海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置及方法。该装置由甲烷气源1、空压机3、平流泵4、气体中间容器7、溶液中间容器8、高压反应釜12、回压控制器16、气体流量计17、计算机18、温压监测仪19、恒温气浴箱20组成。该方法包括：（1）在高压反应釜内添加石英砂；（2）甲烷气源泵入到气体中间容器，实验溶液注入溶液中间容器；（3）调节至实验温度，将溶液中间容器、气体中间容器的流体泵入高压反应釜，打开搅拌电机，开始合成实验；（4）向反应釜内补充溶液；（5）打开出口阀，开始分解实验，记录分解特征参数产气速率、累计产气量。本发明专利技术原理可靠、操作简便，能够准确评价不同操作条件下水合物颗粒的分解特征。

Testing device and method for decomposition characteristics of solid-state fluidized mining of marine non-diagenetic hydrates

The invention discloses a testing device and method for decomposition characteristics of solid-state fluidized mining of marine non-diagenetic hydrates. The device consists of methane gas source 1, air compressor 3, advection pump 4, gas intermediate container 7, solution intermediate container 8, high pressure reactor 12, back pressure controller 16, gas flowmeter 17, computer 18, temperature and pressure monitor 19 and constant temperature gas bath 20. The method includes: (1) adding quartz sand in the high-pressure reactor; (2) pumping methane gas source into the gas intermediate vessel and injecting experimental solution into the solution intermediate vessel; (3) adjusting the experimental temperature, pumping the fluid from the solution intermediate vessel and the gas intermediate vessel into the high-pressure reactor, opening the stirring motor and starting the synthesis experiment; (4) replenishing the solution to the reactor; (5) beating. Open the outlet valve and start the decomposition experiment. Record the decomposition characteristic parameters, gas production rate and cumulative gas production. The present invention has reliable principle and simple operation, and can accurately evaluate the decomposition characteristics of hydrate particles under different operation conditions.

【技术实现步骤摘要】
海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置及方法
本专利技术涉及一种海洋非成岩水合物固态流化开采过程中分解特征实验测试装置及方法，属于天然气水合物实验领域。
技术介绍
