專利名稱：一種天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)，尤其涉及一種天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)
驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是在一定條件(合適的壓力、溫度、氣體飽和度、水的鹽度和PH值 等)下由水和天然氣組成的類冰的籠形結(jié)晶化合物，其遇火即可燃燒，俗稱“可燃冰”，在自 然界中存在的水合物絕大部分是甲烷水合物。一般說(shuō)來(lái)，從水合物分解得到的甲烷是水合 物體積的160多倍，其以固態(tài)形式存在的天然氣總量是地球上煤、石油等化石燃料的2倍， 所以天然氣水合物成了 21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略資源。此外，甲烷含碳量少于煤或石油，甲烷 產(chǎn)生的二氧化碳僅僅是煤的一半，是一種比較清潔的能源。運(yùn)用能量平衡條件等計(jì)算表明，在假設(shè)無(wú)能量損失的情況下，從水合物氣體中獲 得的能量是分解水合物能量的15. 5倍，因此開(kāi)采天然氣水合物具有一定的商業(yè)價(jià)值，是各 發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，但是由于天然氣水合物的開(kāi)采面臨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行 性問(wèn)題，天然氣水合物的開(kāi)發(fā)技術(shù)目前主要處于實(shí)驗(yàn)研究階段。天然氣水合物開(kāi)采的思路基本上是首先將蘊(yùn)藏于沉積物中的天然氣水合物進(jìn)行 分解，然后加以利用。當(dāng)前提出的方法主要有以下三類(1)熱力開(kāi)采法，主要是將蒸汽、熱 水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入天然氣水合物儲(chǔ)層，或采用火驅(qū)法、利用地?zé)岬戎T多方 法促使儲(chǔ)層溫度上升而達(dá)到水合物分解的目的；(2)化學(xué)劑開(kāi)采法，主要是利用一些化學(xué) 劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等來(lái)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(dá)到分解的目的；(3)降壓開(kāi)采法，主要是通過(guò)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(dòng)，從而促使天然氣水合物分解。目前，研究天然氣水合物有效、快速、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采方法，為大規(guī)模開(kāi)采天然氣水合 物提供理論依據(jù)，是緩解與日俱增的能源壓力的有效途徑

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案本發(fā)明天然氣水合物地質(zhì)分層 模擬實(shí)驗(yàn)裝置是一套天然氣水合物三維模型，為耐壓范圍為5 40MPa，耐溫范圍為-30 3000C，耐腐蝕(如醇類和鹽類等腐蝕性溶液)，內(nèi)腔容積為50 500L的球形或圓柱形或方 形不銹鋼反應(yīng)釜。三維模型內(nèi)為密封的模擬腔，三維模型由筒體、上法蘭和下法蘭組成，筒 體、上法蘭和下法蘭之間的密封腔形成封閉的模擬腔。上法蘭和筒體以及下法蘭和筒體之 間分別使用若干螺栓接連固定。在模擬腔內(nèi)部，包括有從上到下依次分布的上蓋層、水合物層、游離氣或水層和下
蓋層ο所述上蓋層和下蓋層均由低滲透的巖石組成，水合物層和游離氣或水層均含有沉
