一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置及其使用方法，它是由不锈钢缸体、中部渗透板、底部橡胶气囊、顶部密封装置和外部框架组成；整个装置由中部的渗透板将缸体分为三部分，自上而下可分别模拟海水层、沉积层（水合物层）和自由气层；缸体的前后面分别设计了3个窗口，便于观察水合物生成及分解时的现象；顶部的密封装置采用组合机械密封方式，可保证装置的密封效果；可燃冰储层可以按实验设计控制其孔隙比；可燃冰储层周围包围有导磁体感应加热温度控制器，可以精确的控制温度实现对储层的加热。本发明不仅可以实现常规的水合物合成和分解实验，同时可以实现大尺寸模拟海底水合物，特别是渗漏型水合物的生成和开采过程，还可以使用高速CCD相机记录合成及开采过程中的现象，实现模拟的可视化。

说明书

技术领域

本发明涉及可燃冰开发领域，用于模拟海底可燃冰，特别是渗漏型水合物的生成和开采过程。本发明不仅可以实现常规的水合物合成和分解实验，同时可以实现大尺寸模拟海底水合物，特别是渗漏型水合物的生成和开采过程，还可以使用高速CCD相机记录合成及开采过程中的现象。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，是一种天然的无污染的绿色能源。其热值极高，在同等条件下，完全燃烧放出的热量可达到煤气的数十倍。现已勘查探明的天然气水合物中的含碳量相当于已探明现有化石能源（石油、天然气和煤）含碳量总和的2倍，大多储藏在近海大陆架的沉积层，少量储存在高原冻土区，可满足人类未来1000年的能源需求。因此，被认为是具有替代石油、煤和天然气等传统能源巨大潜力的新型能源。

在我国，煤炭是主体能源，在我国一次能源消费结构中煤炭占约70%。大量煤炭的燃烧是引起近年来中国空气质量下降的主要原因之一。今年（2014年）春节全国遭遇了大范围雾霾天，治理雾霾必须要降低化石能源消费、减少大气污染物排放、提倡和发展清洁能源。这就要求从根本上变革中国现有能源结构，完成以清洁能源为主的绿色变革。正是在此背景下，人们将目光瞄向太阳能、风能等清洁能源的同时，对“可燃冰”寄与更多希望，期待我国蕴藏丰富的“能源之王”担当起绿色变革的重任。

在能源稀缺和环境问题更加严峻的今天，如果能够实现天然气水合物的大规模开采，将对缓解人类当前的能源危机及改善居住环境具有重要的战略意义。近年来，美、日、德、加拿大、印度、韩国和比利时等多国政府相继投入了大量人力与财力，对天然气水合物进行了系统且深入的研究，以期实现天然气水合物的大规模安全开采。比如，美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)1999年建议投资 500万美元用于研究天然气水合物的开采利用，2001年增加到 1100万美元，2003年增加到1200万美元，并建议制定在未来10年总投资1.5亿～2亿美元的研发计划；日本于2001年起启动了天然气水合物开发国家计划（MH21，共计16年）,每年投入约50亿日元进行开发研究，并已于2013年实现了试验性开采。

我国对天然气水合物的研究起步较晚，但发展迅速。1999年，我国率先在南海北部陆坡西沙海槽开展天然气水合物调查工作，获取了天然气水合物重要的地球物理证据。在“国家中长期(2006-2020年)科技发展规划”中，列入了水合物开发的重大专项“大型油气田和煤层气开发”。在此基础上，各机构通过 “国家高技术研究发展计划”（863计划）、国家973计划水合物项目等方式的支持，开展了我国在天然气水合物的资源勘查开发关键技术以及天然气水合物的赋存规模、赋存条件、富集规律、内部构造等方面的基础研究。中国科学院广州天然气水合物研究中心自 2004 年 5月成立以来，开展了卓有成效的工作，于 2007年 5月和2009年分别成功在南海北部神狐海域内和青藏高原冻土带钻取了含天然气水合物的岩芯样，从而使中国成为世界上较少的在海洋和陆地上都发现天然气水合物资源的国家。2012年，“海洋六号”对南海区域的天然气水合物进行了包括储量、分布、厚度、开采对环境的影响等10多个项目的详细调查。探测表明，仅南海北部的天然气水合物储量，就已达到我国陆上石油总量的1/2左右，具有很高的开采潜力与资源价值。

