專利名稱：一種天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬實驗裝置，尤其涉及一種天然氣水合物三維生成開采物性檢 測實驗裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(以下簡稱水合物)是指天然氣與水在一定溫度和壓力下生成的一 種籠狀晶體物質(zhì)，其遇火即可燃燒，俗稱“可燃冰”。早期對天然氣水合物的研究主要針對抑 制水合物的生成，是為了解決油、氣生產(chǎn)和運輸過程中管道、設(shè)備的堵塞問題。隨著人們對 天然氣水合物研究的不斷深入，天然氣水合物的特性及對環(huán)境的影響越來越為人類認識， 其作為一種有效的替代能源的價值也益顯突出。天然氣水合物可以以多種方式存在于自然界中，天然氣水合物在洋底埋藏時呈固 體，在開采過程中分子構(gòu)造發(fā)生變化，從固體變?yōu)闅怏w，也就是說，水合物在開采過程中發(fā) 生相變?；谔烊粴馑衔锏奶攸c，它與常規(guī)傳統(tǒng)型能源的開發(fā)方式不同。目前大多數(shù)有 關(guān)天然氣水合物的開發(fā)思路基本上都是首先考慮如何將蘊藏在沉積物中的天然氣水合物 進行分解，然后再將分解得到的天然氣開采至地面。一般來說，人為地打破天然氣水合物穩(wěn) 定存在的溫度壓力條件，造成其分解，是目前開發(fā)天然氣水合物中甲烷資源量的主要方法。開采過程中伴隨產(chǎn)生的水合物藏自身內(nèi)部變化，主要有如下三方面(一 )溫度場，由于生成分解水合物的能量消耗不同及水合物內(nèi)存在不同情況導 熱的溫度場，所以溫度場變化及其復雜，多種數(shù)學模型尚不能完全成功描述。( 二)壓力場，壓力和溫度是水合物開采最為重要的兩個參數(shù)，由于礦藏內(nèi)部的水 合物分解變成甲烷氣和水，對壓力產(chǎn)生直觀影響，水合物藏內(nèi)的壓力變化直接影響到水合 物開采的順利程度。(三)水合物飽和度的變化，飽和度就是水合物占水合物藏空隙中的體積比例，飽 和度的研究直接關(guān)系到水合物藏的可開采性?，F(xiàn)有的開采方法大體上可分為以下三類熱力開采法，該方法主要是將蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入天然氣 水合物儲層，或采用火驅(qū)法、電極原位加熱等諸多方法促使儲層溫度上升而達到水合物分 解的目的?；瘜W劑開采法，該方法主要是利用某些化學劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙 三醇等來改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定溫度，以達到使其分解的目的。降壓開采法，該方法主要是通過降低壓力而引起天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線 的移動，從而促使天然氣水合物分解，開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種 有效方法。由于各地的地質(zhì)條件和天然氣水合物的成分不同，形成機制各異，所以需要通過 模擬實驗進行研究，通過實際開采對模型進行驗證同時可以進一步對水合物開采的機理進 行深入分析。但是，現(xiàn)有的設(shè)備大多為一維層面，三維模擬開采設(shè)備體積巨大，不便于操作，也難以實現(xiàn)水合物開采時水合物層物性變化的精確測量。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于完善和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在于提供一種體積小、易操作、精確測量開采時物性變化 的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，包括三維反應(yīng)釜，設(shè)有密封的模擬腔，用于模擬天然氣水合物的生成及開采；物性檢測單元，通過檢測三維反應(yīng)釜內(nèi)的各種物性對三維反應(yīng)釜內(nèi)的情況進行監(jiān) 控；數(shù)據(jù)處理單元，對物性檢測單元的信號進行采集和處理；進口控制單元，用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水和天然氣，并控制輸入的天然氣的壓 力；出口控制單元，用于控制模擬開采之后的天然氣、水等的輸出壓力；溫度控制單元，用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述三維反應(yīng)釜為耐壓范 圍為0 40MPa、內(nèi)腔容積為5 500L的正方體不銹鋼反應(yīng)釜，內(nèi)腔三維空間長度均大于 150mmo所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述三維反應(yīng)釜包括筒 體、上法蘭、下法蘭，所述筒體、上法蘭、下法蘭之間的密封腔形成模擬腔，所述筒體、上法 蘭、下法蘭三者靠近所述模擬腔一側(cè)設(shè)有隔熱板，以減少模擬腔與外界的熱交換，提高模擬 腔的恒溫效果。