[发明专利]天然气水合物三维合成与开采模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物三维合成与开采模拟装置，属于新能源开发实验技术领域。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)是在低温、高压条件下水和天然气中低分子量的烃类化合物形成的一种非化学计量型、类冰状、笼型结晶化合物。天然气水合物具有主-客体材料特征，水分子(主体)通过氢键结合形成空间点阵结构，气体分子(客体)通过与水分子之间的范德华力填充于水分子点阵间的空穴中。自然界存在的天然气水合物以甲烷水合物为主，其中绝大部分赋存于海底，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高、燃烧后无污染和残留等优点。单位体积的甲烷水合物分解可产生150-180标准体积的甲烷气体。海底及陆地永冻土层下存在着广泛的天然气水合物形成条件，据估计，地球上以天然气水合物形式储藏的有机碳占全球总有机碳的53％，是煤、石油、天然气三种化石燃料总碳量的2倍。因此，天然气水合物被认为是21世纪的理想清洁替代能源。

天然气水合物以固体形式赋存于泥质海底的松散沉积层中，在开采过程中发生相转化，与石油、天然气的开采相比，具有很大的开采难度。根据开采过程中水合物分解的地点不同，天然气水合物的开采可分为地下开采和地上开采两大类。其中地下开采研究报道最多，主要是参考石油、天然气的开采工艺，首先在海底地层中构筑井筒，采取措施破坏水合物稳定存在的温度、压力等热力学条件，促进水合物在赋存地分解为水和天然气，然后采用天然气开采工艺将分解后的天然气收集、输送至地面。天然气水合物地下开采的关键是如何采取经济有效的措施促进水合物的分解，同时保持井底稳定，不使甲烷泄漏、不引发温室效应。目前提出的天然气水合物开采方法主要包括热激发法、降压法和化学法三类。热激发法主要是将蒸汽、热水、热盐水等载热体注入水合物储层，使温度达到水合物分解温度以上，但热激发法的主要缺点在于载热流体从海面输送至海底，沿程热损失大，热能利用率低。化学法主要是向水合物储层注入盐水、甲醇、乙醇、乙二醇等化学物质，改变水的活度，从而改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，促进天然气水合物的分解，化学法的缺点是药剂用量大，成本高，大量使用化学药剂也会造成环境污染问题。降压法是通过降低水合物储层的压力，引起天然气水合物移动至不稳定区而分解，主要适用于水合物储层底部赋存游离天然气藏的水合物开采，这种方法由于海底地质条件千差万别，往往难以达到水合物分解的温压条件，同时开采速度慢，效率低。

为克服上述开采方法的缺陷，中国专利CN1609409A和CN101037938A分别提出了一种利用微波加热和利用太阳能加热开采天然气水合物的方法及装置；美国专利US6148911提出采用井下电加热开采天然气水合物的方法；中国专利CN1779191A公开了一种采用海底热泵加热海水，然后进行天然气水合物热分解开采的方法；美国专利US2005/0121200A1公开了一种采用CO₂置换法开采天然气水合物的方法。但这些开采方法目前尚处于概念设计和实验探索阶段，迄今为止，人们尚未找到技术上可行、经济上合理的天然气水合物的开采方法。因此，进行天然气水合物开采技术研究是实现天然气水合物资源安全利用的关键。由于天然气水合物均赋存于环境苛刻的高寒地带和海洋深水区，水合物开采现场试验技术难度大，耗资巨大，天然气水合物开采室内模拟实验研究理所当然地成为国内外研究的重点。

天然气水合物开采室内模拟实验必须真实模拟海底低温、高压的水合物藏环境，模拟实验系统及设备是开展研究的前提。目前，天然气水合物模拟实验设备均局限于天然气水合物在纯水或海水中的合成与分解实验，专门用于水合物开采的模拟实验系统很少，且实验设备简单。不能真实模拟天然气水合物在海底沉积物中的成藏环境，不能模拟水合物开采过程的的温度、压力场分布及传热、传质过程。中国专利CN1176741C公开了一种天然气水合物综合实验装置，该装置可以进行纯天然气水合物和模拟实际矿层天然气水合物合成、分解实验，以及天然气水合物钻进过程控制实验，但该装置难以模拟水合物开采过程的温度、压力场分布及传热、传质过程。中国专利CN101050697A及CN101046146A分别公开了一种天然气水合物一维开采模拟实验装置和二维开采模拟实验装置，分别可用于天然气水合物一维和二维开采模拟实验，但一维和二维开采模拟仍只是对实际水合物藏的近似模拟，并不能真实再现实际水合物藏的开采过程，且实验装置的边界效应和器壁效应对实验结果影响大。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气水合物三维合成与开采模拟装置。