一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法，它是由不銹鋼缸體、中部滲透板、底部橡膠氣囊、頂部密封裝置和外部框架組成；整個(gè)裝置由中部的滲透板將缸體分為三部分，自上而下可分別模擬海水層、沉積層（水合物層）和自由氣層；缸體的前后面分別設(shè)計(jì)了3個(gè)窗口，便于觀察水合物生成及分解時(shí)的現(xiàn)象；頂部的密封裝置采用組合機(jī)械密封方式，可保證裝置的密封效果；可燃冰儲(chǔ)層可以按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)控制其孔隙比；可燃冰儲(chǔ)層周圍包圍有導(dǎo)磁體感應(yīng)加熱溫度控制器，可以精確的控制溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的加熱。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的水合物合成和分解實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大尺寸模擬海底水合物，特別是滲漏型水合物的生成和開(kāi)采過(guò)程，還可以使用高速CCD相機(jī)記錄合成及開(kāi)采過(guò)程中的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)模擬的可視化。
【專利說(shuō)明】一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可燃冰開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，用于模擬海底可燃冰，特別是滲漏型水合物的生成和開(kāi)采過(guò)程。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的水合物合成和分解實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大尺寸模擬海底水合物，特別是滲漏型水合物的生成和開(kāi)采過(guò)程，還可以使用高速CCD相機(jī)記錄合成及開(kāi)采過(guò)程中的現(xiàn)象。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物又稱可燃冰，是一種天然的無(wú)污染的綠色能源。其熱值極高，在同等條件下，完全燃燒放出的熱量可達(dá)到煤氣的數(shù)十倍。現(xiàn)已勘查探明的天然氣水合物中的含碳量相當(dāng)于已探明現(xiàn)有化石能源(石油、天然氣和煤)含碳量總和的2倍，大多儲(chǔ)藏在近海大陸架的沉積層，少量?jī)?chǔ)存在高原凍土區(qū)，可滿足人類未來(lái)1000年的能源需求。因此，被認(rèn)為是具有替代石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)能源巨大潛力的新型能源。
[0003]在我國(guó)，煤炭是主體能源，在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占約70%。大量煤炭的燃燒是引起近年來(lái)中國(guó)空氣質(zhì)量下降的主要原因之一。今年(2014年)春節(jié)全國(guó)遭遇了大范圍霧霾天，治理霧霾必須要降低化石能源消費(fèi)、減少大氣污染物排放、提倡和發(fā)展清潔能源。這就要求從根本上變革中國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，完成以清潔能源為主的綠色變革。正是在此背景下，人們將目光瞄向太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的同時(shí)，對(duì)“可燃冰”寄與更多希望，期待我國(guó)蘊(yùn)藏豐富的“能源之王”擔(dān)當(dāng)起綠色變革的重任。
[0004]在能源稀缺和 環(huán)境問(wèn)題更加嚴(yán)峻的今天，如果能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模開(kāi)采，將對(duì)緩解人類當(dāng)前的能源危機(jī)及改善居住環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，美、日、德、加拿大、印度、韓國(guó)和比利時(shí)等多國(guó)政府相繼投入了大量人力與財(cái)力，對(duì)天然氣水合物進(jìn)行了系統(tǒng)且深入的研究，以期實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模安全開(kāi)采。比如，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)(PCAST) 1999年建議投資500萬(wàn)美元用于研究天然氣水合物的開(kāi)采利用，2001年增加到1100萬(wàn)美元，2003年增加到1200萬(wàn)美元，并建議制定在未來(lái)10年總投資