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述物性檢測單元設(shè)于三 維反應(yīng)釜之上，并采用以下測量點陣排布把所述模擬腔的正方體空間劃分為3 個大 小完全相等、并與模擬腔正方體相似平行的小正方體空間，每個正方體空間的頂點在模擬 腔內(nèi)形成(a-l)*(a-l)*(a-l)的測量點陣，其中，a為大于3的正整數(shù)，用于測量的傳感器 或探頭置于測量點陣上。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述a為6。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述物性檢測單元具有溫 度測量、飽和度測量、壓力測量、差壓測量及超聲波測量的功能。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述超聲波測量是將超聲 波探頭分別置于模擬腔垂直方向和水平方向各一個，其中，兩相對探頭中間無阻礙，并且垂 直超聲波探頭和水平超聲波探頭分別獨占一列測量點陣。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述飽和度測量是利用電 極來實現(xiàn)，每一根電極包括正負極探頭，每一根電極的正負極距離相同。所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，所述電極的正負極距離為 Icm0采用上述方案，本發(fā)明提供的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置可以綜合研究各種水合物生成和開采時水合物藏內(nèi)部的基礎(chǔ)物性變化，其具有如下優(yōu)點1、本實驗裝置中的三維反應(yīng)釜體積較小，裝卸方便。2、通過本實驗裝置可準確的得到生成及開采的物性變化數(shù)據(jù)；3、由于反應(yīng)釜體積小，試驗周期較短。4、在實驗時，三維反應(yīng)釜可同時檢測各種水合物生成開采方案的數(shù)據(jù)；5、本發(fā)明所述實驗裝置可以真實的模擬水合物物性，對開采和生成的數(shù)學模型進 行驗證。


圖1是本發(fā)明所述實驗裝置的系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明所述實驗裝置中三維反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明所述實驗裝置中三維反應(yīng)釜的俯視圖。附圖標記說明1-三維反應(yīng)釜；2-筒體；3-模擬腔；4-隔熱板；5-上法蘭；6_下法 蘭；7-恒溫水??；8-超聲波探頭；9-測量點陣。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較佳實施例作進一步詳細說明。請參見圖1-圖3，本發(fā)明的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置(見圖 1)，包括A 三維反應(yīng)釜、B 物性檢測單元、C 進口控制單元、D 溫度控制單元、E 出口控制 單元、F 數(shù)據(jù)處理單元，共六個單元。A三維反應(yīng)釜1 三維反應(yīng)釜1置于恒溫水浴7中，三維反應(yīng)釜1內(nèi)為密封的模擬 腔3，。釜內(nèi)填充制備完成的多孔介質(zhì)，作為水合物生成的空間，模擬海底高壓環(huán)境，物性檢 測單元B、進口控制單元C、溫度控制單元D和出口控制單元E分別均通過控制閥和管道連 接至三維反應(yīng)釜1。B物性檢測單元利用各種測量手段的組合對三維反應(yīng)釜1內(nèi)的情況進行詳細監(jiān) 控?？