海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置及其试验方法。

背景技术

天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。燃烧后的可燃冰只会生成少量的二氧化碳和水，比起煤、石油等传统能源，污染程度显著降低且能量高出10倍。所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的2倍，被国际公认为石油、天然气的接替能源。

天然气水合物开采技术大体上可分为：降压法、注热法、化学剂法、二氧化碳置换开采法和固态流化法，这些开采方式要求水合物储层上覆层为密闭盖层，具有良好的密闭性，有一定厚度且结构坚实，但这些开采方法都不能精准有效地控制水合物的分解速度以及开采范围，可能引发海洋地质环境灾害，以现有技术开采天然气水合物的成本及其昂贵。

现阶段通过数值模拟的角度对天然气水合物开采技术的进行了评估分析，为优选最佳开采方法提供了参考。然而，如果离开试验模拟，在目前现场试采数据有限的情况下，很难验证模拟结果的准确性，也无法解释天然气水合物开采措施的作用机理。因此天然气水合物开采过程仿真模拟试验技术，在水合物开采理论与技术基础研究方面具有不可替代的作用。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置及其试验方法，结构简单且使用方便，能够模拟开采装置贯入、天然气水合物开采和开采装置回收，可以真实模拟海域天然气水合物自入式开采方法的开采过程，对研究海域天然气水合物自入式开采装置的适用性、开采效率和作用范围具有重要意义。

本发明的具体实施方案是这样构成的，它包括内部设置有海水、模拟海床和模拟天然气水合物储层的高压试验箱，所述高压试验箱内部设置有由高压试验箱外部冲入模拟天然气水合物储层内的模拟自入结构体，所述模拟自入结构体由发射装置驱动射出。

进一步的，所述模拟自入结构体中部设置有空腔，模拟自入结构体包括由上至下依次设置的连接构件、主体构件、位于主体构件上部两侧的侧翼和位于主体构件下部的头部构件；所述头部构件下部设有尖锐部。

进一步的，所述主体构件包括由空腔两侧分别向外侧依次设置的内侧透水防护构件、防砂装置以及外侧透水防护构件，所述主体构件上方的空腔开口处设置有过电缆封隔器，所述主体构件下部设有端头构件，所述端头构件与头部构件连接。

进一步的，所述高压试验箱上方设置有气液采集系统，所述气液采集系统由储水系统和储气系统组成，所述储气系统包括依次设置的储气罐、气体压缩装置、气体干燥装置、第一流量监测器以及输气管，所述输气管上端依次经第一流量监测器、气体干燥装置、气体压缩装置与储气罐相连接，所述输气管下端与模拟自入结构体内部的空腔顶部连接；所述储水系统包括依次设置的储水罐、水泵、第二流量监测器及输水管，所述输水管下端延伸至模拟自入结构体中部的空腔内底部且输水管下端设有气液分离装置，所述输水管上端依次经第二流量监测器、水泵与储水罐连接，用以将模拟自入结构体空腔内的液体抽至储水罐内。

进一步的，所述发射装置包括弹射装置和竖向拉拔系统，所述弹射装置用以给予模拟自入结构体下坠一定的初速度，使模拟自入结构体达到指定深度；所述竖向拉拔系统包括升降系统和缆线，所述缆线上方与升降系统连接，所述缆线下端与模拟自入结构体顶部连接。

进一步的，所述高压试验箱外侧部设置有水压控制系统和温度调节系统，水压控制系统用以向高压试验箱内施加水压模拟深海水压环境，温度调节系统用于调节高压试验箱内温度。

进一步的，所述模拟天然气水合物储层由天然气水合物模拟上覆层、天然气水合物模拟储藏层和模拟天然气水合物下覆层组成。

进一步的，所述模拟自入结构体上设置有射流注入系统，所述射流注入系统包括驱动装置、射流管道以及位于射流管道上的多个喷射口，所述射流管道包括竖管道以及多条分别位于模拟自入结构体上部、模拟自入结构体下部的横管道，所述竖管道下端延伸至头部构件且至少分为两个支路，所述喷射口位于横管道的输出端或是支路的输出端，所述驱动装置为射流注入系统提供注射动力，用以水由不同的喷射口喷出对模拟天然气水合物储层进行水力切割。

进一步的，所述模拟自入结构体下部设置有辅助加热系统，所述辅助加热系统包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，电磁感应圈环绕在模拟自入结构体下部表面。

