技术领域
[0001] 本实用新型涉及海洋天然气水合物开发领域，特别涉及一种射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置。
背景技术
[0002] 天然气水合物(Natural Gas Hydrates，简称NGH)是在一定条件下由轻
烃、二
氧化
碳及
硫化氢等小分子气体与水相互作用形成的白色固态结晶物质，具有
能量密度大、一定的形成条件、储量大和分布广四个主要特点。全球的天然气水合物中含的有机碳总量相当于已探明的常规化石有机碳储量的2倍。由于天然气水合物的资源潜
力巨大，近几十年在世界范围内兴起了天然气水合物勘查、试采、开发的研究热潮，美国、日本、加拿大、印度与韩国等国已经制定了针对天然气水合物的长期研究计划，如何安全高效以及环保地开采天然气水合物资源已经成为世界各国关注的前沿与焦点。
[0003] 目前常规的天然气开采方法有热激发法、降压法、注化学
试剂法与CO2置换法；而与常规油气储层相比，海洋天然气水合物储层具有埋深浅、非成岩与低渗透的特点；因此，若单纯地采用这四种开采方法对海洋天然气水合物进行开发，具有较大的局限性：降压法可能引起天然气水合物的二次生成或者
冰的生成，堵塞渗透路径，于长期开采不利；热激法具有热利用效率较低的问题，且只能进行小范围加热；化学试剂法的缺点是化学试剂昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，存在环境污染问题；CO2置换法开采周期长，要求天然气水合物储层具有较高的渗透性。
[0004] 水射流冲蚀
破碎海底天然气水合物储层是海洋天然气水合物开采新方法，水射流法利用天然气水合物储层力学强度低于深海油气储层、赋存深度较浅的特点，采用射流破碎方式不需要巨大的能量输入就可产生破碎，从而得到天然气水合物颗粒；除此之外，水射流法不需通过压力或
温度传递使储层中的天然气水合物分解，对储层的
传热、传压通道没有要求，因此渗透性要求低；同时水射流法不受天然气水合物分解导致温压条件变化，从而生成二次天然气水合物阻碍反应进行的影响；该方法相比于其他方法有更广泛的适用范围，是被认为有较好前景的开采方法；因此，对射流破碎天然气水合物原理与规律的研究意义重大。
[0005] 海底含天然气水合物
沉积物赋存于高压环境，在开展水射流法破碎天然气水合物实验时，为模拟原位海底环境，保证含天然气水合物沉积物的围压与轴压加载至关重要；若无法满足射流破碎实验时含天然气水合物沉积物的实际高压赋存条件，将导致所研究的射流破碎含天然气水合物沉积物原理与规律的不准确。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供了一种射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置，该装置中包括的各个系统上都分布有管
阀件，每个系统都可以独立运行，安全性高。
[0007] 本实用新型提供的射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置，其特征在于，该装置包括：注入系统、射流破碎系统、环压系统、轴压系统、回压系统、
真空系统、模拟系统、采集处理系统及计量系统；
[0008] 所述注入系统、轴压系统及真空系统通过进气管道与三通阀的进气口连接，同时三通阀的两个出气口分别通过注气管道、轴压管道与模拟系统连通，且在注气管道上设置有压力
传感器Ⅰ及管阀件Ⅰ，注入系统用于向模拟系统内注入用于合成天然气水合物的甲烷气体，并使甲烷气体
增压至满足合成天然气水合物所需的压力条件，注入系统包括甲烷气瓶、减压阀、管阀件Ⅱ、调压阀Ⅰ、增压
泵、空压机、缓冲容器、气体流量控制计、
单向阀及管阀件Ⅲ，所述甲烷气瓶通过第一管路连接至进气管道上，于第一管路上顺次设置有减压阀、管阀件Ⅱ、调压阀Ⅰ、气体流量控制计、单向阀及管阀件Ⅲ；所述
增压泵的进气端通过第二管路与空压机连接，并在第二管路上设置有调压阀Ⅱ，增压泵的出气端分别通过第三管路及第四管路连接到第一管路上，第三管路与第一管路的连接处位于减压阀与管阀件Ⅱ之间，同时第三管路上设置有管阀件Ⅳ，第四管路与第一管路的连接处位于管阀件Ⅱ与调压阀Ⅰ之间，于第四管路上设置有管阀件Ⅴ及管阀件Ⅵ；所述缓冲容器上设置有压力表，缓冲容器通过第五管路与第四管路连接，且第五管路与第四管路的连接处位于管阀件Ⅴ及管阀件Ⅵ之间；