梢詸z測三維反應(yīng)釜1內(nèi)的溫度、壓力、差壓以及電阻，并由數(shù)據(jù)處理單元進行處理分 析，可根據(jù)各感應(yīng)元件的輸入信號輸出溫度場三維云圖，壓力場三維云圖和電阻三維云圖， 時間-溫度曲線、時間-壓力曲線、時間-差壓曲線、時間-電阻曲線、壓力-開采量曲線等 等，以對各數(shù)據(jù)進行綜合評價。C進口控制單元進口控制單元用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水，天然氣，并可控制輸 入的天然氣的壓力。D溫度控制單元溫度控制單元用于控制三維反應(yīng)釜1的環(huán)境溫度。E出口控制單元出口控制單元用于控制模擬開采之后的天然氣、水等的輸出壓 力。F數(shù)據(jù)處理單元用于感應(yīng)信號的采集和處理。記錄各感應(yīng)元件所感應(yīng)的壓力、差 壓、溫度、電阻開采量等參數(shù)。通過各種軟件將各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號進行處理，以取得溫 度場三維云圖，壓力場三維云圖和電阻三維云圖，時間-壓力、時間-差壓、時間-溫度、時 間-開采量等曲線，用于對生成開采的物性情況進行分析。物性檢測單元、進口控制單元、 出口控制單元、溫度控制單元內(nèi)各感應(yīng)元件均通過信號線與數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理單元連接。
所述三維反應(yīng)釜A優(yōu)選為耐壓范圍為0 40MPa，內(nèi)腔容積為5 500L的正方體 不銹鋼反應(yīng)釜；內(nèi)腔容積優(yōu)選6士0. 5L，內(nèi)腔三維空間長度均大于150mm。如圖2、圖3所示，置于恒溫水浴7中的三維反應(yīng)釜1包括筒體2、上法蘭5、下法 蘭6，所述上法蘭5與筒體2、下法蘭6與筒體2之間分別使用若干螺栓固定密封；筒體2、 上法蘭5、下法蘭6之間的密封腔形成模擬腔3。所述筒體2、上法蘭5、下法蘭6三者靠近 所述模擬腔3的一側(cè)設(shè)有隔熱板4，以減少模擬腔3與外界的熱交換，提高模擬腔3的恒溫 效果。所述模擬腔3分別通過管道和控制閥與進口控制單元C和出口控制單元E相連。所述物性檢測單元B置于三維反應(yīng)釜1之上，主要為如圖中所示的測量點陣9，其 中設(shè)有多組溫度傳感器，多組電極，多組壓力傳感器及壓差傳感器，兩組超聲波探頭，用于 溫度測量，飽和度測量，壓力測量，差壓測量及超聲波測量。為準確測量出溫度場，飽和度場，繪制云圖，采用特定探頭排布。例如，可以把 所述模擬腔3的正方體空間劃分為3 (a為大于3的正整數(shù))個大小完全相等，并與 模擬腔3正方體相似平行的小正方體空間，每個正方體空間的頂點在模擬腔3內(nèi)形成 (a-l)*(a-l)*(a-l)的測量點陣，為保證測量點密度合適，a優(yōu)選6，即形成5*5*5的點陣。各種測量方式的安裝方式如下如圖2、圖3中所示，所述超聲波測量優(yōu)選將超聲波探頭8分別置于模擬腔3垂直 方向和水平方向各一個，用于探測水合物生成速度和分布情況。要求超聲波探頭8兩相對 探頭中間無阻礙，并且垂直超聲波探頭和水平超聲波探頭分別獨占測量點陣9中的一列。所述溫度測量選用熱電偶溫度傳感器直接測量，在所述三維反應(yīng)釜1的上法蘭5 上開孔后垂直插入熱電偶溫度傳感器并密封。溫度傳感器布置于所述測量點陣9上。所述測量飽和度利用電極，每一根電極包括正負極探頭，令每一根電極的正負極 距離相同，優(yōu)選1cm，令電極的探頭放置在所述測量點陣9上。所述壓力測量和差壓測量分別由測量點陣9連接至壓力傳感器和差壓傳感器。本發(fā)明模擬實驗裝置的使用方法如下實驗開始時，往模擬腔3內(nèi)填充多孔介質(zhì)，之后關(guān)閉三維反應(yīng)釜1，連接管線，調(diào)節(jié) 溫度控制單元D至試驗溫度8°C，通過進口控制單元C向反應(yīng)釜注入一定量的純水，并注入 一定量甲烷使得釜內(nèi)壓力達到要求值(20MI^左右)。關(guān)釜等待水合物生成。此時打開物性測量單元B，通過數(shù)據(jù)處理單元F記錄各感應(yīng)元件所感應(yīng)的壓力、差 壓、溫度、電阻開采量等參數(shù)。通過各種軟件將各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號進行處理，以取得溫 度場三維云圖，壓力場三維云圖和電阻三維云圖，時間-壓力、時間-差壓、時間-溫度，用 于對生成的物性情況進行分析。當水合物生成完畢時開始模擬開采，使用注熱或降壓的方法進行開采，由出口控 制單元E計量并控制出口產(chǎn)氣。此時物性測量單元B繼續(xù)工作，通過數(shù)據(jù)處理單元F記錄各 感應(yīng)元件所感應(yīng)的壓力、差壓、溫度、電阻開采量等參數(shù)。