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天然气水合物热分解实验研究_图文

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天然气 水合物 分解 实验 研究 图文
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文 章编号: 10042011) 03樊栓狮2( 1. 中国石油大学,山东 青岛 266555; 2. 中国科学院 广州水合物研究中心,广州 510640)摘 要:设计了多孔介质中天然气水合物形成 /分解实验装置,并对天然气水合物注热水分解进行了系列实验,通过热电偶和电阻测试来分析水合物分解前缘的规律性 . 实验结果表明,水合物分解过程呈现明显的阶段性特征;拟合值比实验值需要更长的时间方能突破水合物的分解前缘 然气水合物;多孔介质;实验装置;分解前缘中图分类号: 21 文献标识码: 公认为是具有良好前景的后续清洁能源[1]. 但天然气水合物以固体形式存在,是不可移动和渗透的,必须将其分解才能释放出其中的天然气气体资源[2]. 在目前的技术条件下,对天然气水合物的开采通常是把水合物热分解为可流动的气体和水,常用如下的形式表示其热分解过程[3]:( ———加热( n( 要向水合物层注入能量 . 大量的研究表明[4],注热水分解天然气水合物具有能向水合物矿藏提供大量的热量 、能及时补充地层亏空 、人为可控因素大等特点 须首先在人工多孔介质(石英砂)中形成相对均匀分布的水合物样品[5]. 前期的研究表明,将多孔介质石英砂和冰粉均匀混合,能够在实验室条件下形成稳定分布的天然气水合物[6 将预设温度的热水泵入反应釜,进行分解实验,通过测量注热水分解实验过程中的压力 、电阻等变化,分析水合物的分解变化规律 验流程及装置受中国科学院知识创新方向性项目( W-304)资助,中科院广州天然气水合物研究中心 /中国石油大学天然气水合物研究中心作者设计 、江苏海安县石油科研仪器设备厂承建,自行搭建了 “多孔介质中天然气水合物形成 /注热水开采实验装置 ”,流程如图 1 所示[8](实线)和分解过程 线)两部分组成,通过上下控制阀来实现天然气水合物的形成和分解两实验过程 . 装置由天然气罐 、压力表 、压力调节器 、缓冲罐 、质量流量仪 、真空泵 、低温恒温水浴 、反应釜 、压力传感器 、温度传感仪 、热收稿日期 : 2011 中国科学院知识创新方向性项目资助( W-304)作者简介 : 李明川( 1976-),男,四川资中人,讲师,研究方向为油气田开发 、天然气水合物开采研究 9 卷 第 3 期2011 年 3 月河 南 科 学2011图 1 实验流程 9 卷 第 3 期河 南 科 学电偶 、截止阀 、氮气罐 、分离器 、计量泵 、气体接收瓶 、数据采集仪和计算机等仪器 计的反应釜内腔直径 40 度为 200 腔直径 58 腔直径为 98 将反应釜设置为 3 套层(图 2):内层为绝缘材料,以备实验进程的电阻测量;夹层为钢套层,是水浴循环套层,通过循环低温的酒精,使反应釜维持水合物形成所需温度;外层为外夹层,具备良好的绝热性能 . 在反应釜两端面为镶有绝缘材料的不锈钢盖套,用螺纹同中间釜体相扣接 反应釜上等间距地分布着热电偶和电阻,校正误差控制在 0.5 %范围内 . 热电偶用于测量反应过程的温度,顺序标号为 102、103、104、105;电阻的接法为顺序两两相接,标号为 108、109、110,测出的电阻表示相连端面的平均电阻(注:第一个数值 1,代表数据采集系统的模型块,其后两数据代表采集数据的位置;如 105 代表 1 模型块上从第一个接线位置开始后第 5 个接点) . 为了避免端面效应,在设置其分布时端面空留 5 验结果及分析实验台实现了一台两用的效果,由天然气水合物形成实验和分解实验两部分组成 . 一部分为天然气水合物的形成实验过程 I:打开形成支路,气体从高压天然气罐中放出,经由压力调节器和缓冲罐调节 、缓冲后,从形成支路进入预先混合有冰粉 60 目 /英寸(直径 0.3 径的石英砂混合物反应釜,在压力为5.56 件下形成稳定的水合物 . 另一部分为天然气水合物的分解过程 闭形成支路,打开分解实验支路,开启气体收集装置收集气体,将预设温度为 60 ℃的热水,以速率为 25 mL/入反应釜,进行分解实验 . 排泄端口点火为淡蓝色火焰,证明分解出的气体中为天然气组分 . 通过数据采集仪采集分解过程热电偶和电阻测量的数据监控,预知分解过程持续了 47.67 泻端口火焰熄灭,分解过程结束 温度变化通过热电偶的测量可以监测热分解过程作用温度变化,根据其变化规律可以判断反应进行的程度 3)可以看出,天然气水合物注热水分解过程,明显可以分为两个过程:热水的注入过程和水合物的分解过程 量的热水注入多孔介质水合物层,弥补了形成实验结束时自由气体释放时的压力降低;系统压力一图 2 反应釜截面图 热水分解过程温度变化 in 2011 年 3 月图 4 注热水分解过程电阻变化 in 然气水合物热分解实验研究度升高,未释放的天然气二次形成天然气水合物,从而引起系统的温度降低,甚至低于设置的水浴温度 . 此过程持续到 4.92 ,反应系统温度随注入的热水增加而升高,进入了天然气水合物的分解阶段 据热作用分为 3 个进程:储层升温阶段( I) 、平稳分解阶段( 、前缘突破阶段( 阶段是多孔介质天然气水合物储层的加热进程,注入的热水迅速加热水合物储层,反应系统温度急剧上升 . 