本发明涉及天然气水合物固态流化开采领域，具体为一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置及方法。
背景技术
天然气水合物即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。2013年6月至9月，在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。
现有的天然气水合物固态流化开采模拟装置，只能模拟部分天然气水合物采掘过程，且生成的水合物的时间长，消耗成本巨大，并不适用与常规性的模拟实验研究，难以满足开展天然气水合物固态流化采掘相运移规律模拟实验研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置及方法，解决了背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，其结构包括模拟水合物采掘模块、水平段岩屑分离模块、上部分离模块、气体收集与回注模块、信息采集与数字化控制模块五大模块，其中：所述模拟水合物采掘模块包括大型水箱，所述大型水箱内部左端放置模拟水合物成岩块，所述模拟水合物成岩块右端有采掘装置、运输管道、碎化装置，所述碎化装置右端与高压承压软管相连；所述模拟水合物采掘模块右端通过运输管道依次连接有球阀a、砂浆螺杆泵a、球阀b、压力传感器a、流量计a；
所述水平段岩屑分离模块包括球阀c、分离器a、压力传感器b、压力表a、球阀d、分离器b、压力传感器c、压力表b、球阀e、分离器c、压力传感器d、压力表c、球阀f、分离器d、压力传感器e、压力表d，所述水平段岩屑分离模块右端通过运输管道依次连接有砂浆螺杆泵b、压力传感器f、压力表e，所述压力表e右上端气体管路连接有单流阀a、压力表f、压力传感器g、节流阀a，所述节流阀a右上端气体管路支路安装有节流阀b、压力传感器h、压力表g、单流阀b；
所述上部分离模块包括分离器d、球阀g、固相回收罐、球阀h、流量计b、球阀i、储液罐，相互间连接有运输管道，所述储液罐右端通过运输管道依次连接有球阀j、水泵、流量计c、压力传感器i、压力表h，所述压力表h通过管路依次与球阀k、大型水箱相连；
所述气体收集与回注模块包括气体干燥箱、球阀l、气体缓冲罐、压力传感器j、压力表i、空气压缩机、球阀m、高压储气罐，相互间采用气体管道相连，所述高压储气罐上端依次连接有节流阀c、压力传感器l、流量计d，所述流量计d通过管道与左下方节流阀a、节流阀b相连；
所述信息采集与数字化控制模块包括集成电路箱a、集成电路箱b、集成电路箱c，所述集成电路箱a、集成电路箱b、集成电路箱c通过信号传输线与中央控制系统相连，所述中央控制系统通过信号传输线与计算机终端控制系统相连。
进一步地，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述大型水箱中装满了海水，且所述大型水箱正面有可视化窗口a和刻度线，方便观察大型水箱中采掘情况和海水液位高度；
所述采掘装置、运输管道、碎化装置为一整体机，所述碎化装置下方是安装有履带且右端连接有高压承压软管，可以配合采掘破碎一体机在破碎模拟水合物成岩块的过程中向前掘进。进一步地，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述球阀c、分离器a、压力传感器b、压力表a为一条支路，球阀d、分离器b、压力传感器c、压力表b为一条支路，球阀e、分离器c、压力传感器d、压力表c为一条支路，球阀f、分离器d、压力传感器e、压力表d为一条支路，分别与水平运输主管道并联，通过控制球阀c、球阀d、球阀e、球阀f的开关可以控制水平管道中的固相颗粒的含量，定量分析固相颗粒在水平管道中的运移规律。
进一步地，所述压力表e右端水平运输管道安装有可视化窗口b，所述压力表e右端垂直运输管段安装有可视化窗口c，方便观察固相颗粒在水平管段和垂直管段的运移情况。
进一步地，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述分离器d上端通过气体管线与气体干燥箱51相连，下端通过管路依次与球阀g、固相回收罐相连，上部连接的气体管路可以分离管路中的气体并回收，下部连接的运输管道可以排除管道中的固相颗粒，并回收到固相回收罐中。
