用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置及方法

本发明属于天然气水合物试验设备，尤其涉及一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置及方法。

背景技术：

1、天然气水合物是由天然气分子和水分子在特定的低温高压条件下形成的一种类冰状化合物，广泛分布于陆上永久冻土带和海底浅部沉积层中，其中海域天然气水合物占90％以上。当前，水合物开发研究已经从早期的现场调查和室内实验测试逐步进入现场试采研究阶段，处于产业化的过渡阶段。针对天然气水合物储层开展相关的地球物理、力学特性、开采方法等研究对实现天然气水合物储层勘探、地层稳定性评价、开采方法优化等具有重要意义。

2、依据天然气水合物在自然界中的赋存状态及特征，从生产角度出发，可将天然气水合物藏分为孔隙型水合物藏和裂隙型水合物藏。天然气水合物的开采主要是通过物理或化学手段改变目标层位水合物的赋存状态，使其由水合物相态稳定区转为非稳定区进而使得水合物分解、气体释放。依据开采时使用的方法不同，开采方式可主要分为降压法、加热法、注化学剂法、气体置换法等以及两种或多种方法的综合应用。降压法一般通过抽取地层流体降低储层内压力使得水合物分解，而加热法则通过各种方式的加热促使水合物分解，注化学剂方法则改变了水合物相平衡条件使其更易分解，置换法则是用新的客体分子置换原有的甲烷分子并生成更加稳定的新型水合物。

3、然而，由于生成的水合物通常为多孔蓬松堆积的类似雪状的晶体，疏松多孔的形貌会使水合物对周围环境更加敏感，加速水合物分解，不利于对水合物的储存和转运，因此有必要对于水合物生成、分解和置换过程当中的微观特征和界面特征进行研究，基于此能够分析影响水合物生成、分解和置换的主要因素，对于现实水合物的开采储运等工作提供理论支持。同时水合物的特殊形态对研究水合物的生成、分解和置换过程造成了巨大的阻碍，现有的水合物开发装置难以对水合物生成、分解和置换的过程进行观测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置及方法，旨在解决现有技术中水合物开发装置难以对水合物生成、分解和置换的过程进行观测的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，包括内设光刻玻璃的反应釜，所述反应釜的顶部设有透明视窗、底部设有照明装置，所述透明视窗的上方设有图像采集装置，所述光刻玻璃的内部设有多孔介质型腔，用于形成密闭的水合物合成腔体，所述光刻玻璃的内腔与抽真空系统、进液系统及进气系统相连，用于对光刻玻璃的内腔抽真空、降温并形成高压环境；所述反应釜与温控系统相连，用于保持反应釜内处于恒温状态。

4、优选的，所述抽真空系统包括真空泵、排液管和收集罐，所述真空泵设置于排液管上，所述排液管的一端与光刻玻璃的排液口相连，所述排液管的另一端与收集罐相连，所述真空泵及收集罐均设置于反应釜的外部。

5、优选的，所述进液系统包括储液箱、注液管和压缩机，所述注液管的一端与光刻玻璃的进液口相连，所述注液管的另一端储液箱相连，所述压缩机的进出口两端分别设有蓄冷罐和散热器，所述散热器与光刻玻璃之间的注液管上设有单向阀、流量计和电控阀；通过注液管向光刻玻璃内的水合物生成腔体供给原料水。

6、优选的，所述注液管上设有能够与反应釜侧壁相连的旁通管，所述旁通管上设有单向阀、流量计和电控阀，通过旁通管向反应釜内腔注入冷却液，注入完成后向反应釜内腔的冷却液中加入水合物抑制剂；所述反应釜的底部设有与收集管相连的出液口，所述收集管上设有单向阀和电控阀。

7、优选的，所述进气系统包括气瓶和进气管，所述进气管上设有单向阀、流量计和电控阀，所述进气管的一端与光刻玻璃的进气口相连，所述进气管的另一端与气瓶相连，所述气瓶、单向阀、流量计和电控阀均设置于反应釜的外部；气瓶分别为甲烷气瓶和二氧化碳气瓶，通过甲烷气瓶和二氧化碳气瓶两个气瓶分别给光刻玻璃内的水合物生成腔体供给甲烷和二氧化碳两种气体，并制造高压环境。

8、优选的，所述温控系统包括与反应釜侧壁相连的温度探头和温控箱，利用温度探头监测反应釜内的温度，通过温控箱来保持反应釜内的恒温状态。

9、优选的，所述反应釜的侧壁上设有超声波振子，所述超声波振子通过电缆线与超声波发生器相连。

10、优选的，所述透明视窗的四周通过密封圈及连接件与反应釜的侧壁密封相连。

11、优选的，所述反应釜设置于底座的上方，所述反应釜的底部设有透明视窗，所述照明装置设置于底部透明视窗的下方，所述照明装置设置于底座上。

12、优选的，所述图像采集装置为显微镜，所述显微镜通过支架与底座相连。

13、本发明还提供一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验方法，应用上述用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，通过温控系统使反应釜处于恒温状态，利用抽真空系统对光刻玻璃的多孔介质型腔抽真空，利用进液系统对光刻玻璃的多孔介质型腔注入冷却液，并通过进气系统在光刻玻璃的多孔介质型腔形成高压环境；照明装置对光刻玻璃提供照明，图像采集装置通过透明视窗记录光刻玻璃内水合物的生成、分解和置换实验过程，进而计算水合物的生成、分解、置换面积，通过面积和时间的比值确定不同温度压力作用下水合物的生成、分解、置换过程的反应速度。

