專利名稱：模擬一維條件下氣體水合物成藏過程的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬一維條件下氣體水合物特別是天然氣水合物成藏 過程的方法及裝置，屬于資源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是由天然氣和水在低溫高壓條件下形成的似冰狀的白色 固體物質(zhì)，廣泛分布于海洋陸棚及斜坡的沉積物中和陸地永久凍土帶。因 其天然氣組分多以甲烷為主，故又稱甲烷水合物。根據(jù)科學(xué)家初步預(yù)測， 全球天然氣水合物所含天然氣中的有機碳為石油、天然氣和煤等化石燃料
所含有機碳總量的2倍，總資源量約為(1.8 2.1)xl0161113。我國海域和專屬 經(jīng)濟區(qū)有著廣闊的天然氣水合物資源前景，初步估算表明，我國南海陸坡 和海槽沉積物中的水合物可以滿足我國今后數(shù)百年的能源需求。天然氣水 合物的資源勘探與評價必須建立在對水合物成藏機理和分布規(guī)律認(rèn)識的基 礎(chǔ)上。
有學(xué)者認(rèn)為自然界水合物存在擴散型和滲漏型二類(參見文獻(xiàn)[l]: Cathles L M, Chen D F. A compositional kinetic model of hydrate crystallization and dissolution. J. Geophys. Res., 2004， 109， B08102;文獻(xiàn)[2]: 樊栓獅，劉鋒，陳多福.海洋天然氣水合物的形成機理探討.天然氣地球科 學(xué),2004,15(5),524-530)。其中，滲漏型水合物埋藏淺，在海底有出露。而自 然界中的天然氣水合物大多為擴散型，以甲烷為主的烴類氣體由微生物或 熱作用生成后，在合適溫壓條件下就地形成水合物，或通過向上運移的飽和 水釋放出氣體形成水合物，或通過游離的氣體向上運移形成水合物；艮口，
有如下三種海洋沉積物中水合物形成模式
(1) 通過生物成因甲烷形成水合物在水合物穩(wěn)定區(qū)，生物成因甲烷生 成后，在合適的溫壓條件下，與沉積物孔隙里的水結(jié)合，形成水合物，填 充在孔隙中；
(2) 通過向上運移的水釋放出氣體形成水合物(水運移)在海底深層， 以甲烷為主的氣體溶解在海水里并達(dá)到飽和狀態(tài)；在外界的影響下，深層 流體向上遷移，在此過程中，壓力的降低使得氣體在海水里的溶解度降低， 氣體從海水里析出，析出的氣體到達(dá)水合物穩(wěn)定區(qū)，就會形成水合物；
(3) 通過游離的氣體向上運移形成水合物(氣運移)在海底，沉積物 里或地表深層釋放出許多氣體，因為游離氣體的密度比水和沉積物的密度 小，在水合物穩(wěn)定區(qū)，游離氣體將向上運移；向上運移的氣體有可能被不 能透過的沉積層封蓋，這些封蓋層能夠為游離氣體提供空穴，然后這些氣體 在空穴里生成水合物。
目前水合物形成的研究主要針對于主體相系統(tǒng)， 一般是從冰和氣體的 混合物合成水合物，或從攪拌的液態(tài)水和自由氣中合成水合物，但不能代 表海洋環(huán)境條件。對于含沉積物體系，由于沉積物無法攪拌，目前沉積物 中水合物的生成過程的室內(nèi)模擬實驗中，大多通過氣體與含水沉積物靜態(tài) 接觸，緩慢生成水合物。這樣生成水合物不僅速度慢，而且水合物主要是 在氣體和沉積物的交界處生成，與自然界的水合物形成模式存在較大差別。 王玉彬等(文獻(xiàn)[3]:王玉彬，樊栓獅，關(guān)進(jìn)安，梁德青，馮自平.海底滲漏 系統(tǒng)水合物生成過程實驗?zāi)M.天然氣地球科學(xué)，2007,18,596-600)根據(jù)天 然氣水合物滲漏系統(tǒng)的形成特征，建立了海底滲漏系統(tǒng)水合物生成過程實 驗?zāi)M裝置，其中以C02水合物為例，主要通過鼓泡方法進(jìn)氣，在砂層內(nèi)、 砂層下部及砂層上部的水相中均有水合物生成，以模擬在海水中裸露的水 合物。而對于占大多數(shù)的以擴散型為主的天然氣水合物的模擬還很少報道， 對于真實的海底幾百至幾千米的水深下地層中(實驗壓力可達(dá)幾十MPa),
以甲烷為主的天然氣水合物的形成過程，不僅需要模擬水合物形成的氣運 移和水運移兩種形式，同時需要模擬水合物從成核誘導(dǎo)、水合物逐漸形成、 水合物成藏、直至圈閉的整個過程，當(dāng)前的研究還缺乏有效的實驗?zāi)M手 段。目前國內(nèi)外有關(guān)天然氣水合物成藏機理的研究還很不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種模擬氣體水合物特別是天然氣水合物 成藏過程的方法，主要是模擬一維條件下氣體水合物的自然形成過程。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種模擬氣體水合物特別是天然氣水合物 成藏過程的裝置，用于模擬一維條件下氣體水合物的形成過程。
為了模擬氣體水合物特別是天然氣水合物的自然形成過程，本發(fā)明主 要是采用通過測定氣體在多孔介質(zhì)中滲流過程中流量的變化來確定水合物 形成速度，模擬水合物的形成過程。
一方面，本發(fā)明提供了一種模擬一維條件下氣體水合物成藏過程的方 法，該方法是利用在一維高壓反應(yīng)器內(nèi)室形成水合物來模擬氣體水合物成 藏過程，所述反應(yīng)器內(nèi)室被分成上、中、下三部分，中間部分為用于生成 水合物的含水多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分為自由空間；該方法包括
