一种天然气水合物注热-置换联合模拟开采装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物的开发领域，具体的说，本发明涉及一种天然气水合物注热-置换联合模拟开采装置及方法。

背景技术

天然气水合物作为是一种清洁的能源资源，其碳含量相当于世界各地的常规化石燃料总和的2倍。在能源紧缺的今天，开采天然气水合物具有重要的经济和环境利益，目前传统的天然气开采方法主要有降压法、注热法，化学试剂法或联合以上两种方法。相对于单一的开采方法，联合开采法能在一定程度上有利于天然气水合物的开采。

现有的联合开采天然气水合物的方法主要有注热+降压法、置换+降压法、注热+化学试剂法、降压+化学试剂法等。其中置换法作为单一开采法中封存气体同时开采能源的优质方法，但其置换效率低，而注热法起效快、成本高，结合两者进行联合开采，能提高置换开采效率。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种天然气水合物注热-置换联合模拟开采装置；本发明的装置实现了在生成水合物的基础上，进行置换气体辅热置换开采水合物，提高置换速率和置换率，操作简易、结构简明、成本低。

本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物注热-置换联合开采方法。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种天然气水合物注热-置换联合模拟开采装置，其中，所述装置包括：置换气体气瓶1、CH

根据本发明一些具体实施方案，其中，第二气体流量计17为湿式气体流量计。

根据本发明一些具体实施方案，其中，控温装置13为恒温水槽。

根据本发明一些具体实施方案，其中，加热器4为空气加热器。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述反应釜11包括釜体29、设置于釜体 29顶部的釜盖28、位于釜盖28上的气体进出口9、置于釜体29底部的出砂口14；所述釜盖28上设置接至釜体29内腔的压力检测接口26和温度检测接口27，盘管12 通过气体进出口9伸入釜体29内腔。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述釜盖和釜体通过螺纹或法兰相连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述反应釜11还包括设置在釜体29底部用于支撑釜体29的支架30。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述反应釜11还包括与压力检测接口26 电连接的压力传感器18和设置在温度检测接口27的温度传感器10；所述压力传感器18和温度传感器10分别与数据采集仪15电连接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述盘管12的高度为反应釜内腔高度的 1/4-1/2；直径为反应釜内腔直径的0.25-0.75；盘管螺旋直径为反应釜内直径的 0.25-0.75倍。

其中可以理解的是，本发明所述的盘管螺旋直径，是指盘管的螺旋部分在经过螺旋部分上任意一点的水平面上的投影所形成的圆的直径。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述盘管12设置气孔121，任意相邻的两个气孔之间的距离为盘管管路外径的0.2-0.8倍。

所述的气孔121使得盘管内腔与外部相连通。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述装置还包括设置在置换气体气瓶1 和第一气体流量计3之间的管路上的置换气体减压阀2、以及设置在CH

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述装置还包括第二三通阀20、第三三通阀22、第一截止阀7、第二截止阀19、第三截止阀23；第二截止阀19、第二三通阀20、第三三通阀22和第三截止阀23从第二气体流量计17起顺序设置在第二气体流量计17和CH

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述装置还包括第一液压表5和第二液压表21；第一液压表5设置在加热器4上，第二液压表21设置在第三三通阀22上。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述装置还包括第一三通阀8，第一三通阀8设置在第一截止阀7和反应釜11之间的管路上，第二管路27通过第一三通阀8 与反应釜11连接。

另一方面，本发明还提供了一种天然气水合物注热-置换联合模拟开采方法，其中，所述方法包括向装有冰粉及石英砂的反应釜内通入甲烷生成水合物；在生成水合物后，通过通入加热的置换气体进行置换反应。

根据本发明一些具体实施方案，其中，冰粉和石英砂的质量比为0.5：1-1：0.5。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法包括向装有冰粉及石英砂的反应釜内通入甲烷，并控制反应釜内通入压力在3MPa以上，直至不再消耗甲烷。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法包括向装有冰粉及石英砂的反应釜内通入甲烷，并控制通入压力在3-20MPa。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法包括向装有冰粉及石英砂的反应釜内通入甲烷，并控制通入压力在15-20MPa。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法包括使用本发明所述的装置，包括如下步骤：