[0009] 所述射流破碎系统通过射
流管与模拟系统连通，射流破碎系统用于向模拟系统喷射破碎模拟系统内部已形成的天然气水合物沉积物的高压水流，射流破碎系统包括射流泵、射流管、射流
喷嘴及升降机构，射流泵与射流管连接，且在射流泵与射流管之间设置有管阀件Ⅶ；射流管穿过模拟系统的可视试验仓顶部延伸至其内部，射流管固定在升降机构上，射流管的射流端安装有射流喷嘴；
[0010] 所述环压系统与设置在可视试验仓上的环压孔连通，环压系统用于向所述模拟系统提供海底天然气水合物沉积层原位的围压；环压系统包括环压泵及环压胶套，环压泵通过管线与环压胶套连通，在该管线上设置有
压力传感器Ⅱ和管阀件Ⅷ；所述环压胶套设置在可视试验仓内部，环压胶套与前端盖、可视窗之间的缝隙内设置有密封条和
密封圈；
[0011] 所述轴压系统与模拟系统连通，轴压系统用于向所述模拟系统提供海底天然气水合物沉积层原位的轴压；轴压系统包括平流泵、轴压管道、轴压加载室、加载轴及
压力板，所述平流泵通过第六管路连接至进气管道上，且在第六管路上设置有管阀件Ⅸ；所述轴压管道与设置在后端盖内部的轴压加载室连通；所述加载轴一端设置在轴压加载室内部，加载轴的另一端穿过后端盖延伸至可视试验仓仓体内部与压力板连接；所述压力板与环压胶套之间、加载轴与环压胶套之间、加载轴与后端盖之间及轴压加载室与后端盖之间的缝隙处均设置有密封条和密封圈；
[0012] 所述回压系统包括导气管、回压阀、回压泵和回压缓冲容器，导气管的一端与射流管连通，导气管的另一端与回压缓冲容器连通，在导气管上设置有回压阀、管阀件Ⅹ及压力传感器Ⅲ，所述回压缓冲容器与回压泵连通，并在回压缓冲容器与回压泵之间设置有管阀件Ⅺ；
[0013] 所述真空系统包括真空表、真空容器与
真空泵，真空容器的一端与真空泵连接，真空容器的另一端通过第七管路连接至进气管道上，于第七管路上依次设置有管阀件Ⅻ、
安全阀及压力传感器Ⅳ，所述真空表设置在真空容器上；
[0014] 所述采集处理系统包括压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ、温度传感器及控制终端，压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ及温度传感器均与控制终端通信连接；
[0015] 所述计量系统包括干燥器、三相分离器及微量气体计量装置，所述三相分离器与导气管连通，三相分离器的顶部出气端与微量气体计量装置连通，并在三相分离器与微量气体计量装置之间设置有干燥器；
[0016] 所述模拟系统包括恒温箱、可视试验仓、翻转支座及摄像机，所述翻转支座设置在恒温箱的内顶部；所述可视试验仓安装在翻转支座上，可视试验仓包括可视试验仓仓体、前端盖及后端盖，所述前端盖通过密封阀紧固在可视试验仓仓体的前端，且在前端盖上设置有可视窗；所述后端盖通过密封阀紧固在可视试验仓仓体的后端；所述摄像机置于可视试验仓外部，且其正对可视窗设置。
[0017] 所述射流破碎系统与可视窗的距离为20mm。
[0019] 所述温度传感器的数量为三个，三个温度传感器均设置在可视试验仓的
侧壁上。
[0020] 通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型提供的射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置，装置中包括的各个系统都可以独立运行。为了安全，每个系统上都分布有管阀件。含天然气水合物沉积物的轴压加载方向与可视窗布置方向一致，且轴压加载采用双重密封以防止
泄漏；围压加载方向与可视窗布置方向垂直，且围压加载独立于轴压加载，相互之间无干扰；同时，通过摄像机能够实时观测含天然气水合物沉积物的射流破碎过程，可以模拟海底原位含天然气水合物
地层的真实围压、轴压条件和淹没环境，提供真实可靠的数据，为海洋天然气水合物的开采提供理论
支撑。
附图说明
[0021] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本
申请的一部分，本实用新型示意性