14、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明结构简单、操作简单、使用方便、运行稳定、能耗较低，采用光刻玻璃作为水合物的生成场所，通过显微镜观察来研究水合物生成、分解和置换过程当中的微观特征和界面特征，并分析温度压力影响下水合物生成、分解和置换的速度，最终总结出一般性规律，为后续水合物开发储运等的研究提供理论及装置的支持，对于水合物的开采和储运等工作具有重要意义。

技术特征：

1.一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：包括内设光刻玻璃的反应釜，所述反应釜的顶部设有透明视窗、底部设有照明装置，所述透明视窗的上方设有图像采集装置，所述光刻玻璃的内部设有多孔介质型腔，用于形成密闭的水合物合成腔体，所述光刻玻璃的内腔与抽真空系统、进液系统及进气系统相连，用于对光刻玻璃的内腔抽真空、降温并形成高压环境；所述反应釜与温控系统相连，用于保持反应釜内处于恒温状态。

2.根据权利要求1所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述抽真空系统包括真空泵、排液管和收集罐，所述真空泵设置于排液管上，所述排液管的一端与光刻玻璃的排液口相连，所述排液管的另一端与收集罐相连，所述真空泵及收集罐均设置于反应釜的外部。

3.根据权利要求1所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述进液系统包括储液箱、注液管和压缩机，所述注液管的一端与光刻玻璃的进液口相连，所述注液管的另一端储液箱相连，所述压缩机的进出口两端分别设有蓄冷罐和散热器，所述散热器与光刻玻璃之间的注液管上设有单向阀、流量计和电控阀；通过注液管向光刻玻璃内的水合物生成腔体供给原料水。

4.根据权利要求3所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述注液管上设有能够与反应釜侧壁相连的旁通管，所述旁通管上设有单向阀、流量计和电控阀，通过旁通管向反应釜内腔注入冷却液，注入完成后向反应釜的内腔冷却液中加入水合物抑制剂；所述反应釜的底部设有与收集管相连的出液口，所述收集管上设有单向阀和电控阀。

5.根据权利要求1所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述进气系统包括气瓶和进气管，所述进气管上设有单向阀、流量计和电控阀，所述进气管的一端与光刻玻璃的进气口相连，所述进气管的另一端与气瓶相连，所述气瓶、单向阀、流量计和电控阀均设置于反应釜的外部；气瓶分别为甲烷气瓶和二氧化碳气瓶，通过甲烷气瓶和二氧化碳气瓶两个气瓶分别给光刻玻璃内的水合物生成腔体供给甲烷和二氧化碳两种气体，并制造高压环境。

6.根据权利要求1所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述温控系统包括与反应釜侧壁相连的温度探头和温控箱，利用温度探头监测反应釜内的温度，通过温控箱来保持反应釜内的恒温状态。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述反应釜的侧壁上设有超声波振子，所述超声波振子通过电缆线与超声波发生器相连。

8.根据权利要求7所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述反应釜设置于底座的上方，所述反应釜的底部设有透明视窗，所述照明装置设置于底部透明视窗的下方，所述照明装置设置于底座上。

9.根据权利要求8所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，其特征在于：所述图像采集装置为显微镜，所述显微镜通过支架与底座相连。

10.一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验方法，其特征在于：应用如权利要求7所述的用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置，通过温控系统使反应釜处于恒温状态，利用抽真空系统对光刻玻璃的多孔介质型腔抽真空，利用进液系统对光刻玻璃的多孔介质型腔注入冷却液，并通过进气系统在光刻玻璃的多孔介质型腔形成高压环境；照明装置对光刻玻璃提供照明，图像采集装置通过透明视窗记录光刻玻璃内水合物的生成、分解和置换实验过程，进而计算水合物的生成、分解、置换面积，通过面积和时间的比值确定不同温度压力作用下水合物的生成、分解、置换过程的反应速度。

技术总结
本发明公开了一种用于研究天然气水合物在多孔介质内生成、分解和置换的实验装置及方法，属于天然气水合物试验设备技术领域，包括内设光刻玻璃的反应釜，反应釜顶部设透明视窗、底部设照明装置，透明视窗上方设有显微镜，光刻玻璃内部设多孔介质型腔，光刻玻璃内腔与抽真空系统、进液系统及进气系统相连，用于对光刻玻璃的内腔抽真空、降温并形成高压环境；反应釜与温控系统相连来保持反应釜内是恒温状态。本发明结构简单、操作方便、运行稳定、能耗较低，光刻玻璃作为水合物的生成场所，通过显微镜观察来研究水合物生成、分解和置换过程，并分析温度压力影响下水合物生成、分解和置换的速度，为后续水合物开发储运等的研究提供理论及装置的支持。

技术研发人员：白玉杰,戈甜甜,伊苇艺,曹广胜,张宁,李丹,杜雨洋,李耀卿,王立辉
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12