天然气水化合物实验装置及发展趋势

天然气水合物实验装置及其发展趋势*

宁伏龙 蒋国盛 张凌 吴翔 窦斌 张家铭

（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉，430074）

摘 要 天然气水合物研究离不开实验模拟。分析了国内外水合物实验装置设计和发展情况及相应的实验研究内容，总结了水合物实验系统构成，探讨了我国与国外水平的差距，最后归纳了国内外水合物实验装置研究特点与技术发展趋势，并给出了提高我国水合物综合实验研究水平的适当建议。

关键词天然气水合物实验装置对比分析发展趋势

中图分类号TE09;F416.22;TL67文献标识码 A 国家标准学科分类与代码480.602

The Development of Experimental Equipments for Gas Hydrate Researching

Ning Fulong Jang Guosheng Zhang Lin Wu Xiang Dou Bin Zhang Jiaming

（China University of Geosciences, Wuhan 430074,China）

Abstract: Simulation experiment study on the natural gas hydrate is very important. This paper firstly analyzed researches about the simulation experimental rigs for natural gas hydrate at home and abroad .Secondly, the composition of experiment systems for gas hydrate and the technological gap between the advanced countries and ours are described. Finally, according to the induction of features and trends of experimental rigs for natural gas hydrate at home and abroad, the paper proposed some proper suggestions which could enhance the integrated experimental study on gas hydrate in China.

Keywords:gas hydrate; experimental apparatus; development trend

1 引 言

天然气水合物研究主要涉及油气管道流动保障、安全、能源开采、海底地质灾害、气体储存/运输和气候变化等方面[1]，其实际应用已从最初的石油、天然气工业扩展到化工、能源、环境保护等领域[2]。由于其在资源、环境和全球变化中的重要意义而引起世界许多国家的高度重视，成为当代地球科学和能源研究的一大热点，其研究水平已从某种程度上反应了一个国家的综合科技实力和可持续发展潜力。天然气水合物研究离不开实验模拟，实验装置是水合物研究的基础,为水合物的应用提供基本数据。由于水合物形成和稳定需要高压低温环境，因此在实验室内研究天然气水合物需要苛刻的实验设备，其技术水平也相应代表了水合物研究水平。

2 国外水合物实验装置研究情况

美国是全球的科学技术强国,其天然气水合物调查研究也一直走在世界的前沿。有6个政府机构(能源部、矿产管理服务中心、国家大洋和大气管理局、国家科学基金、海军调查研究实验室和美国地质调查局)和一些大学及工业企业一起合作执行水合物研究，并根据各自研究内容建立了非常先进的实验系统。有代表性的包括美国能源部下属的国家

*基金资助：国家自然科学基金（50704028）、“新世纪优秀人才支持计划资助”（NCET-05-0663）、“863”计划（2006AA09Z316）、中国博士后科学基金（2005037681）和中国地质大学（武汉）优秀青年教师资助计划资助项目（CUGQNL0623）共同资助。

作者简介：宁伏龙（1977-），博士，讲师，研究方向为天然气水合物勘探开发、海洋油气钻井开发。地址：(430074) 中国地质大学(武汉)工程学院勘察与基础工程系。电话：(027)65198002。E-mail：nflzx@https://www.wendangku.net/doc/6a17619759.html,

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https://www.wendangku.net/doc/6a17619759.html,

能源技术实验室（NETL）、西北太平洋国家实验室（PNL）、橡树岭国家实验室（ORNL）、布鲁克海文国家实验室（BNL）与劳伦斯－利弗莫尔国家实验室（LLNL）、科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)的水合物研究中心和佐治亚理工学院(Georgia Tech)水合物项目组建立的各种水合物实验模拟装置[3-4]。NETL技术力雄厚，拥有多个水合物高压可视化反应容器，可对水合物形成、导热和储气性质进行研究。PNL建有CO2置换法开采水合物的高精密实验装置以及低温高压下研究水合物晶体结构的TCP200。ORNL建成了世界上独一无二的最大水合物模拟实验装置—海底过程模拟器（SPS），采用不锈钢制造，体积达72升，工作压力21MPa，容器上面开有40个端口，装有蓝宝石透明观察窗、显微视像系统（分辨率10mm）、拉曼光谱仪、温度、压力和PH值传感器等。可研究与水合物相关的耦合动力学、热物理、力学、生物地球化学性质，分析物理、地球化学、生物地球化学过程对海底甲烷水合物形成和稳定的影响[5-7]。难度大综合性强的要属美国地质调查局（USGS）和NETL合作历经近10年建成的天然气水合物与沉积物实验装置(GHASTLI)[8-11]，代表了当前天然气水合物物性模拟实验研究的最高水平。该实验装置可模拟纯水合物及其在沉积地层中的合成和分解，研究它们的相态特征、物化属性、力学和动力学特性，具有加压降温方便、自动化程度高、数据采集准确、安全可靠等特性（图1）。

