CN104807821A - 一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，包括恒温箱、进气系统、进液系统、设置于恒温箱内的高压反应釜、摇摆系统，以及数据采集系统，所述高压反应釜分别连接进气系统、进液系统，所述数据采集系统用于获取高压反应釜的温度、压力、位移信号及高压反应釜内视频数据，所述摇摆系统固定高压反应釜并使之产生周期性摇摆。相比于传统的搅拌模拟管道的气液扰动，本发明通过摇摆进行模拟，更加符合现场管道输送情况，更加真实地了解水合物聚集过程及确定堵塞时间，结合多种评价方法，不仅能够高效筛选低剂量水合物抑制剂，还能评价热力学抑制剂、低剂量水合物抑制及组合型抑制剂的性能，是一种优秀的水合物抑制剂性能评价装置。

Description

一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置

技术领域

本发明涉及水合物抑制剂性能评价领域，具体涉及一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置。

背景技术

在高压低温的条件下，水分子通过氢键作用形成多面体的笼型孔穴，这些孔穴能围绕并将客体分子包裹在多面体里面形成类似于冰状晶体的水合物，形成水合物的常见气体包括：甲烷、乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳和硫化氢等。在石油、天然气开采和加工运输过程中，很容易产生水合物，影响油气输送，严重时，水合物会堵塞管道，带来极大的经济损失和安全隐患。

注入化学抑制剂是目前抑制天然气水合物最经济、最方便、常采用的方法，也是被重点关注和研究的技术。添加的化学抑制剂包括水合物热力学抑制剂（THI）和低剂量水合物抑制剂（LDHI），低剂量水合物抑制剂主要包括水合物动力学抑制剂（KHI）和防聚剂（AA）。热力学抑制剂在水溶液中需要高浓度才能发挥抑制性能，质量分数一般为1%~6%，具有用量大、环境不友好、成本高等缺点，所以研究人员逐渐开发多种低成本、低剂量、环境友好的低用量水合物抑制剂以逐步替代热力学抑制剂。低剂量水合物抑制剂中动力学抑制剂能延缓水合物晶体成核时间或者阻止晶体的进一步成长，从而使管线中流体在其温度低于水合物形成温度(即在一定的过冷度△t)下流动，而不出现水合物堵塞现象；防聚剂不能防止水合物的形成，却能和油相混在一起被吸附到水合物颗粒的表面，使水合物晶粒悬浮在冷凝相中，形成油包水的乳状液，使水合物以很小的颗粒分散在油相中，从而阻止水合物聚集，从而使水合物晶体在油相中成浆液状输送而不堵塞管线。目前低剂量水合物抑制剂已经在工业上现场应用，但由于油气开采和运输的现场工况复杂、环境恶劣，单一的低剂量水合物抑制剂的抑制效果并不够理想，所以很多研究者在开发新型高效的低剂量水合物抑制剂的同时，也着力研究热力学抑制剂和低剂量水合物抑制剂的联合使用以及低剂量水合物抑制剂之间的联合使用。

目前用于低剂量水合物抑制剂性能评价的装置主要有带搅拌的高压反应釜和环流实验装置。带搅拌的高压反应釜用搅拌导致的液体扰动代替实际管道中的流体流动，通过温度、压力信号判断水合物的生成，使用该装置不能了解产生水合物后釜内浆液流动情况，难以确定水合物堵塞的时间，所以不能用于评价防聚剂的防聚性能。以泵驱动流体循环的大型环流装置主要用来评价流体流动安全，在评价抑制剂方面因其一次实验周期长，操作复杂、注入液体体积大，耗气多，投资大、不能快速高效的筛选水合物抑制剂等缺点而无法广泛使用。

因此，现有装置和技术有待于完善和发展。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，包括恒温箱、进气系统、进液系统、设置于恒温箱内的高压反应釜、摇摆系统，以及数据采集系统，所述高压反应釜分别连接进气系统、进液系统，所述数据采集系统用于获取高压反应釜的温度、压力、位移信号及高压反应釜内视频数据，所述摇摆系统固定高压反应釜并使之产生周期性摇摆。

进一步地，所述高压反应釜包括透明管、分别设置于透明管固定端和摇摆端的固定端釜盖及摇摆端釜盖，所述固定端釜盖和摇摆端釜盖之间通过分布均匀的四根紧固螺栓固定，所述透明管内置一小球，所述固定端釜盖连接设置有连通透明管的四通阀。

