[发明专利]一种水合物生成过程中温度特性研究的实验装置

说明书

本发明公开了一种水合物生成过程中温度特性研究的实验装置，包括低温室、气体供给单元、液体供给单元、绝热反应釜和数据采集及记录单元；低温室用于模拟海底低温环境，并预冷通入绝热反应釜中的气体和液体；气体供给单元用于向绝热反应釜提供实验气体；液体供给单元用于向绝热反应釜提供实验液体；数据采集及记录单元用于实时采集和记录水合物生成过程中的实验数据。本发明不仅适用于不同体系中水合物形成过程的温度特性研究，而且适用于确定热盐水原位开采法中在不同实验条件下的体系上限温度，并通过改变实验条件和更换溶液体系的方式制备热盐水原位开采法的实施所需的具有特定温度的热流体。

技术领域

本发明涉及一种水合物生成过程中温度特性研究的实验装置，尤其涉及一种可进行不同实验体系因水合物形成相变热释放所引起的体系温度特性研究，可直接测量获得在不同实验条件下水合物生成相变热所引起的体系上限温度，同时，亦可为热盐水原位开采法的实施制备热流体的实验设备。

背景技术

气体水合物(clathrate hydrate)是一种由主体水分子和客体分子在低温高压条件下形成的非计量性类冰状结晶化合物。其中，主体水分子通过氢键结合，构建形成一系列多面体孔穴；客体分子，如气体小分子(甲烷，二氧化碳，硫化氢等)及水合物形成剂大分子，通过范德华作用力填充于多面体孔穴中，从而形成结构稳定的水合物晶体。自然界中常见的气体水合物为天然气水合物(natural gas hydrate)，由轻烃分子填充多面体孔穴构成，主要赋存在海底沉积物层及陆地永久冻土区。因其具有分布广、储量大、能量密度高以及燃烧后无污染、无残留的优点，是较理想的石油、天然气等化石能源的替代能源。在我国，天然气水合物资源主要赋存于南海、东海陆坡-冲绳海及青藏高原冻土带。

据估计，全球天然气水合物资源中碳含量约为传统三大化石资源已探明总量的两倍(陈光进等，2008)。然而，与传统化石资源的开采技术不同，天然气水合物资源的开采需要处理开采过程中资源存在形式变化的问题。在开采前，埋藏的天然气水合物存在形式为固态，在开采过程中，其存在形式为气态。这种开采前后的相态变化增加了天然气水合物资源的开采难度，而且极有可能引起严重的自然灾害，如甲烷气体泄漏引起温室效应、天然气水合物资源赋存层塌陷引起海底滑坡以及海洋生态平衡破坏等问题。因此，为了安全高效地开采和利用天然气水合物资源，需要深入研究其成藏机理、勘探技术、开采技术以及环境影响等因素。

常见的水合物开采技术有降压法、注热法、注化学试剂法、CO₂置换法以及联合法等。降压法是在某一特定温度下调整压力，使环境压力低于该温度下的天然气水合物相平衡压力，促使天然气水合物分解。降压法无需外界提供额外热源，分解水合物的热量来自地层自身显热及周围环境。降压法无需外界供能，是经济潜力较好的开采方法。水合物分解速率缓慢，且易形成二次水合物，需要根据矿藏特性结合其他开采方法改善开采效果。注热法是将热流体或温流体注入水合物储层，使储层温度高于特定压力下的相平衡温度分解天然气水合物。因载热流体从海面输送至海底沿程热损失大，使得能量利用率低，开采成本增加。注化学试剂法是将特定化学试剂(如甲醇、乙醇和乙二醇等)注入水合物储层改变其相平衡条件分解天然气水合物，需消耗大量化学试剂且试剂回收困难，开采成本高，污染环境。CO₂置换法是依据CO₂水合物形成条件比天然气水合物形成条件温和的热力学基础，用CO₂分子置换出天然气水合物中的CH₄分子的方法，能同时实现天然气水合物开采和CO₂封存，且可避免与水合物分解有关的地层结构破坏以及与此相关的的地质灾害问题。联合开采法为上述某些方法的组合，如热盐水原位开采法(Chen ZY et al.,2014)即为注热法与注化学试剂法的结合，能有效地提高天然气水合物的开采效率。