一種研究天然氣水合物分解過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變化的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多孔介質(zhì)中多相滲流和天然氣水合物開(kāi)采領(lǐng)域，特別涉及一種研究天然氣水合物分解過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變化的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物(Natural gas hydrate, NGH)是一種在低溫高壓下由天然氣和水生成的一種籠形結(jié)晶化合物，其外形如冰雪狀，遇火既燃，俗稱“可燃冰”。自然界的天然氣水合物中的天然氣成分主要是甲烷(>90% )，在常溫常壓下lm3的天然氣水合物分解釋放約160m3天然氣，所以天然氣水合物具有極高的能量密度。自然界中的天然氣水合物主要存在于海洋大陸架的沉積物層和陸地凍土帶。1964年，科學(xué)家在西伯利亞凍土帶首次發(fā)現(xiàn)了自然存在的天然氣水合物。不久之后，在黑海發(fā)現(xiàn)了賦存于海底沉積物中的天然氣水合物。到上世紀(jì)90年代，業(yè)內(nèi)學(xué)者一致認(rèn)為，全球天然氣水合物所儲(chǔ)藏的能量超過(guò)所有石油、煤及天然氣所儲(chǔ)藏能量的總和。在過(guò)去的20年中，全球范圍展開(kāi)包括深海鉆探計(jì)劃(DSDP)、大洋鉆探計(jì)劃(ODP)和綜合大洋鉆探計(jì)劃(1DP)對(duì)天然氣水合物的礦藏資源進(jìn)行調(diào)研。目前全球水合物總量的估計(jì)約1015?1018標(biāo)準(zhǔn)立方米，所以，天然氣水合物(NGH)被認(rèn)為是21世紀(jì)石油天然氣最具潛力的替代能源。資源調(diào)查顯示，我國(guó)南海、東海陸坡一沖繩海、青藏高原凍土帶都蘊(yùn)藏著NGH。因此，研究出天然氣水合物有效、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實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和依據(jù)，是緩解與日倶增的能源壓力的有效途徑。
[0003]所以天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。與常規(guī)化石能源不同，天然氣水合物以固體形態(tài)存在于多孔介質(zhì)中。它開(kāi)采的基本思路是:通過(guò)改變天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫-壓環(huán)境，即水合物相平衡條件，造成固體水合物在儲(chǔ)層原位分解成天然氣和水后再將天然氣采出。據(jù)此，科學(xué)家提出了幾種常規(guī)開(kāi)采技術(shù)，如:降壓法、熱激法以及化學(xué)試劑法。由于水合物礦藏地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，賦存形式多樣，并且開(kāi)采過(guò)程包含了復(fù)雜的天然氣-水-沉積物-水合物-冰組成的多相體系的相變過(guò)程及多相滲流過(guò)程，水合物開(kāi)采過(guò)程中伴隨水合物分解的多孔介質(zhì)骨架變化是目前水合物開(kāi)采中所遇到的最大問(wèn)題之一。由于固態(tài)賦存的天然氣水合物變?yōu)榱鲃?dòng)的水和氣，原先的水合物礦藏地質(zhì)特性會(huì)發(fā)生巨大變化，例如滲透率、孔隙度、力學(xué)性質(zhì)和孔隙壓力都發(fā)生強(qiáng)烈變化。從而導(dǎo)致多孔介質(zhì)骨架變形，引起氣固液三相混合流動(dòng)場(chǎng)，最終可能導(dǎo)致地層變形。所以研究天然氣水合物分解過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變化對(duì)于水合物開(kāi)采技術(shù)是否能夠順利完成以及水合物開(kāi)采技術(shù)的安全性有著重要的作用。
[0004]目前世界上較為先進(jìn)的水合物開(kāi)采研究，主要的研究重點(diǎn)在不同的開(kāi)采方法對(duì)水合物相變分解的效果，以及水合物分解過(guò)程中熱量的消耗傳遞。但是對(duì)于真實(shí)條件下，水合物分解過(guò)程的復(fù)雜相變滲流機(jī)理的認(rèn)識(shí)還處于模糊的狀態(tài)。目前的主要水合物開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中幾乎全部忽略水合物分解對(duì)水合物藏多孔介質(zhì)骨架變化的影響，在以往的模擬實(shí)驗(yàn)中利用大顆粒組成多孔介質(zhì)(粒徑>100um)，令水合物分解過(guò)程中的多孔介質(zhì)骨架無(wú)法變化。但實(shí)際水合物礦藏中的多孔介質(zhì)粒徑是由0.0lum的微顆粒至500um的大顆粒共同組成的，并且在水合物開(kāi)采過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變形是不可避免的。