(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210686210.5 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 中国科学院地质与地球物理研究所 地址 100029 北京市朝阳区北土城西路19 号 (72)发明人 赫建明　李守定　李晓　张召彬　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 史云聪 (51)Int.Cl. E21B 49/00(2006.01) E21B 41/00(2006.01) E21B 43/16(2006.01) G01D 21/02(2006.01) G01N 30/02(2006.01) G01N 30/06(2006.01)G01N 30/24(2006.01) (54)发明名称 一种二氧化碳置换天然气水合物的试验系 统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种二氧化碳置换天然气水 合物的试验系统及方法， 涉及天然气水合物开采 技术领域， 包括试样反应容器、 试样边界条件加 载装置、 甲烷气供气装置、 二氧化碳供气 装置、 产 出物收集测量装置和数据采集控制装置； 容器内 腔内设有试样密封胶套和试样上部密封板， 试样 密封胶套与下托盘和试样上部密封板构成密封 试样空间， 试样上部密封板上设有轴向压力加载 板， 上盖板上设有轴压加载注入孔， 侧围板上设 有围压加载注入孔和产物输出孔并套设有液冷 夹套， 甲烷气体注入管和二氧化碳注入管均伸入 至密封试样空间中， 下托盘上设有温压传感器。 本发明能够在实验室进行天然气水合物的二氧 化碳可持续置换试验， 为天然气水合物的二氧化 碳置换开采提供指导。 权利要求书3页 说明书11页 附图3页 CN 114922618 A 2022.08.19 CN 114922618 A 1.一种二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 包括试样反应容器、 试样 边界条件加载装置、 甲烷气供气装置、 二氧化碳供气装置、 产出物收集测量装置和数据采集 控制装置； 所述试样反应容器包括侧围板以及分别设置于所述侧围板顶部和底部的上盖板和下 托盘， 所述侧围板与所述上盖板和所述下托盘构成容器内腔， 所述容器内腔 内设有试样密 封胶套和试样上部密封板， 所述试样密封胶套下端与所述下托盘密封连接， 上端与所述试 样上部密封板密封连接， 所述试样密封胶套与所述试样上部密封板和所述下托盘构成密封 试样空间， 所述试样上部密封板上方的所述容器内腔中设有能够上下移动的轴向压力加载 板， 所述上盖板上设有轴压加载注入孔， 所述侧围板上设有围压加载注入孔和产物输出孔 并套设有液冷夹套， 所述产物输出孔贯穿所述试样密封胶套与所述密封试样空间连通， 甲 烷气体注入管穿过所述上盖板、 所述轴向压力加载板和所述试样上部密封板伸入至所述密 封试样空间中， 二氧化碳注入管穿过所述下托盘伸入至所述密封试样空间中， 所述下托盘 上设有用于检测所述密封试样空间内温度和压力的温压传感器； 所述试样边界条件加载装置包括轴向压力加载装置和围压加载装置， 所述轴向压力加 载装置和所述围压加载装置通过管路分别连接所述轴压加载注入孔和所述围压加载注入 孔， 所述轴向压力加载装置和所述轴压加载注入孔之间的管路上设有轴向压力变送器， 所 述围压加载装置和所述围压加载注入孔之间的管路上设有围压 压力变送器； 所述甲烷气供气装置包括甲烷气瓶， 所述甲烷气瓶与 所述甲烷气体注入管连接的管路 上依次设有第一气体增压泵、 第一恒压或恒速气泵和第一储气罐， 且所述第一气体增压泵 靠近所述甲烷气瓶， 所述第一储气罐置于第一冷浴装置中， 所述第一冷浴装置与第一温控 装置连接， 所述第一储气罐与所述甲烷气体注入管之间的管路上设有第一气体压力变送 器； 所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳气瓶， 所述二氧化碳气瓶与所述二氧化碳注入管 连接的管路上依 次设有第二气体增压泵、 第二恒压或恒速气泵和第二储气罐， 且所述第二 气体增压泵靠近所述二氧化碳气瓶， 所述第二储气罐置于第二冷浴装置中， 所述第二冷浴 装置与第二温控装置连接， 所述第二储气罐与所述二氧化碳注入管之 间的管路上设有第二 气体压力变送器； 所述产出物收集测量装置包括压力控制阀、 预设加压设备和产出物收集测量组件， 所 述产物输出孔通过管路连接所述压力控制阀， 所述压力控制阀通过管路连接所述产出物收 集测量组件， 所述产出物收集测量组件用于对产出物进行收集和测量， 所述压力控制阀还 通过压力开关连接所述预设加压设备； 所述温压传感器、 所述轴向压力加载装置、 所述围压加载装置、 所述轴向压力变送器、 所述围压压力变送器、 所述第一恒压或恒速气泵、 所述第二恒压或恒速气泵、 所述第一 温控 装置、 所述第二 温控装置、 所述第一气 体压力变送器、 所述第二气体压力变送器和所述产出 物收集测量组件均 与所述数据采集控制装置电联接 。 