3積物；所述水合物層與游離氣或水層之間由半滲透隔板層分隔，水合物層和游離氣或水層 間氣體和水等流體流動(dòng)均通過(guò)半滲透隔板層。所述半滲透隔板層包括只滲透水不滲透氣體和只滲透氣體不滲透水兩種耐腐蝕 的半滲透隔板層，其耐壓范圍為5 40MPa，耐溫范圍為-30 300°C ；所述半滲透隔板層由 1 20個(gè)半滲透隔板組成，每個(gè)半滲透隔板的表面積為0. 01 0. lm2。所述半滲透隔板層上、下表面分別為水平表面或中間高、兩邊低的弧狀表面，該弧 狀表面有利于必要時(shí)將半滲透隔板層上方聚集的液體流向四周，使中心區(qū)域具有更理想的 透氣效果。所述半滲透隔板層中每一個(gè)半滲透隔板都鑲嵌于圓柱形或方形不銹鋼平板內(nèi)并 可拆卸、替換，通過(guò)不銹鋼平板水平固定在模擬腔內(nèi)部，不銹鋼平板緊貼模擬腔內(nèi)壁密封， 并且可拆卸。上法蘭和下法蘭中部分別開(kāi)有上端氣液口和下端氣液口。固定于上法蘭的上端氣 液口延伸到上蓋層和水合物層的交界面附近，便于直接向水合物層注入溶液。固定于下法 蘭的下端氣液口延伸到游離氣或水層和下蓋層的交界面附近，便于直接向游離氣或水層注 入溶液。所述不銹鋼反應(yīng)釜為球形或圓柱形或方形。本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于將天然氣水合物三維模型內(nèi)部介質(zhì)進(jìn)行分層，形成 上蓋層、水合物層、游離氣或水層和下蓋層從上到下依次分布天然氣水合物地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)， 并利用只滲透水不滲透氣體和只滲透氣體不滲透水兩種半滲透隔板層將水合物層和游離 氣或水層進(jìn)行分隔，以模擬實(shí)際海底或者凍土帶地層內(nèi)天然氣水合物藏地質(zhì)分層情況。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際海底或者凍土帶 地層內(nèi)天然氣水合物藏地質(zhì)分層情況的模擬，通常實(shí)際天然氣水合物藏主要包括以下幾種 主要分類類型1-上蓋層、水合物層、水合物層下部游離氣層以及下蓋層；類型2-上蓋層、 水合物層、水合物層下部含水層以及下蓋層；類型3-上蓋層、水合物層以及下蓋層等。在實(shí) 驗(yàn)室內(nèi)模擬自然界實(shí)際水合物藏地質(zhì)分層情況，需要在三維模型內(nèi)部生成天然氣水合物， 采用不同的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)模擬相應(yīng)類型的水合物藏。本裝置所采用的半滲透隔板層具有耐高 壓、耐腐蝕和耐高溫等特點(diǎn)，在高壓三維模型內(nèi)的模擬腔內(nèi)可自由拆卸，組裝，具體數(shù)量和 尺寸等可靈活選擇，針對(duì)不同類型的天然氣水合物藏地質(zhì)分層情況可以方便地采用相應(yīng)特 點(diǎn)的半滲透隔板層。


圖1為是本發(fā)明裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置頂部俯視圖；圖3是半滲透隔板層俯視圖；附圖標(biāo)記說(shuō)明1-三維模型，2-模擬腔，3-筒體，4-上法蘭，5-下法蘭，6_螺栓， 7_上端氣液口，8-下端氣液口，9-上蓋層，10-水合物層，11-游離氣或水層，12-下蓋層， 13-半滲透隔板層，14-半滲透隔板，15-不銹鋼平板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一形成類型1的天然氣水合物藏地質(zhì)分層模型請(qǐng)參閱圖1到圖2所示，類型1的天然氣水合物藏的特點(diǎn)是地層中從上到下主要 分為上蓋層9、水合物層10、水合物層10下部游離氣層以及下蓋層12，上蓋層9和下蓋層12 均由低滲透的巖石組成，水合物層10和游離氣或水層11均含有沉積物。在三維模型1內(nèi) 的模擬腔2中，將半滲透隔板層13置于水合物層10和水合物層11下部游離氣層之間，采 用只滲透氣體不滲透水的半滲透隔板層13，半滲透隔板層13上、下表面分別為水平表面或 中間高、兩邊低的弧狀表面。在天然氣水合物合成前，首先，通過(guò)上端氣液口 7向三維模型1 的模擬腔2內(nèi)注入適量的溶液，由于固定于上法蘭4的上端氣液口 7延伸到上蓋層9和水合 物層10的交界面附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到水合物層10當(dāng)中。