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超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置制造方法及图纸

技术编号:18653010 阅读:11 留言:0更新日期:2018-08-11 12:35
本发明专利技术公开了一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路,两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连到高压反应器;超重力气液分离模块直接连接到高压反应器;釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器;高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。本发明专利技术能真实模拟现场天然气水合物注热开采的灾变过程,为天然气水合物注热开采模拟实验提供科学支撑。

Simulation device of natural gas hydrate thermal stimulation method under high gravity condition

The invention discloses a simulation device for gas hydrate thermal stimulation mining under the condition of high gravity. Hydraulic oil station is connected to high pressure reactor by rotating joint of oil centrifuge, which is divided into two ways, one is connected to high pressure reactor by high gravity water pressure control module, the other is connected to high pressure reactor by high gravity heat shock module, the other is connected to high pressure reactor by high gravity gas-liquid separation module, and the other is connected to high pressure reactor by rotating joint of centrifuge through water bath channel. High-pressure reactor, high-pressure reactor, high-gravity water pressure control module, high-gravity heat shock module, high-gravity gas-liquid separation module and kettle temperature control module are connected to the sensor data acquisition box. The invention can truly simulate the catastrophic process of natural gas hydrate thermal injection and exploitation, and provides scientific support for the simulation experiment of natural gas hydrate thermal injection and exploitation.

【技术实现步骤摘要】
超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置
本专利技术涉及一种岩土工程领域超重力物理模拟实验系统,特别是一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。
技术介绍
天然气水合物是由水分子和烃类分子在高压低温下生成的类冰状笼形结晶化合物,俗称“可燃冰”。标准状态下,单位体积天然气水合物可释放出高达160~180体积的甲烷气体,单位体积天然气水合物燃烧热值为煤的10倍、传统天然气的2~5倍。其储量丰富,资源潜能巨大,被世界各国视为未来石油天然气的替代能源之一。天然气水合物一般分布于海床中或陆地的永久冻土中,所处高压和低温条件使其处于稳定的固体水合物态。当位于海床中时,所处水深一般大于300m,在海床表面以下埋藏深度达数百米。自20世纪80年代以来,美国、日本、俄罗斯、中国等纷纷制定天然气水合物研究与开发计划。人为开采方法主要是打破天然气水合物相平衡状态,造成其分解,然后将天然气开采到地面。目前,热激法是国内外实验室研究最多的开采方法。热激法主要是通过各种加热技术对天然气水合物储层进行加热,使水合物层温度达到天然气水合物分解温度后,相平衡被打破,从而分解产出甲烷气。由于天然气水合物开采过程中会发生相变,相变分解引起土颗粒孔隙结构发生改变,进而影响土层有效应力,导致体积压缩变形甚至屈服。此外,深海天然气水合物开采过程中水合物相变将产生复杂的温度场、渗流场、应力场和变形场的相互作用。因此,研究出天然气水合物有效、快速而又经济的开采方法是大规模开采天然气水合物重要的理论支撑,是缓解日益剧增的能源压力的有效途径。由于各处水压力与地基应力各异,现场试验难度大、成本高;因此通过物理模拟实验进行研究较为科学便捷,实验结果可指导勘察开发。目前世界上的天然气水合物模拟开采实验装置均缺少超重力环境的实验条件,无法实现真实尺度的地质条件模拟。
技术实现思路
为了解决现有技术中缺少天然气水合物超重力开采的技术问题,本专利技术的目的在于提供了超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置,能够在超重力环境下研究天然气水合物热激法开采时海床土体灾变响应。本专利技术综合模拟了深海天然气水合物沉积层在原位应力场中利用热激法开采过程及土层响应。实现该功能主要通过在超重力环境下模拟热激法开采天然气水合物。所述超重力环境是指利用超重力离心机旋转产生n倍于地球重力加速度g的ng超重力实验环境。本专利技术是通过以下技术方案来实现的:本专利技术包括高压反应器、液压油站、汇流板、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱和计算机;液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路,两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器;超重力气液分离模块直接连接到高压反应器;釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器;高压反应器、汇流板、数据采集箱、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室内的超重力离心机上,液压油站、计算机和釜体温控模块置于超重力离心机空调室外;高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。所述高压反应器是在离心加速度1~200g范围内工作、耐压范围为5~30MPa和内腔容积为10~300L的一个圆柱形不锈钢反应釜;高压反应器的内腔作为三维腔体,三维腔体内置有天然气水合物沉积模型和上覆水层;高压反应器顶部设有模拟井入口,模拟井通过模拟井入口伸入三维腔体中并伸入到底部;高压反应器顶部设有一个液体入口、一个热液入口和一个安全阀接口,安全阀接口经安全阀外界大气相通,模拟井上端口为模拟井井口。所述三维腔体加入土层后,通过液体入口注入液体并加压,形成上覆水层,继而向土层中注入甲烷气,在常重力环境下形成天然气水合物沉积模型;高压反应器设置温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口;温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口可分别连接安装孔隙压力传感器、总压力传感器、温度传感器、压电陶瓷弯曲元和时域反射探针;孔隙压力传感器、总压力传感器和温度传感器均安装于高压反应器内部,温度测量接口、压力测量接口和孔隙压力测量接口用于将孔隙压力传感器、总压力传感器和温度传感器的引线引出高压反应器并连接到数据采集箱;压电陶瓷弯曲元和时域反射探针均安装在高压反应器的内壁上,压电陶瓷弯曲元和时域反射探针的引线通过压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口引出高压反应器并连接到数据采集箱。孔隙压力传感器检测的是天然气水合物沉积模型中孔隙液体和气体的压力,总压力传感器检测的是天然气水合物沉积模型中固液气三相总压力,温度传感器检测的是天然气水合物沉积模型中的温度,压电陶瓷弯曲元检测的是天然气水合物沉积模型的弹性波速,时域反射探针检测的是天然气水合物沉积模型的饱和度。本专利技术的上覆水层由超重力水压控制模块伺服控制压力在10~20MPa之间的某个稳定值,以还原深海环境的实际水压力。所述的液压油站和汇流板之间通过油路离心机旋转接头连接。所述超重力水压控制模块包括水压电液伺服阀和水压伺服增压器;汇流板输出的其中一路经水压电液伺服阀与水压伺服增压器连接,水压伺服增压器输出端连接到高压反应器的液体入口;所述超重力热激模块依次包括注热电液伺服阀、工作液伺服增压器和电加热器;汇流板输出的另一路经注热电液伺服阀与工作液伺服增压器连接,工作液伺服增压器输出端经电加热器连接到高压反应器的热液入口;所述超重力气液分离模块包括采集管路、电控截止阀、储液罐和储气罐;电控截止阀与高压反应器顶部模拟井入口连接;高压反应器的顶部模拟井入口输出气液经电控截止阀与储液罐连接,储液罐与储气罐连接;储液罐上装有磁性浮子液位计,储气罐上装有总压力传感器。工作液伺服增压器可在超重力条件下向电加热器加特定压力的液体,电加热器可在超重力条件下将工作液加热至所需温度的热液,电加热器具有下端入口和上端出口,下端入口进冷却液,上端出口出热液;电控截止阀可在超重力条件下通过信号控制管道通断。所述釜体温控模块包括制冷机组、低温水浴箱、制冷循环泵和水浴夹套;水浴夹套套装在高压反应器外侧壁体上并且与冷水进出口连接,制冷机组和低温水浴箱连接并提供冷水源,低温水浴箱的输出端经制冷循环泵连接到水浴夹套的底部入口,水浴夹套中部出口连接到低温水浴箱的输入端。所述的制冷循环泵和水浴夹套的底部入口之间、水浴夹套中部出口和低温水浴箱的输入端之间均通过水浴通路离心机旋转接头连接。所安装布置于高压反应器中的温度传感器、总压力传感器、孔隙压力传感器、压电陶瓷弯曲元和时域反射探针以及超重力气液分离模块中的磁性浮子液位计、总压力传感器以及超重力热激模块中的注热电液伺服阀和电加热器以及水压电液伺服阀和电控截止阀均与数据采集箱连接,数据采集箱与超重力离心机空调室外的计算机电连接。本专利技术的高压反应器在超重力环境中工作,通过超重力水压控制模块控制上覆水层压力,通过超重力热激模块对天然气水合物进行热激法模拟现场开采,通过超重力气液分离模块进行产量计量。本实验装置可在超重力离心机运行,模拟上覆水层压力以及深海天然气水合物沉积层的自重应力,重现本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置,其特征在于:包括高压反应器(1)、液压油站(18)、汇流板(31)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱(28)和计算机(29);液压油站(18)连接到汇流板(31)后分为两路,两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器(1);超重力气液分离模块直接连接到高压反应器(1);釜体温控模块连接到高压反应器(1);高压反应器(1)、数据采集箱(28)、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室(36)内的超重力离心机上,液压油站(18)、计算机(29)和釜体温控模块置于超重力离心机空调室(36)外;高压反应器(1)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱(28)。