將實驗氣體從反應(yīng)器下部引入反應(yīng)器內(nèi)室，使實驗氣體自下而上滲流 經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)，在多孔介質(zhì)填充區(qū)內(nèi)生成水合物，并將未反應(yīng)的實 驗氣體從反應(yīng)器上部引出。
本發(fā)明的該方法中，可以通過測定氣體在多孔介質(zhì)中滲流過程中的流 量變化來確定水合物形成速度。
本發(fā)明的模擬氣體水合物成藏過程的方法，可以模擬水合物形成的氣 運移形式，即模擬游離氣向多孔介質(zhì)層擴散或滲透的供氣方式；也可以模 擬水合物形成的水運移形式，即模擬被實驗氣體飽和的水溶液運移到多孔 介質(zhì)中釋放氣體的供氣方式。
根據(jù)本發(fā)明的一具體實施方案，本發(fā)明的方法是模擬通過游離氣向多 孔介質(zhì)層擴散或滲透的供氣方式形式水合物的過程，所述方法包括
將游離實驗氣體充入反應(yīng)器，使反應(yīng)器上下自由空間氣體壓力達(dá)到實 驗壓力，開始實驗，使實驗氣體從反應(yīng)器下部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)室、自下向上 滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)、再從反應(yīng)器上部被引出；
單次實驗過程中保持反應(yīng)器上、下自由空間氣體壓力和壓差恒定，測 量實驗過程中氣體進(jìn)出反應(yīng)器的流量隨時間的變化。
該方法中，可以根據(jù)氣體進(jìn)出反應(yīng)器的流量變化情況判定在現(xiàn)有條件 下形成水合物的情況。即，本發(fā)明的方法還可進(jìn)一步包括根據(jù)氣體進(jìn)出反 應(yīng)器的流量變化情況判定在現(xiàn)有條件下水合物形成情況的步驟。
其中，當(dāng)開始實驗后從反應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量一直 維持不變時，可以判定在現(xiàn)有條件下沒有形成水合物；當(dāng)開始實驗后從反 應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量降低時，可以判定在現(xiàn)有條件下有 水合物形成。
更進(jìn)一步，當(dāng)有水合物形成時，本發(fā)明的方法還可以包括
當(dāng)從反應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量降低接近于流量計最低 量程、流量計沒有流量顯示時，提高反應(yīng)器下自由空間的氣體壓力從而提 高上、下自由空間的壓差，繼續(xù)測量氣體進(jìn)出反應(yīng)器的流量；
當(dāng)提高壓差，從反應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量大于流量計 最低量程、流量計有流量顯示時，繼續(xù)實驗；
當(dāng)壓差提高到足夠大(例如大于上、下氣室平均壓力的15%，或者接 近或等于上、下氣室平均壓力的20%或更高)，從反應(yīng)器上自由空間引出 反應(yīng)器的氣體流量仍低于流量計最低量程時，判定水合物圈閉已形成；
當(dāng)在某一壓差下從反應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量出現(xiàn)降低 且降低至某值(不為0的數(shù)值，流量計有顯示)后保持恒定而不再變化， 判定在現(xiàn)有條件下水合物尚不足以圈閉。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施方案，本發(fā)明的方法是模擬通過被氣體飽 和的水溶液運移到多孔介質(zhì)中釋放氣體的供氣方式形成水合物的過程，所 述方法包括-
將被實驗氣體飽和的水溶液充滿反應(yīng)器內(nèi)室，開始實驗，將容置在一 水罐內(nèi)的被實驗氣體飽和的水溶液從反應(yīng)器下部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)室、自下向 上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)、并從反應(yīng)器上部引出后返回水罐；實驗過程 中保持水罐中氣體壓力和溫度恒定，為保持水罐中氣體壓力恒定而向水罐 中補充實驗氣體。該方法中，可以根據(jù)向水罐中補充實驗氣體的情況判定 在現(xiàn)有條件下形成水合物的情況。即，本發(fā)明的方法還可進(jìn)一步包括根據(jù) 向水罐中補充實驗氣體的情況判定在現(xiàn)有條件下水合物形成情況的步驟。
其中，當(dāng)開始實驗后為保持水罐中氣體壓力恒定而向水罐中補充實驗 氣體的量為零，判定在現(xiàn)有條件下沒有形成水合物；當(dāng)開始實驗后為保持 水罐中氣體壓力恒定而向水罐中補充實驗氣體的量大于零，判定在現(xiàn)有條 件下有水合物形成。
