一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(shí)驗(yàn)裝置，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。本實(shí)用新型不僅可以實(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采過程，還可以使用高速CCD相機(jī)記錄合成及開采過程中的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)模擬的可視化。
【專利說明】一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及可燃冰開發(fā)領(lǐng)域，用于模擬海底可燃冰，特別是滲漏型水合物的 生成和開采過程。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采過程，還可以使用高速CCD相機(jī)記 錄合成及開采過程中的現(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?，F(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 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，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)模安全開采。比如，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué) 技術(shù)顧問委員會(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)行開發(fā)研究，并已于2013年實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)性開采。
[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，列入了水合物開發(fā)的重大專項(xiàng)"大型油氣 田和煤層氣開發(fā)"。在此基礎(chǔ)上，各機(jī)構(gòu)通過"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，開展了我國(guó)在天然氣水合物的資源勘查開發(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，開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 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， 天然氣水合物的開采面臨很多的技術(shù)性難題。一般的開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)開采。2001年10月?2002年3月，在加拿大的Mallik氣藏通過鉆取一口生產(chǎn)試驗(yàn)井 和兩口觀察井，成功地進(jìn)行了降壓開采和加熱開采試驗(yàn)。目前提出的天然氣水合物的開采 方法基本上還是概念性的，相關(guān)研究尚處于試驗(yàn)階段。本實(shí)用新型可以有助于我們對(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)開采提供技術(shù)支持。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本實(shí)用新型公開了一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(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。本實(shí)用新型不僅可以實(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采過程，還可以使用高速CCD相機(jī) 記錄合成及開采過程中的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)模擬的可視化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本實(shí)用新型一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖中各標(biāo)記如下：1、框架，2、荃體，3、密封圈，4、荃蓋，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】
[0010] 結(jié)合說明書【專利附圖】

【附圖說明】本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0011] 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)算得出冰粉與沙粒 混合物的孔隙比％;假設(shè)混合物的初始高度為#。，受壓后的混合物的高度為盡，則 乓，Δ/^為壓力f?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『4=1，同時(shí)混合物受壓前后橫截面積不變，從而得到：
[0012] Hi _ 1+?
[0013] 在已知實(shí)驗(yàn)所需孔隙比9條件下混合物所需要壓縮的高度Δ盡=◎，通過 1+? 給混合物施加壓力是壓縮量為,即可完成坯樣制作；
[0014] 第二步：蓋好反應(yīng)釜上部的密封蓋4,打開調(diào)壓閥6,關(guān)閉調(diào)壓閥5,通過壓力泵15 向千斤頂8供液，通過千斤頂8對(duì)密封蓋施加向下的法向載荷；調(diào)節(jié)反應(yīng)釜空氣浴溫度；通 過接口 10和12向坯樣上部空間和下部?jī)?chǔ)氣橡膠囊注入甲烷氣體，使坯樣上下兩表面達(dá)到 所需的壓力水平；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11對(duì)儲(chǔ)層 坯樣快速加熱至冰剛好融化，維持該溫度一段時(shí)間，使甲烷氣體充分溶解與砂粒間的孔隙 水；
[0015] 第三步：待甲烷溶解完全，停止感應(yīng)裝置11加熱，調(diào)節(jié)空氣浴溫度和坯樣上下兩 表面的壓力，使其狀態(tài)點(diǎn)位于可燃冰相平衡曲線的穩(wěn)定存在域內(nèi)，開啟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備 9,檢測(cè)水合物的生成，同時(shí)，開啟外部的CCD高速照相機(jī)記錄生成過程中的可燃冰的變化 情況；
[0016] 第四步：等到第三步中水合物生成完全，通過注水接口 31向坯樣上部空間注入與 空氣浴溫度相同的海水，同時(shí)設(shè)置背壓閥25和26的閥值，使坯樣上部壓力維持不變；如果 排除的只有液體沒有氣體時(shí)，認(rèn)為坯樣上部空間已被海水完全充滿；打開調(diào)壓閥6,液壓控 制通過活塞壓力板7對(duì)海水施加一定的向下的法向載荷模擬實(shí)際情況中的海水的靜水壓 力；
[0017] 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)合開采方法；
[0018] 第六步：調(diào)節(jié)有關(guān)裝置模擬對(duì)可燃冰的開采，并檢測(cè)記錄模擬過程中的數(shù)據(jù)；
[0019] 第七步：分析數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(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、沉積層或者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采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在通過上部液 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采的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于密封裝置 由外部框架通過液壓千斤頂對(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。
4. 如權(quán)利要求1所述的模擬海底可燃冰生成和開采的實(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。
【文檔編號(hào)】C10L3/10GK203904297SQ201420278371
【公開日】2014年10月29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)