向 軍,韓兵奇,張 軍

(中國石油大學(xué)(華東)機電裝備教學(xué)實習(xí)總廠,山東 東營257061)

天然氣水合物一維模擬試驗裝置研究

向 軍,韓兵奇,張 軍

(中國石油大學(xué)(華東)機電裝備教學(xué)實習(xí)總廠,山東 東營257061)

為給天然氣水合物的勘探開發(fā)提供技術(shù)支持,必須掌握其穩(wěn)定生成、分解和開采規(guī)律,因此,設(shè)計一套天然氣水合物模擬試驗裝置。由相似理論和相似條件,得出有關(guān)天然氣水合物模擬裝置的一系列技術(shù)指標。依據(jù)此技術(shù)指標,設(shè)計了天氣水合物一維物理模型。該裝置引入了先進的工控機和模糊控制算法,模型內(nèi)溫度控制精準,參數(shù)測量準確。設(shè)有可視化窗口,在試驗過程中能清晰地看到水合物的生成及分解過程。試驗表明:該試驗裝置能較好地模擬天然氣水合物的穩(wěn)定生成和分解過程,為勘探開發(fā)提供寶貴的分析資料。

天然氣;水合物;試驗裝置

近年來,天然氣水合物引起世界各國的廣泛關(guān)注,其資源分布甚廣,數(shù)量巨大,公認為是21世紀最理想最具開發(fā)前景的新能源[1-2]。但海洋地質(zhì)勘探是一項高投入、高風險的技術(shù)工作,為了減少盲目性,增加科學(xué)性,必須在勘探前對勘探對象的分布、產(chǎn)出和賦存狀態(tài)、生成機制及地質(zhì)環(huán)境影響等有關(guān)問題做出充分的論證,因此必須設(shè)計一套模擬天然氣水合物生成、分解的模擬試驗裝置。以期通過室內(nèi)試驗,掌握天然氣水合物在不同溫度、壓力下的穩(wěn)定生成、分解規(guī)律,為天然氣水合物的勘探開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持[3]。

天然氣水合物模擬試驗研究是天然氣水合物勘查開發(fā)的一項基礎(chǔ)研究,目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的開展。國外許多科研院所已初步建成關(guān)于海洋天然氣水合物研究的模擬試驗室,并且取得了大批科研成果[4]。國內(nèi)以蘭州冰川凍土所為代表,于20世紀90年代在試驗室里合成了天然氣水合物,但裝置設(shè)計較為簡單,主要模擬青藏高原凍土層條件下水合物的生成,難以滿足對天然氣水合物生成、分解的過程研究。本次設(shè)計的天然氣水合物一維模擬試驗裝置除可以模擬凍土層條件外,還可以模擬南海海區(qū)條件生成水合物,并可用減壓法對生成的水合物進行可控、可視狀態(tài)下的分解,為天然氣水合的研究提供強有力的技術(shù)支持。

1 設(shè)計要求

1.1 相似準則

根據(jù)相似理論[5],相似現(xiàn)象必然具有同一特性。若用數(shù)學(xué)公式表示量間關(guān)系,最直接的即是相似倍數(shù)關(guān)系,通過線性變換等數(shù)學(xué)手段建立起相似指標式之間的聯(lián)系。根據(jù)相似準則,原型和模型相對應(yīng)的各點及在時間上對應(yīng)的各瞬間的一切物理量成比例,通過與原型相似的模型所得出的試驗結(jié)果可以在一定的準確度下推算出原型結(jié)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果。

1.2 相似性要求

模型是根據(jù)相似性理論制造的按原系統(tǒng)比例縮小(也可以是放大或與原系統(tǒng)尺寸一樣)的實物,其物理系統(tǒng)與原系統(tǒng)密切相關(guān)且一致,通過在模型上觀察或試驗可以在某些方面比較精確地反應(yīng)原系統(tǒng)的特性。

物理模擬是指基本現(xiàn)象相同情況下的模擬,它是在試驗室條件下用縮小、放大的現(xiàn)象進行研究。這時原型和模型相對應(yīng)的各點及在時間上對應(yīng)的各瞬間的一切物理量成比例,具有相同的物理內(nèi)容,并能用同一方程描述。數(shù)學(xué)模擬是指存在于不同類型現(xiàn)象之間的模擬,模型與原型的數(shù)學(xué)表達方式雖然一致但代表的物理過程有本質(zhì)區(qū)別,只具有數(shù)學(xué)上的相似性。