更進(jìn)一步，當(dāng)有水合物形成時，還可進(jìn)一步根據(jù)液體流量情況判斷水 合物的形成情況，其中當(dāng)向水罐中補充實驗氣體的總量不再變化，同時 基本無液體進(jìn)出反應(yīng)器時，判定水合物圈閉已形成；當(dāng)向水罐中補充實驗 氣體的總量不再變化，同時仍有液體進(jìn)出反應(yīng)器時，判定在現(xiàn)有條件下水 合物尚不足以圈閉。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種模擬一維條件下氣體水合物成藏過程 的裝置，該裝置包括
一維高壓反應(yīng)器，該反應(yīng)器內(nèi)室分成上、中、下三部分，中間部分為 用于生成水合物的含水多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分為自由空間；
供氣系統(tǒng)，該供氣系統(tǒng)是用以將實驗氣體從反應(yīng)器下部引入反應(yīng)器內(nèi) 室，使實驗氣體滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)與多孔介質(zhì)中的水反應(yīng)生成水合 物，并將未發(fā)生反應(yīng)的實驗氣體從反應(yīng)器上部引出。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，所述供氣系統(tǒng)可以包括氣循環(huán)系統(tǒng)和/或 液循環(huán)系統(tǒng)。
所述氣循環(huán)系統(tǒng)主要包括緩沖罐、循環(huán)壓縮機和氣罐，該氣循環(huán)系統(tǒng) 主要是用于模擬游離氣向多孔介質(zhì)層擴散或滲透的供氣方式，更具體地說， 該氣循環(huán)系統(tǒng)是用以將所述實驗氣體從氣罐引出后進(jìn)入反應(yīng)器，并將反應(yīng) 器上部自由空間內(nèi)未反應(yīng)的實驗氣體引出反應(yīng)器后先進(jìn)入緩沖罐，然后經(jīng) 過循環(huán)壓縮機后再返回氣罐。
所述液循環(huán)系統(tǒng)主要包括計量泵和高壓水罐，該液循環(huán)系統(tǒng)主要是用 于模擬被實驗氣體飽和的水溶液運移到多孔介質(zhì)中釋放氣體的供氣方式， 更具體地說，該液循環(huán)系統(tǒng)是利用所述計量泵將高壓水罐中的被實驗氣體 飽和的水溶液引入反應(yīng)器、流經(jīng)多孔介質(zhì)填充區(qū)、并從反應(yīng)器上部引出后 返回高壓水罐；且高壓水罐設(shè)有用以向高壓水罐內(nèi)補充氣體的補氣裝置。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，在本發(fā)明的模擬一維條件下氣體水合物
成藏過程的裝置中，還進(jìn)一步包括測試系統(tǒng)以及恒溫控制系統(tǒng)； 所述測試系統(tǒng)包括
① 置在高壓反應(yīng)器內(nèi)的熱電偶，主要是用以測定反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫 度；以及
② 置在氣循環(huán)系統(tǒng)中的用以測定進(jìn)出反應(yīng)器的氣體流量的氣體 流量計、監(jiān)測反應(yīng)器上下自由空間壓力的壓力傳感器、和反應(yīng) 器上下自由空間的差壓變送器；和/或
設(shè)置在液循環(huán)系統(tǒng)中的液體流量計，用以測定液循環(huán)系統(tǒng)中的 液體流量；和高壓水罐的補氣流量計，用以測定為保持水罐中 氣體壓力恒定而向水罐中補充實驗氣體的量； 所述恒溫控制系統(tǒng)包括
控制氣循環(huán)系統(tǒng)和/或液循環(huán)系統(tǒng)溫度的恒溫水浴、和控制一維高
壓反應(yīng)器溫度的恒溫空氣?。换蛘?，
容置所述一維高壓反應(yīng)器、氣循環(huán)系統(tǒng)和/或液循環(huán)系統(tǒng)的恒溫室。 本發(fā)明的實驗裝置主要是為模擬一維條件下的氣體水合物特別是天然 氣水合物的形成過程，反應(yīng)器長徑比(主要是反應(yīng)器內(nèi)室多孔介質(zhì)填充區(qū)
段的長徑比)最好》5,例如長徑比范圍可為5~100，優(yōu)選大于IO， g口，本 發(fā)明的反應(yīng)器是一維長管反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)徑范圍優(yōu)選為10~50mm。具體 實施時，反應(yīng)器還可包括兩個多孔塞，所述兩個多孔塞將反應(yīng)器內(nèi)室分成 上、中、下三部分。另外，反應(yīng)器應(yīng)耐受一定的實驗壓力和溫度，本發(fā)明 中要求反應(yīng)器能耐受0~40MPa的壓力以及-30'C 4(TC的溫度(本發(fā)明裝置 中的其他部件如高壓水罐優(yōu)選也能耐受該壓力和溫度)。本發(fā)明的反應(yīng)器 的主體(長管)可以是包括藍(lán)寶石管和/或不銹鋼管，選用藍(lán)寶石管可以提 供實驗的可視性。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的具體實施方案，所述反應(yīng)器為不 銹鋼管和藍(lán)寶石管上下分段組合而成，可以提高模擬實驗的可視性并適當(dāng) 降低成本，同時，當(dāng)水合物形成之后，需要微觀觀測時，還可以將藍(lán)寶石 管卸下，放入低溫環(huán)境下，進(jìn)行核磁共振掃描。