进一步地，所述固定端釜盖和摇摆端釜盖与透明管之间由橡胶密封圈密封。

进一步地，所述透明管的内径为12mm，外径为20mm，长度为200mm，透明管可耐压0~12MPa，小球直径为9mm。

进一步地，所述进气系统包括高压气瓶、连接高压气瓶减压阀、排气阀门、共同进气阀门、釜进气阀门，它们之间通过不锈钢管线顺次连接，所述釜进气阀门与所述四通阀连接。

进一步地，所述摇摆系统包括底板、固定支架、摇摆支架、电机、连杆、连接电机的偏心轮、滑动轨道、滑块，所述固定支架竖直固定在底板上，通过滚动轴承与固定端釜盖活动连接；所述摇摆支架与摇摆端釜盖通过滚动轴承活动连接，所述连杆两端分别通过滚动轴承与偏心轮和滑块活动铰接，所述滑块位于滑动轨道内，所述摇摆支架与滑块相连接。

进一步地，所述的进液系统包括进液口、进液阀门、三通阀、真空泵和阀门，所述进液口通过进液阀门、三通阀连接四通阀，所述真空泵通过阀门连接三通阀。

所述数据采集系统包括数据采集记录仪、通过电路连接数据采集记录仪的温度传感器、压力传感器、位移传感器、计算机、高清摄像机，所述透明管外表面两个位置安装2个用于测量小球移动速度的位移传感器，所述温度传感器连接摇摆端釜盖，所述压力传感器连接四通阀，所述高清摄像机能实时记录反应过程中高压反应釜内流体和小球的信息，所述计算机用于呈现温度传感器、压力传感器、位移传感器及高清摄像机所获取的参数信息。

进一步地，所述恒温箱1的温度控制范围为-10℃~50℃。

进一步地，所述高压反应釜4的摇摆幅度范围为水平±60°，摆动周期范围为0.1s~1s。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）能够更真切、准确地模拟添加抑制剂后实际输油输气管道内流体流动的状况，釜体采用PC管透明材料，实现全实验过程可视化，并能通过高清摄像机实时进行观察；

（2）联合温度、压力、位移信号及全实验过程可视化观察准确判断水合物的初次生成时间，比单纯依靠温度、压力信号判断水合物生成的方式更为可靠；

（3）通过位移信号及全实验过程可视化观察，观察釜内水合物生成、聚集、堵塞过程，判断水合物堵塞时间，能精确评价能使水合物分散于液相中但不影响输油、输气的防聚剂；

（4）该装置有多个高压反应釜，采用共同进气方式，并处于同一个恒温箱中，这保证每个釜初始温压条件相同，避免实验之间初始条件不同带来的误差。

（5）该发明既能判断水合物生成时间，又能观察水合物是否聚集、是否严重阻碍小球运动，在功能上实现了多种水合物抑制剂单独（KHI、AA、THI）或者联用（KHI+AA，KHI+THI，AA+ THI ，KHI+AA+THI）的抑制性能评价，是一种优异的评价水合物抑制剂抑制性能的装置。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置中进液系统和高压反应釜的结构示意图。

图3为本发明装置中高压反应釜和摇摆系统的立体图。

图中各附图标记说明如下：

1-恒温箱、2-进气系统、21-高压气瓶、22-减压阀、23-共同进气阀门、24-排气阀门、25-釜进气阀门、3-进液系统、31-进液阀门、32-进液口、33-三通阀、34-阀门、35-真空泵、4-高压反应釜、41-透明管、42-固定端釜盖、43-摇摆端釜盖、44-紧固螺栓、45-四通阀、46-小球、47-橡胶密封圈、5-摇摆系统、51-底板、52-固定支架、53-摇摆支架、54-电机、55-连杆、56-偏心轮、57-滑动轨道、58-滑块、6-数据采集系统、61-温度传感器、62-压力传感器、63-位移传感器、64-数据采集记录仪、65-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例1

如图1至图3所示，一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，包括恒温箱1、进气系统2、进液系统3、设置于恒温箱1内的六个高压反应釜4、摇摆系统5，还包括数据采集系统6和用于拍摄高压反应釜4内水合物生成情况的高清摄像机，六个高压反应釜4分别连接进气系统2、进液系统3，所述数据采集系统6用于获取高压反应釜4的温度、压力、位移信号及高压反应釜4内视频数据，所述摇摆系统5固定高压反应釜4并使之产生周期性摇摆。

如图2所示，所述高压反应釜4包括透明管41、分别设置于透明管41固定端和摇摆端的固定端釜盖42及摇摆端釜盖43，所述固定端釜盖42和摇摆端釜盖43之间通过分布均匀的四根紧固螺栓44固定，同时，所固定端釜盖42和摇摆端釜盖43与透明管41之间由橡胶密封圈47密封。 所述透明管41内置一小球46，所述固定端釜盖42连接设置有连通透明管41的四通阀45。