為了滿足試驗要求,試驗裝置必須滿足模型和原型之間以相似理論為基礎(chǔ)的基本原則和條件,即相似性要求。

1.3 功能要求

在水合物生成一維物理模型內(nèi)通過低溫恒溫室對溫度的設(shè)置生成天然氣水合物,在生成過程中實時記錄溫度和壓力的變化,通過溫度和壓力的變化反映出水合物生成特性和規(guī)律,并通過可視視窗全程記錄水合物的生成過程;將生成的天然氣水合物在水合物生成一維物理模型中利用降壓開采方式對天然氣水合物進行分解,并通過多支溫度傳感器檢測在水合物分解過程中溫度的變化,通過溫度和壓力的變化分析不同壓力下水合物分解過程,研究水合物分解的特性和規(guī)律,并通過可視視窗全程記錄水合物的分解過程。

2 設(shè)計方案

天然氣水合物一維模擬試驗裝置主要用于模擬天然氣水合物生成和分解過程中的特性。本試驗中未考慮重力影響,故在設(shè)計時盡可能降低裝置厚度,理想外形為長橢圓形,為簡化制造難度,模型設(shè)計為長圓柱形,長度/厚度比大于10。水合物生成一維物理試驗裝置耐壓設(shè)計除考慮天然氣水合物深海形成壓力外還要考慮模擬巖石的孔隙度、滲透率參數(shù),以便于研究水合物的運移過程。試驗裝置外形尺寸根據(jù)相似準則由被模擬天然氣水合物控制的砂體幾何尺寸確定。試驗裝置邊界采用橡膠層封閉,有特殊要求時,采用金屬封閉。

3 結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)天然氣水合物模擬試驗?zāi)M的相似性準則設(shè)計了水合物一維物理試驗裝置,該裝置主要包括:工作液供給單元、水合物生成一維物理模型單元、溫度控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、出口計量單元等5部分,如圖1所示。

3.1 工作液供給單元

該單元包括天平、平流泵、中間容器組等(如圖2),為試驗裝置提供穩(wěn)定的高壓液流。平流泵為系統(tǒng)提供液體流量和壓力。由于在試驗過程中,經(jīng)常用到各種不同的溶液生成天然氣水合物以觀察其在不同溶液中的生成和分解性質(zhì),而平流泵的工作介質(zhì)只限于蒸餾水或煤油、酒精等純凈物質(zhì),所以在平流泵和水合物生成一維物理模型之間設(shè)有一中間容器,將動力液(蒸餾水)和工作液(各種溶液)分隔開,用以向水合物生成一維物理模型中注入各種不同的反應(yīng)溶液。

圖1 系統(tǒng)流程

圖2 工作液供給單元流程

3.2 天然氣供給單元

天然氣供給單元主要是為整套試驗裝置提供可控、穩(wěn)定、可計量的天然氣。

天然氣由高壓氣瓶存儲,通過減壓閥減壓后,經(jīng)過干燥器和雜質(zhì)過濾器后進入氣體質(zhì)量流量控制器,由氣體質(zhì)量流量控制器按程序設(shè)定的壓力或流量將穩(wěn)定的天然氣輸送給天然氣水合物生成模型。為確保試驗安全,在氣體質(zhì)量流量控制器前端和后端分別安裝截止閥和單向閥。

3.3 天然氣水合物生成/分解單元

該單元是天然氣水合物反應(yīng)的核心,主要包括水合物生成一維物理模型等,如圖3所示。該模型內(nèi)均布著若干溫度和壓力傳感器,以監(jiān)測試驗過程中模型內(nèi)溫度和壓力的變化。將低溫恒溫室調(diào)節(jié)到合適的溫度后,注入一定量的溶液和天然氣,待達到設(shè)定壓力,即可透過玻璃視窗觀測天然氣水合物生成過程,并通過各種方式進行天然氣水合物的分解試驗。

圖3 水合物生成一維物理模型

3.4 數(shù)據(jù)采集單元

為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性,減少人為誤差,試驗中所涉及的壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)均由相應(yīng)的傳感器采集并通過數(shù)據(jù)采集卡傳送給計算機,以實現(xiàn)試驗過程的自動化,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)

溫度、壓力及流量信號經(jīng)A1-W16信號調(diào)理板送入計算機內(nèi)的采集板卡PCI-1715U,經(jīng)板卡A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳遞給計算機。應(yīng)用軟件將采集到的信號在屏幕上以曲線和數(shù)據(jù)的方式顯示,按操作者輸入的命令利用模糊算法將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號,通過采集板卡模擬量輸出端傳給執(zhí)行機構(gòu),控制制冷組件的通斷,達到預(yù)設(shè)溫度。