实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：
[0022] 图1是本实用新型射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置的结构示意图。
[0023] 图2是本实用新型中可视试验仓的正视图。
[0024] 图3是本实用新型中可视试验仓的侧视图。
[0025] 图4是本实用新型中摄像机示意图。
[0026] 图中各标记如下：1-甲烷气瓶、2-减压阀、301-调压阀Ⅰ、302-调压阀Ⅱ、 401-管阀件Ⅰ、402-管阀件Ⅱ、403-管阀件Ⅲ、404-管阀件Ⅳ、405-管阀件Ⅴ、406-管阀件Ⅵ、407-管阀件Ⅶ、408-管阀件Ⅷ、409-管阀件Ⅸ、410-管阀件Ⅹ、 411-管阀件Ⅺ、412-管阀件Ⅻ、5-增压泵、6-控制终端、7-空压机、8-真空泵、 9-缓冲容器、10-回压缓冲容器、11-气体流量控制计、12-单向阀、13-平流泵、 14-真空表、15-压力表、16-真空容器、17-三通阀、1801-压力传感器Ⅰ、1802- 压力传感器Ⅱ、1803-压力传感器Ⅲ、1804-压力传感器Ⅳ、19-安全阀、20-射流泵、21-回压阀、22-回压泵、23-干燥器、24-三相分离器、25-恒温箱、26- 微量气体计量装置、27-环压泵、28-可视试验仓、29-温度传感器、30-升降机构、31-射流管、32-射流喷嘴、33-环压胶套、34-注气管道、35-轴压加载室、 36-后端盖、37-轴压管道、38-环压孔、39-加载轴、40-密封条、41-密封圈、 42-压力板、43-可视窗、44-密封阀、45-翻转支座、46-前端盖、47-摄像机。
具体实施方式
[0027] 为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
[0028] 如图1、图2、图3及图4所示，本实施例中所述的射流法原位开采天然气水合物的加压试验装置，该装置包括注入系统、射流破碎系统、环压系统、轴压系统、回压系统、真空系统、模拟系统、采集处理系统及计量系统，
[0029] 所述注入系统、轴压系统及真空系统通过进气管道与三通阀17的进气口连接，同时三通阀17的两个出气口分别通过注气管道34、轴压管道37与模拟系统连通，且在注气管道34上设置有压力传感器Ⅰ1801及管阀件Ⅰ401，注入系统用于向模拟系统内注入用于合成天然气水合物的甲烷气体，并使甲烷气体增压至满足合成天然气水合物所需的压力条件，注入系统包括甲烷气瓶1、减压阀 2、管阀件Ⅱ402、调压阀Ⅰ301、增压泵5、空压机7、缓冲容器9、气体流量控制计11、单向阀12及管阀件Ⅲ403，所述甲烷气瓶1通过第一管路连接至进气管道上，于第一管路上顺次设置有减压阀2、管阀件Ⅱ402、调压阀Ⅰ301、气体流量控制计11、单向阀12及管阀件Ⅲ403；所述增压泵5的进气端通过第二管路与空压机7连接，并在第二管路上设置有调压阀Ⅱ302，增压泵5的出气端分别通过第三管路及第四管路连接到第一管路上，第三管路与第一管路的连接处位于减压阀2与管阀件Ⅱ402之间，同时第三管路上设置有管阀件Ⅳ404，第四管路与第一管路的连接处位于管阀件Ⅱ402与调压阀Ⅰ301之间，于第四管路上设置有管阀件Ⅴ405及管阀件Ⅵ406；所述缓冲容器9上设置有压力表15，缓冲容器9通过第五管路与第四管路连接，且第五管路与第四管路的连接处位于管阀件Ⅴ405及管阀件Ⅵ406之间；甲烷气瓶1中存储的甲烷纯度为99.99％，用于合成天然气水合物；调压阀Ⅰ301用于调节甲烷气体注入的压力，入口最大压力 20MPa；单向阀12耐压16MPa，防止甲烷气体回流。甲烷气瓶1放出甲烷气体，通过减压阀2来确定甲烷气体输出压力，当输出压力不足时，通过调压阀Ⅰ301、增压泵5及缓冲容器9来调节压力，压力调节完成后，甲烷气体依次经由三通阀17、注气管道34注入模拟系统内。
