阅读说明：本技术 一种模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统 (System for simulating carbon dioxide displacement method to exploit natural gas hydrate ) 是由 荆铁亚 赵文韬 张健 王金意 郜时旺 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统,包括反应釜、加压活塞、加压泵、压力传感器、储液罐、抽液泵、第一阀门、CH<Sub>4</Sub>气瓶、第二阀门、抽气泵、CO<Sub>2</Sub>气瓶、第三阀门、第一流量计、第四阀门、第五阀门、废液罐、注气管、真空泵、第六阀门、第二流量计、第一导管、试剂容器、第二导管、第三流量计、第七阀门、排气管、电子天平及恒温箱,该系统能够在实验室中模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物。(The invention discloses a system for exploiting natural gas hydrate by simulating a carbon dioxide displacement method, which comprises a reaction kettle, a pressurizing piston, a pressurizing pump, a pressure sensor, a liquid storage tank, a liquid pumping pump, a first valve, CH 4 Gas cylinder, second valve, air pump, CO 2 The system comprises a gas cylinder, a third valve, a first flowmeter, a fourth valve, a fifth valve, a waste liquid tank, a gas injection pipe, a vacuum pump, a sixth valve, a second flowmeter, a first conduit, a reagent container, a second conduit, a third flowmeter, a seventh valve, an exhaust pipe, an electronic balance and a thermostat, and can be used for exploiting natural gas hydrates by simulating a carbon dioxide displacement method in a laboratory.)

一种模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统

技术领域

本发明属于天然气水合物开发模拟技术领域，涉及一种模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统。

背景技术

天然气水合物是一种蕴含巨大价值的潜在能源，成功的开采利用可以有效地缓解能源紧张。我国已在南海成功地进行了连续抽采。CO₂作为温室气体，大规模的排放会造成严重的环境破坏，造成气温升高，海平面上升。通过CO₂置换天然水水合物，把二氧化碳水合物永久封存在海底，是一种可行的减少CO₂排放的方法。CO₂置换天然气水合物的优势在于：当CO₂置换取代CH₄时，并形成天然气水合物，一方面减少了CO₂的含量，另一方面维护了海底水合物沉积层的稳定性，兼具环保价值和经济价值。

天然气水合物和二氧化碳水合物的形成需要一定的温度、压力和气源等条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比二氧化碳水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而二氧化碳水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO₂气体，CO₂气体就可能与天然气水合物分解出的水生成二氧化碳水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。关于CO₂置换天然气水合物的效率、过程目前还没有定量的评价，CO₂置换天然气水合物的影响因素还不够明确，缺少相关的模拟设备。

因此，有必要形成一种实验室模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的装置及系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统，该系统能够在实验室中模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物。

为达到上述目的，本发明所述的模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统包括反应釜、加压活塞、加压泵、压力传感器、储液罐、抽液泵、第一阀门、CH₄气瓶、第二阀门、抽气泵、CO₂气瓶、第三阀门、第一流量计、第四阀门、第五阀门、废液罐、注气管、真空泵、第六阀门、第二流量计、第一导管、试剂容器、第二导管、第三流量计、第七阀门、排气管、电子天平及恒温箱；

反应釜的底部填充有透明玻璃球，加压活塞位于反应釜内，加压泵的输出轴经压力传感器与加压活塞相连接；

储液罐的出口经抽液泵及第一阀门与反应釜的入水口相连通；

CH₄气瓶的出口经第二阀门与抽气泵的入口相连通，CO₂气瓶的出口经第三阀门及第一流量计与抽气泵的入口相连通，抽气泵的出口与第四阀门的一端相连通，第五阀门的一端与废液罐的入口相连通，注气管的下端与第五阀门的另一端及第四阀门的另一端相连通，注气管的上端自反应釜的底部***于反应釜内，且注气管上位于反应釜内的部分的侧面开设有若干通孔；

