CN102062744A - 蜡沉积实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种蜡沉积实验装置，该实验装置包括一实验管路，实验管路一端连通于一气液混合器的出口，实验管路的另一端连通于一气液分离器的回液口；气液混合器的进气口通过一循环压缩机连通于气液分离器的排气口；气液混合器的进液口通过一多相泵连通于气液分离器的排液口；在多相泵与气液混合器的进液口之间的管路上还设有激光粒度分析仪和在线伽玛相分率仪；实验管路上间隔设有多个测试段，各测试段能拆卸地串接在实验管路中，各测试段的管道外侧分别设有一温控水浴夹套；在各测试段管道的进口端分别设有一在线伽玛相分率仪。本实验装置具有结构合理、设计精巧、实验设备先进、适用范围广、测量准确等特点，并可节约实验成本与减少有害气体排放。

Description

蜡沉积实验装置

技术领域

本发明是关于原油输送中一种管道结蜡实验装置，尤其涉及一种适用于在高压、易燃易爆烃类实验气体环境下进行多相流、单相流蜡沉积研究和多相流流型测量的蜡沉积实验装置。

背景技术

含蜡原油是一种复杂的混合体系，它主要由蜡、胶质、芳香烃、沥青和轻烃组分组成。当温度较高时，原油中的蜡组分处于溶解状态，原油呈现牛顿流体流变性质；随着温度的降低，蜡组分逐渐结晶并析出，原油粘度随之增大，并且呈现出非牛顿流体的特性。当蜡晶析出的量达到2％～3％时，便可形成三维网状结构，阻碍原油流动，导致原油整体失去流动性并凝固。

上述的蜡沉积过程给管道输送含蜡原油带来了以下一系列问题：管路的有效内径减少，输送压力增大，管道输送能力降低，清管频率增加，甚至造成蜡堵事故；并且管输含蜡原油在较低出站油温和低输量运行情况下，容易出现流型和流态的变化，这会影响管道的压降，增加管道的运行成本。

目前，对于环路蜡沉积实验都是集中在常压或者是低压环境下进行的，即使是环路的设计可以进行分流型的多相流动蜡沉积实验，其所采用的实验气体也主要是空气，而对于其它实验气体介质的研究上具有一定的局限性。随着我国海洋石油的开发正在逐渐步入深海领域，采出伴随有天然气的原油进行海底输送时，将会面临更高的压力与更低的温度，因此，会在很大程度上促进蜡晶的析出和聚结堵塞管道的情况发生。所以，建设一套可以在高压密闭环境下并可以采用烃类气体作为实验介质的环路装置进行蜡沉积研究，对节约管道运行费用以及海底含蜡原油混输管道的安全运行具有显著的现实意义与重要的指导作用。

有鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，提出一种蜡沉积实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜡沉积实验装置，以烃类气体为实验气体，在高压密闭的环境下开展对蜡沉积问题的实验研究，准确地测量出管道内多相流动时的持液率，进而在线判断出流型。

本发明的目的是这样实现的，一种蜡沉积实验装置，该实验装置包括一实验管路，该实验管路一端连通于一气液混合器的出口，该实验管路的另一端连通于一气液分离器的回液口；所述气液混合器的进气口通过一循环压缩机连通于气液分离器的排气口；所述气液混合器的进液口通过一多相泵连通于气液分离器的排液口；在所述多相泵与气液混合器的进液口之间的管路上还设有激光粒度分析仪和在线伽玛相分率仪；所述实验管路上间隔设有多个测试段，所述各测试段能拆卸地串接在实验管路中，各测试段的管道外侧分别设有一温控水浴夹套；在所述各测试段管道的进口端分别设有一在线伽玛相分率仪；所述气液分离器内的实验流体为含蜡原油，实验气体为烃类气体。

