[發明專利]一種測量多孔介質中天然氣水合物導熱系數的方法和裝置

有效

• 申請號: 201410015271.4
• 申請日: 2014-01-13
• 公開（公告）號: CN103760190A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 李剛;李波;李小森;黃寧生
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 黃培智

技術領域

本發明涉及一種測量多孔介質中天然氣水合物導熱系數的方法和裝置。

背景技術

天然氣水合物，又稱可燃冰，是天然氣和水在一定條件下（溫度、壓力、氣體飽和度、鹽度等）形成的白色結晶化合物。天然氣水合物作為一種新型的潛在能源，儲量巨大，被認為是最有應用前景的能替代石油等化石能源的新能源之一，并且已經被廣泛發現存在于海底沉積物和陸地凍土區。

天然氣水合物的實地開采商業價值受諸多地質條件影響，其中地層導熱系數是影響水合物分解和產氣速率的關鍵因素之一。導熱系數反應了多孔介質熱量傳遞的能力，影響著礦藏中熱量向水合物區的傳導速率，從而約束著開采過程中水合物分解產氣效率。數值模擬結果顯示，導熱系數越低的多孔介質，水合物分解速率越有限，導致其開采價值不理想。此外，多孔介質的有效導熱系數是一個與多相多組分相關的函數，隨著水合物的分解和氣液含量的改變，地層導熱系數隨之發生變化。影響地層導熱系數的主要因素包括孔隙度、流體相飽和度、固相飽和度以及各相導熱系數。固相中由于存在水合物的分解和生成等相變過程，使得含水合物多孔介質導熱系數的測量和研究更加復雜，目前關于水合物地層導熱系數特性的研究還處于理論分析階段，缺乏足夠的實驗數據支持和驗證，因此含水合物多孔介質的傳熱機理還不是十分完善，對實際水合物開采尚不能提供可靠的理論指導。

常規測量物質導熱系數的實驗裝置及儀器多在常溫常壓條件下運行，而對于含水合物多孔介質，由于受水合物本身穩定條件的影響（低溫、高壓），難以使用常規導熱系數測量儀器進行測量，需研制專門的實驗裝置。這樣的實驗裝置需滿足以下要求：水合物易生成、測量精度高、實驗操作簡單等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多孔介質中天然氣水合物導熱系數的方法和裝置，該方法和裝置可以用于測量含水合物多孔介質有效導熱系數，綜合研究不同水合物飽和度、不同溫度和壓力及多孔介質顆粒下導熱系數模型，為實際天然氣水合物開采提供理論依據。其操作簡單，測量準確，安全可控。

為實現以上目的，本發明采取了以下的技術方案：一種測量多孔介質中天然氣水合物導熱系數的裝置，包括用于調節和控制高壓反應釜中氣液含量、生成所需任一均勻水合物飽和度體系的穩壓氣液供給模塊，用于為裝置提供恒定溫度的溫度控制模塊，高壓反應釜置于恒溫水浴中，沿所述高壓反應釜軸心處設有電阻絲，電阻絲與外界穩壓電源連接，在電阻絲中心點所在的高壓反應釜截面上分布有三個熱電偶，熱電偶之間互為120度夾角，熱電偶探頭沿徑向伸入高壓反應釜內部不同位置，熱電偶探頭指向電阻絲，還包括與電阻絲連接的導熱系數測量模塊，以及用于采集高壓反應釜、熱電偶以及與高壓反應釜連接的管路參數的數據采集模塊，所述導熱系數測量模塊與數據采集模塊連接，在與高壓反應釜連接的管路上設有氣液預混器，以及在氣液預混器內設有高速攪拌器；所述多孔介質導熱系數k（W/m/K）計算公式為其中水浴溫度為T₀，單位為℃，熱電偶平衡溫度T，單位為℃，高壓反應釜內徑R，單位為mm，熱電偶探頭與電阻絲距離為r，單位為mm，電阻絲單位長度加熱功率q，單位為W/m。

所述三個熱電偶用于分析電阻絲加熱時熱量由內向外穩態傳遞特性，氣液預混器以及高速攪拌器對于測量結果準確性具有突出作用。

所述高壓反應釜內部有效體積V、內徑D和長度H要嚴格控制，V、D和H過大易導致氣液分層或者氣泡聚集，過小可能會使內部電阻絲、熱電偶等儀器本身對測量結果的不利影響增大，故V的選取范圍在0.4～6.3L，D的選取范圍為50～100mm，H/D≥8。

所述電阻絲套管外徑r₂/D<4%，電阻絲長度h/H≥99%。電阻絲由穩壓供熱電源提供穩定加熱功率。電阻絲由不銹鋼套管封裝，不與反應釜內部介質和水接觸。為保證并盡量提高導熱系數的測量精度，加熱電阻絲應滿足線熱源要求，使熱量基本沿徑向傳遞，減少反應釜進出口兩端的熱損失。

一種測量多孔介質中天然氣水合物導熱系數的方法，測量方法為基于穩態導熱原理的徑向熱流法，將填好多孔介質的高壓反應釜水平固定于支架上，啟動恒溫水浴并設置一恒定溫度，將反應釜抽真空；包括如下步驟：

步驟一：打開氣液預混器進口閥門，由高壓氣源向氣液預混器注入指定壓力的純甲烷氣，然后關閉氣液預混器進出口閥門并靜置半小時；

步驟二：打開注液泵與氣液預混器之間的閥門，由注液泵向氣液預混器注入預定質量的溶液；

步驟三：關閉注液泵出口閥門，打開高速攪拌器，打開氣液預混器與反應釜之間的出口閥門，向高壓反應釜注入攪拌后的溶液；