本發(fā)明的方法和裝置中，所述多孔介質(zhì)可以包括石英砂、硅膠、海 底沉積物、活性炭、硅藻土、石棉、膨潤土、分子篩、白土、活性氧化鋁、 硅酸鋁以及陶瓷等多孔介質(zhì)中的一種或多種。
本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)中所含的用于生成水合物的水，以及液循環(huán) 系統(tǒng)中高壓水罐內(nèi)的水溶液，可以是各種可以生成水合物的含水物質(zhì)，例 如純水，或含鹽、含醇、含水合物抑制劑或表面活性劑的水溶液，或天 然海水等。
本發(fā)明的方法和裝置，可以適用于模擬單一氣體的水合物形成過程， 也可以適用于模擬雙組分或更多組分的混合氣體、天然氣的水合物形成過 程。本發(fā)明的方法可適用的可生成水合物的氣體包括，但不限于以下物質(zhì) 中的一種或多種甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮氣、硫化氫或其混合 物，也可以是丁烷或戊烷與上述小分子氣體(例如甲烷、乙烷或氮氣等)
的混合氣體，也可以是地層游離氣、伴生氣等天然氣。
綜上所述，利用本發(fā)明的裝置和方法，可以模擬水合物形成的氣運移 和水運移兩種形式，同時還可以模擬水合物從成核誘導(dǎo)、水合物逐漸形成、 水合物成藏、直至圈閉的整個過程，本發(fā)明的裝置和方法，可以用于考察 各種實驗條件對氣體水合物成藏的影響，對于研究天然氣水合物的成藏機 理和分布規(guī)律具有重要意義。


圖1為顯示本發(fā)明的水合物成藏形成過程的模擬實驗流程示意圖。
圖2為顯示根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例的水合物藏形成過程模擬裝置 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3顯示了實施例1中甲烷氣體水合物成藏過程中甲垸的累積消耗率 隨時間的變化。
圖4顯示了實施例2中補氣總量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)隨時間的變化。
具體實施例方式
以下結(jié)合具體實施方式
和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說明， 旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)和所能產(chǎn)生的有益效果，不 能理解為對本發(fā)明實施范圍的任何限定。
請參見圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的一種模擬一維條件下氣體水合 物形成過程的實驗裝置主要包括
(1)反應(yīng)器l:該反應(yīng)器1為本發(fā)明裝置的核心部分，該反應(yīng)器l的 耐壓范圍0 40MPa，耐溫范圍-30'C 40'C。反應(yīng)器1內(nèi)徑范圍可為 10 50rnrn，長徑比范圍可為5 100，優(yōu)選大于10;其中，兩個多孔塞2將 反應(yīng)器1的內(nèi)室分成三個部分，中間部分為多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分 為兩個自由空間(應(yīng)用時中間部分應(yīng)盡量長一些，以保證較長的反應(yīng)空間)。
多孔塞2的主要作用是支撐填充在兩多孔塞間的中間部分的多孔介質(zhì)，多 孔塞的機械強度可根據(jù)實驗壓力及介質(zhì)重量而定。多孔塞上均勻開設(shè)多個 孔，以方便氣體和液體的流通，本發(fā)明中，根據(jù)多孔介質(zhì)的尺寸及實驗要 求，多孔塞的開孔率可選擇為30%~80%,孔直徑及孔間距按開孔率及多孔 塞尺寸計算，更進(jìn)一步，為防止多孔介質(zhì)從多孔塞孔中漏出，上多孔塞的 下方及下多孔塞的上方均可鋪設(shè)多孔篩網(wǎng)。上、下兩個自由空間根據(jù)實驗 目標(biāo)的不同，可以充高壓實驗氣體，也可以充高壓實驗液體例如海水等。 請參見圖2所示，本發(fā)明的反應(yīng)器優(yōu)選為不銹鋼管1A和藍(lán)寶石管1B上下 分段組合而成，可以提高模擬實驗的可視性，同時，當(dāng)水合物形成之后， 需要微觀觀測時，可以將藍(lán)寶石管1B卸下，放入低溫環(huán)境下，進(jìn)行核磁共 振掃描。
(2) 氣循環(huán)系統(tǒng)該氣循環(huán)系統(tǒng)主要包括緩沖罐3、循環(huán)壓縮機4和 氣罐5;該氣循環(huán)系統(tǒng)是用以將所述實驗氣體從氣罐5引出后進(jìn)入反應(yīng)器1 、 自下向上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)，并將反應(yīng)器1上部自由空間內(nèi)未反應(yīng) 的實驗氣體引出反應(yīng)器1后先進(jìn)入緩沖罐3，然后經(jīng)過循環(huán)壓縮機4后再返 回氣罐5，從而形成氣循環(huán)；
(3) 液循環(huán)系統(tǒng)(水循環(huán)系統(tǒng))該液循環(huán)系統(tǒng)主要包括計量泵6和 高壓水罐7;該液循環(huán)系統(tǒng)是利用所述計量泵6將高壓水罐7中的被實驗氣 體飽和的水溶液引入反應(yīng)器l、流經(jīng)多孔介質(zhì)填充區(qū)、并從反應(yīng)器上部引出 后返回高壓水罐7，從而形成液循環(huán)；并且，高壓水罐7還設(shè)有用以向高壓 水罐7內(nèi)補充氣體的補氣裝置。