天然气水合物被认为是最具潜力的“未来能源”之一，因其具有储量规模大、资源分布广、能量密度高等特点。天然气水合物的分解产物是以甲烷为主的天然气，燃烧产物为CO2和水，属于清洁能源。在我国的南海海域蕴藏着储量巨大的海洋天然气水合物资源，因其具有埋深浅、无致密盖层、矿藏疏松、胶结程度低、易于碎化的特点，被定义为非成岩水合物。与以往研究的成岩水合物不同，海洋非成岩水合物在使用常规开采方法时存在着分解气体易泄露、难收集等不可控、不环保的问题，因此在2014年周守为院士提出了针对海洋浅层非成岩水合物的绿色开采技术——固态流化法。与常规方法相比，整个采掘过程是在海底天然气水合物矿区进行，未改变天然气水合物的温度、压力条件，类似于构建了一个由海底管道、泵送系统组成的人工封闭区域，实现了在密闭输送管线范围内可控有序分解，避免了天然气水合物原位分解可能带来的工程地质灾害和温室效应。海洋非成岩水合物固态流化开采技术主要包括四个环节：(1)水合物储层被机械破碎成小颗粒；(2)水合物/沉积物混合颗粒与高压海水混合成浆液体系；(3)浆液体系被传送到海平面操作平台进行水合物快速分解或浆液体系在海底特殊装置中实现水合物快速分解再将气体传送到海平面作业平台；(4)沉积颗粒的回填。可以看出在(1)、(2)两个阶段应该尽量确保水合物的稳定性，而在第(3)阶段要实现水合物的快速分解。因此，掌握水合物-沉积物/海水混合浆液中水合物的分解特征对确定海洋非成岩水合物固态流化开采技术各个阶段的操作参数非常重要。这就需要设计一套能模拟海水中悬浮水合物颗粒分解特征的实验装置，能够研究非成岩水合物在管道内流动过程中受到不同的压力、温度、海水矿化度、海洋沉积物和破碎搅拌等条件下的分解特征。目前，已报道的沉积水合物分解实验采用完全填砂模式，也没有破碎搅拌装置，无法代表固态流化开采过程中非成岩水合物在管道内被破碎并流动分解的特点。因此，设计新的分解动力学实验装置与实验方法，系统研究固态流化开采过程中海洋非成岩水合物的分解规律和影响因素，对促进海洋非成岩水合物固态流化开采技术的应用，以及对我国天然气水合物资源的高效开发与利用均具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置，该装置可有效模拟非成岩水合物固态流化开采过程中水合物-沉积物/水混合浆液中水合物颗粒在不同操作条件下的分解状态，并能对分解规律和影响因素进行评价。本专利技术的另一目的还在于提供利用上述装置对海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征进行测试的方法，该方法原理可靠、简单实用、操作简便，能够准确评价不同操作条件下混合浆液中水合物颗粒的分解特征，为海洋非成岩水合物固态流化开采过程不同环境的操作条件的确定提供基础参数，促进该项技术的实际应用。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案。海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征实验装置由稳压供气系统、水合物合成与分解系统、液体补偿系统、压力温度控制系统、出口计量系统、数据采集系统共六个部分组成。所述稳压供气系统由甲烷气源、空气压缩机、气体中间容器三个主要设备构成。该系统主要为实验提供高压甲烷气体(≤30MPa)，可以根据实验需求调节气体压力。所述水合物合成与分解系统是装置核心系统，主要包括高压反应釜、搅拌器和搅拌电机。高压反应釜的最高工作压力可达30MPa，最大容积768mL。釜体顶部与稳压供气系统、压力控制系统和出口计量系统连接。釜体上部设有液位刻度观测窗，可以检验液体是否到达指定刻度。釜体中部设置有反应观测窗，摄像头可以将水合物合成与分解反应过程实时拍照并录像。反应观测窗旁边设计有放空阀，用于在釜体出现故障时紧急卸掉内部压力。釜体下部与液体补偿系统相连，底部安装有破碎搅拌装置，在分解过程中对天然气水合物持续搅拌，以便模拟固态流化开采过程中入口搅拌器破碎非成岩水合物的操作，快速制成水合物浆体。所述液体补偿系统主要包括液位监视摄像机、液体补偿阀、液体中间容器以及高精度平流泵。液位监视摄像头通过数据线与计算机相连，可以在电脑上实时观测釜体液位，判断溶液是否充满釜体。当天然气水合物合成结束后，可向釜体内部快速补液，模拟管道内流动的海水，同时排除釜体内残余的游离气。液体高压中间容器置于恒温箱内，与反应釜保持同一温度。注入泵最大工作压力30MPa，精度±0.05MPa，注入流速0.0035～20mL/min，精度0.5％。所述压力温度控制系统包括外部恒温气浴箱、内部温压传感器和回压控制器。外部恒温箱最低工作温度-40℃，精度0.1℃，可快速精确降温。釜体内置温压传感器，压力精度0.01MPa，温度精度0.1℃，可实时监测分解过程中流体温度与压力的变化，并通过数据采集系统在电脑上实时记录。回压控制器通过改变回压控制出口压力，从而调节降压幅度。所述出口计量系统主要包括气体流量计、干燥管和储水罐。气体流量计精度为±1％。储水罐用于储存分解反应过程中高速气流所携带的少量液体，干燥管则进一步除去天然气中携带的水蒸气。所述数据采集系统是通过软件，实时监测水合物分解过程中的温度、压力、气体流速、气体流量等参数，展示液位图像和釜体内部图像，具备数据保存与回放功能。