[0030] 所述射流破碎系统通过射流管31与模拟系统连通，射流破碎系统与可视窗 43的距离为20mm，方便观察射流破碎过程；射流破碎系统用于向模拟系统喷射破碎模拟系统内部已形成的天然气水合物沉积物的高压水流，射流破碎系统包括射流泵20、射流管31、射流喷嘴32及升降机构30，射流泵20与射流管31 连接，且在射流泵20与射流管31之间设置有管阀件Ⅶ407；射流管31穿过模拟系统的可视试验仓28顶部延伸至其内部，射流管31固定在升降机构30上，射流管31的射流端安装有射流喷嘴32，射流泵20为破碎天然气水合物沉积物提供稳定持续的高压水流，其最大压力50Mpa，速度最大为100m/s；用不同的射流喷嘴32来模拟不同直径、形状对含天然气水合物沉积物的破碎效果影响；升降机构30用于调节射流喷嘴32与天然气水合物沉积物之间距离。
[0031] 所述环压系统与设置在可视试验仓28上的环压孔38连通，环压系统用于向所述模拟系统提供海底天然气水合物沉积层原位的围压；环压系统包括环压泵27及环压胶套33，环压泵27通过管线与环压胶套33连通，在该管线上设置有压力传感器Ⅱ1802和管阀件Ⅷ408；所述环压胶套33设置在可视试验仓28内部，环压胶套33与前端盖46、可视窗43之间的缝隙内设置有密封条40和密封圈41，通过密封条40和密封圈41形成双层密封，使整个环压系统处于密封状态，不会产生漏气现象；环压泵27的最大工作压力为30Mpa，利用环压泵27对天然气水合物沉积物进行环压加载，模拟真实含天然气水合物沉积物地层，真实反映存在地层围压的天然气水合物沉积物情况；
[0032] 所述轴压系统与模拟系统连通，轴压系统用于向所述模拟系统提供海底天然气水合物沉积层原位的轴压；轴压系统包括平流泵13、轴压管道37、轴压加载室35、加载轴39及压力板42，所述平流泵13通过第六管路连接至进气管道上，且在第六管路上设置有管阀件Ⅸ409；所述轴压管道37与设置在后端盖36 内部的轴压加载室35连通；所述加载轴39一端设置在轴压加载室35内部，加载轴39的另一端穿过后端盖36延伸至可视试验仓仓体内部与压力板42连接，加载轴39的活塞行程为30mm；轴压系统与环压系统互相独立，可以单独给定压力，真实模拟海底含天然气水合物沉积物的三轴压力状态；所述压力板42与环压胶套33之间、加载轴39与环压胶套33之间、加载轴39与后端盖36之间及轴压加载室35与后端盖36之间的缝隙处均设置有密封条40和密封圈41；密封条40和密封圈41形成的双层密封，使整个轴压系统处于密封状态；平流泵13 的最大工作压力为50Mpa，利用平流泵13提供压力，用来模拟天然气水合物沉积物所受的轴压状态。
[0033] 所述回压系统包括导气管、回压阀21、回压泵22和回压缓冲容器10，导气管的一端与射流管31连通，导气管的另一端与回压缓冲容器10连通，在导气管上设置有回压阀21、管阀件Ⅹ410及压力传感器Ⅲ1803，所述回压缓冲容器10与回压泵22连通，并在回压缓冲容器10与回压泵22之间设置有管阀件Ⅺ411，回压泵22的工作压力在0～50MPa之间；由于可视试验仓28内部的压力大，排出速率高，气压
波动大，由回压系统可以使
流体平稳，易于试验。
[0034] 所述真空系统包括真空表14、真空容器16与真空泵8，真空容器16的一端与真空泵8连接，真空容器16的另一端通过第七管路连接至进气管道上，于第七管路上依次设置有管阀件Ⅻ412、安全阀19及压力传感器Ⅳ1804，所述真空表14设置在真空容器16上；所述真空泵8的真空度是0.1Pa，真空容器16 用于储存从模拟系统抽出的气体，真空表14用于指示气体储存量，天然气水合物沉积物合成完以后，对可视试验仓28进行抽真空操作，保证实验的准确性。
[0035] 所述采集处理系统包括压力传感器Ⅰ1801、压力传感器Ⅱ1802、压力传感器Ⅲ1803、压力传感器Ⅳ1804、温度传感器29及控制终端6，压力传感器Ⅰ1801、压力传感器Ⅱ
1802、压力传感器Ⅲ1803、压力传感器Ⅳ1804及温度传感器29均与控制终端6通信连接，将采集到的压力、温度数据，传输至控制终端6进行处理；压力传感器Ⅰ1801、压力传感器Ⅱ
1802、压力传感器Ⅲ1803及压力传感器Ⅳ1804可以测量出的最大压力为25MPa，其
精度为
0.1％，温度传感器29的数量为三个，三个温度传感器29均设置在可视试验仓28的侧壁上，温度传感器 29用于测量天然气水合物沉积物破碎过程中可视试验仓28内部的温度，其测温范围为-20℃～100℃。
