天然气水合物一维模拟试验装置研究

向 军,韩兵奇,张 军

(中国石油大学(华东)机电装备教学实习总厂,山东 东营257061)

天然气水合物一维模拟试验装置研究

向 军,韩兵奇,张 军

(中国石油大学(华东)机电装备教学实习总厂,山东 东营257061)

为给天然气水合物的勘探开发提供技术支持,必须掌握其稳定生成、分解和开采规律,因此,设计一套天然气水合物模拟试验装置。由相似理论和相似条件,得出有关天然气水合物模拟装置的一系列技术指标。依据此技术指标,设计了天气水合物一维物理模型。该装置引入了先进的工控机和模糊控制算法,模型内温度控制精准,参数测量准确。设有可视化窗口,在试验过程中能清晰地看到水合物的生成及分解过程。试验表明:该试验装置能较好地模拟天然气水合物的稳定生成和分解过程,为勘探开发提供宝贵的分析资料。

天然气;水合物;试验装置

近年来,天然气水合物引起世界各国的广泛关注,其资源分布甚广,数量巨大,公认为是21世纪最理想最具开发前景的新能源[1-2]。但海洋地质勘探是一项高投入、高风险的技术工作,为了减少盲目性,增加科学性,必须在勘探前对勘探对象的分布、产出和赋存状态、生成机制及地质环境影响等有关问题做出充分的论证,因此必须设计一套模拟天然气水合物生成、分解的模拟试验装置。以期通过室内试验,掌握天然气水合物在不同温度、压力下的稳定生成、分解规律,为天然气水合物的勘探开发提供强有力的技术支持[3]。

天然气水合物模拟试验研究是天然气水合物勘查开发的一项基础研究,目前已在国内外得到了广泛的开展。国外许多科研院所已初步建成关于海洋天然气水合物研究的模拟试验室,并且取得了大批科研成果[4]。国内以兰州冰川冻土所为代表,于20世纪90年代在试验室里合成了天然气水合物,但装置设计较为简单,主要模拟青藏高原冻土层条件下水合物的生成,难以满足对天然气水合物生成、分解的过程研究。本次设计的天然气水合物一维模拟试验装置除可以模拟冻土层条件外,还可以模拟南海海区条件生成水合物,并可用减压法对生成的水合物进行可控、可视状态下的分解,为天然气水合的研究提供强有力的技术支持。

1 设计要求

1.1 相似准则

根据相似理论[5],相似现象必然具有同一特性。若用数学公式表示量间关系,最直接的即是相似倍数关系,通过线性变换等数学手段建立起相似指标式之间的联系。根据相似准则,原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例,通过与原型相似的模型所得出的试验结果可以在一定的准确度下推算出原型结构的响应结果。

1.2 相似性要求

模型是根据相似性理论制造的按原系统比例缩小(也可以是放大或与原系统尺寸一样)的实物,其物理系统与原系统密切相关且一致,通过在模型上观察或试验可以在某些方面比较精确地反应原系统的特性。

物理模拟是指基本现象相同情况下的模拟,它是在试验室条件下用缩小、放大的现象进行研究。这时原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例,具有相同的物理内容,并能用同一方程描述。数学模拟是指存在于不同类型现象之间的模拟,模型与原型的数学表达方式虽然一致但代表的物理过程有本质区别,只具有数学上的相似性。

为了满足试验要求,试验装置必须满足模型和原型之间以相似理论为基础的基本原则和条件,即相似性要求。

1.3 功能要求

在水合物生成一维物理模型内通过低温恒温室对温度的设置生成天然气水合物,在生成过程中实时记录温度和压力的变化,通过温度和压力的变化反映出水合物生成特性和规律,并通过可视视窗全程记录水合物的生成过程;将生成的天然气水合物在水合物生成一维物理模型中利用降压开采方式对天然气水合物进行分解,并通过多支温度传感器检测在水合物分解过程中温度的变化,通过温度和压力的变化分析不同压力下水合物分解过程,研究水合物分解的特性和规律,并通过可视视窗全程记录水合物的分解过程。