(1)在反应釜11内加入石英砂和冰粉，抽真空，打开CH

(2)当反应釜内压力达到5～25MPa时，关闭CH

(3)待反应釜11内的压力和温度不再变化时，打开第二截止阀19，将反应釜 11内未反应的CH

(4)关闭第二截止阀19，打开第一截止阀7，将加热器4内的置换气体充入反应釜11内，关闭第一截止阀7，同时调节控温装置13温度为设定温度；

(5)反应时间为70h～200h，每隔2-6个小时测量反应釜11内的气体组分，直至测得的CH

(6)当CH

(7)整理数据并计算，过程中最终开采率η：

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括向反应釜11内充CH

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括打开控温装置13(恒温水槽)后，设定控温装置13的温度为-9℃-2℃。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)中加热器4的温度设定为105℃ -300℃。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)中当充入反应釜11的置换气体压力达到10MPa～16MPa后，关闭第一截止阀7。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)中调节控温装置13温度为1℃至4℃。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(6)是将控温装置13的温度升高至 25-50；优选升高至30℃。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述置换气体为含有CO

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述置换气体为N

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述置换气体为N

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)在反应釜内加入一定量的石英砂和冰粉，抽真空，打开CH

(2)在生成水合物时，关闭CH

(3)待压力传感器和温度传感器示数不再变化时，即水合物生成后，打开第二截止阀，将反应器内为反应的CH

(4)关闭第二截至阀，打开第一截止阀，将空气加热器内的置换气体通过气体注入口、第一三通阀充入反应釜内，当充入反应釜的置换气体压力达到10MPa～ 16MPa后，关闭第一截至阀，同时调节控温装置13(恒温水槽)温度为1℃--4℃；其中置换气体中，CO

(5)反应时间为70h～200h，每隔2-6个小时用气相色谱测量气体的组分，直至测得的CH

(6)当CH

(7)整理数据并计算，过程中最终开采率η：

综上所述，本发明提供了一种天然气水合物注热-置换联合开采装置及方法。本发明的装置及方法具有如下优点：

1采用反应釜内插入带孔盘管，增大气-固接触面积，加快甲烷水合物生成，且在置换的过程中有利置换气体与生成水合物反应，从而提高甲烷回收率。

2采用注热-置换气体置换开采水合物方法，借助气体传热性质，为置换气体进入水合物内部提供反应通道。

附图说明

图1是本发明天然气水合物注热-置换联合开采的实验装置示意图。

图2是反应釜的剖视结构图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

如图1所示天然气水合物注热-置换联合模拟开采的实验装置，包括置换气体(CO

天然气水合物注热-置换联合开采的方法，包括如下步骤：

(1)在反应釜11内加入110.5g的石英砂和50.3g冰粉，抽真空，打开CH

(2)当反应釜内压力达到5MPa时，关闭CH

(3)待压力传感器18和温度传感器10示数不再变化时，即水合物生成后，打开第二截止阀19，将反应釜11内为反应的CH

(4)关闭第二截至阀19，打开第一截止阀7，将空气加热器4内的置换气体通过气体注入口、第一三通阀7充入反应釜11内，当充入反应釜11的置换气体 (CO

(5)反应时间为153h，每隔6个小时用气相色谱测量气体的组分，直至测得的 CH

(6)当CH

(7)整理数据并计算，过程中最终开采率η为74.2％：

实施例2

装置和实施例1相同。

通过本装置及方法进行水合物生成和置换气体置换开采实验，实验过程如下：

(1)在反应釜11内加入110.5g的石英砂和50.3g冰粉，抽真空，打开CH

(2)当反应釜内压力达到25MPa时，关闭CH

(3)待压力传感器18和温度传感器10示数不再变化时，即水合物生成后，打开第二截止阀19，将反应釜11内为反应的CH

(4)关闭第二截至阀19，打开第一截止阀7，将空气加热器4内的置换气体通过气体注入口、第一三通阀7充入反应釜11内，当充入反应釜11的置换气体 (CO

(5)反应时间为165h，每隔6个小时用气相色谱测量气体的组分，直至测得的 CH

(6)当CH

(7)整理数据并计算，过程中最终开采率η为68.1％：