[实用新型]一种天然气水合物三维实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种天然气水合物三维实验装置。

背景技术

天然气水合物(NGH)是一种天然气与水形成的非化学计量的笼形化合物。在NGH中，水分子(主体分子)通过氢键作用形成具有一定尺寸空穴的晶格主体，较小的气体分子(客体分子，主要是甲烷)包容在空穴中，从而形成外观类似雪花或冰的固态化合物，其密度为0.905～0.91g/cm³。标准状况下，1体积典型的NGH包含164体积的天然气。自然界中在陆地的永冻区和大陆边缘的海底深层砂砾中存在大量的天然气水合物。据估计，以水合物形式存在的碳含量大于目前所有化石燃料中碳含量的总和，被认为是最有应用前景的新能源之一。海底中水合物资源是不稳定的，天然气水合物在海底沉积层中有稳定区和存在区，海底温压条件的轻微改变都足以使水合物发生不同程度的分解。因此研究水合物的形成、分解机理对水合物资源的开发和利用具有重要的意义和参考价值。

目前大多数有关天然气水合物的开发思路基本上都是首先考虑如何将蕴藏在沉积物中的天然气水合物进行分解，然后再将天然气开采至地面。一般来说，人为地打破天然气水合物稳定存在的温度压力条件，造成其分解，是目前开发天然气水合物中甲烷资源量的主要方法。现有的开采方法大体上可分为：热力开采法；化学剂开采法；降压开采法。

目前，研究出天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供实验基础和依据，是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种能自由改变实验边界条件的边界条件可变的天然气水合物三维实验装置。

一种天然气水合物三维实验装置，包括三维反应釜、温度和边界控制单元、进口控制单元、出口控制单元、数据处理单元；三维反应釜设置在温度和边界控制单元中，三维反应釜内为密封的模拟腔，模拟腔内填充有多孔介质，用于模拟海底环境；温度和边界控制单元用于控制三维反应釜的环境温度及边界条件；进口控制单元用于向三维反应釜内输入水、天然气，并控制输入的天然气的压力；出口控制单元用于控制模拟开采之后的天然气、水的输出压力；进口控制单元、出口控制单元、温度和边界控制单元内的感应元件均通过信号线和数据线与数据处理单元连接；数据处理单元用于采集和处理各感应元件的感应信号。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜包括釜体和釜体盖板，釜体盖板与釜体之间固定密封；釜体与釜体盖板之间的密封腔即所述的模拟腔，釜体的内壁为平面壁面，构成不渗透直线边界，釜体的内壁上设置有可变温度边界层。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，模拟腔的体积为0.1L～500L。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，三维反应釜的耐压范围为0～40MPa。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，釜体的外壁为正方体或圆柱体，模拟腔为正方体。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，当设置等温边界条件时，可变温度边界层为不锈钢板；当设置绝热边界条件时，可变温度边界层为绝热板；当设置等热流边界条件时，可变温度边界层为电加热片。

所述的天然气水合物三维实验装置，其中，温度和边界控制单元包括边界控制部分和温度控制部分，边界控制部分由不锈钢板包围形成，不锈钢板包围釜体盖板以下的釜体外壁，形成空腔，称为边界控制空腔，在边界控制空腔的顶部设置一个水泵和一个放空阀，在边界控制空腔的底部设置一个真空泵；温度控制部分是个恒温箱，将整个三维反应釜及边界控制部分置于其中。

一种上述天然气水合物三维实验装置的三维模拟实验方法，包括：通过调节恒温箱温度控制部分的温度以设定实验环境温度，通过更换可变温度边界层及控制边界控制部分以实现不同的边界条件；通过进口控制单元注入天然气和水，控制压力，模拟天然气水合物的生成过程；当天然气水合物生成完成后，通过控制进口控制单元与出口控制单元，模拟天然气水合物的开采过程；实验完成后通过数据处理单元处理数据。