2 设计方案

天然气水合物一维模拟试验装置主要用于模拟天然气水合物生成和分解过程中的特性。本试验中未考虑重力影响,故在设计时尽可能降低装置厚度,理想外形为长椭圆形,为简化制造难度,模型设计为长圆柱形,长度/厚度比大于10。水合物生成一维物理试验装置耐压设计除考虑天然气水合物深海形成压力外还要考虑模拟岩石的孔隙度、渗透率参数,以便于研究水合物的运移过程。试验装置外形尺寸根据相似准则由被模拟天然气水合物控制的砂体几何尺寸确定。试验装置边界采用橡胶层封闭,有特殊要求时,采用金属封闭。

3 结构原理

根据天然气水合物模拟试验模拟的相似性准则设计了水合物一维物理试验装置,该装置主要包括:工作液供给单元、水合物生成一维物理模型单元、温度控制单元、数据采集单元、出口计量单元等5部分,如图1所示。

3.1 工作液供给单元

该单元包括天平、平流泵、中间容器组等(如图2),为试验装置提供稳定的高压液流。平流泵为系统提供液体流量和压力。由于在试验过程中,经常用到各种不同的溶液生成天然气水合物以观察其在不同溶液中的生成和分解性质,而平流泵的工作介质只限于蒸馏水或煤油、酒精等纯净物质,所以在平流泵和水合物生成一维物理模型之间设有一中间容器,将动力液(蒸馏水)和工作液(各种溶液)分隔开,用以向水合物生成一维物理模型中注入各种不同的反应溶液。

图1 系统流程

图2 工作液供给单元流程

3.2 天然气供给单元

天然气供给单元主要是为整套试验装置提供可控、稳定、可计量的天然气。

天然气由高压气瓶存储,通过减压阀减压后,经过干燥器和杂质过滤器后进入气体质量流量控制器,由气体质量流量控制器按程序设定的压力或流量将稳定的天然气输送给天然气水合物生成模型。为确保试验安全,在气体质量流量控制器前端和后端分别安装截止阀和单向阀。

3.3 天然气水合物生成/分解单元

该单元是天然气水合物反应的核心,主要包括水合物生成一维物理模型等,如图3所示。该模型内均布着若干温度和压力传感器,以监测试验过程中模型内温度和压力的变化。将低温恒温室调节到合适的温度后,注入一定量的溶液和天然气,待达到设定压力,即可透过玻璃视窗观测天然气水合物生成过程,并通过各种方式进行天然气水合物的分解试验。

图3 水合物生成一维物理模型

3.4 数据采集单元

为保证试验数据的准确性,减少人为误差,试验中所涉及的压力、温度、流量数据均由相应的传感器采集并通过数据采集卡传送给计算机,以实现试验过程的自动化,其结构如图4所示。

图4 数据采集单元结构

温度、压力及流量信号经A1-W16信号调理板送入计算机内的采集板卡PCI-1715U,经板卡A/D转换为数字信号后传递给计算机。应用软件将采集到的信号在屏幕上以曲线和数据的方式显示,按操作者输入的命令利用模糊算法将采集到的数据转换为控制信号,通过采集板卡模拟量输出端传给执行机构,控制制冷组件的通断,达到预设温度。

3.5 出口计量单元

液体计量方式采用称重法,通过电子天平计量出一段时间内的液体重量变化量,换算出单位时间流量。气体计量直接采用气体质量流量计计量。

因计量对象为气液混合物,计量前需增加气液分离装置,将混合物按密度分离为气体和液体,然后进入相应的管路进行计量。

4 控制方法

4.1 控制要求

天然气水合物的生成与分解对温度要求严格,因此,要求低温恒温室的温度维持在设定值,其最大误差不能超过设定温度值±1.0℃。这就是要求控制系统的稳态性能好,尽可能无超调的稳定在不同的温度设定值上。

4.2 控制方案

根据天然气水合物模拟试验装置的要求,本装置在输入温度偏差与温度偏差率的前提下,以模糊控制的方式输出电压值,通过设计比较电路与之比较,并产生占空比可调的PWM以控制制冷组件的电压,而实现恒温控制。