热水前缘直接作用于水合物储层,迅速地分解天然气水合物,分解的气体通过排出端排出;在分解水和驱替热水的作用下,分解前端热作用大大减小,表现在数值上的降低,该过程持续到 16.25 第 着热水的继续注入,分解前缘突破了反应釜长度,排放的大量液体携带了部分热量,水合物储层在后继热水作用下温度上升缓慢,分解强度减弱,表现平稳缓和的曲线段 . 温度缓慢上升,最高可以达到 15.51 ℃,该过程持续到 40.17 第 段是前缘突破阶段 . 天然气水合物的分解前缘突破了反应釜的长度,注入的热水很快地通过已经分解的石英砂多孔介质层排出,对系统未分解的水合物没有起到很好的加热作用 . 由于热电偶附近待分解的水合物需要维持分解进程,吸收了部分热量,引起温度的下降 电阻变化天然气水合物的分解过程也表现在电阻的变化上,当石英砂多孔介质为天然气水合物所完全充填,其可移动的导电粒子很少,表现为较大的电阻 . 而当在水合物分解时,水充当了导电的载体,其导电能力发生变化,电阻变小 中,清晰地表现了天然气水合物分解进程中,分解电阻的变化情况 . 在该图中,分段电阻在不同时刻表现了急剧的变化,其电阻的最高值为 70.01 低电阻为 0.01 在注入热水分解初期,每段电阻都有所增大,这是因为在注入热水的过程中,系统中未排除的气体在压力作用下,再次形成天然气水合物所致,最大幅度变化能达 30 阻初始出现变化时间是 5.18 10.27 阻趋于稳定)时刻该段水合物分解结束,电阻从最高 42.60 低到了 0.07 ,该段分解时间持续 5.17 109 电阻初始变化时间为 7.77 18.09 电阻基本恒定,其电阻从 70.01 剧的降低为 0.08 解时间持续为 10.32 110 电阻初始变化时间为 16.18 26.26 电阻不再发生变化,从最高值 61.66 低到 0.06 解时间持续为 10.08 合物分解前缘3.1 分解前缘数学模型天然气水合物的分解过程是接触性热分解过程,即分解只发生在注入的热水和水合物接触的界面上 . 水合物的分解前缘定义为注入热水和多孔介质天然气水合物的接触端面,在该端面上热水接触水合物即刻分解,气体迅速离开该端面 1987 年)等人将天然气水合物的分解由分解前缘分为两个区域,及水合物带 、分解带,并分别对天然气水合物的分解过程的水合物带和分解带以及分解前缘建立了相应的数学模型 方程描述如下:1r, t)坠r! "=1αr, t)坠r, ( 1)285- 9 卷 第 3 期河 南 科 学式中: r, t)为分解带在 r 和时间 t 时的温度 . 该方程在 t=D( r, t) =rw≤r≤( 2)r=D( r, t) =t>( 3)式中: 水合物分解前缘移动边界在 r=r, t)坠r, t)坠r=△t>( 4)式中: △3.2 实验与拟合接下来我们来分析前缘实验和拟合情况,在粒径为 60 目 /力为 5.56 件下形成,在注温度分别为 60 ℃的热水和注入速率为 25 mL/条件下,实验前缘和拟合值比较(如表 1),并分析了其误差 分解前缘实验和拟合值 of 差基本控制在 8 %以内,拟合数据和实验数据能够较好地满足在工程所允许误差范围内 . 将实验与拟合值作图,实验和拟合值的趋势线都为 3 阶方程,相关性也较好 可以看出,模型的拟合注热水前缘相比同条件下的实验值要略小,其最大值相差 1.14 是因为拟合模型中假设了分解过程的活塞式驱进,忽略了注入水的重力作用和水的指进现象,而实验多孔介质中热水的驱进情况比我们的模型要复杂,受水的粘性 、指进及孔隙介质的不均匀性等因素的影响 论与建议通过多孔介质中冰成天然气水合物热分解实验分析,有如下的认识:1)自行设计搭建了多孔介质中天然气水合物形成 /注热水分解实验装置,实验结果表明,实验设计合理;2)水合物的热分解过程明显的表现出阶段性特征:储层升温过程 、平稳分解过程和前缘突破过程;3)水合物的分解表现为多孔介质电阻的急剧变化上;4)实验模型的复杂性致使拟合值要略大于实验值,均在工程误差范围内 [ 1] 刘芙蓉,王胜杰,张文玲,等 . 冰 气生成天然气水合物的实验研究[ J] . 西安交通大学学报, 2000, 34( 12): 66-69.[ 2] W, S, D. J] 合值偏差 /%时间 距离 时间 4 9 195 95 水合物分解前缘实验拟合值图 of on 2011 年 3 月1987( 33): 86 3] J, , D. A C] // at 2003, 6: 22-27.[ 4] S, D. in J] . 987, 16859: 243-258.[ 5] , , , et on of in C] // at 1999, 7: 18-22.[ 6] 李明川,樊栓狮,赵金洲 . 多孔介质中天然气水合物形成实验研究[ J] . 天然气工业:地质与勘探, 2006, 5( 26): 27-28.[ 7] D, . A J] . 991, 37( 9): 1281-1292.[ 8] 李明川 . 多孔介质中天然气水合物注热水分解理论及实验研究[ D] . 成都:西南石油大学, 2005.1. 66555, . 10640, on of in in a of on of on of in ey 然气水合物热分解实验研究287- -
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