在本发明的一较佳实施方式中，在所述气液混合器的进液口和进气口分别设有能准确调整气液相流量的截止阀与针阀。

在本发明的一较佳实施方式中，在所述各测试段管道的进口端分别设有温度传感器、压力传感器；在各测试段管道的两端之间并联有压差表。

在本发明的一较佳实施方式中，在该气液混合器上且邻近其出口处设有一加药入口，该加药入口由一注药管路依次与电动计量泵和架药箱连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气液分离器的排气口由一补气管道连通于一高压气瓶组，所述高压气瓶组由天然气瓶和氮气瓶并联构成；所述补气管道中还设有过滤器、压力表、减压阀和流量计。

在本发明的一较佳实施方式中，在循环压缩机与气液混合器的进气口之间的进气管道中还连接有缓冲罐；所述缓冲罐的上端与所述进气管道连接，缓冲罐的下端通过一注水管路依次与往复泵和储水罐连通；所述缓冲罐的上端通过一天然气回注管道与所述天然气瓶导通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气液分离器的进液口与一料桶连通，该料桶内装有含蜡原油。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气液分离器的排气口由一泄压管道与一放空管连接，所述泄压管道中设有过滤器、背压阀、温度表和流量计。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气液分离器的排液口还通过一排污管道与一排污罐连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述实验装置的各管路中分别设有能连接真空泵的抽真空接口。

由上所述，本发明的蜡沉积实验装置可以在高压环境下模拟含蜡原油蜡沉积，适用于在高压环境下对含蜡原油进行多相、单相管流规律实验研究以及多相流流型测量，分析研究在高压环境下的不同的管径、原油温度、环境温度、流量、流型等参数对蜡沉积的影响。通过模拟输油管道运行中某一管段的蜡沉积情况，可以准确测量出蜡晶的析出时间与分布、结蜡量以及蜡的沉积速率，确定不同条件下多相流管道中含蜡原油的流型和流态，进而探讨结蜡机理和影响管壁结蜡的因素；本实验装置具有回收剩余实验气体的功能，大大节约实验成本与减少有害气体排放；本实验装置结构合理、设计精巧、实验设备先进，具有适用范围广、测量准确等特点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1：本发明蜡沉积实验装置的结构原理示意图。

图2：本发明蜡沉积实验装置中的实验管路部分的结构放大示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明提出一种蜡沉积实验装置100，该实验装置100包括一实验管路1，该实验管路1一端连通于一气液混合器2的出口23，该实验管路1的另一端连通于一气液分离器3的回液口31；所述气液混合器2的进气口21通过一循环压缩机41连通于气液分离器3的排气口32；所述气液混合器2的进液口22通过一多相泵51连通于气液分离器3的排液口33，由此，该实验管路1与气液混合器2和气液分离器3构成一循环回路；在所述多相泵51与气液混合器的进液口22之间的进液管路5上还设有激光粒度分析仪52和在线伽玛相分率仪53；所述实验管路1上间隔设有多个测试段11，考虑到管径变化对蜡沉积规律的影响，测试段的管径将根据实验的要求进行选择，在本实施方式中采用了两种测试段管径；所述各测试段11可拆卸地串接在实验管路1中(在本实施方式中，设置了四个水平放置的测试段11，是由法兰将各测试段连接在实验管路1中的)，各测试段11的管道外侧分别设有一温控水浴夹套111；在所述各测试段11管道的进口端还分别设有一在线伽玛相分率仪53；所述气液分离器3内的实验流体为含蜡原油，实验气体为烃类气体。整个实验装置100中的各管路是由不锈钢管构成的，该实验装置100能够在高压条件(4～15兆帕)下对易燃易爆介质进行管流实验，从而准确的模拟深海大部分的管输情况。

在本实施方式中，如图1所示，所述实验管路的入口处采用耐高压设计的气液混合器2，可以将气液进行混合后输送到水平测试段中，该气液混合器2的结构为45度斜接对焊连接，利用挡板(图中未示出)将气液流道分开，挡板与斜接管路相连并与管内壁全焊接；气液混合器2的气、液管路入口处(即：进液口22和进气口21)分别配合使用截止阀与针阀54来准确的调整气液相的流量，从而模拟出不同流型的多相流动。由于气液混合器的高压密闭设计使得本实验装置所使用的气相除空气外，还可以选用类似于天然气等易燃易爆的烃类气体，大大丰富了实验介质的种类。

