一種氣體水合物固態(tài)流化開采采掘室內(nèi)實驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體水合物固態(tài)流化開采采掘室內(nèi)實驗裝置及方法，特別是涉及一種適用于海底非成巖水合物固態(tài)流化開采采掘的室內(nèi)實驗方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物是具有開發(fā)潛力的接替能源，其總量約為其他化石能源總和的2倍。僅我國南海天然氣水合物資源就可以供我國使用362年。其中約85%天然氣水合物以弱膠結(jié)形式(非成巖)賦存于深海海底淺層沉積物中。近年來許多國家針對天然氣水合物開展了深入研究，探索高效開采海洋天然氣水合物的開采方法，已成為當(dāng)前世界研究熱點。目前天然氣水合物的開采方法有注入法、降壓法、注化學(xué)劑法以及上述幾種方法的聯(lián)合應(yīng)用，但是上述方法均需打破天然氣水合物的固有相態(tài)，使其分解生成天然氣，具有引發(fā)地質(zhì)及生態(tài)災(zāi)害的潛在風(fēng)險。
[0003]我國對天然氣水合物的研究起步晚，但近幾年來發(fā)展較為迅速。目前已在南海進(jìn)行了兩次試采取樣，從取樣結(jié)果看，我國天然氣水合物具有埋藏淺、膠結(jié)性差的特點。針對這種海底淺層弱膠結(jié)的天然氣水合物，有專家提出固態(tài)流化開采的概念:在不改變天然氣水合物溫度的條件下，直接利用機械采掘的方法將水合物破碎成細(xì)小顆粒，然后與海水混合輸送至海面，最后利用海表的熱海水促使天然氣水合物顆粒分解生成天然氣。但是固態(tài)流化開采過程中，尤其是采掘過程中仍存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題，如破碎過程中天然氣水合物周圍溫度壓力的變化以及由此對水合物相態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響、破碎后水合物顆粒的粒度分布、水合物流化所需的海水配比量、天然氣水合物沉積物可鉆性評價等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠模擬氣體水合物在機械破碎過程中的相態(tài)變化、顆粒粒度分布以及流化效果，為海底非成巖水合物固態(tài)流化開采提供理論支撐的氣體水合物固態(tài)流化開采采掘室內(nèi)實驗裝置及方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種氣體水合物固態(tài)流化開采采掘室內(nèi)實驗裝置，其特征在于，包括海水注入裝置、采掘?qū)嶒炛黧w模塊和實驗數(shù)據(jù)信息采樣模塊；其中，
所述采掘?qū)嶒炛黧w模塊包括采掘釜，所述采掘釜上設(shè)置有海水注入入口及與刀桿相連的刀盤，刀盤上設(shè)置有用于切割的刀具；
所述海水注入裝置通過海水注入入口將海水注入到采掘釜中；
所述采掘釜上還設(shè)置有排氣孔，所述排氣孔通過排氣閥門與儲氣罐相連；所述儲氣罐用于收集采掘釜內(nèi)部的氣體；
所述刀桿為中空結(jié)構(gòu)，該中空結(jié)構(gòu)向下連通至采掘釜內(nèi)部，向上連通至固體顆粒氣體水合物流化抽吸管道；
所述流化抽吸管道最終連接至接收罐；所述接收罐內(nèi)部壓力可調(diào)，從而在采掘釜釜體中形成不同的輸送負(fù)壓； 所述采掘釜釜體上設(shè)置有觀察窗；所述實驗數(shù)據(jù)信息采集模塊包括設(shè)置于觀察窗外部的激光粒度儀、光學(xué)放大系統(tǒng)和高速高倍攝像機，用來觀察水合物的破碎情況，粒度分布情況及相態(tài)變化情況，并將觀察到的情況通過顯微攝像放大后直接存儲在計算機上；
所述海水注入裝置還包括對注入的海水進(jìn)行流量監(jiān)測的流量監(jiān)測模塊、進(jìn)行溫度監(jiān)測的溫度監(jiān)測模塊和進(jìn)行壓力監(jiān)測的壓力監(jiān)測模塊；
所述采掘釜釜體內(nèi)壁上設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。
[0006]所述刀具連接部分為可更換連接，刀具切削角度和運動參數(shù)可調(diào)，能夠同時實現(xiàn)刀具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退運行。
[0007]還包括與抽吸管道相連的分析取樣模塊，所述分析取樣模塊包括進(jìn)行樣品取樣的取樣容器，以便與對取出的樣品進(jìn)行粒度分布、含氣量和漿體各單相比例的測試。取樣容器用于隨時取出供分析少量流化樣品；所述抽吸管道上設(shè)置有觀察窗、用于流量監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊和壓力監(jiān)測模塊。
