多孔介质中天然气水合物形成条件的测定实验报告

实验名称：多孔介质中天然气水合物形成条件的测定

试做教师：李胜利           时间：2019年10月15日

自然界中的气体水合物大多数赋存多孔介质中，因此研究多孔介质中气体水合物的形成条件具有重要的现实意义。本实验中的多孔介质包括两种：多孔介质和颗粒堆积物。多孔介质是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙构成的介质。它的结构特性包括孔的形状、尺度，孔体积，孔分布，比表面等，按孔直径划分，小于2 nm的是微孔（micropores），2 nm和50 nm之间的是中孔或介孔（mesopores），大于50 nm的是大孔（macropores）。常见的多孔介质有活性炭、硅胶，活性氧化铝、分子筛等。而自然界中还存在土壤、海底沉积物等颗粒堆积物。本实验方法用于测定CH₄水合物在石英砂、大孔硅胶等孔隙介质中的分解条件。

1  实验装置

本实验使用的天然气水合物形成条件测定装置主要由高压盲釜（即反应釜）、恒温空气浴、增压装置、温度压力数据测量采集系统组成。高压盲釜置于恒温空气浴内，釜上连接着温度、压力传感器，可以监测反应釜内的温度压力。实验装置各部分之间的连接管线均采用外径3的不锈钢管线，所有管线的最大工作压力为70 MPa。主要组成部分简介如下：

(1) 高压盲釜

高压盲釜是实验装置的核心部件，它的最大工作体积为100 mL，设计压力为120 MPa，采用不锈钢00Cr17Ni14Mo2（316 L）材料制成。反应釜上方装有高压过滤器，可以防止多孔介质进入管线和压力传感器。

(2) 恒温空气浴

恒温空气浴采用WD2015A型高低温试验箱，由上海实验仪器厂有限公司生产。空气浴采用智能程序控温仪表，具有PID自调、程序控制等功能。工作室尺寸是500×500×600 mm，温度可控制在-20~40 ℃范围内。

(3) 温度/压力数据测量及采集系统

反应釜内的温度利用Pt100型铂电阻温度传感器测定。釜盖上有一个探入釜内的凹凸，温度传感器插入其中。实验前，采用标准的二级铂电阻（精度±0.05 ℃）对温度传感器的控温情况进行了测定。结果表明，温度传感器达到标示的精度（±0.01K）。

反应釜内的压力由TRAFAG压力变送器测定（瑞士Trafag公司生产），最大量程为40或60 MPa，测量精度分别为±0.04 MPa或±0.06 MPa.

温度/压力传感器测量的数据采用北京昆仑海岸传感技术公司编写的MCGS组态软件采集。压力传感器信号的转化模块是454型1～5 V信号转换模块，温度传感器信号的转化模块是4542S型Pt-100铂电阻模块。

图1 实验装置示意图

(4) 增压装置

由于CH₄气瓶的最大压力一般十几MPa，不能满足实验压力的要求，因此实验中设计了一个增压罐。增压罐采用不锈钢00Cr17Ni14Mo2（316L）材料制成，由江苏海安石油科研仪器厂生产，容积是4L，设计压力40MPa。

增压时，先将低压气体通入增压罐中，再利用JP－III型高压手动计量泵（江苏海安石油仪器厂生产）由罐底部加入液体，压缩气体，达到增压的目的。高压手动计量泵的液缸体积为500mL，最大工作压力为50MPa。考虑到高压下不能CH₄气体发生反应，且要挥发度小，无毒害等因素，本实验选用的增压介质是二缩三乙二醇。

2  实验材料

本实验选用分子筛（13X，SBA-15）、氧化铝（中性100-20目、中性200-300目、酸性200-300目）、硅胶（平均孔直径分别为6nm、10nm、15nm）、石英砂、大孔硅胶等孔隙介质，实验中所用气体、孔隙介质的来源见表1。

本实验利用ASAP2020M全自动比表面及孔径分析仪（美国）测定分子筛、氧化铝、硅胶的比表面积、孔体积、孔径、孔分布等性质。利用Mastersizer 2000激光粒度分析仪（英国）测定石英砂的物理性质。

比表面积采用公认的标准测量方法—BET法的原理计算。气体吸附法测定孔径分布利用的是毛细冷凝现象和体积等效交换原理，即将被测孔中充满的液氮量等效为孔的体积。吸附理论假设孔的形状为圆柱形管状，从而建立毛细凝聚模型，这与本实验假设分解时孔隙为圆柱孔是一致的。通过测定样品在不同压力下凝聚氮气量，可绘制出其等温吸脱附曲线，再通过不同的理论方法可得出其孔容积和孔径分布曲线。