2.根据权利要求1所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述轴 向压力加载板顶端连接有滑动杆， 所述滑动杆穿过所述上盖板 向外伸出， 所述滑动杆内设 有贯穿所述滑动杆和所述轴向压力加载板的通孔， 所述甲烷气 体注入管安装于所述通孔内 且所述甲烷气 体注入管下端穿过所述试样上部密封板延伸至所述密封试样空间底部， 所述权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114922618 A 2甲烷气体注入管伸入所述密封试样空间内的部分沿所述密封试样空间高度方向设有多个 气孔， 所述上盖板顶端安装有管路夹持器， 所述甲烷气体注入管上端夹持固定于所述管路 夹持器上。 3.根据权利要求1所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述二 氧化碳注入管伸入至所述密封试样空间的顶端设有多个气孔， 所述二氧化碳注入管包括顶 端分别延伸至所述密封试样空间上部、 中部和下部的试样上部二氧化碳注入管、 试样 中部 二氧化碳注入管和试样下部二氧化碳注入管， 所述第二储气罐的出气管路分成三个支路分 别连接所述试样上部二氧化碳注入管、 所述试样中部二氧化碳注入管和所述试样下部二氧 化碳注入管， 各 所述支路上均设有注气控制阀。 4.根据权利要求3所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述温 压传感器包括试样上部温压传感器、 试样 中部温压传感器和试样下部温压传感器， 所述试 样上部温压传感器、 所述试样中部温压传感器和所述试样下部温压传感器的测量探头 分别 位于所述密封试样空间上部、 中部和下部 。 5.根据权利要求1所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述产 出物收集测量装置还包括除砂器， 所述除砂器设置于所述产 物输出孔和所述压力控制阀之 间的管路上， 所述除砂器与所述产物输出孔之间的管路上设有输出气体开关阀， 所述产出 物收集测量组件包括水气分离器、 气相色谱仪、 气体 收集阀、 冷阱处理装置、 气液分离阀和 气体收集泵， 所述水气分离器的进口连接所述压力控制阀出 口， 所述水气分离器的出水 口 底部设有电子天平， 所述水气分离器的出气口分两路， 一路通过自动控制阀连接所述气相 色谱仪进口， 另一路连接所述气体收集阀进口， 所述气相色谱仪出 口连接所述气体收集阀 进口， 所述气相色谱仪、 所述冷阱处理装置和所述气体 收集泵均与所述数据采集控制装置 电联接。 6.根据权利要求5所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述第 一储气罐与所述甲烷气体注入管之间的管路上还设有第一自动压力和气量传感器及甲烷 气体开关阀， 所述第一储气罐与所述甲烷气 体注入管之 间的管路上还通过抽真空开关阀连 接有真空泵； 所述第二储气罐与所述二氧化碳注入管之 间的管路上还设有第二自动压力和 气量传感器及二氧化碳开关阀； 所述气相色谱仪出口和所述气 体收集阀进口之 间的管路上 设有第三自动压力和气量传感器， 所述气体收集泵末端连接有第四自动压力和气量传感 器； 所述第一自动压力和气量传感器、 所述第二自动压力和气量传感器、 所述第三自动压力 和气量传感器和所述第四自动压力和气量传感器均 与所述数据采集控制装置电联接 。 7.根据权利要求1所述的二氧化碳置换天然气水合物的试验系统， 其特征在于： 所述轴 向压力加载装置包括第一大排量连续供液柱塞泵组和 第一压力伺服连续供液柱塞泵组， 所 述第一大排量连续供液柱塞泵组和所述第一压力伺服连续供液柱塞泵组的进口连接油源， 出口分两路分别为轴压加载管路和轴压卸载管路， 所述轴压加载管路连接所述轴压加载注 入孔， 所述轴压加载管路上设有轴压加载控制阀， 所述轴压卸载管路连接所述油源， 所述轴 压卸载管路上设有轴压卸载控制阀； 所述围压加载装置包括第二大排量连续供液柱塞泵组 和第二压力伺服连续供液柱塞泵组， 所述第二大排量连续供液柱塞泵组和所述第二压力伺 服连续供液柱塞泵组的进口连接所述油源， 出口分两路分别为围压加载管路和围压卸载管 路， 所述围压加载管路连接所述围压加载注入孔， 所述围压加载管路上设有围压加载控制权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114922618 A 3