进一步地，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述高压储气罐上部有压力表j，下部有压力传感器k，右端连接有气体压力补偿罐，所述压力补偿罐可以调节高压储气罐内的气体压力，方便为气体管路提供稳定的气体压。
进一步地，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述碎化装置、球阀a、球阀k、球阀b、压力传感器a、流量计a、球阀c、压力传感器b、球阀d、压力传感器c、球阀e、压力传感器d、球阀f、压力传感器e、压力传感器f通过信号传输线与集成电路箱a相连，所述压力传感器g、节流阀a、节流阀b、压力传感器h通过信号传输线与集成电路箱b相连，所述球阀g、球阀l、压力传感器j、球阀i、球阀m、球阀j、流量计c、压力传感器i、压力传感器k、节流阀c、压力传感器l通过信号传输线与集成电路箱c相连，方便远程监测压力和控制阀门开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.该模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，通过在大型水箱内设置的模拟水合物成岩块和采掘、碎化装置等可以模拟固态流化开采过程中采掘装置的掘进和碎化装置的碎化过程。2.该模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，通过并联在水平运输管道的四个分离器支路，可以实现控制水平运输管道中固相含量的多少，定量分析水合物固相颗粒在水平管段的运移规律。
3.该模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，通过上部分离模块可以实现将运输上来的混合流体分离并分别集中收集，通过水泵又可以将分离出来的海水通过管道回注到大型水箱中。4.该模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，通过气体收集与回注模块可以通过节流阀控制注入水平运输管道和垂直运输管道的气体流量，模拟水合物在不同分解程度的下水平运输管道和垂直运输管道的运移规律。同时，配套的信息采集与数字化控制模块可以实现智能控制实验流程。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置的整体结构图；
图2为本发明水箱部分细节装置结构图；
图3为本发明水平和垂直管道可视化结构图；
图中：大型水箱-1、模拟水合物成岩块-2、采掘装置-3、运输管道-4、碎化装置-5、高压承压软管-6、球阀a-7、砂浆螺杆泵a-8、球阀b-9、压力传感器a-11、流量计a-10、球阀c-12、分离器a-13、压力传感器b-14、压力表a-15、球阀d-16、分离器b-17、压力传感器c-19、压力表b-18、球阀e-20、分离器c-21、压力传感器d-22、压力表c-23、球阀f-24、分离器d-26、压力传感器e-25、压力表d-27、砂浆螺杆泵b-28、压力传感器f-29、压力表e-30、单流阀a-31、压力表f-32、压力传感器g-33、节流阀a-34、节流阀b-35、压力传感器h-36、压力表g-37、单流阀b-38、分离器d-39、球阀g-40、固相回收罐-41、球阀h-42、流量计b-43、球阀i-44、储液罐-45、球阀j-46、水泵-47、流量计c-48、压力传感器i-49、压力表h-50、气体干燥箱-51、球阀l-52、气体缓冲罐-53、压力传感器j-55、压力表i-54、空气压缩机-56、球阀m-57、高压储气罐-58、压力传感器k-59、压力表j-60、压力补偿罐-61、节流阀c-62、压力传感器l-63、流量计d-64、球阀k-65、集成电路箱a-66、集成电路箱b-67、集成电路箱c-68、中央控制系统-69、计算机终端控制系统-70、履带-71、可视化窗口a-72、可视化窗口b-73、可视化窗口c-74。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，其结构包括模拟水合物采掘模块、水平段岩屑分离模块、上部分离模块、气体收集与回注模块、信息采集与数字化控制模块五大模块，其中：所述模拟水合物采掘模块包括大型水箱1，所述大型水箱1内部左端放置模拟水合物成岩块2，所述模拟水合物成岩块2右端有采掘装置3、运输管道4、碎化装置5，所述碎化装置5右端与高压承压软管6相连，所述模拟水合物采掘模块右端通过运输管道依次连接有球阀a7、砂浆螺杆泵a8、球阀b9、压力传感器a11、流量计a10；
