[发明专利]超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置

说明书

本发明公开了一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连到高压反应器；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器；釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器；高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。本发明能真实模拟现场天然气水合物注热开采的灾变过程，为天然气水合物注热开采模拟实验提供科学支撑。

技术领域

本发明涉及一种岩土工程领域超重力物理模拟实验系统，特别是一种超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置。

背景技术

天然气水合物是由水分子和烃类分子在高压低温下生成的类冰状笼形结晶化合物，俗称“可燃冰”。标准状态下，单位体积天然气水合物可释放出高达160～180体积的甲烷气体，单位体积天然气水合物燃烧热值为煤的10倍、传统天然气的2～5倍。其储量丰富，资源潜能巨大，被世界各国视为未来石油天然气的替代能源之一。

天然气水合物一般分布于海床中或陆地的永久冻土中，所处高压和低温条件使其处于稳定的固体水合物态。当位于海床中时，所处水深一般大于300m，在海床表面以下埋藏深度达数百米。

自20世纪80年代以来，美国、日本、俄罗斯、中国等纷纷制定天然气水合物研究与开发计划。人为开采方法主要是打破天然气水合物相平衡状态，造成其分解，然后将天然气开采到地面。目前，热激法是国内外实验室研究最多的开采方法。热激法主要是通过各种加热技术对天然气水合物储层进行加热，使水合物层温度达到天然气水合物分解温度后，相平衡被打破，从而分解产出甲烷气。由于天然气水合物开采过程中会发生相变，相变分解引起土颗粒孔隙结构发生改变，进而影响土层有效应力，导致体积压缩变形甚至屈服。此外，深海天然气水合物开采过程中水合物相变将产生复杂的温度场、渗流场、应力场和变形场的相互作用。因此，研究出天然气水合物有效、快速而又经济的开采方法是大规模开采天然气水合物重要的理论支撑，是缓解日益剧增的能源压力的有效途径。

由于各处水压力与地基应力各异，现场试验难度大、成本高；因此通过物理模拟实验进行研究较为科学便捷，实验结果可指导勘察开发。目前世界上的天然气水合物模拟开采实验装置均缺少超重力环境的实验条件，无法实现真实尺度的地质条件模拟。

发明内容

为了解决现有技术中缺少天然气水合物超重力开采的技术问题，本发明的目的在于提供了超重力条件下的天然气水合物热激法开采模拟装置，能够在超重力环境下研究天然气水合物热激法开采时海床土体灾变响应。

本发明综合模拟了深海天然气水合物沉积层在原位应力场中利用热激法开采过程及土层响应。实现该功能主要通过在超重力环境下模拟热激法开采天然气水合物。所述超重力环境是指利用超重力离心机旋转产生n倍于地球重力加速度g的ng超重力实验环境。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括高压反应器、液压油站、汇流板、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块、釜体温控模块、数据采集箱和计算机；液压油站通过油路离心机旋转接头连接到汇流板后分为两路，两路分别经超重力水压控制模块、超重力热激模块连接到高压反应器；超重力气液分离模块直接连接到高压反应器；釜体温控模块通过水浴通路离心机旋转接头连接到高压反应器；高压反应器、汇流板、数据采集箱、超重力水压控制模块、超重力热激模块和超重力气液分离模块均置于超重力离心机空调室内的超重力离心机上，液压油站、计算机和釜体温控模块置于超重力离心机空调室外；高压反应器、超重力水压控制模块、超重力热激模块、超重力气液分离模块和釜体温控模块中的传感器均连接数据采集箱。