除美国外，英国的赫里奥特·瓦特大学（Heriot-Watt University）水合物研究中心的实验装置在欧洲乃至全球也都很先进，建有2个实验室，拥有从低压到超高压、静态和动态等25套水合物实验装置，涉足流动保证和水合物抑制剂设计、水合物形成和分解的动力学、用于油气储存和运输的水合物技术、温室气体CO2水合物的制备和储存以及海底沉积物中的天然气水合物研究[12]。其中11个是带有搅拌和扭矩测量的高压反应釜，用来研究水合物相平衡、水合物形成和分解的动力学特性、动力学抑制剂/反凝聚剂性能评价，工作温度-60℃～70℃，压力最高可达68.9MPa；2个摇摆超高压反应容器，压力范围分别是0～68.9MPa和0～200Mpa（图2）,用来研究水合物相平衡和各种流体系统的动力学特性；2个微观可视化水合物模拟实验装置，工作温度-20℃～80℃，工作压力分别是8MPa和40MPa，可微观研究水合物形成分解以及抑制剂效果和水合物在多孔介质中的分布与胶结特征；1个多孔介质试验装置(40Mpa)可以研究孔隙尺寸、饱和度和可湿性对水合物相平衡的影响以及水合物在沉积物中形成的动力学特性；3个超声波模拟实验装置(40MPa)研究水合物在自然及模拟合成的沉积物中的形成特性，每一个实验装置带有一个可移动活塞和一个固定活塞用来模拟各种过压条件，评估水合物形成和分解对沉积地层地质力学性质的影响。

此外，加拿大DBR公司工业化生产了JEFRI变体积高压蓝宝石全透明天然气水合物实验系统，有效体积75mL(不包括活塞和搅拌器),最大工作压力21MPa,工作温度范围-90℃～150℃。它可用于水合物相平衡、动力学及其相关抑制剂的研究，代表了20世纪90年代国际先进水平[13-14]。德国、法国、日本等国相关研究机构也都陆续建立了各种水合物实验设备，但代表性不强。

图1 美国地质调查局的GHASTLI装置

Fig.1 GHASTLI in USGS

图2 英国赫瑞．瓦特大学的超高压水合物实验装置

Fig.2 Extra-high pressure gas hydrate rig in Heriot-Watt

university

3 国内水合物实验装置研究情况

我国的天然气水合物研究起步比较晚，20世纪90年代后期才开始进入海上实际区域调查和实验模拟阶段，国内相关科研院所和高校逐步建立了相应的天然气水合物模拟实验装置。中科院广州能源所水合物研究中心是国内研究实力最强的，除从法国ST公司进口了可视化水合物测试系统外，还自建了水合物热物性测试实验台、超声波测试台和二维模拟开采等实验装置[15-16]。青岛海洋地质研究所在海洋天然气水合物研究方面也做了大量的研究工作，自建了海洋天然气水合物模拟实验装置。该实验装置工作压力≤30MPa，工作温度≥-10℃，安装有可视化光纤摄像系统和声学光学检测系统[17-18]。西安交大建成了天然气与冰合成水合物实验装置，重点研究水合物生成过程的诱导现象以及过饱和度、过冷度、过压和反应时间对水合物生成的影响[19]。中国石油大学(华东)设计了多孔介质中天然气水合物二维模拟实验装置[20]，模拟多孔介质中天然气水合物的生成和开采环境，此外还建立了水合物合成与开采实验系统,可研究降压开采的相平衡和基本生产规律[21]。太原理工大学建成了煤层气水合物合成和分解实验系统[22]，上海理工大学设计了一套以喷雾强化方式制备天然气水合物的实验系统,并对水合物的制备过程进行了实验研究[23]。此外，中国地质大学（武汉）已基本建成天然气水合物模拟微钻实验系统，能够可视化地显微观察天然气水合物在纯水以及多孔隙介质（主要是砂子）中的合成与分解情况，模拟实际钻井条件研究钻进规程和钻进过程控制，可扩展用于含水合物地层力学性质测试，可进行低温钻井液性能测试实验等，还可以对天然气水合物开采方法进行研究。具有综合性强、功能全、研究领域广等特点[24-25]。该综合实验系统主要由大体积的可视化钛合金高压反应釜（透明窗口条件下，工作压力35MPa；盲盖条件下，工作压力50MPa），提供温度环境的HLT705P可编程高低温实验箱（工作温度范围-203k～373k），提供高压环境的气/液增压泵（工作压力700bar），可放大3～500倍的美国ZOOM 70XLOpta光学变焦显微数字成像观察系统，数据采集与控制系统，微钻系统以及其它辅助设备如真空泵、气体泄漏报警器等构成（图3）。