【技术特征摘要】
1.一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置,其特征在于:包括高压反应器(1)、液压油站(18)、汇流板(31)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱(28)和计算机(29);液压油站(18)连接到汇流板(31)后分为两路,两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器(1);超重力气液分离模块直接连接到高压反应器(1);釜体温控模块连接到高压反应器(1);高压反应器(1)、数据采集箱(28)、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室(36)内的超重力离心机上,液压油站(18)、计算机(29)和釜体温控模块置于超重力离心机空调室(36)外;高压反应器(1)、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱(28)。2.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置,其特征在于:所述高压反应器(1)是一个圆柱形不锈钢反应釜;高压反应器(1)的内腔作为三维腔体(4),三维腔体(4)内置有天然气水合物沉积模型和上覆水层;高压反应器(1)顶部设有模拟井入口,模拟井通过模拟井入口伸入三维腔体(4)中并伸入到底部;高压反应器(1)顶部设有一个液体入口、一个热液入口和一个安全阀接口,安全阀接口经安全阀(6)外界大气相通,模拟井上端口为模拟井井口。3.根据权利要求1所述的超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置,其特征在于:所述三维腔体(4)加入土层后,通过液体入口注入液体并加压,形成上覆水层,继而向土层中注入甲烷气,在常重力环境下形成天然气水合物沉积模型;高压反应器(1)设置温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口;温度测量接口、总压力测量接口、孔隙压力测量接口、压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口可分别连接安装孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)、温度传感器(25)、压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23);孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)和温度传感器(25)均安装于高压反应器(1)内部,温度测量接口、压力测量接口和孔隙压力测量接口用于将孔隙压力传感器(23)、总压力传感器(24)和温度传感器(25)的引线引出高压反应器(1)并连接到数据采集箱(28);压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23)均安装在高压反应器(1)的内壁上,压电陶瓷弯曲元(26)和时域反射探针(23)的引线通过压电陶瓷弯曲元测量接口和时域反射测量接口引出高压反应器(1)并连接到数据采集箱...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱斌王路君杨颂清陈云敏孔德琼
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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