[发明专利]含串联反应釜的置换水下甲烷水合物的实验系统及方法

说明书

本发明涉及天然气水合物的生成、稳定水层的形成以及水下置换甲烷水合物的实验技术领域，具体的涉及一种二氧化碳置换水下甲烷水合物的可注水串联实验系统及实验方法，所述串联反应釜系统包括真空泵、第一可视高压反应釜、第二可视高压反应釜、第七连接阀V7、用来保证上可视高压反应釜与中间连接阀的高温防堵要求的泡沫保温箱、用于调节加热功率的调压器，其中可注入适量的去离子水的第一可视高压反应釜与第二可视高压反应釜通过连接管与第七连接阀V7相连形成串联，所述真空泵与取样器也连接，所述串联反应釜还包括便于实验人员判断釜内的状态变化情况的两个温度压力监控器。本发明通过设置便于实验人员观察用二氧化碳置换水下天然气水合物的过程特征。

技术领域

本发明涉及天然气水合物的生成、稳定水层的形成以及置换水下甲烷水合物的实验技术领域，具体的涉及一种二氧化碳置换水下甲烷水合物的可注水串联实验系统及实验方法。

背景技术

世界的能源展望渐进转型，高速增长的新兴经济体日益繁荣发展，这种不断的繁荣推动了全球能源需求的增长，但这一增长幅度被加速提升的能源效率所抵消。与此同时在科技进步和环境需求的共同推动下能源结构正在向更为清洁、低碳的燃料转型。天然气的增长强劲，在基础广泛的需求和液化天然气的持续扩张支持下，天然气在全球的可获得性得以提升。

天然气水合物，燃烧值高、清洁无污染的新型能源，分布广泛而且储量巨大，目前世界已探测资源量约为2100万亿立方米（约90％储存在深海区域），估算资源量大约相当于全球已探明煤、石油和天然气总资源量的两倍，科学家们认为约可供人类使用1000年，是21世纪最有潜力的接替能源。2017年5月中国成功在南海神狐海域进行了天然气水合物的开采试验。国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。然而天然气水合物特殊的储藏环境导致开采难度巨大，传统的开采方式如降压法等容易导致储藏矿层结构的破坏，从而导致天然气的意外释放以及海底滑坡等灾害的发生。传统的天然气水合物开采技术有降压法、热激法和化学试剂法，这几种方法都是使甲烷水合物的状态处于水合物相平衡线以下使水合物分解，对于大规模的天然气水合物藏是破坏其整体结构以获得甲烷气体，相比而言CO₂置换开采天然气水合物倍受研究者的关注，这种开采方法既能实现天然气的开采又能将温室气体CO₂封存。若能将此方法应用到实际的开采技术中还可以保证大规模水合物藏的结构稳定，防止发生海底滑坡等地质灾害甚至是危害到地球安全。

目前研究者主要采用拉曼光谱(Raman)、核磁共振成像(MRI)等技术研究二氧化碳置换甲烷水合物的第一类原位置换的微观过程变化特性。针对二氧化碳置换甲烷水合物的研究经历了：置换反应的热力学、动力学可行性的研究；置换过程的模拟研究、影响置换率因素的研究以及置换形态的研究的过程。通过研究结果可知二氧化碳置换甲烷水合物是自发进行的并且有两种水合物的转化过程，一种是CO₂分子直接置换水合物中的CH₄分子，另一种是甲烷水合物分解会释放CH₄气体和游离水，置换过程不会导致水合物分解。但是这种气体分子置换的微观过程进行很缓慢很难应用到实际的大规模开采中。相比而言宏观的第二类原位置换原理，即在注入液态二氧化碳后渗透到水合物的多孔结构中，水合物局部分解释放甲烷和游离水，二氧化碳和游离水反应生成二氧化碳水合物放热并且填充甲烷水合物分解产生的空隙，使整块混合气体水合物的结构保持稳定。在已有技术中根据CH₄-CO₂混合气体水合物四相相平衡体系描述的四相共存的液态二氧化碳置换甲烷水合物的过程，并且当达到四相平衡状态时的理论置换率有94％。在已有技术中研究者通过自行设计的可视高压反应釜实验系统实现了第二类原位置换过程，实验表明了宏观尺度的甲烷水合物分解同时富二氧化碳水合物生成为特征并保持整体水合物结构稳定的第二类原位置换的可行性，但是该研究实验过程中水合物和液态二氧化碳直接接触气相，并不能揭示出实际开采天然气水合物中会出现的许多情况，并且液态二氧化碳直接暴露的话会由于气相分压低而导致液态二氧化碳气化，不能充分与甲烷水合物进行置换反应，难以达到四相相平衡状态影响置换反应的效率。

发明内容