本发明专利技术涉及一种能自由改变实验边界条件的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法。所述实验装置包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中。本发明专利技术可以自由的改变实验温度边界条件；适用于各种大小的三维反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去；可以模拟出地层温度梯度及周围加热的开采方式。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
天然气水合物(NGH)是一种天然气与水形成的非化学计量的笼形化合物。在NGH 中，水分子(主体分子)通过氢键作用形成具有一定尺寸空穴的晶格主体，较小的气体分子 (客体分子，主要是甲烷)包容在空穴中，从而形成外观类似雪花或冰的固态化合物，其密度为0.905 0.91g/cm3。标准状况下，1体积典型的NGH包含164体积的天然气。自然界中在陆地的永冻区和大陆边缘的海底深层砂砾中存在大量的天然气水合物。据估计，以水合物形式存在的碳含量大于目前所有化石燃料中碳含量的总和，被认为是最有应用前景的新能源之一。海底中水合物资源是不稳定的，天然气水合物在海底沉积层中有稳定区和存在区，海底温压条件的轻微改变都足以使水合物发生不同程度的分解。因此研究水合物的形成、分解机理对水合物资源的开发和利用具有重要的意义和参考价值。目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何将蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然后再将天然气开采至地面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。现有的开采方法大体上可分为热力开采法；化学剂开采法；降压开采法。目前，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种能自由改变实验边界条件的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置及三维模拟实验方法。一种天然气水合物三维实验装置，包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境；温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及边界条件；进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、 水的输出压力；进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔即所述的模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的内壁上设置有可变温度边界层。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，模拟腔的体积为0. IL 500L。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜的耐压范围为0 40MPa。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，当设置等温边界条件时，可变温度边界层为不锈钢板；当设置绝热边界条件时，可变温度边界层为绝热板；当设置等热流边界条件时，可变温度边界层为电加热片。所述的天然气水合物三维实验装置，其中，温度和边界控制单元包括边界控制部分和温度控制部分，边界控制部分由不锈钢板包围形成，不锈钢板包围釜体盖板以下的釜体外壁，形成空腔，称为边界控制空腔，在边界控制空腔的顶部设置一个水泵和一个放空阀，在边界控制空腔的底部设置一个真空泵；温度控制部分是个恒温箱，将整个三维反应釜及边界控制部分置于其中。一种上述天然气水合物三维实验装置的三维模拟实验方法，包括通过调节恒温箱温度控制部分的温度以设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层及控制边界控制部分以实现不同的边界条件；通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；实验完成后通过数据处理单元处理数据。所述的三维模拟实验方法，其中，当实验需要等温边界条件时，将可变温度边界层更换为不锈钢板，封闭模拟腔，打开水泵与放空阀，向边界控制空腔内注入冷却液体，当边界控制空腔注满冷却液体后，调节温度控制部分为恒定温度，即完成等温边界条件的设定； 当实验需要绝热边界条件时，将可变温度边界层更换为绝热板，关闭放空阀，打开真空泵， 将边界控制空腔内抽成真空，即完成绝热边界条件的设定；当实验需要等热流边界条件时， 将可变温度边界层更换为电加热板，按照需要选择是否将边界控制空腔抽成真空，打开电加热板电源控制所需的功率大小，即完成等热流边界条件的设定。所述的三维模拟实验方法，其中，本实验中冷却液体由纯水与乙二醇以1 2的比例调制而成。其他可以达到恒温效果的冷却液体也同样适用。本专利技术的有益效果是可以自由的改变实验边界条件；适用于各种大小的三维反应釜；可以让三维水合物物理模拟装置由受局限的实验室尺度，放大到无限大地层上去； 可以模拟出地层温度梯度及周围加热的开采方式。附图说明图1为本专利技术天然气水合物三维实验装置的示意图。图2为图1中三维反应釜及温度和边界控制单元的组成结构图。图3为图1中三维反应釜及温度和边界控制单元的俯视图。具体实施例方式物理模型实验目的是模拟实际水合物藏相对无限大地层动态参数变化情况，但是实验反应釜是有边界存在的，边界的存在对渗流场的等势线分布、流线分布和井的产量都会产生影响，通常称这种影响为“边界效应”。为了处理渗流场的“边界效应”，根据直线不渗透边界的汇点反应法，不渗透边界可以当作镜面，在其另一侧的对称位置上反映一口等强度的虚拟生产井(如果有边界则同时在对称位置上反映同类型边界)，这时形成的渗流场和边界对井的影响形成的渗流场完全相同，因此解决了边界效应对渗流场的影响。由于各地的地质条件和天然气水合物的成分不同，形成机制各异，所以通过模拟实验进行研究，直接指导勘查开发，为模拟实际地层的水合物生成与开采过程，要使物理模型存在可变换的温度边界条件。温度场边界条件共有三种等温边界，绝热边界和等热流边界。当水合物三维实验物理模型需要在等温条件下生成及分解，需要温度场的等温边界条件。当水合物三维实验物理模型需要扩展到无限大地层中，必须形成四壁的渗流场的不渗透直线边界及温度场的绝热边界。当水合物三维实验物理模型需要模拟地层中的温度梯度或者是四周均勻加热如微波加热时需要形成温度场的等热流边界。本专利技术的目的就是提供一种边界条件可变的天然气水合物三维实验装置，该实验装置通过实验实现对水合物开采的模拟，并且通过改变边界条件实现各种模拟需要，从而使三维模拟实验得到扩展。请参阅图1，本专利技术的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元。三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，在该三维反应釜上设置有进口控制单元与出口控制单元用以控制天然气水合物的生成与开采。 模拟腔内填充有多孔介质，作为水合物生成的空间，用于模拟海底环境。温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及三维反应釜的边界条件。进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力。出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力。进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内各感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接。数据处本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种天然气水合物三维实验装置，其特征在于：包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境；温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及边界条件；进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李小森，王屹，黄宁生，李刚，陈朝阳，张郁，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：81
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