本专利技术增强了现有天然气水合物合成与分解实验装置的模拟能力，提高了实验测试精度，不仅可以模拟海洋非成岩水合物的分解过程，还能够精确测量天然气水合物初始阶段的分解速率，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)建立了模拟海洋非成岩水合物固态流化开采过程中分解特征的实验装置及方法，对于研究海洋非成岩天然气水合物固态流化开采过程的分解动力学参数、分解规律以及影响因素，具有重要的参考价值；(2)设计了砂体破碎搅拌装置，在分解过程中对水合物持续匀速搅拌，可以模拟固态流化开采过程中入口搅拌器破碎非成岩水合物的操作，快速制成水合物-沉积物混合物颗粒；(3)设计了液体补偿装置，在水合物合成完毕后可以通过阀门向釜体内部快速补液，彻底排除反应釜内的游离气，制出水合物-沉积物/海水混合浆液，以此进行海洋非成岩水合物固态流化开采过程不同阶段水合物分解特征的模拟研究。附图说明图1是海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置的结构示意图。图2是高压反应釜的具体结构示意图。图中：1-甲烷气源，2-阀门，3-空压机，4-平流泵，5-注气阀，6-注液阀，7-气体中间容器，8-溶液中间容器，9-增压阀，10-液体补偿阀，11-放空阀，12-高压反应釜，13-可视窗，14-搅拌电机，15-出口阀，16-回压控制器，17-气体流量计，18-带数据采集软件的计算机，19-温压监测仪，20-恒温气浴箱，21-注气管线，22—压力监测管线，23-出口管线，24-反应釜探头，25-液位监测摄像头，26-视窗摄像头，27-搅拌叶片，28-温度、压力传感器，29-搅拌轴。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术。参看图1、图2。海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置，由甲烷气源1、空压机3、平流泵4、气体中间容器7、溶液中间容器8、高压反应釜12、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置，由甲烷气源（1）、空压机（3）、平流泵（4）、气体中间容器（7）、溶液中间容器（8）、高压反应釜（12）、回压控制器（16）、气体流量计（17）、带数据采集软件的计算机（18）、温压监测仪（19）、恒温气浴箱（20）组成，其特征在于，所述气体中间容器（7）、溶液中间容器（8）、高压反应釜（12）位于恒温气浴箱（20）内，所述高压反应釜（12）顶部安装有反应釜探头（24），该顶部既通过注气管线（21）连接增压阀（9）、气体中间容器（7），通过压力监测管线（22）连接温压监测仪（19），还通过出口管线（23）、出口阀（15）连接回压控制器（16）、气体流量计（17），所述气体中间容器（7）依次连接注气阀（5）、空压机（3）、甲烷气源（1）；所述高压反应釜（12）上部安装有液位监测摄像头（25），中部安装有可视窗（13）和视窗摄像头（26），侧部安装有温度、压力传感器（28），温度、压力传感器连接温压监测仪（19）；所述高压反应釜（12）下部通过液体补偿阀（10）连接溶液中间容器（8）、注液阀（6）、平流泵（4）；所述高压反应釜（12）底部有搅拌电机（14），搅拌电机通过搅拌轴（29）带动搅拌叶片（27）在釜内旋转；所述温压监测仪（19）、气体流量计（17）、反应釜探头（24）、液位监测摄像头（25）、视窗摄像头（26）均连接带数据采集软件的计算机（18）。...

【技术特征摘要】
1.海洋非成岩水合物固态流化开采分解特征测试装置，由甲烷气源（1）、空压机（3）、平流泵（4）、气体中间容器（7）、溶液中间容器（8）、高压反应釜（12）、回压控制器（16）、气体流量计（17）、带数据采集软件的计算机（18）、温压监测仪（19）、恒温气浴箱（20）组成，其特征在于，所述气体中间容器（7）、溶液中间容器（8）、高压反应釜（12）位于恒温气浴箱（20）内，所述高压反应釜（12）顶部安装有反应釜探头（24），该顶部既通过注气管线（21）连接增压阀（9）、气体中间容器（7），通过压力监测管线（22）连接温压监测仪（19），还通过出口管线（23）、出口阀（15）连接回压控制器（16）、气体流量计（17），所述气体中间容器（7）依次连接注气阀（5）、空压机（3）、甲烷气源（1）；所述高压反应釜（12）上部安装有液位监测摄像头（25），中部安装有可视窗（13）和视窗摄像头（26），侧部安装有温度、压力传感器（28），温度、压力传感器连接温压监测仪（19）；所述高压反应釜（12）下部通过液体补偿阀（10）连接溶液中间容器（8）、注液阀（6）、平流泵（4）；所述高压反应釜（12）底部有搅拌电机（14），搅拌电机通过搅拌轴（29）带动搅拌叶片（27）在釜内旋转；所述温压监测仪（19）、气体流量计（17）、反应釜探头（24）、液位监测摄像头（25）、视窗摄像...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭平，陈一健，邱奕龙，刘煌，魏纳，杨恒，汪周华，王雪松，詹思源，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51