图3 中国地质大学（武汉）水合物模拟实验系统及可视化Fig.3 Gas hydrates imental system in

4 国内外天然气水合物实验系统对比

心都是由

观察水合物形成过程

drilling simulating exper

CUG and the hydrates formation process

综合国内外各种水合物实验装置来看，核

高压反应系统、低温冷却系统、仪表测试装置和数据采集系统4部分组成。高压反应系统由高压容器、输气瓶和增压设备组成，其中高压反应容器（反应釜）是整个实验装置的核心，一般都是透明或开有可视化透明窗口，还设有各种进出气液口，其所需高压由增压设备提供。冷却系统一般是液体恒温浴槽或空冷和温度控制系统组成，仪表测试装置安放于实验反应釜、连接管路或增压冷却设备中，它们实时地显示出实验进行过程中的各个部件位置的运转情况,主要由压力、温度、光学、声学、电学检测和摄像部分组成。数据采集系统由各种电子设备和微机组成，实验过程中的各种参数被传输到微机中以供实验人员掌控实验的进程和分析实验结果。可见，天然气水合物实验装置是多种工艺和技术的集成体，这也导致与实验设备相关的水合物专利数据库中绝大部分是关于实验方法的，检索CODATA中国委员会建立的天然气水合物信息系统，可发现截至2005年5月15日，在50个有关水合物专利中，只有6个与水合物实验设备相关。同样，仪器的集成水平高低与这个国家的科研和工业制造水平的先进程度息息相关，检索DⅡ数据库中中国水合物专利只有13件，而日本有232件居世界第一位。与国外发达国家相比，我们在超高压反应系统、仪表测试装置特别是微观结构分析和数据采集精度

上有较大差距。

5 未来天然气水合物实验技术发展趋势及建议

随着天然气水合物研究的不断深入和工业技术

的不前很多实验装置都是越来越高，

微观研究越来越多：可直）

实验模拟的环境越来越苛刻：反应时的温压条断进步，

各类水合物实验装置也不断得到更新，新的实验装置不断出现。当前国际上天然气水合物实验装置的总体特点和趋势是：

（1）实验综合性越来越强：以只针对某一具体研究目标来设计建立，功能比较单一。现在实验装置除了可研究水合物相态外，还可以模拟水合物沉积地层，测试水合物及其地层的各项物理化学性质，研究水合物抑制剂等等，集多种功能于一体。

（2）可视化程度接通过显微成像系统非常微细地观察高压装置里的相变情况，并对相应的相变反应进行摄像；另外通过改造环境扫描电镜（ESEM、X－射线衍射仪（X-ray）、核磁共振（NMR）、拉曼光谱仪、CT、原子力探针（AFM）等先进科研仪器来研究中微观乃至分子级别的天然气水合物各种特性和相关抑制剂。这使得高端水合物研究设备绝大部分为发达国家所有，我们国家目前还不具备这样的改造技术和经济实力。

（3件越来越接近大洋深处或永冻层水合物原位存在环境。反应容器的尺寸也越来越大，实验设备的操作也逐渐向集中控制和智能化发展，人机互动密切，实验人员通过微机可随时改变反应时的温度压力等参数，根据实验需要控制反应环境。如NETL 的水合物中央控制室，可通过多个摄像头对实验进行监测与控制（图4）

。

图4 美国NETL 的水合物中央控制室

Fig.4 Th ents in

（4）测试精度越来越高：可高精度地辨认出水合物究的实验装置正向综合参考文献

[1]

Sloan,E.D.