(4) 測試系統(tǒng)該測試系統(tǒng)主要包括設(shè)置在高壓反應(yīng)器1內(nèi)的熱電偶 (圖中未顯示)；置在氣循環(huán)系統(tǒng)中的用于測定反應(yīng)器1進(jìn)出口氣體流量
的氣體流量計、測定反應(yīng)器1上下自由空間氣體壓力的壓力傳感器、以及 反應(yīng)器1上下自由空間的差壓變送器；設(shè)置在液循環(huán)系統(tǒng)中的用以測定進(jìn) 出反應(yīng)器1的液體流量的液體流量計、以及高壓水罐7的補氣流量計。
(5)恒溫控制系統(tǒng)所述恒溫控制系統(tǒng)優(yōu)選為恒溫室8 (參見圖2所
示)，即將整個實驗裝置(包括反應(yīng)器1，以及氣循環(huán)系統(tǒng)和/或液循環(huán)系
統(tǒng))放置于恒溫室8中；所述恒溫控制系統(tǒng)也可以分為幾個控溫單元，例 如，將一維高壓反應(yīng)器1及相關(guān)管線和測試儀表放置于恒溫空氣浴中，而 液循環(huán)系統(tǒng)則采用恒溫水浴，反應(yīng)器1前氣循環(huán)系統(tǒng)的管線采用盤管形式， 以水浴恒溫。
本發(fā)明的模擬一維條件下氣體水合物形成過程的實驗裝置還包括必要 的管線(管路)和開關(guān)閥門等。
本發(fā)明的實驗裝置，可以用于模擬海底氣體水合物的真實形成情況， 其中考慮了兩種供氣方式 一種是模擬水合物形成的氣運移形式，即模擬 游離氣向多孔介質(zhì)層擴散或滲透的供氣方式；另一種是模擬水合物形成的
水運移形式，即模擬被甲烷等氣體飽和的水溶液運移到多孔介質(zhì)中釋放氣 體的供氣方式。
模擬水合物形成的氣運移形式所用到的裝置主要包括上述的反應(yīng)器1、
氣循環(huán)系統(tǒng)(包括緩沖罐3、循環(huán)壓縮機4和氣罐5)以及相關(guān)的測試系統(tǒng) 和恒溫控制系統(tǒng)，模擬水合物形成的氣運移形式所對應(yīng)的模擬實驗方法可 包括以下步驟
首先將恒溫控制系統(tǒng)設(shè)定到某指定溫度(實驗溫度)，然后將含水多
孔介質(zhì)裝填到反應(yīng)器l中，含水飽和度通常為5%~100%，具體由模擬的實
際地層條件或?qū)嶒灄l件而定。并對含水多孔介質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲簩嵦幚?，?實程度可以根據(jù)實際地層條件及介質(zhì)孔隙度要求等而確定。
再將氣罐5中的高壓氣體從反應(yīng)器1的下部緩慢引入反應(yīng)體系，保持 反應(yīng)器1上下氣室的壓差不能太大，防止多孔介質(zhì)層的移動，上下氣室的 壓差大小一般低于上、下氣室平均壓力的20%,約幾KPa至一千KPa，具 體可由氣相介質(zhì)類型及實驗要求而定。上、下氣室的壓力模擬海底的實際 環(huán)境而定。
當(dāng)上、下氣室的壓力達(dá)到設(shè)定值時，開始實驗，啟動循環(huán)壓縮機4，氣 循環(huán)系統(tǒng)開始工作，使氣體在多孔介質(zhì)中緩慢滲流。氣體流速由多孔介質(zhì) 孔隙條件、實驗壓力及所模擬的實際地層情況而定。
實驗過程中通過穩(wěn)壓閥保持反應(yīng)器1上、下自由空間(氣室)壓力和 壓差恒定，測量上、下氣室氣體流量隨時間的變化。上、下氣體流量計指 示的瞬時流量差可作為當(dāng)前氣體轉(zhuǎn)化為水合物的速度，上、下氣體流量計 的累計流量差為氣體轉(zhuǎn)化為水合物的總量。流量、壓差、壓力等數(shù)據(jù)均可 由計算機在線釆集，瞬時流量差和累計流量差可由流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到。
當(dāng)開始實驗后上下氣室氣體流量一直維持不變時，表明在現(xiàn)有條件下 沒有形成水合物。
當(dāng)開始實驗后上氣室氣體流量出現(xiàn)減小，表示有水合物形成。有水合 物形成時，當(dāng)上氣室氣體流量降低并接近于流量計最低量程(流量計沒有 流量顯示)時，適當(dāng)提高下氣室的壓力，即提上下高氣室壓差。
當(dāng)提高壓差，上氣室的流量計有流量顯示時，繼續(xù)上述實驗。當(dāng)壓差 增加到足夠大，例如大于上、下氣室平均壓力的15%，或者接近上、下氣 室平均壓力的20%，上氣室的氣體流量仍低于最低量程，表明水合物"圈 閉"已形成。氣體流量計的量程范圍可由實驗條件確定。
當(dāng)在某一壓差下，從開始實驗后，上氣室氣體流量出現(xiàn)降低，且降低 至某值后保持恒定，流量不再變化，表明水合物的生成量總量較少，在現(xiàn) 有條件下水合物尚不足以圈閉。
可以看出，在上述模擬實驗過程中，通過上、下氣體流量計指示的瞬 時流量差、累計流量差可以獲得由于水合物形成導(dǎo)致的氣體消耗量的變化， 由此確定水合物形成速度及形成量。同時也可以通過不斷提高的壓差計算 氣體在多孔介質(zhì)中滲流過程中流動阻力的變化，判斷水合物的形成量，模 擬水合物圈閉的形成過程。