然而，由于海底天然气水合物在海底存在于水深300～4000m 的海底沉积物中，天然气水合物的开采面临很多的技术性难题。一般的开采思路是先用降压或者加热等各种方法将水合物分解再回收游离的气体。前苏联的麦索亚哈水合物气藏最早进行了试验性工业开采。2001年10 月～2002 年3月，在加拿大的Mallik 气藏通过钻取一口生产试验井和两口观察井，成功地进行了降压开采和加热开采试验。目前提出的天然气水合物的开采方法基本上还是概念性的，相关研究尚处于试验阶段。本发明可以有助于我们对天然气水合物储层物性作进一步研究，为以后天然气水合物作商业开采提供技术支持。

发明内容

本发明公开了一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置及其使用方法，它是由不锈钢缸体、中部渗透板、底部橡胶气囊、顶部密封装置和外部框架组成；整个装置由中部的渗透板将缸体分为三部分，自上而下可分别模拟海水层、沉积层（水合物层）和自由气层；缸体的前后面分别设计了3个窗口，便于观察水合物生成及分解时的现象；顶部的密封装置采用组合机械密封方式，可保证装置的密封效果；可燃冰储层可以按实验设计控制其孔隙比；可燃冰储层周围包围有导磁体感应加热温度控制器，可以精确的控制温度实现对储层的加热。本发明不仅可以实现常规的水合物合成和分解实验，同时可以实现大尺寸模拟海底水合物，特别是渗漏型水合物的生成和开采过程，还可以使用高速CCD相机记录合成及开采过程中的现象，实现模拟的可视化。

附图说明

图1为本发明一种模拟海底可燃冰生成和开采的实验装置的结构示意图；

图中各标记如下：1、框架，2、釜体，3、密封圈，4、釜盖，5（6）、调压阀， 7、活塞压力板，8、液压千斤顶，9、电极（电阻）数据监测设备，10、排水(气)接口，11、导磁体感应加热装置，12、注气接口，13、渗流板，14、储气橡胶囊，15、压力泵，16、计算机，17（20）、压力表，18（25、26）、调（背）压阀，19、回压阀， 21（29）、气体流量计，22、过滤器，23、减压阀，24（30）、高压气瓶，27、气液分离器，28、天平。

具体实施方式

结合说明书附图说明本发明的具体实施方式。

第一步：制作可燃冰储层坯样。将沙粒和冰粉混合均匀，计算得出冰粉与沙粒混合物的孔隙比                                                ；假设混合物的初始高度为 ，受压后的混合物的高度为 ，则 ，为压力 作用下混合物的压缩量。根据土力学中孔隙比的定义以及混合物体积不会变化，且令，同时混合物受压前后横截面积不变，从而得到：

在已知实验所需孔隙比条件下混合物所需要压缩的高度 ，通过给混合物施加压力是压缩量为，即可完成坯样制作；

第二步：盖好反应釜上部的密封盖4，打开调压阀6,关闭调压阀5，通过压力泵15向千斤顶8供液，通过千斤顶8对密封盖施加向下的法向载荷；调节反应釜空气浴温度；通过接口10和12向坯样上部空间和下部储气橡胶囊注入甲烷气体，使坯样上下两表面达到所需的压力水平；储层上下表面通入甲烷气体至一定压力。调节感应加热装置11对储层坯样快速加热至冰刚好融化，维持该温度一段时间，使甲烷气体充分溶解与砂粒间的孔隙水； 

第三步：待甲烷溶解完全，停止感应装置11加热，调节空气浴温度和坯样上下两表面的压力，使其状态点位于可燃冰相平衡曲线的稳定存在域内，开启实验数据采集设备9，检测水合物的生成，同时，开启外部的CCD高速照相机记录生成过程中的可燃冰的变化情况； 

第四步：等到第三步中水合物生成完全，通过注水接口31向坯样上部空间注入与空气浴温度相同的海水，同时设置背压阀25和26的阀值，使坯样上部压力维持不变；如果排除的只有液体没有气体时，认为坯样上部空间已被海水完全充满；打开调压阀6，液压控制通过活塞压力板7对海水施加一定的向下的法向载荷模拟实际情况中的海水的静水压力； 

第五步：选择试验方法。该方法包括减压法、热激法、化学试剂注入法、置换法或上述方法的联合开采方法； 

第六步：调节有关装置模拟对可燃冰的开采，并检测记录模拟过程中的数据；

第七步：分析数据。