在本实施方式中，如图1、图2所示，采用四段独立温控方式分别对测试段11管内流体以及水浴夹套111中的循环介质进行控温(即：对四段测试段管路分别采用四台温控仪1111进行单独温控)，此种温控方式不仅可以十分灵活的设置各测试段11管路的管道壁温以及管内油温，并且可以设定符合实际要求的温变轨迹，从而有利于研究人员较为全面的研究壁温对蜡沉积的影响，最大限度的来模拟现场实际管输时的温度工况。

在本实施方式中，在所述各测试段11管道的进口端分别设有温度传感器12、压力传感器13；在各测试段11管道的两端之间并联有压差表14。由于本实验装置采用四段式温度、压力以及压差测试，可以测量出实验管路中各个主要位置的温度、压力以及压差的变化值，从而有利于研究人员较为清楚的掌握含蜡原油的管流规律。

在本实施方式中，在该气液混合器2上且邻近其出口23处设有一加药入口24，该加药入口24由一注药管路241依次与电动计量泵242和架药箱243连通；利用该高精度的电动计量泵242向实验管路内注药，可以准确的模拟海底井口的加药过程。加药时，可以设置电动计量泵的不同加药速度，从而有利于研究人员充分掌握药剂量变化以及加药速度对高压多相蜡沉积规律的影响。

如图1所示，本实验装置100中，由于在多相泵51与气液混合器的进液口22之间的进液管路5上设置了激光粒度分析仪52，可以较为准确的测量出蜡晶析出时的时间以及在管路中的分布情况，并可以监测出管路中含水原油乳状液的分散情况以及液相中的气泡含量，进而来判断乳化与气液分离效果是否符合要求，从而保证整体实验过程的准确性。

进一步，在气液混合前与实验测试段入口处分别安装有国际上较为先进的在线伽玛相分率仪53，用来进行在线持液率的测量，可以对测试段的相分率分别进行标定与测量。

在本实施方式中，所述气液分离器3的排气口32由一补气管道6连通于一高压气瓶组61，所述高压气瓶组61由天然气瓶611和氮气瓶612并联构成；所述补气管道6中还设有过滤器62、压力表63、减压阀64和流量计65。在实验过程中，天然气瓶611(可设置多个天然气瓶，且并联设置)可以通过该补气管道6向气液分离器3内注入天然气(烃类气体)，利用补气管道6的减压阀与排气处的背压阀共同作用来维持整个实验装置的实验压力值，并通过流量计计量加入与排出的气体量，从而更为准确的控制与维持实验压力值。

在本实施方式中，如图1所示，在循环压缩机41与气液混合器的进气口21之间的进气管道4中连接有缓冲罐42(可设置多个缓冲罐，且并联设置)，所述缓冲罐42的上端与所述进气管道4连接，缓冲罐42的下端通过一注水管路43依次与往复泵44和储水罐45连通；所述缓冲罐42的上端通过一天然气回注管道46与所述天然气瓶611导通。实验结束后，利用往复泵44向缓冲罐42内注水的方法可将大部分的实验气体压回天然气瓶611内进行回收，从而大大降低实验成本和减少有害气体的排放。

进一步，在本实施方式中，所述气液分离器3的进液口34与一料桶35连通，该料桶35内装有含蜡原油。所述气液分离器3的排液口33还通过一排污管道8与一排污罐81连通；实验结束后，气液分离器3内的剩余流体可通过该排污管道8排入排污罐81内。

在本实施方式中，所述气液分离器3的排气口32由一泄压管道7与一放空管71连接，所述泄压管道7中设有过滤器72、背压阀73、温度表74和流量计75；实验装置中无法回收的极少量的气体，可由该泄压管道7排出。

在开始进行实验时，需要对该实验装置内的各管路进行抽真空，以降低实验装置中原有的气体对实验气体组分的影响；因此，在本实施方式中，所述实验装置100的各管路中分别设有能连接真空泵9的抽真空接口91(即：整个实验装置中设有多处抽真空点)，以保证抽真空过程的充分性。