模擬水合物形成的水運移形式所用到的裝置主要包括上述的反應(yīng)器1、液循環(huán)系統(tǒng)(計量泵6、高壓水罐7)以及相關(guān)的測試系統(tǒng)和恒溫控制系統(tǒng)， 模擬水合物形成的水運移形式所對應(yīng)的模擬實驗方法可參考前述模擬水合 物形成的氣運移形式的實驗步驟設(shè)計。該模擬實驗過程中，在高壓水罐7 中被高壓氣體飽和的水溶液通過計量泵6壓入反應(yīng)器1的下部自由空間， 通過下多孔塞2滲入多孔介質(zhì)層(溶液流速由多孔介質(zhì)孔隙條件、實驗壓 力及所模擬的實際地層情況而定)，實驗過程中保持水罐7中氣體壓力和 溫度恒定，為保持水罐7中氣體壓力恒定而根據(jù)需要向水罐7中補充氣體， 且在高壓水罐上方設(shè)置有氣體流量計，可以計量由于水罐7內(nèi)氣體消耗引 起的氣體補充的流量。
當(dāng)實驗條件不足以使水合物形成時，反應(yīng)器1中沒有氣體消耗，高壓 水罐7中的氣體壓力保持恒定，高壓水罐7中氣體流量計(補氣流量計〉 的流量沒有變化。
當(dāng)實驗條件足以使水合物形成時，由于被高壓氣體飽和的水在通過反 應(yīng)器1時，水中的氣體在反應(yīng)器1中形成水合物而被消耗掉，流回水罐7 中的水不再飽和，因此在水罐7中部分高壓氣體溶入水相中以維持飽和狀 態(tài)，致使水罐7中的壓力降低，需要由外部氣體的補充以保持恒定的實驗 壓力，向水罐7中補氣的速度即為水合物生成過程的氣體轉(zhuǎn)化速率。
有水合物生成時，反應(yīng)器1中，隨著水合物的不斷形成，多孔介質(zhì)中 的孔隙減少，恒定壓力下計量泵6的流量將變小。當(dāng)水罐7中壓力保持不 變不再補氣，同時計量泵6的流量降為基本沒有顯示時，表明水合物"圈 閉"已形成；當(dāng)水罐7中壓力保持不變不再補氣，但計量泵6仍有流量顯 示時，表明在現(xiàn)有條件下水合物尚不足以圈閉。
適用于本發(fā)明的所述多孔介質(zhì)有石英砂、硅膠、海底沉積物、活性 炭，也可以是硅藻土、石棉、膨潤土、分子篩、白土、活性氧化鋁、硅酸 鋁或陶瓷等多孔介質(zhì)。用于生成水合物的含水樣品可以是各種可以生成水 合物的含水物質(zhì)，例如純水，含鹽、含醇、含水合物抑制劑或表面活性
劑的水溶液。本發(fā)明的方法，可以適用于單一氣體的水合物成藏過程模擬， 也可以適用于雙組分或更多組分的混合氣體、天然氣的水合物成藏過程模 擬。本發(fā)明的方法可適用的可生成水合物的氣體可以包括，但不限于以下 物質(zhì)中的一種或多種甲烷、乙烷、丙垸、二氧化碳、氮氣、硫化氫或其 混合物，也可以是丁垸或戊垸與上述小分子氣體(例如甲垸、乙烷或氮氣 等)的混合氣體，也可以是地層游離氣、伴生氣等天然氣。利用本發(fā)明的 裝置和方法，可以考察各種實驗條件對氣體水合物成藏的影響。
實施例l:甲烷向多孔介質(zhì)層擴散的一維水合物成藏模擬 本實施例中，根據(jù)水合物藏形成過程模擬實驗流程，設(shè)計了含四段高 壓盲管1A和三段高壓藍(lán)寶石管1B組合的一維高壓反應(yīng)器，如圖2所示，
本實施例中的模擬實驗裝置主要包括一維高壓反應(yīng)器1 (內(nèi)徑為25.4mm， 總長1.2m，多孔介質(zhì)填充區(qū)域的長徑比約42)、緩沖罐3、循環(huán)壓縮機4、 氣罐5，以及測試系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)，恒溫控制系統(tǒng)的主體為低溫恒溫室 8，裝置的主體部分一維反應(yīng)器1、各連接管線、流量計、差壓變送器、壓 力傳感器等均放置于低溫恒溫室8中，以保持整個體系的溫度恒定。實驗 過程中，首先將體系溫度設(shè)定并維持于實驗溫度4'C。然后將含水多孔介質(zhì) 填充至一維反應(yīng)器1中，多孔介質(zhì)選用80~100目石英砂，含水飽和度為 70%，并根據(jù)實驗壓力進(jìn)行壓實處理。將反應(yīng)器內(nèi)抽真空后，打幵反應(yīng)器l 下部闊門，緩慢進(jìn)甲垸氣體，直至反應(yīng)器1上、下氣室的壓力分別達(dá)到實 驗壓力5.8MPa和6.0 MPa，進(jìn)氣過程中保持反應(yīng)器1上下氣室的壓差在 0.2MPa以內(nèi)。啟動循環(huán)壓縮機4，使甲烷氣體在反應(yīng)器1中的石英砂中緩 慢滲流，實驗過程中通過穩(wěn)壓閥、背壓閥保持反應(yīng)器1上、下氣室壓力分 別為5.8MPa和6.0MPa，壓差恒定為0.2MPa，反應(yīng)器1上方及下方各安裝 一流量計，測量反應(yīng)器進(jìn)口、出口處的氣體流量隨時間的變化。
上、下氣體流量計指示的瞬時流量差可作為當(dāng)前氣體轉(zhuǎn)化為水合物的
速度，圖3中列出了甲烷氣體水合物形成過程中甲烷的累積消耗率隨時間 的變化。開始階段，上、下氣體流量計的數(shù)值相等，水合物尚未形成，處 于誘導(dǎo)階段，時間約23分鐘，隨后有水合物生成，甲烷氣體因此而消耗， 上氣室的壓力在背壓閥的作用下，維持反應(yīng)器中上氣室的壓力恒定，排出 的氣體流量因此而減小，隨著水合物的不斷生成，形成速度有增加的趨勢， 穿越多孔介質(zhì)的氣體大多被消耗，上氣室流量計的流量逐漸減少，并接近 于零，此時，提高下氣室的壓力至6.2MPa，使上下氣室的壓差為0.4MPa, 以增加氣體的流量。同樣可以發(fā)現(xiàn)，上氣室的流量逐漸減少， 一方面是由 于氣體的消耗引起，另一方面是由于水合物大面積形成，多孔介質(zhì)中的孔 隙逐漸被水合物占據(jù)而引起。當(dāng)氣體流量接近于零時，則繼續(xù)增加下氣室 的壓力，使氣體能夠穿越孔隙逐漸減少的多孔介質(zhì)層。當(dāng)壓差增加到0.8MPa