3.5 出口計量單元

液體計量方式采用稱重法,通過電子天平計量出一段時間內(nèi)的液體重量變化量,換算出單位時間流量。氣體計量直接采用氣體質(zhì)量流量計計量。

因計量對象為氣液混合物,計量前需增加氣液分離裝置,將混合物按密度分離為氣體和液體,然后進入相應(yīng)的管路進行計量。

4 控制方法

4.1 控制要求

天然氣水合物的生成與分解對溫度要求嚴格,因此,要求低溫恒溫室的溫度維持在設(shè)定值,其最大誤差不能超過設(shè)定溫度值±1.0℃。這就是要求控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能好,盡可能無超調(diào)的穩(wěn)定在不同的溫度設(shè)定值上。

4.2 控制方案

根據(jù)天然氣水合物模擬試驗裝置的要求,本裝置在輸入溫度偏差與溫度偏差率的前提下,以模糊控制的方式輸出電壓值,通過設(shè)計比較電路與之比較,并產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM以控制制冷組件的電壓,而實現(xiàn)恒溫控制。

5 試驗及數(shù)據(jù)分析

5.1 水合物生成試驗

開啟工控機,進入試驗測試功能模塊,通過平流泵向模型內(nèi)注入NaCl溶液直到飽和,調(diào)節(jié)低溫恒溫室溫度至3℃后,注天然氣使模型內(nèi)壓力達到6 MPa。

當模型內(nèi)的壓力、溫度達到設(shè)定值并趨于穩(wěn)定時,關(guān)閉進氣閥門,保持模型內(nèi)的溫度3℃,并重新進行數(shù)據(jù)采集,如圖5所示。

由圖5可知,在天然氣水合物生成的過程中,系統(tǒng)入口壓力略高于出口壓力,這是因為入口處天然氣含量充足更容易生成水合物而堵塞了入口,導(dǎo)致壓力升高。

圖5 天然氣水合物生成過程壓力變化曲線

5.2 天然氣水合物降壓開采模擬試驗

降壓法即降低體系壓力,使其低于該溫度下水合物的平衡壓力。試驗過程如下:首先在體積相同的狀況下,升高環(huán)境溫度使生成的天然氣水合物分解,然后再次生成,以保證天然氣水合物在物理模型中均勻分布。最后保持恒溫柜所控溫度不變,設(shè)定回壓閥工作壓力至對應(yīng)工作溫度的水合物平衡壓力之下,打開閥門用以模擬降壓分解。由于試驗裝置內(nèi)壓力低于水合物平衡壓力,水合物開始分解,其系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)變化曲線如圖6所示。

由圖6可知,在天然氣水合物降溫生成的過程中,有一段時間內(nèi)溫度上升,這是由于天然氣水合物反應(yīng)放熱的緣故,但由于低溫恒溫室溫控作用,溫度上升不夠明顯,且最終回歸至溫度設(shè)定值。

圖6 天然氣水合物降壓分解過程壓力、溫度變化曲線

6 結(jié)論

1) 根據(jù)相似理論和相似條件,分析了天然氣水合物一維模擬試驗裝置的設(shè)計要求,并以此為依據(jù)設(shè)計了物理模型系統(tǒng)。

2) 天然氣水合物一維模擬試驗裝置引入了先進的工業(yè)控制計算機和模糊控制算法,使模型內(nèi)溫度控制精準,參數(shù)測量準確,為天然氣水合物的生成及分解過程研究提供了技術(shù)支撐。

3) 天然氣水合物一維模擬試驗裝置密封嚴密,系統(tǒng)穩(wěn)定,且設(shè)有可視化窗口,在試驗過程中能清晰地看到水合物的生成及分解過程,直觀、可視。

4) 試驗表明,一維天然氣水合物模擬試驗裝置較好地模擬天然氣水合物的生成和分解過程,為天然氣水合物的勘探開發(fā)研究提供寶貴的分析材料。

[1] 王智鋒,許俊良,薄萬順.深海天然氣水合物鉆探取心技術(shù)[J].石油礦場機械,2009,38(9):12-15.

[2] 許俊良,劉鍵,任紅.天然氣水合物取樣高度探討[J].石油礦場機械,2010,39(10):12-15.

[3] 郭尚平,黃延章,胡雅芳.仿真微模型及其在油藏工程中的應(yīng)用[J].石油學(xué)報,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 軍(1972),男,山東榮成人,工程師,碩士,1994年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東),從事巖心物性分析儀器研制和新能源(天然氣水合物、煤層氣)開發(fā)工藝及設(shè)備研制,E-mail:xiangjunupc@163.com。