此外，在本实验装置的各管路中以及各构件的进出接口，相应设有必要的截止阀，以保证各管路及各构件可根据实验过程或实验要求进行通断。实验装置中的各测量仪表连接于一数据采集系统(图中未示出)，以保证各种数据的采集、监测和分析。

在本实施方式中，所述气液分离器3和循环压缩机41上分别通过安全阀连通于所述放空管71，当压力超过安全压力后，所述安全阀被打开，以保证实验装置的安全。

进一步，在本实施方式中采用的多相泵为一种高压磁力泵，此种类型的泵一直应用于石油化工、制药及核工业中不允许物料泄露、安全要求高的环境，成为输送危险及贵重液体的最佳选择；因此选择高压磁力泵提供该实验管路的动力是较为适合的。该高压磁力泵提供的压力为12MPa，扬程30米，流量为3～12m³/h，温度范围为-15℃～80℃；采用变频器实现对磁力泵进行流量的调节，对电动机的转速进行无级调速。

在本实施方式中，气液分离器的内径为0.4m，内腔高度为1.8m，容积为0.226m³；该气液分离器主要起以下四个方面的作用：①当分离器内压力超过设计压力时，安全阀自动打开，部分气体通过排气口排出，使分离器内压力降低；②当实验气体被消耗，分离器内压力降低，高压气瓶通过补气管线和罐顶排气口向分离器内进行补气，以维持其内压力的恒定；③实验开始前，用氮气置换出的空气及实验气体置换出的氮气均通过排气口排出，完成吹扫工作；④实验结束后，利用排气口将无法回收的实验气体排放到大气中。

在本实施方式中采用的循环压缩机完全可以满足一寸管路在15MPa压力下，提供管内气相折算速度为6m/s。并且控制部分利用PLC系统、防爆压力变送器和控制柜中的电气元件对压缩机进行多种保护功能的控制系统，能对油压过低、进气压力过低，排气压力高，电机过载等进行自动保护与控制。压缩机采用PLC系统控制，使用户的气路系统流速在1～6m/s的范围内设定值稳定(通过变频控制)。

通过安装在气液分离器上部的背压阀以及补气管道的减压阀来恒定实验装置压力。为了保证循环压缩机可以在向管路提供稳定压力的条件下来调节供气量，因此，对压缩机采用PLC控制，并在压缩机的出口安装压力传感器并将压力信号传入到压缩机的控制系统；通过设定压缩机的出口压力值以保证供气压力的恒定；在气体经过缓冲罐后采用调节回流的方式来达到调节供气流量的目的，这样可以降低压缩机供气的不稳定性。

由于本实验装置主要设计应用在研究高压、易燃易爆实验介质环境下的蜡沉积规律，常规的取样方法来进行流型辨识在本实验装置上无法应用，而本实验装置设计在气液混合器至气液分离器之间的进液管路上安装一台在线伽玛相分率仪53来进行管路中的液相标定，从而可以利用安装在实验测试段11入口的另一台在线伽玛相分率仪53更为准确的测量出管道内多相流动时的持液率，进而在线判断出此时的流型。这种设计消除了高压、易燃易爆气体条件下利用快关阀进行取样所带来的危险性以及误差，节省了反复取样所浪费的时间，大大提高了实验效率。

使用本发明的实验装置进行蜡沉积实验的流程为：

首先开启氮气瓶612用氮气对实验装置1整个管路进行吹扫，然后对实验装置进行抽真空，再向气液分离器3中加入预先配好的含蜡原油乳状液；启动温控设备对气液分离器及实验管路1进行控温使之达到实验设定温度；启动多相泵51将含蜡原油乳状液从气液分离器3底部吸入并排入到实验管路1中进行循环，继续控制油温到实验设定温度。打开天然气瓶611通过补气管道6向气液分离器3中注入实验气体，使整个实验装置的压力达到实验值，利用循环压缩机41将气液分离器3顶部的气体抽出经过增压后输送到气液混合器2的进气口21，然后与从进液口22进入到气液混合器2中的液相混合后泵入到测试段11中。完成一组实验后，可通过注药管路241注入阻聚剂，改变实验管路中阻聚剂的含量，进入下一组实验。待实验全部完成后，启动实验气体回收系统，将管路中的实验气体回收到高压天然气瓶611内，以便循环利用。最后将管路及整个设备中剩余气体进行放空，并将气液分离器3中的乳状液及缓冲罐42内的水排放到排污罐81内。