后，僅有少量水合物繼續(xù)形成，并逐漸沒有流量顯示，當(dāng)繼續(xù)提高壓差至 l.OMPa仍沒有氣體流量，表明水合物"圈閉"已形成。
實施例2:被甲垸等氣體飽和的水溶液運移到多孔介質(zhì)中釋放氣體的一 維水合物成藏模擬
采用圖2中所示的裝置，主要包括一維高壓反應(yīng)器1 (反應(yīng)器1結(jié)構(gòu)尺 寸同實施例1)、計量泵6、高壓水罐7，以及測試系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)。 維持高壓反應(yīng)器1及高壓水罐7等中的溫度處于設(shè)定值2'C，將高壓氣體通 入高壓水罐7，打開高壓水罐7中的攪拌裝置，使高壓氣體溶于水，并達(dá)到 飽和。將多孔介質(zhì)填充至一維反應(yīng)器1中，多孔介質(zhì)選用80~100目石英砂， 并進(jìn)行壓實處理。抽真空后，打開反應(yīng)器l下部閥門，啟動計量泵6，在高 壓水罐7中被高壓氣體飽和的水壓入反應(yīng)器1的下部自由空間，通過多孔 塞2滲入多孔介質(zhì)層，并充滿反應(yīng)器1的上部自由空間，并由計量泵6使 液體在高壓水罐7、反應(yīng)器l之間循環(huán)。開始實驗，實驗過程中保持水罐中 氣體溫度恒定為2.0'C，高壓水罐7中的攪拌一直處于開啟狀態(tài)以保證進(jìn)入
反應(yīng)器1的液體處于飽和，壓力的恒定則通過補充氣體完成，并始終保持
為6.0MPa，補充的氣體量由氣體流量計測得。
補氣總量隨時間的變化曲線列于圖4中，由圖4可以看出，在初始的 一段時間，由于水合物沒有形成，水罐7中的水保持飽和狀態(tài)，補氣量為 一水平直線，經(jīng)過16分鐘后，水合物開始形成，由此消耗了液相中溶解的 甲烷氣體，流回高壓水罐7的水處于欠飽和狀態(tài)，高壓水罐7的壓力有所 降低，該壓力差由新鮮氣體彌補，同時高壓水罐7內(nèi)的攪拌以及氣液相的 濃度差異使甲垸氣體溶于水相中保持液相處于飽和狀態(tài)。由于甲烷氣體在 水相中的溶解度并不大，水合物的形成過程較長，約8小時水罐中的氣體 不再消耗，且計量泵6沒有流量顯示，表明水合物"圈閉"形成。
權(quán)利要求
1. 一種模擬一維條件下氣體水合物成藏過程的方法，該方法是利用在一維高壓反應(yīng)器內(nèi)室形成水合物來模擬氣體水合物成藏過程，所述反應(yīng)器內(nèi)室被分成上、中、下三部分，中間部分為用于生成水合物的含水多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分為自由空間；該方法包括將實驗氣體從反應(yīng)器下部引入反應(yīng)器內(nèi)室，使實驗氣體自下而上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)，在多孔介質(zhì)填充區(qū)內(nèi)生成水合物，并將未反應(yīng)的實驗氣體從反應(yīng)器上部引出；通過測定氣體在多孔介質(zhì)中滲流過程中的流量變化來確定水合物形成速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法是模擬通過游離氣向多孔介質(zhì) 層擴散或滲透的供氣方式形成水合物的過程，其中包括將游離實驗氣體充入反應(yīng)器，使反應(yīng)器上下自由空間氣體壓力達(dá)到實 驗壓力，開始實驗，使游離實驗氣體從反應(yīng)器下部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)室、自下 向上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)、再從反應(yīng)器上部被引出；單次實驗過程中保持反應(yīng)器上、下自由空間氣體壓力和壓差恒定，測 量實驗過程中氣體進(jìn)出反應(yīng)器的流量隨時間的變化，根據(jù)氣體進(jìn)出反應(yīng)器 的流量變化情況判定在現(xiàn)有條件下形成水合物的情況。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，該方法還包括-當(dāng)開始實驗后從反應(yīng)器上自由空間引出反應(yīng)器的氣體流量降低至小于 流量計最低量程時，提高反應(yīng)器下自由空間的氣體壓力從而提高上、下自 由空間的壓差，繼續(xù)測量氣體進(jìn)出反應(yīng)器的流量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法是模擬通過被氣體飽和的水溶 液運移到多孔介質(zhì)中釋放氣體的供氣方式形成水合物的過程，其中包括將被實驗氣體飽和的水溶液充滿反應(yīng)器內(nèi)室，開始實驗，將容置在一 水罐內(nèi)的被實驗氣體飽和的水溶液從反應(yīng)器下部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)室、自下向 上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)、并從反應(yīng)器上部引出后返回水罐；實驗過程 中保持水罐中氣體壓力和溫度恒定，為保持水罐中氣體壓力恒定而向水罐 中補充實驗氣體，根據(jù)向水罐中補充實驗氣體的情況判定在現(xiàn)有條件下形 成水合物的情況。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多孔介質(zhì)包括石英砂、硅膠、海底沉積物、活性炭、硅藻土、 石棉、膨潤土、分子篩、白土、活性氧化鋁、硅酸鋁以及陶瓷中的一種或 多種；所述多孔介質(zhì)中所含的用于生成水合物的水為純水，或含鹽、含醇、 含水合物抑制劑或表面活性劑的水溶液，或天然海水；所述實驗氣體包括甲垸、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮氣、硫化氫或 其混合物，丁烷或戊垸與小分子氣體甲垸、乙烷或氮氣的混合氣體，地層 游離氣，或伴生氣。