反应釜顶部的出气口与真空泵及第六阀门的一端相连通，第六阀门的另一端经第二流量计与第一导管的一端相连通，第一导管的另一端***于试剂容器内，试剂容器顶部的排气口经第二导管、第三流量计及第七阀门与排气管相连通；

试剂容器位于电子天平上，反应釜位于恒温箱内。

加压泵的输出轴经第一金属杆、压力传感器及第二金属杆与加压活塞相连接。

还包括第三导管，其中，第三导管的一端***于储液罐内，第三导管的另一端依次经抽液泵、第四导管、第四流量计、第一阀门及第五导管与反应釜的入水口相连通。

第五导管上设置有稳压阀。

反应釜的出气口经第六导管与真空泵及第六阀门相连通。

还包括第七导管，其中，CO₂气瓶的出口经第三阀门及第一流量计与第七导管的一端相连通，CH₄气瓶的出口依次经第二阀门及第五流量计与第七导管相连通，第七导管的另一端与抽气泵的入口相连通。

抽气泵的出口经第八导管与第四阀门相连通。

还包括排液管及第九导管，其中，第九导管的一端与第五阀门相连通，第九导管的另一端与排液管的上端相连通，排液管的下端***于废液罐内。

储液罐内盛有蒸馏水，且蒸馏水的液面与储液罐顶部开口之间的距离为储液罐高度的1/4。

反应釜的侧壁上设置有观察窗。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统在在具体操作时，利用真空泵、恒温箱及透明玻璃球模拟形成天然气水合物所需的环境，再向反应釜中注入CH₄气体及水，从而在反应釜中生成天然气水合物，然后向反应釜中注入CO₂气体，通过CO₂气体对天然气水合物进行置换，根据天然气水合物生成量及CO₂置换量计算二氧化碳的置换效率，以实现在实验室中模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的目的，结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为储液罐、2为第三导管、3为抽液泵、4为第四导管、5为第四流量计、6为第一阀门、7为第五导管、8为稳压阀、9为反应釜、10为加压泵、11为第一金属杆、12为压力传感器、13为第二金属杆、14为加压活塞、15为真空泵、16为第六导管、17为透明玻璃球、18为第五阀门、19为第九导管、20为排液管、21为废液罐、22为CH₄气瓶、23为第二阀门、24为第五流量计、25为CO₂气瓶、26为第三阀门、27为第一流量计、28为第七导管、29为抽气泵、30为第八导管、31为第四阀门、32为注气管、33为恒温箱、34为第六阀门、35为第二流量计、36为第一导管、37为试剂容器、38为第二导管、39为第三流量计、40为第七阀门、41为排气管、42为电子天平。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的模拟二氧化碳置换法开采天然气水合物的系统包括反应釜9、加压活塞14、加压泵10、压力传感器12、储液罐1、抽液泵3、第一阀门6、CH₄气瓶22、第二阀门23、抽气泵29、CO₂气瓶25、第三阀门26、第一流量计27、第四阀门31、第五阀门18、废液罐21、注气管32、真空泵15、第六阀门34、第二流量计35、第一导管36、试剂容器37、第二导管38、第三流量计39、第七阀门40、排气管41、电子天平42及恒温箱33；反应釜9的底部填充有透明玻璃球17，加压活塞14位于反应釜9内，加压泵10的输出轴经压力传感器12与加压活塞14相连接；储液罐1的出口经抽液泵3及第一阀门6与反应釜9的入水口相连通；CH₄气瓶22的出口经第二阀门23与抽气泵29的入口相连通，抽气泵29的出口经第八导管30与第四阀门31相连通，CO₂气瓶25的出口经第三阀门26及第一流量计27与抽气泵29的入口相连通，抽气泵29的出口与第四阀门31的一端相连通，第五阀门18的一端与废液罐21的入口相连通，注气管32的下端与第五阀门18的另一端及第四阀门31的另一端相连通，注气管32的上端自反应釜9的底部***于反应釜9内，且注气管32上位于反应釜9内的部分的侧面开设有若干通孔；反应釜9顶部的出气口与真空泵15及第六阀门34的一端相连通，第六阀门34的另一端经第二流量计35与第一导管36的一端相连通，第一导管36的另一端***于试剂容器37内，试剂容器37顶部的排气口经第二导管38、第三流量计39及第七阀门40与排气管41相连通。