目前水合物開(kāi)采技術(shù)的其中一個(gè)難點(diǎn)就是對(duì)含多孔介質(zhì)骨架變化的氣固液三相滲流機(jī)理還缺少認(rèn)識(shí)，需要獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且水合物分解過(guò)程中的相變滲流對(duì)水合物沉積物骨架的影響缺乏基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而這是水合物開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵問(wèn)題，需要實(shí)驗(yàn)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以直觀觀察到隨水合物分解多孔介質(zhì)骨架的形態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0007]—種研究天然氣水合物分解過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變化的實(shí)驗(yàn)裝置，包括可快速取樣高壓反應(yīng)釜、進(jìn)口控制單元、出口控制單元、環(huán)境溫度控制單元、氣固液三相分離單元以及數(shù)據(jù)處理單元；
[0008]該可快速取樣高壓反應(yīng)釜置于環(huán)境溫度控制單元中，在可快速取樣高壓反應(yīng)釜內(nèi)填充多孔介質(zhì)用以模擬地質(zhì)環(huán)境；
[0009]進(jìn)口控制單元用于向可快速取樣高壓反應(yīng)釜中注入水和天然氣；
[0010]出口控制單元用于控制天然氣水合物分解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可快速取樣高壓反應(yīng)釜的出口壓力；
[0011]環(huán)境溫度控制單元用于控制天然氣水合物生成/分解過(guò)程以及取樣過(guò)程的溫度；
[0012]氣固液三相分離單元用于將天氣熱水合物分解后排出的氣固液混合物分離，并實(shí)時(shí)計(jì)量氣固液三相產(chǎn)出的數(shù)據(jù)；
[0013]可快速取樣高壓反應(yīng)釜、環(huán)境溫度控制單元、氣固液三相分離單元、出口控制單元、進(jìn)口控制單元內(nèi)的感應(yīng)元件均通過(guò)信號(hào)線與數(shù)據(jù)處理單元連接；該數(shù)據(jù)處理單元用以采集和處理各感應(yīng)元件的感應(yīng)信號(hào)。
[0014]該實(shí)驗(yàn)裝置的可快速取樣高壓反應(yīng)釜可以直觀觀察到隨水合物分解多孔介質(zhì)骨架的形態(tài)變化，并且計(jì)量出口的氣、固、液三相產(chǎn)量。用以研究不同開(kāi)采方法，不同地層條件下水合物分解采氣過(guò)程中的含固相迀移的多相滲流問(wèn)題。
[0015]所述可快速取樣高壓反應(yīng)釜包括釜蓋、釜體以及用于快速取樣的快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)，該快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)包括用于將釜蓋和釜體固定連接的卡箍，以及將釜蓋和釜體密封的橡膠圈。設(shè)置快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)，使得釜蓋和釜體快速閉合/開(kāi)啟，采用卡箍固定，橡膠圈密封使得可快速取樣高壓反應(yīng)釜包括釜蓋的最高壓力能夠到25MPa。
[0016]所述可快速取樣高壓反應(yīng)釜內(nèi)部為圓柱形或長(zhǎng)方體，且其內(nèi)壁設(shè)有一層薄內(nèi)套。在快速開(kāi)啟釜蓋后，設(shè)置的薄內(nèi)套能夠方便快捷完整的取出多孔介質(zhì)樣塊?？煽焖偃痈邏悍磻?yīng)釜開(kāi)啟時(shí)間短于30s。而目前水合物開(kāi)采研究相關(guān)高壓反應(yīng)釜基本使用螺栓固定釜蓋和釜體，開(kāi)啟時(shí)間往往在I個(gè)小時(shí)以上，由于現(xiàn)有技術(shù)中的釜蓋和釜體開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，多孔介質(zhì)骨架已經(jīng)在外界條件的改變下發(fā)生了形態(tài)變化，則失去觀測(cè)多孔介質(zhì)骨架隨天然氣水合物分解時(shí)的形態(tài)變化條件。
[0017]所述氣固液三相分離單元包括篩網(wǎng)除砂器以及與篩網(wǎng)除砂器串聯(lián)的氣液分離器。
[0018]所述可快速取樣高壓反應(yīng)釜內(nèi)部容積大于0.5L。使得高壓反應(yīng)釜反映真實(shí)水合物藏開(kāi)采中的多相滲流流動(dòng)條件。
[0019]所述多孔介質(zhì)粒徑小于lOOum。在以往的模擬實(shí)驗(yàn)中利用大顆粒組成多孔介質(zhì)(粒徑>100um)，令水合物分解過(guò)程中的多孔介質(zhì)骨架無(wú)法變化。本發(fā)明的多孔介質(zhì)粒徑小于lOOum，夠直觀觀察到由于水合物分解弓I起的多孔介質(zhì)骨架變化。
[0020]在所述可快速取樣高壓反應(yīng)釜內(nèi)按照需求布置模擬注入井及開(kāi)采井。能夠獲得更加真實(shí)的地質(zhì)模擬環(huán)境。
[0021]所述出口控制單元采用直管或者大弧度彎角管與所述氣固液三相分離單元相連。能夠使氣固液三相混合物順利產(chǎn)出，有效避免混合物在管道內(nèi)堵塞。
[0022]—種采用上述的研究天然氣水合物分解過(guò)程中多孔介質(zhì)骨架變化的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0023]S1:將