5 试验及数据分析

5.1 水合物生成试验

开启工控机,进入试验测试功能模块,通过平流泵向模型内注入NaCl溶液直到饱和,调节低温恒温室温度至3℃后,注天然气使模型内压力达到6 MPa。

当模型内的压力、温度达到设定值并趋于稳定时,关闭进气阀门,保持模型内的温度3℃,并重新进行数据采集,如图5所示。

由图5可知,在天然气水合物生成的过程中,系统入口压力略高于出口压力,这是因为入口处天然气含量充足更容易生成水合物而堵塞了入口,导致压力升高。

图5 天然气水合物生成过程压力变化曲线

5.2 天然气水合物降压开采模拟试验

降压法即降低体系压力,使其低于该温度下水合物的平衡压力。试验过程如下:首先在体积相同的状况下,升高环境温度使生成的天然气水合物分解,然后再次生成,以保证天然气水合物在物理模型中均匀分布。最后保持恒温柜所控温度不变,设定回压阀工作压力至对应工作温度的水合物平衡压力之下,打开阀门用以模拟降压分解。由于试验装置内压力低于水合物平衡压力,水合物开始分解,其系统参数动态变化曲线如图6所示。

由图6可知,在天然气水合物降温生成的过程中,有一段时间内温度上升,这是由于天然气水合物反应放热的缘故,但由于低温恒温室温控作用,温度上升不够明显,且最终回归至温度设定值。

图6 天然气水合物降压分解过程压力、温度变化曲线

6 结论

1) 根据相似理论和相似条件,分析了天然气水合物一维模拟试验装置的设计要求,并以此为依据设计了物理模型系统。

2) 天然气水合物一维模拟试验装置引入了先进的工业控制计算机和模糊控制算法,使模型内温度控制精准,参数测量准确,为天然气水合物的生成及分解过程研究提供了技术支撑。

3) 天然气水合物一维模拟试验装置密封严密,系统稳定,且设有可视化窗口,在试验过程中能清晰地看到水合物的生成及分解过程,直观、可视。

4) 试验表明,一维天然气水合物模拟试验装置较好地模拟天然气水合物的生成和分解过程,为天然气水合物的勘探开发研究提供宝贵的分析材料。

[1] 王智锋,许俊良,薄万顺.深海天然气水合物钻探取心技术[J].石油矿场机械,2009,38(9):12-15.

[2] 许俊良,刘键,任红.天然气水合物取样高度探讨[J].石油矿场机械,2010,39(10):12-15.

[3] 郭尚平,黄延章,胡雅芳.仿真微模型及其在油藏工程中的应用[J].石油学报,1990,1(1):49-53.

[4] Brost D E.Detennination of oil saturation distribution in field cores by microwave spectroscopy[R].SPE 10110,1981.

[5] Buffett B A,Zatsepina O Ye.Formation of Gas Hydrate from Dissolved Gas in Natural Porous Medium[J].Marine Geology,2000;164:69-77.

Research about One-Dimensional Simulating Experimental Unit of Natural Gas Hydrates

XIANG Jun,HAN Bing-qi,ZHANG Jun
(Mechanical&Electrical Equipment Factory,China University of Petroleum(Huadong),Dongying 257061,China)

In order to exploration and development of gas hydrate to provide technical support,we must master the law of stable formation,decomposition and mining,therefore,we designed a simulation test device of gas hydrate.According to the similarity theory and similar conditions,we get a series of gas hydrate simulation equipment technical specifications.Based on the technical indicators,we have designed a one-dimensional physical model of hydrate.The advanced industrial personal computer and fuzzy control algorithm was drawn into the unit,and made the temperature control precise,parameter accurate.On the other hand,an observation of mouth was set in the face of the unit,so you can distinctly watch the course of geration and resolve about the natuarl gas hydrates.Experimental studies have shown that the experimental device capable of simulating gas hydrate stability generated and decomposition process,to provide valuable analytical information for the exploration and development of gas hydrate.

natural gas;hydrate;test equipment

TE973.9

A

1001-3482(2014)02-0039-04

2013-08-07

向 军(1972),男,山东荣成人,工程师,硕士,1994年毕业于中国石油大学(华东),从事岩心物性分析仪器研制和新能源(天然气水合物、煤层气)开发工艺及设备研制,E-mail:xiangjunupc@163.com。