Fundamental

principles

and

东,张彬.天然气水合物实验装置的比较[J].echnologies/oil-gas/

. Fire in the in the e in the in the pparatus l na 3-son, e central console of gas hydrate’s experim NETL

形成和分解的压力和温度等条件，精确地记录各个反应时段的相变数据以及其它实验测试数据比如声学、光学和电阻率值等。

综上所述，天然气水合物研化、微细观察化、模拟真实化和智能控制化发展。由于我国水合物研究起步较晚且科研基础薄弱，使得国内水合物实验装置的研究绝大部分都是跟随国际发展趋势进行。由于受国家科研和工业水平的限制，无论从系统功能还是检测精度和智能程度上，我们都和美国等发达国家的一流水合物实验设备有着很大的差距。因此，现阶段我们必须抓住机会，扬长避短，集中某一个水合物研究领域进行突破，比如针对南海的海底水合物钻探（井）模拟装置，才有可能树立我们自己的权威和国际影响力。

applications of natural gas hydrates [J].Nature,2003, 426,353-359

[2] 周月,陈保天然气与石油,2004,22(4):25-27 [3]

https://www.wendangku.net/doc/6a17619759.html,/t Future Supply/MethaneHydrates/maincontent.htm/ [4] https://www.wendangku.net/doc/6a17619759.html,/research/chs/

[5] National Energy Technology Laboratory Ice. Methane Hydrate Newsletter, Winter 2006 [6] National Energy Technology Laboratory. Fire Ice. Methane Hydrate Newsletter, Fall 2004

[7] National Energy Technology Laboratory. Fir Ice. Methane Hydrate Newsletter, Summer 2004 [8] National Energy Technology Laboratory. Fire Ice. Methane Hydrate Newsletter, Fall 2005

[9] Booth J S , Winters WJ , Dillon W P. A Investigates

Geological

Aspects

of

Gas

Hydrates[J].Oi and Gas Jour l.1999,4:668. [10] Winters, W.J., Pecher, I.A., Booth, J.S., Ma D.H., Relle, M.K., and Dillon,W.P. Properties of samples containing natural gas hydrate from the JAPEX/JNOC/GSC Mallik2L-38 gas hydrate research well, determined using Gas Hydrate And Sediment Test Laboratory Instrument (GHASTLI)[J].Geological Survey of Canada Bulletin.1999b,544,241-250

[11] Winters, W.J., Pecher I.A., Waite, W.F., and Mason, https://www.wendangku.net/doc/6a17619759.html,/research/hydrate/ 仪.合成天然气水合物实验研究[J].平.水合物合成及导热系与表,刁少波.海洋天然气水合物的模衡研玲,李海国.冰-水-气生成天然气琳.多孔介质中天然气水合物二维分,胡汉华,徐新亚,潘云仙.一种伏龙,汤凤林.天然气水合物合D.H. Physical properties and rock physics models of sediment containing natural and laboratory-formed methane gas hydrate[J]. American Mineralogist. 2004,89,1221-1227

[12] http://www.pet [13] 王丽.天然气水合物实验装置[J].石油器,2001,15(4):47～48

[14] 代淼,周理,周亚平化学进展,2004,16(5):747-750

[15] 黄犊子,樊栓狮,梁德青,冯自数测定[J].地球物理学报,2005,48(5): 1125～1131 [16] 孙始财,刘玉峰,吕爱钟,樊栓狮,徐海燕.超声波面活性剂协同影响水合物诱导期[J].化工学报,2006,57(1):160-162

[17] 刘昌岭,业渝光,张剑拟实验研究现状[J].岩矿测试,2004,23(3):201-206 [18] 刘昌岭,业渝光,张剑,刁少波.天然气水合物相平究的实验技术与方法[J].中国海洋大学学报,2004,34(1):153-158

[19] 刘芙蓉,王胜杰,张文水合物的实验研究[J].西安交通大学学报,2000,34(12):66-69

[20] 赵仕俊,徐建辉,陈模拟实验装置[J].自动化技术与应用,2006,25(9)：65-67 [21] 郝永卯,薄启炜,陈月明,李淑霞.天然气水合物降压开采实验研究[J].石油勘探与开发,2006,33(2):217-220 [22] 陆斌,李瑞丰,赵阳升,赵建忠.煤层气水合物合成与解实验研究[J].科技情报开发与经济,2006,16(17):182-184

[23] 杨群芳,刘道平,谢应明喷雾方式制备天然气水合物的实验系统[J].石油与天然气化工,2006,35(4):256-259

[24] 窦斌,蒋国盛,吴翔,宁成及微钻实验装置设计[J].天然气工业.2004,24(6):77-79 [25] 窦斌,蒋国盛,吴翔,宁伏龙,汤凤林.天然气水合物微钻实验台设计[J].石油机械,2004,32(4):4-7