所述水平段岩屑分离模块包括球阀c12、分离器a13、压力传感器b14、压力表a15、球阀d16、分离器b17、压力传感器c19、压力表b18、球阀e20、分离器c21、压力传感器d22、压力表c23、球阀f24、分离器d26、压力传感器e25、压力表d27，所述水平段岩屑分离模块右端通过运输管道依次连接有砂浆螺杆泵b28、压力传感器f29、压力表e30，所述压力表e30右上端气体管路连接有单流阀a31、压力表f32、压力传感器g33、节流阀a34，所述节流阀a34右上端气体管路支路安装有节流阀b35、压力传感器h36、压力表g37、单流阀b38；
所述上部分离模块包括分离器d39、球阀g40、固相回收罐41、球阀h42、流量计b43、球阀i44、储液罐45，相互间连接有运输管道，所述储液罐45右端通过运输管道依次连接有球阀j46、水泵47、流量计c48、压力传感器i49、压力表h50，所述压力表h50通过管路依次与球阀k65、大型水箱1相连；
所述气体收集与回注模块包括气体干燥箱51、球阀l52、气体缓冲罐53、压力传感器j55、压力表i54、空气压缩机56、球阀m57、高压储气罐58，相互间采用气体管道相连，所述高压储气罐58上端依次连接有节流阀c62、压力传感器l63、流量计d64，所述流量计d64通过管道与左下方节流阀a34、节流阀b35相连；
所述信息采集与数字化控制模块包括集成电路箱a66、集成电路箱b67、集成电路箱c68，所述集成电路箱a66、集成电路箱b67、集成电路箱c68通过信号传输线与中央控制系统69相连，所述中央控制系统69通过信号传输线与计算机终端控制系统70相连。
请参阅图2，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述大型水箱1中装满了海水，且所述大型水箱1正面有可视化窗口a72和刻度线，方便观察大型水箱1中采掘情况和海水液位高度；
所述采掘装置3、运输管道4、碎化装置5为一整体机，所述碎化装置5下方是安装有履带71且右端连接有高压承压软管6，可以配合采掘破碎一体机在破碎模拟水合物成岩块2的过程中向前掘进。
请参阅图1，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述球阀c12、分离器a13、压力传感器b14、压力表a15为一条支路，球阀d16、分离器b17、压力传感器c19、压力表b18为一条支路，球阀e20、分离器c21、压力传感器d22、压力表c23为一条支路，球阀f24、分离器d26、压力传感器e25、压力表d27为一条支路，分别与水平运输主管道并联，通过控制球阀c12、球阀d16、球阀e20、球阀f24的开关可以控制水平管道中的固相颗粒的含量，定量分析固相颗粒在水平管道中的运移规律。
请参阅图3，所述压力表e30右端水平运输管道安装有可视化窗口b73，所述压力表e30右端垂直运输管段安装有可视化窗口c74，方便观察固相颗粒在水平管段和垂直管段的运移情况。请参阅图1，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述分离器d39上端通过气体管线与气体干燥箱51相连，下端通过管路依次与球阀g40、固相回收罐41相连，上部连接的气体管路可以分离管路中的气体并回收，下部连接的运输管道可以排除管道中的固相颗粒，并回收到固相回收罐41中。
请参阅图1，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述高压储气罐58上部有压力表j60，下部有压力传感器k59，右端连接有气体压力补偿罐61，所述压力补偿罐61可以调节高压储气罐58内的气体压力，方便为气体管路提供稳定的气体压。
