一種模擬海底可燃冰生成和開采的實(shí)驗裝置制造方法
【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)計了3個窗口，便于觀察水合物生成及分解時的現(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；可燃冰儲層可以按實(shí)驗設(shè)計控制其孔隙比；可燃冰儲層周圍包圍有導(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)對儲層的加熱。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，同時可以實(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，同時可以實(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，大多儲藏在近海大 陸架的沉積層，少量儲存在高原凍土區(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，煤炭是主體能源，在我國一次能源消費(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空氣質(zhì)量下降的主要原因之一。今年（2014年）春節(jié)全國遭遇了大 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能、風(fēng)能等清潔能源的同時，對"可燃冰"寄與更多希望，期 待我國蘊(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、韓國和比利時等多國政府相繼投入了大量人力與財力，對天然氣水合物 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，美國總統(tǒng)科學(xué) 技術(shù)顧問委員會（PCAST) 1999年建議投資500萬美元用于研究天然氣水合物的開采利用， 2001年增加到1100萬美元，2003年增加到1200萬美元，并建議制定在未來10年總投資 1. 5億?2億美元的研發(fā)計劃；日本于2001年起啟動了天然氣水合物開發(fā)國家計劃（MH21， 共計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)了試驗性開采。
[0005] 我國對天然氣水合物的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。1999年，我國率先在南海北部 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 "國家中長期（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"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"國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃"（863計劃)、國 家973計劃水合物項目等方式的支持，開展了我國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 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 的國家。2012年，"海洋六號"對南海區(qū)域的天然氣水合物進(jìn)行了包括儲量、分布、厚度、開 采對環(huán)境的影響等10多個項目的詳細(xì)調(diào)查。探測表明，僅南海北部的天然氣水合物儲量， 就已達(dá)到我國陸上石油總量的1/2左右，具有很高的開采潛力與資源價值。
[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。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)研究尚處于試驗階段。本實(shí)用新型可以有助于我們對天然 氣水合物儲層物性作進(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)計了 3個窗口，便于觀察水合物生成及分解時的現(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；可燃冰儲層可以按實(shí)驗設(shè)計控制 其孔隙比；可燃冰儲層周圍包圍有導(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) 對儲層的加熱。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，同時可以實(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、儲氣橡膠囊，15、壓力泵，16、計算機(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，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：制作可燃冰儲層坯樣。將沙粒和冰粉混合均勻，計算得出冰粉與沙粒 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不會變化，且令『4=1，同時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儲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對儲層 坯樣快速加熱至冰剛好融化，維持該溫度一段時間，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)驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備 9,檢測水合物的生成，同時，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，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)裝置模擬對可燃冰的開采，并檢測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 了 3個窗口，便于觀察水合物生成及分解時的現(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)驗裝置，其特征在通過上部液 壓控制壓力板能對海水層施加垂直方向的壓力，達(dá)到模擬海水對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)驗裝置，其特征在于密封裝置 由外部框架通過液壓千斤頂對密封裝置的上表面施加一個向下的作用力，反應(yīng)釜內(nèi)部的海 水在下表面施加一個向上的作用力，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)驗裝置，其特征在于可燃冰儲 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)可燃冰儲層的溫度。
【文檔編號】C10L3/10GK203904297SQ201420278371
【公開日】2014年10月29日 申請日期: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 申請人:山東科技大學(xué)