6. —種模擬一維條件下氣體水合物成藏過程的裝置，該裝置包括-一維高壓反應(yīng)器，該反應(yīng)器內(nèi)室分成上、中、下三部分，中間部分為用于生成水合物的含水多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分為自由空間；供氣系統(tǒng)，該供氣系統(tǒng)是用以將實驗氣體從反應(yīng)器下部引入反應(yīng)器內(nèi) 室，使實驗氣體滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)與多孔介質(zhì)中的水反應(yīng)生成水合 物，并將未發(fā)生反應(yīng)的實驗氣體從反應(yīng)器上部引出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述供氣系統(tǒng)包括氣循環(huán)系統(tǒng) 和/或液循環(huán)系統(tǒng)；所述氣循環(huán)系統(tǒng)包括緩沖罐、循環(huán)壓縮機和氣罐，該氣循環(huán)系統(tǒng)是用 以將所述實驗氣體從氣罐引出后進(jìn)入反應(yīng)器，并將反應(yīng)器上部自由空間內(nèi) 未反應(yīng)的實驗氣體引出反應(yīng)器后先進(jìn)入緩沖罐，然后經(jīng)過循環(huán)壓縮機后再 返回氣罐；所述液循環(huán)系統(tǒng)包括計量泵和高壓水罐，該液循環(huán)系統(tǒng)是利用所述計 量泵將高壓水罐中的被實驗氣體飽和的水溶液引入反應(yīng)器、流經(jīng)多孔介質(zhì) 填充區(qū)、并從反應(yīng)器上部引出后返回高壓水罐；且高壓水罐設(shè)有用以向高 壓水罐內(nèi)補充氣體的補氣裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，該裝置還包括測試系統(tǒng)以及恒 溫控制系統(tǒng)；所述測試系統(tǒng)包括① 置在高壓反應(yīng)器內(nèi)的熱電偶；以及② 置在氣循環(huán)系統(tǒng)中的用以測定進(jìn)出反應(yīng)器的氣體流量的氣體 流量計、監(jiān)測反應(yīng)器上下自由空間壓力的壓力傳感器、和反應(yīng) 器上下自由空間的差壓變送器；和/或設(shè)置在液循環(huán)系統(tǒng)中的液體流量計和高壓水罐的補氣流量計； 所述恒溫控制系統(tǒng)包括-控制氣循環(huán)系統(tǒng)和/或液循環(huán)系統(tǒng)溫度的恒溫水浴、和控制一維高 壓反應(yīng)器溫度的恒溫空氣?。换蛘?，容置所述一維高壓反應(yīng)器、氣循環(huán)系統(tǒng)和/或液循環(huán)系統(tǒng)的恒溫室。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述反應(yīng)器能耐受0 40MPa 的壓力以及-3(TC 40。C的溫度，反應(yīng)器內(nèi)徑范圍為10~50mm，反應(yīng)器內(nèi)室 多孔介質(zhì)填充區(qū)的長徑比為5-100。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述反應(yīng)器的主體包括藍(lán)寶 石管和/或不銹鋼管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種模擬一維條件下氣體水合物成藏過程的方法及裝置，主要是利用在一維高壓反應(yīng)器內(nèi)室形成水合物來模擬氣體水合物成藏過程，所述反應(yīng)器內(nèi)室被分成上、中、下三部分，中間部分為用于生成水合物的含水多孔介質(zhì)填充區(qū)，上、下部分為自由空間；該方法包括將實驗氣體從反應(yīng)器下部引入反應(yīng)器內(nèi)室，使實驗氣體自下而上滲流經(jīng)過多孔介質(zhì)填充區(qū)，在多孔介質(zhì)填充區(qū)內(nèi)生成水合物，并將未反應(yīng)的實驗氣體從反應(yīng)器上部引出；通過測定氣體在多孔介質(zhì)中滲流過程中的流量變化來確定水合物形成速度。本發(fā)明的方法和裝置，可模擬水合物形成的氣運移和水運移兩種形式，且可模擬水合物從成核誘導(dǎo)、水合物逐漸形成、水合物成藏、直至圈閉的整個過程。
文檔編號C10L5/00GK101376853SQ20081011976
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者孫長宇, 新 楊, 郭緒強, 陳光進(jìn), 陳立濤 申請人:中國石油大學(xué)(北京)