[0036] 所述计量系统包括干燥器23、三相分离器24及微量气体计量装置26，所述三相分离器24与导气管连通，三相分离器24的顶部出气端与微量气体计量装置26连通，并在三相分离器24与微量气体计量装置26之间设置有干燥器23，经导气管导出的混合物经三相分离器24将气体、液体、固体分离开，气体从三相分离器24顶部排出，通过干燥器23进行干燥处理，最后到微量气体计量装置26，微量气体计量装置26用于收集水射流破碎天然气水合物沉积物过程中产生的气体量，以便收集与计量气体。
[0037] 所述模拟系统包括恒温箱25、可视试验仓28、翻转支座45及摄像机47，所述翻转支座45设置在恒温箱25的内顶部；所述可视试验仓28安装在翻转支座45上，可视试验仓28包括可视试验仓仓体、前端盖46及后端盖36，所述前端盖46通过密封阀44紧固在可视试验仓仓体的前端，且在前端盖46上设置有可视窗43；所述后端盖36通过密封阀44紧固在可视试验仓仓体的后端；恒温箱25用于保持天然气水合物合成时温度的恒定；可视试验仓28的承受压力范围为0～50MPa，外形尺寸为3000mm×3000mm×400mm，合成天然气水合物沉积物样品尺寸为100mm×100mm×150mm；可视窗43为蓝
宝石可视窗，蓝宝石可视窗强度大，用以观察天然气水合物沉积物的破碎过程并通过正对可视窗43设置的摄像机47拍摄破碎的瞬间；密封条40、密封圈41在轴压加载室35、前端盖 46、后端盖36的密封处，其目的是可以让其与外壁密封，防止漏气；通过调节翻转支座45，方便天然气水合物沉积物样品的加入与取出。
[0038] 其中管阀件Ⅰ401、管阀件Ⅱ402、管阀件Ⅲ403、管阀件Ⅳ404、管阀件Ⅴ 405、管阀件Ⅵ406、管阀件Ⅶ407、管阀件Ⅷ408、管阀件Ⅸ409、管阀件Ⅹ410、管阀件Ⅺ411及管阀件Ⅻ412用以是否连通其所在管路；安全阀19用以控制整体系统安全。
[0039] 采用上述装置进行射流法原位开采天然气水合物的加压试验方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤一、试验前清洗可视试验仓28，放置干燥，准备
石英砂或粉砂质泥岩，清洗干净并烘干，在清洗过程中采用去离子水清洗；
[0041] 步骤二、将石英砂或粉砂质泥岩与盐水混合均匀，得到混合物，用去离子处理过的试验铲将混合物填入环压胶套33，环压胶套33包裹混合物装入可视试验仓28中，填装完毕后用密封阀44将可视试验仓28的前端盖46与可视试验仓仓体拧紧，置于恒温箱25内，通过平流泵13向轴压加载室35内注水，并达到海底天然气水合物沉积层原位的轴压；通过环压泵27向可视试验仓28的环压孔38注水，并达到模拟海底天然气水合物沉积层原位的围压；调节射流喷嘴 32的
位置、射流喷距，
选定射流喷嘴32的规格、射流直径，调节射流泵20，设置试验所需射流速度；
[0042] 步骤三、向恒温箱25内通入空气，将整个可视试验仓28在空气浴中降温，打开注入系统的管阀件Ⅰ401、管阀件Ⅱ402及管阀件Ⅲ403，向可视试验仓28 中以350mL/min的速度充入甲烷气体，根据天然气水合物沉积物
饱和度来确定甲烷气体的充入量，一般充气时间约为20min～30min；将空气浴温度设置为冰点附近的温度，记录所得数据，约10h后，天然气水合物合成完毕，得到天然气水合物沉积物样品；
[0043] 步骤四、射流破碎：天然气水合物合成完毕以后，将空气浴温度降到242K～ 271K以下，在温度稳定后，用真空泵8立刻抽出剩余甲烷气体，并快速充入冷却的盐水淹没天然气水合物沉积物样品，调节环压泵27和平流泵13的泵量及泵入时间，达到海底天然气水合物沉积层原位的轴压和围压真实条件，将空气浴温度设置为试验设定的反应温度；启动射流破碎系统，进行射流破碎试验，并用摄像机47拍摄射流破碎的过程，同时根据温压传感器29记录温度；
[0044] 步骤五、气体计量：随着射流的进行，从可视试验仓28的导气管排出混合物，进入三相分离器24分离出气体，通过干燥管23干燥气体；提高空气浴温度，将可视试验仓28内剩余天然气水合物分解，直至分解完毕，计量分解甲烷气体的总量；
[0045] 步骤六、试验结束后，关闭射流泵20、平流泵13、环压泵27等仪器，取出可视试验仓28，观测并记录含天然气水合物沉积物破碎效果；取出天然气水合物沉积物样品，清洗可视试验仓28，分析数据。