另外，由于 采用的只滲透氣體不滲透水的半滲透隔板層13，保證溶液僅存在于水合物層10，而未向下 滲入下部游離氣層。其次，通過(guò)下端氣液口 8向游離氣層注入一定量的天然氣到一定的壓 力，使氣體通過(guò)半滲透隔板層13的滲透充滿整個(gè)模擬腔2。最后，降低三維模型1的溫度進(jìn) 行天然氣水合物的合成。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，三維模型1內(nèi)的地質(zhì)分層情況如下上蓋 層9和下蓋層12均由低滲透的巖石組成，水合物層10形成沉積物中的天然氣、水和水合物 三相，游離氣層只含有沉積物和天然氣，由此形成類型1的天然氣水合物藏地質(zhì)分層模型。請(qǐng)參閱圖3所示，半滲透隔板層13為只滲透水不滲透氣體和只滲透氣體不滲透水 的兩種耐腐蝕的半滲透隔板層13，其耐壓范圍為5 40MPa，耐溫范圍為-30 300°C;半滲 透隔板層13由1 20個(gè)半滲透隔板14組成，每個(gè)半滲透隔板14表面積為0. 01 0. Im2。 半滲透隔板層13中每一個(gè)半滲透隔板14都鑲嵌于圓柱形或方形不銹鋼平板15內(nèi)并可拆 卸、替換，通過(guò)不銹鋼平板15水平固定在模擬腔內(nèi)部，不銹鋼平板15緊貼模擬腔內(nèi)壁密封， 并且可拆卸。實(shí)施例二 形成類型2的天然氣水合物藏地質(zhì)分層模型類型2的天然氣水合物藏的特點(diǎn)是地層中從上到下主要分為上蓋層9、水合物層 10、水合物層10下部含水層以及下蓋層12，上蓋層9和下蓋層12均由低滲透的巖石組成， 水合物層10和游離氣或水層11均含有沉積物。在三維模型1內(nèi)的模擬腔2中，將半滲透 隔板層13置于水合物層10和水合物層10下部含水層之間，采用只滲透水不滲透氣體的半 滲透隔板層13。在天然氣水合物合成前，首先，通過(guò)上端氣液口 7向三維模型1的模擬腔2 內(nèi)注入適量的溶液，由于固定于上法蘭4的上端氣液口延伸到上蓋層和水合物層的交界面 附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到水合物層10當(dāng)中。另外，由于采用的只滲透水 不滲透氣體的半滲透隔板層13，溶液通過(guò)半滲透隔板層13向下滲入下部含水層。其次，再 通過(guò)上端氣液口 7向三維模型1的模擬腔2內(nèi)注入一定量的天然氣到一定的壓力，在只滲 透水不滲透氣體的半滲透隔板層13的作用下，天然氣主要存在于水合物層10，而無(wú)法滲透 到下部含水層。最后，降低三維模型1的溫度進(jìn)行天然氣水合物的合成。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的反 應(yīng)時(shí)間，三維模型內(nèi)的地質(zhì)分層情況如下上蓋層9和下蓋層12均由低滲透的巖石組成，水 合物層形成沉積物中的天然氣、水和水合物三相，水合物層下部含水層只含有沉積物和水，
5由此形成類型2的天然氣水合物藏地質(zhì)分層模型。本實(shí)施例其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，在此不再詳述。實(shí)施例三 形成類型3的天然氣水合物藏地質(zhì)分層模型。類型3的天然氣水合物藏的特點(diǎn)是地層中從上到下主要分為上蓋層9、水合物層 10以及下蓋層12，上蓋層9和下蓋層12均由低滲透的巖石組成，水合物層含有沉積物。在 三維模型1內(nèi)的模擬腔2中，不采用半滲透隔板層13。在天然氣水合物合成前，首先，通過(guò) 上端氣液口 7向三維模型1的模擬腔2內(nèi)注入適量的溶液，由于固定于上法蘭4的上端氣 液口 7延伸到上蓋層9和水合物層10的交界面附近，故所注入的溶液在重力作用下流入到 水合物層10當(dāng)中。其次，通過(guò)下端氣液口 8向游離氣層注入一定量的天然氣到一定的壓 力，使氣體充滿整個(gè)模擬腔2。最后，降低三維模型1的溫度進(jìn)行天然氣水合物的合成。經(jīng) 過(guò)足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，三維模型1內(nèi)的地質(zhì)分層情況如下上蓋層9和下蓋層12均由低滲 透的巖石組成，水合物層10形成沉積物中的天然氣、水和水合物三相，由此形成類型3的天 然氣水合物藏地質(zhì)分層模型。本實(shí)施例其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，在此不再詳述。上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā) 明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