蜡沉积实验的具体步骤如下：

1)检查设备：

检查实验装置是否处于正常运作状态，包括：多相泵是否运转正常、循环压缩机是否运转正常、流量计读数是否稳定、压力传感器(压力表)和温度传感器采集是否正常、各种阀门是否按要求开关、水浴水位及运转是否正常、伽玛仪以及激光粒度仪是否处于工作状态；

2)抽真空作业：

将整个环路关闭，利用真空泵对设置在环路上不同位置的抽真空点分别进行抽真空作业，一直抽到环路内压力达到实验要求值为止；

3)添加液相实验介质：

将实验所需的油和水按照预定体积准备好，分别从加液口处加入到气液分离器中，打开多相泵，将加入到分离器中的液相介质在测试段中进行循环搅拌，通过在线激光粒度仪对乳状液的分散情况以及气泡含量进行观察与分析，直到达到实验要求；

4)进行实验温控：

选定实验条件，首先利用四台夹套式的水浴温控对实验介质进行控温，使实验介质的温度恒定到实验值，然后设置所需测试段的套管温度；

5)添加气相实验介质：

打开天然气瓶阀门缓慢向气液分离器中补气，将系统压力升至略低于实验压力时停止补气，启动多相泵使气液接触达到饱和状态；

6)饱和气液相实验介质：

待压力达到稳定时，关闭多相泵，通过设定减压阀与背压阀压力的方法使整个实验系统的压力达到实验值；

7)进行含蜡原油流动实验：

重新开启多相泵，同时开始计时，进行蜡沉积实验。实验过程中可进行补气，维持压力恒定，待各个仪表显示示数稳定时开始采集各个流量计、压力传感器，压差变送器与温度传感器的实验值，使用激光粒度仪测量含蜡原油乳状液中颗粒的分布情况以判断蜡晶析出时间，同时利用在线伽玛相分率仪进行在线持液率测量，从而判断出此时流型，并在确定的流型下实验；

8)实验气体回收：

当达到要求的实验时间时，分别将进入到气液混合器与气液分离器上部以及循环压缩机的进出口的闸阀关闭，同时打开天然气回注管道，利用高压计量泵向缓冲罐中注水将缓冲罐中的实验气体压入到天然气瓶中，然后关闭天然气瓶以及回注管道，重新打开气液混合器、气液分离器以及循环压缩机进出口的闸阀，让环路中的气体重新补充到缓冲罐中而后再次向天然气瓶回注；重复多次，直到环路中的气体无法进一步回收为止，打开放空系统，将剩余气体送入放空管燃烧排入大气；

9)拆卸测试段，对蜡沉积厚度进行测量；

10)重复以上实验步骤，进行不同工况下的蜡沉积规律及流动特性进行实验研究。

由上所述，本发明的蜡沉积实验装置可以在高压环境下模拟含蜡原油蜡沉积，适用于在高压环境下对含蜡原油进行多相、单相管流规律实验研究以及多相流流型测量，分析研究在高压环境下的不同的管径、原油温度、环境温度、流量、流型等参数对蜡沉积的影响。通过模拟输油管道运行中某一管段的蜡沉积情况，可以准确测量出蜡晶的析出时间与分布、结蜡量以及蜡的沉积速率，确定不同条件下多相流管道中含蜡原油的流型和流态，进而探讨结蜡机理和影响管壁结蜡的因素；本实验装置具有回收剩余实验气体的功能，大大节约实验成本与减少有害气体排放；本实验装置结构合理、设计精巧、实验设备先进，具有适用范围广、测量准确等特点。