1.5億~2億美元的研發(fā)計(jì)劃；日本于2001年起啟動(dòng)了天然氣水合物開(kāi)發(fā)國(guó)家計(jì)劃(MH21，共計(jì)16年)，每年投入約50億日元進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，并已于2013年實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)性開(kāi)采。
[0005]我國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。1999年，我國(guó)率先在南海北部陸坡西沙海槽開(kāi)展天然氣水合物調(diào)查工作，獲取了天然氣水合物重要的地球物理證據(jù)。在“國(guó)家中長(zhǎng)期(2006-2020年)科技發(fā)展規(guī)劃”中，列入了水合物開(kāi)發(fā)的重大專項(xiàng)“大型油氣田和煤層氣開(kāi)發(fā)”。在此基礎(chǔ)上，各機(jī)構(gòu)通過(guò)“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”(863計(jì)劃)、國(guó)家973計(jì)劃水合物項(xiàng)目等方式的支持，開(kāi)展了我國(guó)在天然氣水合物的資源勘查開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)以及天然氣水合物的賦存規(guī)模、賦存條件、富集規(guī)律、內(nèi)部構(gòu)造等方面的基礎(chǔ)研究。中國(guó)科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心自2004年5月成立以來(lái)，開(kāi)展了卓有成效的工作，于2007年5月和2009年分別成功在南海北部神狐海域內(nèi)和青藏高原凍土帶鉆取了含天然氣水合物的巖芯樣，從而使中國(guó)成為世界上較少的在海洋和陸地上都發(fā)現(xiàn)天然氣水合物資源的國(guó)家。2012年，“海洋六號(hào)”對(duì)南海區(qū)域的天然氣水合物進(jìn)行了包括儲(chǔ)量、分布、厚度、開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響等10多個(gè)項(xiàng)目的詳細(xì)調(diào)查。探測(cè)表明，僅南海北部的天然氣水合物儲(chǔ)量，就已達(dá)到我國(guó)陸上石油總量的1/2左右，具有很高的開(kāi)采潛力與資源價(jià)值。
[0006]然而，由于海底天然氣水合物在海底存在于水深300~4000m的海底沉積物中，天然氣水合物的開(kāi)采面臨很多的技術(shù)性難題。一般的開(kāi)采思路是先用降壓或者加熱等各種方法將水合物分解再回收游離的氣體。前蘇聯(lián)的麥索亞哈水合物氣藏最早進(jìn)行了試驗(yàn)性工業(yè)開(kāi)采。2001年10月~2002年3月，在加拿大的Mallik氣藏通過(guò)鉆取一口生產(chǎn)試驗(yàn)井和兩口觀察井，成功地進(jìn)行了降壓開(kāi)采和加熱開(kāi)采試驗(yàn)。目前提出的天然氣水合物的開(kāi)采方法基本上還是概念性的，相關(guān)研究尚處于試驗(yàn)階段。本發(fā)明可以有助于我們對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層物性作進(jìn)一步研究，為以后天然氣水合物作商業(yè)開(kāi)采提供技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法，它是由不銹鋼缸體、中部滲透板、底部橡膠氣囊、頂部密封裝置和外部框架組成；整個(gè)裝置由中部的滲透板將缸體分為三部分，自上而下可分別模擬海水層、沉積層(水合物層)和自由氣層；缸體的前后面分別設(shè)計(jì)了 3個(gè)窗口，便于觀察水合物生成及分解時(shí)的現(xiàn)象；頂部的密封裝置采用組合機(jī)械密封方式，可保證裝置的密封效果；可燃冰儲(chǔ)層可以按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)控制其孔隙比；可燃冰儲(chǔ)層周圍包圍有導(dǎo)磁體感應(yīng)加熱溫度控制器，可以精確的控制溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的加熱。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的水合物合成和分解實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大尺寸模擬海底水合物，特別是滲漏型水合物的生成和開(kāi)采過(guò)程，還可以使用高速CCD相機(jī)記錄合成及開(kāi)采過(guò)程中的 現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)模擬的可視化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中各標(biāo)記如下:1、框架，2、釜體，3、密封圈，4、釜蓋，5(6)、調(diào)壓閥，7、活塞壓力板，8、液壓千斤頂，9、電極(電阻)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，10、排水(氣)接口，11、導(dǎo)磁體感應(yīng)加熱裝置，12、注氣接口，13、滲流板，14、儲(chǔ)氣橡膠囊，15、壓力泵，16、計(jì)算機(jī)，17 (20)、壓力表，18 (25、26)、調(diào)(背)壓閥，19、回壓閥，21 (29)、氣體流量計(jì)，22、過(guò)濾器，23、減壓閥，24 (30)、高壓氣瓶，27、氣液分離器，28、天平。