通過各種軟件將各感應(yīng)元件的感 應(yīng)信號進行處理，以取得溫度場三維云圖，壓力場三維云圖和電阻三維云圖，時間-壓力、 時間-差壓、時間-溫度、時間-開采量等曲線，用于對開采的物性情況進行分析。應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在于，包括三維反應(yīng)釜，設(shè)有密封的模擬腔，用于模擬天然氣水合物的生成及開采；物性檢測單元，通過檢測三維反應(yīng)釜內(nèi)的各種物性對三維反應(yīng)釜內(nèi)的情況進行監(jiān)控；數(shù)據(jù)處理單元，對物性檢測單元的信號進行采集和處理；進口控制單元，用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水和天然氣，并控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元，用于控制模擬開采之后的天然氣、水的輸出壓力；溫度控制單元，用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述三維反應(yīng)釜為耐壓范圍為0 40MPa、內(nèi)腔容積為5 500L的正方體不銹鋼反應(yīng) 釜，內(nèi)腔三維空間長度均大于150mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述三維反應(yīng)釜包括筒體、上法蘭、下法蘭，所述筒體、上法蘭、下法蘭之間的密封腔形 成模擬腔，所述筒體、上法蘭、下法蘭三者靠近所述模擬腔一側(cè)設(shè)有隔熱板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述物性檢測單元設(shè)于三維反應(yīng)釜之上，并采用以下測量點陣排布把所述模擬腔的正 方體空間劃分為個大小完全相等、并與模擬腔正方體相似平行的小正方體空間，每 個正方體空間的頂點在模擬腔內(nèi)形成(a-l)*(a-l)*(a-l)的測量點陣，其中，a為大于3的 正整數(shù)，用于測量的傳感器或探頭置于測量點陣上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述a為6。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征 在于，所述物性檢測單元具有溫度測量、飽和度測量、壓力測量、差壓測量及超聲波測量的 功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述超聲波測量是將超聲波探頭分別置于模擬腔垂直方向和水平方向各一個，其中，兩 相對探頭中間無阻礙，并且垂直超聲波探頭和水平超聲波探頭分別獨占一列測量點陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述飽和度測量是利用電極來實現(xiàn)，每一根電極包括正負極探頭，每一根電極的正負極 距離相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，其特征在 于，所述電極的正負極距離為1cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣水合物三維生成開采物性檢測實驗裝置，包括三維反應(yīng)釜，設(shè)有密封的模擬腔，用于模擬天然氣水合物的生成及開采；物性檢測單元，通過檢測三維反應(yīng)釜內(nèi)的各種物性對三維反應(yīng)釜內(nèi)的情況進行監(jiān)控；數(shù)據(jù)處理單元，對物性檢測單元的信號進行采集和處理；進口控制單元，用于向三維反應(yīng)釜內(nèi)輸入水和天然氣，并控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元，用于控制模擬開采之后的天然氣、水等的輸出壓力；溫度控制單元，用于控制三維反應(yīng)釜的環(huán)境溫度。采用上述方案，本發(fā)明的裝置體積小、易操作、可以精確測量開采時物性變化，能用于綜合研究各種水合物生成和開采時水合物藏內(nèi)部的基礎(chǔ)物性變化。
文檔編號G01N1/28GK102109513SQ20101060325
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者吳慧杰, 張郁, 李剛, 李小森, 楊波, 王屹, 陳朝陽, 黃寧生 申請人:中國科學院廣州能源研究所