一種天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括有三維模型(1)，該三維模型為耐壓范圍在5～40Mpa、內(nèi)腔容積50～500L的不銹鋼反應(yīng)釜；所述三維模型(1)包括筒體(3)、分別置于筒體(3)上下的上法蘭(4)和下法蘭(5)，所述筒體(3)、上法蘭(4)和下法蘭(5)之間的密封腔形成封閉的模擬腔(2)；上法蘭(4)和筒體(3)以及下法蘭(5)和筒體(3)之間分別通過(guò)多個(gè)螺栓(6)接連固定。
2.如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于在模擬腔 (2)內(nèi)部，包括有從上到下依次分布的上蓋層(9)、水合物層(10)、游離氣或水層(11)和下 蓋層(12)。
3.如權(quán)利要求2所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述上蓋 層(9)和下蓋層(12)均由低滲透的巖石組成，水合物層(10)和游離氣或水層(11)均含有 沉積物；所述水合物層(10)與游離氣或水層(11)之間由半滲透隔板層(13)分隔。
4.如權(quán)利要求3所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述半滲 透隔板層(13)為只滲透水不滲透氣體和只滲透氣體不滲透水的兩種耐腐蝕的半滲透隔板 層(13)，其耐壓范圍為5 40MPa，耐溫范圍為-30 300°C ；所述半滲透隔板層(13)由 1 20個(gè)半滲透隔板(14)組成，每個(gè)半滲透隔板(14)表面積為0. 01 0. lm2。
5.如權(quán)利要求3所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述半滲 透隔板層(13)上、下表面分別為水平表面或中間高、兩邊低的弧狀表面。
6.如權(quán)利要求3所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于在所述上 法蘭(4)和下法蘭(5)中部分別開(kāi)有上端氣液口(7)和下端氣液口(8)。
7.如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述不銹 鋼反應(yīng)釜為球形或圓柱形或方形。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種天然氣水合物地質(zhì)分層模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括有三維模型，該三維模型為耐壓范圍在5～40MPa、內(nèi)腔容積50～500L的不銹鋼反應(yīng)釜；所述三維模型包括筒體、分別置于筒體上下的上法蘭和下法蘭，所述筒體、上法蘭和下法蘭之間的密封腔形成封閉的模擬腔；上法蘭和筒體以及下法蘭和筒體之間分別通過(guò)多個(gè)螺栓接連固定。本裝置所采用的半滲透隔板層具有耐高壓、耐腐蝕和耐高溫等特點(diǎn)，在高壓三維模型內(nèi)的模擬腔內(nèi)可自由拆卸，組裝，具體數(shù)量和尺寸等可靈活選擇，針對(duì)不同類型的天然氣水合物藏地質(zhì)分層情況可以方便地采用相應(yīng)特點(diǎn)的半滲透隔板層。
文檔編號(hào)E21B49/00GK101963057SQ201010292560
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者張郁, 李剛, 李小森, 陳朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所