[0008]所述采掘釜釜體包括下部釜體及與其相配合的上部端蓋；上部端蓋和下部釜體之間的連接方式采用快開結(jié)構(gòu)。方便與水合物大樣品制備釜體一體化，需要開展采掘與流化實驗時將裝有相應(yīng)體積樣品的釜體移至采掘基座固定后，蓋上上部端蓋即可進(jìn)行采掘和流化實驗。
[0009]所述上部端蓋和下部釜體內(nèi)壁上均設(shè)置有壓力傳感器和溫度傳感器。
[0010]還包括通過廢料閥門與采掘釜釜體底部相連廢料罐。
[0011]基于上述氣體水合物固態(tài)流化開采采掘室內(nèi)實驗裝置的實驗方法，具體方法為: 將制備好的氣體水合物固體置于采掘釜內(nèi)并封閉好，并向采掘釜內(nèi)注入海水，并保證采掘釜內(nèi)的溫度和壓力恒定在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，以模擬海底真實壓力溫度條件；
調(diào)節(jié)刀具的位置，對氣體水合物進(jìn)行機械破碎，并開啟與刀桿中空結(jié)構(gòu)相通的閥門；同時，持續(xù)注入海水，觀察不同負(fù)壓、海水配比和氣體水合物固體粒度分布因素對水合物顆粒流化抽吸的效果；
氣體水合物固體顆粒破碎開始后，監(jiān)測破碎過程中采掘釜內(nèi)的溫度壓力變化、氣體水合物相態(tài)的變化及沉積物顆粒的粒度分布情況。
[0012]通過實驗觀察分析海底水合物破碎后的體積大小粒度分布規(guī)律，流化時負(fù)壓大小對一定粒度分布的破碎物的攜帶能力。
[0013]將在大樣品制備釜中制備的氣體水合物沉積物樣品轉(zhuǎn)移到采掘釜中，蓋上與下部釜體相配套的上部端蓋；而后注入降溫后的冷海水，保持溫度壓力恒定以模擬海底真實溫壓條件。
[0014]所述方法還包括:改變破碎刀具刃口的幾何參數(shù)和/或運動參數(shù)對氣體水合物進(jìn)行固體破碎，觀察對氣體水合物固體粒度分布因素和相態(tài)變化因素的影響。同時，為采掘流化中，采掘方式和流化破碎方式的選擇提供依據(jù)，采掘量和輸送量的選擇確定方法。
[0015]所述方法還包括，在流化過程中采集少量用于檢測的流化物樣品。
[0016]保證采掘釜內(nèi)的溫度和壓力恒定在設(shè)定閾值范圍內(nèi)的具體方法為:向采掘釜內(nèi)注入降溫后的海水，通過調(diào)節(jié)注入的海水的溫度調(diào)節(jié)采掘釜釜體內(nèi)的溫度，海水注入的量越大，釜體內(nèi)的壓力越大，打開采掘釜與儲氣罐之間的閥門，能夠降低反應(yīng)釜中的壓力。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:在保證釜內(nèi)溫度壓力與海底真實壓力相同的情況下，直接用刀具對水合物沉積物進(jìn)行機械破碎，同時向采掘釜內(nèi)注入海水，促使破碎后的水合物顆粒與海水一起流動，能夠模擬水合物在機械破碎過程中的相態(tài)變化、顆粒粒徑分布以及流化效果，為海底非成巖水合物固態(tài)流化開采提供理論支撐。
[0018]其進(jìn)一步的有益效果為:
1、所述采掘釜釜體上部端蓋和下部釜體之間的連接方式采用快開結(jié)構(gòu)，便于快速與上部釜體連接；
2、設(shè)置有觀察窗，除了通過觀察窗能夠方便對水合物粒度分布、相態(tài)變化和流化抽取效果進(jìn)行圖像采集外，還使實驗效果可視化，提供了多種實驗的可能性；
3、還包括對流化過程中的水合物顆粒進(jìn)行分析取樣，對取出的樣品進(jìn)行粒度分布、含氣量和漿體各單相比例的測試；
4、上部端蓋和下部釜體之間的連接方式采用快開結(jié)構(gòu)，方便與水合物大樣品制備釜體一體化。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明其中一實施例的原理示意圖。
[0020]圖2為圖1所示實施例中采掘釜上部端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為圖1所示實施例中采掘釜下部釜體的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]本說明書(包括摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。S卩，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0024]具體實施例一
在本具體實施例中，模擬對水深1500m海水壓力15MPa，流化海水流量最大8L/s中，對天然氣水合物進(jìn)行開采挖掘及流化采集為例進(jìn)行詳細(xì)說明。海水注入裝置采用在O?15MPa各級壓力下平穩(wěn)提供O?8L/s的海水流量的栗為主要部件。流量、溫度、壓力監(jiān)測由海水注入裝置涉及的壓力表、溫度計、流量計為輔助控制部件。
[0025]首先，將在大樣品制備釜中制備的天然氣水合物沉積物樣品轉(zhuǎn)移到采掘釜中，蓋上與下部釜體相配套的上部端蓋；而后注入降溫后的冷海水，保持溫度壓力恒定以模擬海底真實溫壓條件。
[0026]將