述的天然气水合物开采模拟方法，其特征在于，所述开采效果评价的步骤，具体包括：

降压开采：开采实验结束后，升高水浴温度，将每段反应釜内水合物进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，通过开采过程中温度压力变化，得知降压开采半径和水合物层渗透情况的变化，通过出口控制单元记录得知产气速率变化，通过上述参数对降压开采效果进行评价；

N₂气体吹洗开采：开采实验结束后，将一维反应釜快速冷却，排空每段反应釜内的气体，进行升温分解，通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量，对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对N₂吹洗开采的影响，通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况和水合物分解剧烈程度的变化，通过出口控制单元中流量和出口气体组分变化得知N₂气体吹洗开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对N₂气体吹洗开采效果进行评价；

置换开采：置换开采实验结束后，将一维反应釜快速冷却，排空每段反应釜内气体，进行升温分解，通过分解后通过分解前后每段反应釜的温压情况计算剩余水合物量；对开采过程中每段反应釜取出气样进行气相色谱测定，通过其气相组分变化得知开采半径增加对置换开采的影响；通过开采过程中压力温度的变化，得知地层渗透情况的变化；通过出口控制单元中的流量和出口气体组分变化得知置换开采的整体效果和效率变化，通过上述参数对置换开采效果进行评价。

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