表1 气体或试剂的纯度及来源表

3  实验方案

1） 实验样品的制备

水饱和孔隙介质的方法主要有两种，一个是使用干燥器（desiccator），另一个是使用超声波发生器（sonicator）。对于使用干燥器方法，首先将样品（如硅胶）在一定温度（如393 K）下干燥一段时间（如24 h），然后将样品放到含有去离子水的干燥器中，抽真空，静置3-5天以上以达到固-气平衡。对于使用超声波发生器的方法，与干燥器法相同，在饱和孔隙之前先将样品干燥，然后将水和样品混合后装入瓶中，用塞子密封，以防止水分的挥发，再用超声波在293.15K下震荡24 h以保证孔隙被水完全饱和。根据文献调研可知，测定孔隙介质中气体水合物分解条件的方法主要有两种方法：分步升温法和连续升温法。本实验认为，即使以很慢的速率升温，在温度持续变化的情况下体系也不会达到平衡，因此采用分步升温法。

表2 多孔介质样品的物理性质

2）  实验步骤

水合物形成相平衡条件测定的具体实验步骤如下：

(1) 用去离子水将高压盲釜清洗干净，量取约100 mL的多孔介质，在抽真空状态下加入与多孔介质孔隙等体积的去离子水，搅拌均匀，装入高压盲釜中。

(2) 向增压罐中通入CH₄气体，利用手工泵将二缩三乙二醇压入增压罐中，制备高压CH₄气体（≥18 MPa）。

(3) 利用CH₄气体冲洗高压盲釜及整个管路系统3～5次，以置换高压盲釜及管路系统中的空气。

(4) 设置恒温空气浴为20℃（近似室温即可），进气至一定压力，检测装置的气密性。

(5) 若装置气密性良好，调节空气浴温度到0.5℃，通入高压CH₄气，水合物开始形成，盲釜内压力不断下降。若系统压力降到较低时，及时向高压盲釜内补充气体，以保证孔隙介质内的水完全转化为水合物。

(6) 当系统压力不再变化时，认为气体水合物基本完全形成。打开排空阀，缓慢排气，将系统压力降低至平衡压力之下，然后关闭排空阀，使体系处于封闭状态。调节恒温空气浴至实验温度，水合物分解，系统压力升高。

(7) 电脑数据采集自动记录釜内温度、压力变化随时间的变化。当系统压力变化小于0.01 MPa/h时，认为水合物分解达到平衡。此时的压力、温度为一组平衡数据点。

(8) 调节恒温空气浴至下一个实验温度，继续测量相应的温度压力。当空气浴温度升高到一定值时，系统压力（排除温度升高引起的压力升高外）不再增加，认为水合物完全分解。

4 实验数据处理

实验结束后，将实验结果作图，纵坐标为压力，单位为MPa，横坐标为温度，单位为K，图中试验点组成的散点图为孔隙介质中CH₄水合物形成条件曲线。如图2所示，石英砂中水合物形成条件数据、硅胶中水合物形成条件数据与纯水中水合物形成条件数据比较。

图2 石英砂中CH₄水合物的形成条件数据

吉林大学实验试做报告

教学单位名称：建设工程学院          实验中心名称：地质工程实验中心

一、实验目的

掌握砂石泵的使用方法和反循环管路的连接。

二、实验原理

在封闭良好的管道内，在砂石泵所产生的真空度的作用下，使钻井系统形成反循环。

三、使用设备、仪器及材料

3BA-9A单极离心泵、有机玻璃管、水箱、吸水龙头、管夹子等。

四、实验内容

根据循环的形成条件，以砂石泵为反循环形成动力，学会泵的使用方法，掌握处理循环中新的方法。

五、实验过程记录(数据、图表、计算等)

根据公式Q=0.785d²vk，Q为泵的排量，d为钻杆内径，v为钻杆内流体上返速度，k为泵的余量系数。已知钻杆内流体上返速度为1.1m/s，泵的余量系数1.4；测得钻杆内径90mm，求出泵的排量为35.2m³/h；

同样根据公式计算，当上返速度达到2.5m/s-3.5m/s时，求出泵的排量范围为80m³/h-112m³/h。

六、实验结果分析

通过对泵吸反循环管路的介绍、钻井过程中导致循环终止的因素分析、单机离心泵结构及使用的讲解、以及设备运行时对整套设备循环的直观感受，能够较好的掌握砂石泵的使用方法，并且掌握如何连接反循环管路。

通过计算，更好的了解反循环钻井针对泵的选择。通过观察真空表读数，并与单机离心泵额定真空度对比，分析差异原因主要是密封性无法达到完全密封。