进一步的，一种海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置的试验方法，包括步骤如下：（1）检查所述的海域天然气水合物自入式开采试验模拟试验装置的各系统运行情况、管道连接及设备参数设置情况，确保海域天然气水合物自入式开采试验模拟试验装置运作一切正常；（2）通过水压控制系统和温度调节系统，将高压试验箱内压力和温度调节达到试验要求；（3）通过弹射装置和竖向拉拔系统，在试验箱上侧释放模拟自入结构体，模拟自入结构体冲入模拟天然气水合物储层内部固定；（4）水泵驱动输水管，将空腔中的水抽出，空腔内部压力和周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下不断进入空腔，进而水不断进入输水管，天然气不断进入输气管，实现天然气水合物的自入式模拟开采。（5）此外，在工作过程中，通过辅助加热系统或注入热海水，使模拟自入结构体周围发热，提高天然气水合物分解效率；通过射流注入系统，向模拟自入结构体周围储层喷射化学抑制剂，提高天然气水合物分解效率；当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统还可以将储水罐中的水向模拟自入结构体周围储层喷射，其水力切割作用可以增加分解界面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，能够模拟开采装置贯入、天然气水合物开采和开采装置回收，可以真实模拟海域天然气水合物自入式开采方法的开采过程，对研究海域天然气水合物自入式开采装置的适用性、开采效率和作用范围等具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例模拟自入结构体示意图；

图3为本发明实施例主体构件的内部布置示意图；

图4为本发明实施例辅助加热系统示意图；

图5为本发明实施例射流注入系统示意图。

图中：A-天然气水合物模拟上覆层；B-天然气水合物模拟储藏层；C-模拟天然气水合物下覆层；D-高压试验箱；1-模拟自入结构体；11-连接构件；12-侧翼；13-主体构件；14-头部构件；15-过电缆封隔器；16-外侧透水防护构件；17-内侧透水防护构件；18-端头构件；2-发射装置，21-缆线；22-弹射装置；23-升降系统；3-防砂装置；31-空腔；4-储水系统，41-输水管；42-输气管；43-水泵；44-储水罐；45-气液分离装置；5-储气系统，51-气体干燥装置；52-气体压缩装置；53-储气罐；61-第一流量监测器；62-第二流量监测器；71-温度调节系统；72-水压控制系统；81-电磁感应线圈；91-射流管道；92-喷射口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例：如图1~5所示，提供一种海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置，包括内部设置有海水、模拟海床和模拟天然气水合物储层的高压试验箱D，所述高压试验箱内部设置有由高压试验箱外部冲入模拟天然气水合物储层内的模拟自入结构体1，所述模拟自入结构体由发射装置2驱动射出。

上述的模拟天然气水合物储层由天然气水合物模拟上覆层A、天然气水合物模拟储藏层B和模拟天然气水合物下覆层C组成。

上述的模拟自入结构体中部设置有空腔31，模拟自入结构体包括由上至下依次设置的连接构件11、主体构件13、位于主体构件上部两侧的侧翼12和位于主体构件下部的头部构件14，所述连接构件用以连接主体构件、弹射装置和竖向拉拔系统；所述头部构件下部设有尖锐部，头部构件下部可以为圆锥状或是圆弧帽状；

上述侧翼的设置用于调整模拟自入结构体在水中下落姿态，减少偏斜。

上述的主体构件包括由空腔两侧分别向外侧依次设置的内侧透水防护构件17、防砂装置3以及外侧透水防护构件16，所述主体构件上方的空腔开口处设置有过电缆封隔器15，所述主体构件下部设有端头构件18，所述端头构件与头部构件连接。

上述的模拟自入结构体形状呈子弹型，主体构件为圆柱状，可以用以容纳防砂装置和输送气体或液体的传送通道；所述防砂装置允许气体或液体通过，起到过滤泥沙的作用；所述内侧透水防护构件和外侧透水防护构件可以保护防砂装置不受到破坏。

在本实施例中，所述高压试验箱上方设置有气液采集系统，所述气液采集系统由储水系统4和储气系统5组成，所述储气系统5包括依次设置的储气罐53、气体压缩装置52、气体干燥装置51、第一流量监测器61以及输气管42，所述输气管上端依次经第一流量监测器、气体干燥装置、气体压缩装置与储气罐相连接，所述输气管下端与模拟自入结构体内部的空腔顶部连接；所述储水系统4包括依次设置的储水罐44、水泵43、第二流量监测器62及输水管41，所述输水管下端延伸至模拟自入结构体中部的空腔内底部且输水管下端设有气液分离装置45，所述输水管上端依次经第二流量监测器、水泵与储水罐连接，用以将模拟自入结构体空腔内的液体抽至储水罐内。