本实验装置还具有其它如下优点：

(1)流量调节方便：采用变频调速器对磁力离心泵电机组进行变频无级调速，也可通过多个并联的调节阀对流量进行调节；

(2)采用PLC控制的高压天然气循环压缩机进行供气，可以自动通过变频的方式来稳定出口压力，从而大大降低了人为操作的工作量与误差；

(3)本实验装置采用水浴夹套的方式进行控温，并且采用的温控仪功能强大，技术先进，并且占用体积小、省水、能耗低，控温精度达到了0.05℃，油温稳定性、均匀性良好。

(4)本实验装置采用了国际上最为先进的激光粒度仪，有利于研究人员深入分析油水乳状液分散相液滴分布特征、含蜡原油低温下蜡晶析出的过程及特征、以及水合物结晶过程中的微观变化，可以实时、在线、定量的测定液滴/颗粒的粒径和形状，瞬间监测形状迁徙、聚集、破碎等现象，为油水乳状液微观研究提供支持；能够准确分析结晶机理，例如聚结、生长和成核，监测结晶析出速度、析出温度等，为含蜡原油低温流动性研究提供理论指导和技术基础。

(5)本实验装置在气液混合器至气液分离器之间的进液管路上安装一台在线伽玛相分率仪可进行管路中的液相标定，利用安装在实验测试段入口的另一台在线伽玛相分率仪更为准确的测量出管道内多相流动时的持液率，进而在线判断出此时的流型。这种设计消除了高压、易燃易爆气体条件下利用快关阀进行取样所带来的危险性以及误差，节省了反复取样所浪费的时间，大大提高了实验效率。

(6)运用数据采集软件进行压力、温度、流量等多参量的采集，避免人工操作误差，实现数据采集的自动化；采用高速采集板，能够采集在短时间内变化比较快的物理量。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种蜡沉积实验装置，其特征在于：该实验装置包括一实验管路，该实验管路一端连通于一气液混合器的出口，该实验管路的另一端连通于一气液分离器的回液口；所述气液混合器的进气口通过一循环压缩机连通于气液分离器的排气口；所述气液混合器的进液口通过一多相泵连通于气液分离器的排液口；在所述多相泵与气液混合器的进液口之间的管路上还设有激光粒度分析仪和在线伽玛相分率仪；所述实验管路上间隔设有多个测试段，所述各测试段能拆卸地串接在实验管路中，各测试段的管道外侧分别设有一温控水浴夹套；在所述各测试段管道的进口端分别设有一在线伽玛相分率仪；所述气液分离器内的实验流体为含蜡原油，实验气体为烃类气体。

2.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：在所述气液混合器的进液口和进气口分别设有能准确调整气液相流量的截止阀与针阀。

3.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：在所述各测试段管道的进口端分别设有温度传感器、压力传感器；在各测试段管道的两端之间并联有压差表。

4.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：在该气液混合器上且邻近其出口处设有一加药入口，该加药入口由一注药管路依次与电动计量泵和架药箱连通。

5.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：所述气液分离器的排气口由一补气管道连通于一高压气瓶组，所述高压气瓶组由天然气瓶和氮气瓶并联构成；所述补气管道中还设有过滤器、压力表、减压阀和流量计。

6.如权利要求5所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：在循环压缩机与气液混合器的进气口之间的进气管道中还连接有缓冲罐；所述缓冲罐的上端与所述进气管道连接，缓冲罐的下端通过一注水管路依次与往复泵和储水罐连通；所述缓冲罐的上端通过一天然气回注管道与所述天然气瓶导通。

7.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：所述气液分离器的进液口与一料桶连通，该料桶内装有含蜡原油。

8.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：所述气液分离器的排气口由一泄压管道与一放空管连接，所述泄压管道中设有过滤器、背压阀、温度表和流量计。

9.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：所述气液分离器的排液口还通过一排污管道与一排污罐连通。

10.如权利要求1所述的蜡沉积实验装置，其特征在于：所述实验装置的各管路中分别设有能连接真空泵的抽真空接口。

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