注:1.微波源;2.波导;3.定向偶合器;4.矩圆过度器;5.水合物容器(包括5-1透明管,5-2、5-3容器进出口阀);6.水管;7.水龙头
实验所用的的微波源为3kW、10GHz,水合物样品取自四川石油管理局川西北矿区,并用冰柜低温保存。通过实验得出的结论为:
(1)微波对天然气水合物的分解作用非常明显,只要数十瓦的作用功率,就会使水合物生成区域内的温度很快升高至分解温度以上,从而使水合物能够在很短的时间内分解。
(2)对于一定的微波作用功率,微波作用区域内(水合物)的温度随微波作用时间呈近似线形升高。
(3)提高微波作用功率,单位时间内的平均温升增大,水合物分解速度也增大。
1.3结果分析
把微波独特的加热作用及电磁特性应用于天然气水合物是一项新的课题,存在着许多难题,但从已做的实验和得出的结论来看,微波对天然气水合物的分解作用明显,在防止管道堵塞、水合物储气等工业中水合物的快速分解已水合物资源的开采等工业中具有良好的应用前景。
2.微波在天然气工业中的应用展望
2.1防止水合物生成
在天然气由井底流向井口时,因压力和温度的变化,使天然气中所含的水与烃生成水合物,造成管道堵塞。通常采用加热或注入抑制剂(如甲醇、乙二醇等)的方法防止其形成。而微波在管道中可以传播较远的距离,管道可以当波导使用,这样就可以在天然气井口管道上安装微波发生器,利用微波进行加热,防止水合物生成[4]。和加注抑制剂和常规加热法相比,微波加热具有很大的灵活性,并且具有作用时间短,无污染等优点,而抑制剂还必须进行回收。
2.2水合物快速分解
用天然气水合物进行储存及运输天然气是一种被认为是一种新型的经济的方式,1m3完全饱和的甲烷天然气水合物包含164m3的甲烷和0.87m3的水,现在已经找到比较经济的在适合温度下生成水合物的方法,用天然气水合物进行储存及运输天然气已经在国内外投入大量研究,但还存在一定问题,其中用水合物进行储存后如何快速汽化将是需要解决的问题。另外,随着石油资源的日渐枯竭及城市污染的日益严重,国内外都在试行推广天然气汽车。美国已在试验将天然气转化为水合物(其平衡压力仅为40个大气压)作为车用燃料[5]。所涉及的关键技术是如何使水合物快速汽化,已满足内燃机系统的要求。基于上述要求,应用微波快速加热,而在金属容器内部可进行多次反射的特点,可以在储水合物装置上设一个微波输入口,该口用不吸收微波的材料(例如陶瓷,玻璃钢,聚四氟乙烯等)密封,在需要用气的时候用一定功率的微波照射即可。在汽车上可用电瓶做微波发生器的电源,这样可以保证汽车启动时的用气量。另外,天然气通过节流后,温度下降很大,极易形成水合物造成管道堵塞[6],微波加热正好可以满足上述要求。
2.3利用微波加热开采天然水合物
对从气体水合物中提取天然气的方法目前主要分有三类,分别为:热激发法、化学试剂法、减压法。其中热激发法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层,也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器,总之只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可称为热激发法。热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失,效率很低。特别是在永久冻土区,既使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。
近年来人们为了提高热激发法的效率采用井下装置加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一。实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,其在开采重油方面已显示出它的有效性。这种方法就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入不同的电极,再通以交变电流使其生热直接对储层进行加热。储层受热后压力降低,通过膨胀产生气体。而在电磁加热的方法中,选用微波加热将是最有效的方法,使用此方法时可直接将微波发生器至于井下,利用仪器自身重力使发生器紧贴水合物层,这样效果将更好,发生器可加驱动装置,使其在井下自由移动,这种方法可适合于开采各型天然气水合物资源,而化学试剂法不适合于开采海洋型天然气水合物,各种激发方式比较见表1。
当然,单单采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的,只有结合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。若将降压法和热开采技术结合使用将会展现出诱人的前景,即:用热激发法分解气水合物,而用降压法提取游离气体。
表1 各种激发方式比较