【具體實(shí)施方式】
[0009]結(jié)合說(shuō)明書【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0010]第一步:制作可燃冰儲(chǔ)層坯樣。將沙粒和冰粉混合均勻，計(jì)算得出冰粉與沙?；旌衔锏目紫侗惹?；假設(shè)混合物的初始高度為，受壓后的混合物的高度為，則H2 = H,-AHi ,AHi為壓力Pi作用下混合物的壓縮量。根據(jù)土力學(xué)中孔隙比的定義以及
混合物體積G不會(huì)變化，且令
【權(quán)利要求】
1.一種模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是由不銹鋼缸體、中部滲透板、底部橡膠氣囊、頂部密封裝置和外部框架組成；整個(gè)裝置由中部的滲透板將缸體分為三部分，自上而下可分別模擬海水層、沉積層(水合物層)和自由氣層；缸體的前后面分別設(shè)計(jì)了3個(gè)窗口，便于觀察水合物生成及分解時(shí)的現(xiàn)象；頂部的密封裝置采用組合機(jī)械密封方式，可保證裝置的密封效果。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在通過(guò)上部液壓控制壓力板能對(duì)海水層施加垂直方向的壓力，達(dá)到模擬海水對(duì)海底的靜水壓力的目的。
3.如權(quán)利要求1所述的模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于可燃冰儲(chǔ)層的生成可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要調(diào)節(jié)其孔隙比的數(shù)值，首先將多孔介質(zhì)與冰粉均勻混合，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的孔隙比壓實(shí)。
4.如權(quán)利要求1所述的模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于密封裝置由外部框架通過(guò)液壓千斤頂對(duì)密封裝置的上表面施加一個(gè)向下的作用力，反應(yīng)釜內(nèi)部的海水在下表面施加一個(gè)向上的作用力，其中向下的作用力要比向上的作用力大，從而起到理想的密封效果。
5.如權(quán)利要求1所述的模擬海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于可燃冰儲(chǔ)層的周圍圍繞一層導(dǎo)磁體的感應(yīng)加熱 裝置，能精確連續(xù)調(diào)節(jié)可燃冰儲(chǔ)層的溫度。
6.如權(quán)利要求1-5所述海底可燃冰生成和開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法，其特征在于: 第一步:制作可燃冰儲(chǔ)層坯樣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算儲(chǔ)層所需的孔隙比，將混合均勻的沙粒和冰粉放入反應(yīng)釜中用力壓實(shí)至需要的孔隙比； 第二步:密封好反應(yīng)釜，調(diào)節(jié)反應(yīng)釜空氣浴溫度，儲(chǔ)層上下表面通入甲烷氣體至一定壓力，調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱裝置對(duì)儲(chǔ)層坯樣加熱至冰剛好融化，維持該溫度一段時(shí)間使甲烷氣體充分溶解； 第三步:待甲烷溶解完全，改降低溫度至實(shí)驗(yàn)所需溫度，調(diào)節(jié)壓力至實(shí)驗(yàn)壓力，生成水合物，并檢測(cè)水合物生成過(guò)程中飽和度等參數(shù)； 第四步:向反應(yīng)釜中注入與試驗(yàn)溫度相同的水之充滿反應(yīng)釜上部，此過(guò)程中收集排出的反應(yīng)釜上部排出的甲烷氣體，調(diào)節(jié)上部密封裝置壓力板對(duì)水施加規(guī)定的壓力； 第五步:選擇試驗(yàn)方法，該方法包括減壓法、熱激法、化學(xué)試劑注入法、置換法或上述方法的聯(lián)合開(kāi)采方法； 第六步:調(diào)節(jié)有關(guān)裝置模擬對(duì)可燃冰的開(kāi)采，并檢測(cè)記錄模擬過(guò)程中的數(shù)據(jù)； 第七步:分析數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】C10L3/10GK103980970SQ201410230298
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】蔣宇靜, 公彬, 王剛, 黃娜 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)