试剂容器37位于电子天平42上，反应釜9位于恒温箱33内。

具体的，加压泵10的输出轴经第一金属杆11、压力传感器12及第二金属杆13与加压活塞14相连接。

本发明还包括第三导管2，其中，第三导管2的一端***于储液罐1内，第三导管2的另一端依次经抽液泵3、第四导管4、第四流量计5、第一阀门6及第五导管7与反应釜9的入水口相连通，其中，第五导管7上设置有稳压阀8。

反应釜9的出气口经第六导管16与真空泵15及第六阀门34相连通；本发明还包括第七导管28，其中，CO₂气瓶25的出口经第三阀门26及第一流量计27与第七导管28的一端相连通，CH₄气瓶22的出口依次经第二阀门23及第五流量计24与第七导管28相连通，第七导管28的另一端与抽气泵29的入口相连通。

本发明还包括排液管20及第九导管19，其中，第九导管19的一端与第五阀门18相连通，第九导管19的另一端与排液管20的上端相连通，排液管20的下端***于废液罐21内。

储液罐1内盛有蒸馏水，且蒸馏水的液面与储液罐1顶部开口之间的距离为储液罐1高度的1/4；反应釜9的侧壁上设置有观察窗，恒温箱33为透明耐高压材质，以便于观察实验进展。

第一流量计27、第二流量计35、第三流量计39、第四流量计5及第五流量计24的量程均为1000ml/min，精度均为0.1ml/min，耐压均为50MPa。

反应釜9的底部可以装入不同直径的透明玻璃球17，以模拟不同地层并便于观察，按地层地质情况布置。

所述压力传感器12的量程为0-50MPa，测量精度均为0.1MPa。

所述排液管20伸入到废液罐21的底部，防止废液溅出污染。

稳压阀8可以稳定反应釜9内部的压力，并防止反应釜9内部压力过大，稳压阀8的稳压范围为0-50MPa。

试剂容器37中装入过量的石灰水溶液，保证混合气体中的CO₂被完全吸收。

电子天平42的量程为0.00-3000.00g，测量精度为0.01g。

本发明的具体工作过程为：

1)把不同直径的透明玻璃球17放入反应釜9的底部，按需要在0-10℃内设置恒温箱33的温度；

2)通过真空泵15使反应釜9内部达到真空状态；

3)打开第一阀门6及抽液泵3，向反应釜9中注入蒸馏水；

4)根据实验设计通过加压泵10向反应釜9中加压，使反应釜9内的压力保持在实验设计压力范围内，并保持稳定；

5)根据实验设计，打开第二阀门23及第四阀门31，并使用抽气泵29，向反应釜9中缓慢注入CH₄气体，通过观察窗观察实验反应，从而在反应釜9中生成天然气水合物，根据第五流量计24的读数计算天然气水合物生成量；

6)关闭所有泵及阀门；

7)将盛有过量石灰水溶液的试剂容器37置于电子天平42上，并使电子天平42归零；

8)打开第三阀门26、第四阀门31、第六阀门34及第七阀门40，采用抽气泵29，向反应釜9中缓慢注入CO₂气体；

9)实验一段时间后，关闭抽气泵29、第三阀门26及第四阀门31，待试剂容器37中无反应后，关闭第六阀门34及第七阀门40；

10)记录第一流量计27、第二流量计35、第三流量计39及电子天平42的读数，根据第一流量计27测量的数据、第二流量计35测量的数据、第三流量计39测量的数据及电子天平42测量的数据计算CO₂置换量；

11)实验完成后，打开第五阀门18排出废液，拆卸系统各实验仪器，清洗管路与设备；

12)根据天然气水合物生成量及CO₂置换量计算二氧化碳的置换效率。