请参阅图1，如上所述的模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，所述碎化装置5、球阀a7、球阀k65、球阀b9、压力传感器a11、流量计a10、球阀c12、压力传感器b14、球阀d16、压力传感器c19、球阀e20、压力传感器d22、球阀f24、压力传感器e25、压力传感器f29通过信号传输线与集成电路箱a66相连，所述压力传感器g33、节流阀a34、节流阀b35、压力传感器h36通过信号传输线与集成电路箱b67相连，所述球阀g40、球阀l52、压力传感器j55、球阀i44、球阀m57、球阀j46、流量计c48、压力传感器i49、压力传感器k59、节流阀c62、压力传感器l63通过信号传输线与集成电路箱c68相连，方便远程监测压力和控制阀门开关。
本发明所述的一种模拟天然气水合物固态流化采掘实验装置，启动采掘装置3和破碎装置5，在履带71的推动下，采掘装置3不断破碎模拟水合物岩块2，通过运输管道4运送至破碎装置5再次破碎，经过高压承压软管6进入水平管道，进入管道的混合物在砂浆螺杆泵a8的作用下泵送至水平管道，通过流量计a计量泵送流体，通过调节分离器a13、分离器b17、分离器c21、分离器d26对应的球阀c12、球阀d16、球阀e20、球阀f24的开关可以调节水平管道中的固相含量，并通过砂浆螺杆泵b28泵送至右方的水平运输管段和垂直运输管段，垂直管段运输的混合液体通过分离器d39将气液固混合流体彻底分离，固相颗粒通过球阀g40运输至固相回收罐41，液相海水依次通过球阀h42、流量计b43、球阀i44进入储液罐45，然后通过球阀j46，由水泵47通过流量计c48、球阀k65回注到大型水箱1,由分离器d39分离出的气体，通过气体干燥箱51、球阀l52进入到气体缓冲罐53，然后由空气压缩机56经由球阀m57进入高压储气罐58，在压力补偿罐61的作用下，高压储气罐58中的气体经由节流阀c62、流量计d64，通过气体管路运输至节流阀a34、节流阀b35，通过调节节流阀a34、节流阀b35的开度可以控制进入水平运输管道和垂直运输管道的气体，模拟天然气水合物在不同分解程度下管道中混合物的运移情况，其中，单流阀a-31、单流阀b-38可以防止由于管道中的气压过小导致运输管道中混合流体进入气体管道。
本发明的大型水箱1、模拟水合物成岩块2、采掘装置3、运输管道4、碎化装置5、高压承压软管6、球阀a7、砂浆螺杆泵a8、球阀b9、压力传感器a11、流量计a10、球阀c12、分离器a13、压力传感器b14、压力表a15、球阀d16、分离器b17、压力传感器c19、压力表b18、球阀e20、分离器c21、压力传感器d22、压力表c23、球阀f24、分离器d26、压力传感器e25、压力表d27、砂浆螺杆泵b28、压力传感器f29、压力表e30、单流阀a31、压力表f32、压力传感器g33、节流阀a34、节流阀b35、压力传感器h36、压力表g37、单流阀b38、分离器d39、球阀g40、固相回收罐41、球阀h42、流量计b43、球阀i44、储液罐45、球阀j46、水泵47、流量计c48、压力传感器i49、压力表h50、气体干燥箱51、球阀l52、气体缓冲罐53、压力传感器j55、压力表i54、空气压缩机56、球阀m57、高压储气罐58、压力传感器k59、压力表j60、压力补偿罐61、节流阀c62、压力传感器l63、流量计d64、球阀k65、集成电路箱a66、集成电路箱b67、集成电路箱c68、中央控制系统69、计算机终端控制系统70、履带71、可视化窗口a72、可视化窗口b73、可视化窗口c74，部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知，本发明解决的问题是现有天然气水合物固态流化开采模拟装置不能有效模拟固态流化开采全过程运移动态，使用不方便，生成模拟水合物时间长，而且实验成本较高，难以满足常规化模拟实验进程，本发明通过设置的可视化窗口可以有效观察和记录大型水箱、运输管道内混合流体的运移情况，本发明通过上述部件的互相组合，通过安装在管道上的传感器和各种阀门的控制电路，可以实现模拟装置的自动化管理和控制，操作简单方便。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。