气液采集系统可以将空腔中的液体、气体传输到外部处理系统，同时可降低空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，并在压差作用下通过防砂装置进入空腔，在重力作用下，空腔中的液体向下运动，气体向上运动，将气体采集至储气罐中，液体抽向储液罐内。

此外，气液分离装置的作用是在液体和气体在空腔中进行重力分离之后，进行液体和气体二次分离，防止气体进入输水管。

在本实施例中，所述发射装置包括弹射装置22和竖向拉拔系统，所述弹射装置用以给予模拟自入结构体下坠一定的初速度，使模拟自入结构体达到指定深度；所述竖向拉拔系统包括升降系统23和缆线21，所述缆线上方与升降系统连接，所述缆线下端与模拟自入结构体顶部连接。

在本实施例中，所述高压试验箱外侧部设置有水压控制系统和温度调节系统，水压控制系统用以向高压试验箱内施加水压模拟深海水压环境，温度调节系统用于调节高压试验箱内温度。

在本实施例中，所述模拟自入结构体上设置有射流注入系统，所述射流注入系统包括驱动装置、射流管道91以及位于射流管道上的多个喷射口92，所述射流管道包括竖管道以及4条分别位于模拟自入结构体上部、模拟自入结构体下部的横管道，其中一条模拟自入结构体上部，另外三条间隔设置在模拟自入结构体下部，每条横管道均与竖管道连通，所述竖管道下端延伸至头部构件且至少分为两个支路，所述喷射口位于横管道的输出端或是支路的输出端，所述驱动装置为射流注入系统提供注射动力，用以水由不同的喷射口喷出对模拟天然气水合物储层进行水力切割。

上述的射流管道的输入端可以与储水罐或其他外部水源连接并由驱动装置抽取。

射流注入系统的作用是：（1）当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统向模拟自入结构体周围储层喷射水，其水力切割作用可以增加分解界面，提高开采效率；（2）在模拟天然气水合物模拟储层硬度较大的情况下，当模拟自入结构体未能达到预定深度时，射流注入系统向模拟自入结构体下部喷射水，其水力切割作用可以促使模拟自入结构体进一步下潜；（3）射流注入系统还可以将热海水、或者二氧化碳、或者化学抑制剂注入开采范围，提高天然气水合物分解效率；（4）还可以向模拟天然气水合物储层上部注入二氧化碳，二氧化碳和周围水固结，可以提高模拟天然气水合物储层上部地层放入强度，从而提高稳定性。

在本实施例中，所述模拟自入结构体下部设置有辅助加热系统，所述辅助加热系统包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，电磁感应圈环绕在模拟自入结构体下部表面；

利用模拟自入结构体主要由钢材构成的特点，电磁感应线圈直接环绕模拟自入结构体，从而使模拟自入结构体发热，提高周围天然气水合物分解速度，同时防止天然气水合物的二次生成。

在本实施例中，海域天然气水合物自入式开采模拟试验装置还包括控制系统、监控系统和供电系统；供电系统，用以为试验设备提供电力；控制系统，用以控制各试验装置运行与管道开闭；监控系统，用以监控各试验装置运行情况。

在本实施例中，工作时：

（1）检查所述的海域天然气水合物自入式开采试验模拟试验装置的各系统运行情况、管道连接及设备参数设置情况，确保海域天然气水合物自入式开采试验模拟试验装置运作一切正常；

（2）通过水压控制系统和温度调节系统，将高压试验箱内压力和温度调节达到试验要求；

通过弹射装置和竖向拉拔系统，在试验箱上侧释放模拟自入结构体，模拟自入结构体冲入模拟天然气水合物储层内部（一般会冲入天然气水合物模拟储层或者天然气水合物模拟储层下覆层内）；

（3）水泵驱动输水管，将空腔中的水抽出，空腔内部压力和周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下不断进入空腔，进而水不断进入输水管，天然气不断进入输气管，实现天然气水合物的自入式模拟开采。

（4）此外，在工作过程中，通过辅助加热系统或注入热海水，使模拟自入结构体周围发热，提高天然气水合物分解效率；通过射流注入系统，向模拟自入结构体周围储层喷射化学抑制剂，提高天然气水合物分解效率；当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统还可以将储水罐中的水向模拟自入结构体周围储层喷射，其水力切割作用可以增加分解界面。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。