本实施例中，所述透明管41的内径为12mm，外径为20mm，长度为200mm，透明管41可耐压0~12MPa，小球46直径为9mm。小球46直径小于透明管41内径，可在透明管41中滚动，透明管41采用透明耐高压材料做成，如亚克力管、PC管、PU透明管等，耐用的同时方便观察。

具体地，所述进气系统2包括高压气瓶21、连接高压气瓶21减压阀22、排气阀门24、共同进气阀门23、釜进气阀门25，它们之间通过不锈钢管线顺次连接，所述釜进气阀门25与所述四通阀45连接。

具体地，所述摇摆系统5包括底板51、固定支架52、摇摆支架53、电机54、连杆55、连接电机54的偏心轮56、滑动轨道57、滑块58，所述固定支架52竖直固定在底板51上，分别通过滚动轴承与各个高压反应釜4的固定端釜盖42活动连接；所述摇摆支架53分别与各个高压反应釜4的摇摆端釜盖43通过滚动轴承活动连接，本实施例的六个高压反应釜4是由上而下呈三行两列分布，所述连杆55两端分别通过滚动轴承与偏心轮56和滑块58活动铰接，所述滑块58位于滑动轨道57内，其运动轨迹仅限于滑动轨道57的上下方向，所述摇摆支架53与滑块58相连接，电机54工作时通过连杆55带动滑块58在滑动轨道57内做往复直线运动，摇摆支架53随滑块58的上下往复运动上下摇摆，从而带动各个高压反应釜4同步地上下摇摆。

如图2所示，所述的进液系统3包括进液口32、进液阀门31、三通阀33、真空泵35和阀门34，所述进液口32通过进液阀门31、三通阀33连接四通阀45，所述真空泵35通过阀门34连接三通阀33。

如图1所示，所述数据采集系统6包括数据采集记录仪64、通过电路连接数据采集记录仪64的温度传感器61、压力传感器62、位移传感器63、计算机65、高清摄像机，所述透明管41外表面两个位置安装2个用于测量小球46移动速度的位移传感器63，所述温度传感器61连接摇摆端釜盖43，所述压力传感器62连接四通阀45，所述高清摄像机能实时记录反应过程中高压反应釜4内流体和小球46的信息，所述计算机65用于呈现温度传感器61、压力传感器62、位移传感器63及高清摄像机所获取的参数信息。 

进一步地，本实施例中，所述恒温箱1的温度控制范围为-10℃~50℃。

进一步地，本实施例中，所述高压反应釜4的摇摆幅度由连杆55与偏心轮56连接点的旋转半径决定，摇摆范围为水平±60°，摆动周期范围为0.1s~1s，摆动周期主要由电机54的转速来控制。

 本实施例的高压反应釜4的数量为六个，实施过程中，操作者可根据实际需要设置高压反应釜4的数量。

实施例2

上述实施例的具体操作步骤如下：

（1）对每个高压反应釜4，关闭釜进气阀门25和进液阀门31，打开三通阀33和阀门34，开启真空泵35抽真空约1min，抽真空结束后关闭阀门34；

（2）对每个高压反应釜4进行分组标号，分为2组，第一排为第一组，标号1-1、1-2、1-3，第二排为第二组，标号2-1、2-2、2-3，分别将配制好的含有1wt%PVP K90的17ml溶液置于1-1、1-2、1-3的进液口32，开启进液阀门31，含有1wt%PVP K90的溶液被吸入透明管41，关闭进液阀门31；分别将配制好的含有1wt%HY10的17ml溶液至于2-1、2-2、2-3的进液口32，开启进液阀门31，含有1wt%HY10的溶液被吸入透明管41，关闭进液阀门31；

（3）打开数据采集记录仪64和计算机65，开始采集数据并记录，设置温度、压力和位移信号每1s采一个数据点；

（4）对每个高压反应釜4，关闭排气阀门24，打开共同进气阀门23、釜进气阀门25和高压气瓶21，向透明管41通入模拟真实气田的混合气体，通过高压气瓶21上的减压阀22和压力传感器62的输出信号来判断和控制进入气体的压力，通入8.7MPa的混合气（共含有十余种气体），关闭高压气瓶21；当高压反应釜4内的压力稳定在8.5MPa（气体溶解消耗了约0.2MPa混合气）时关闭共同进气阀门23和六个釜进气阀门25，去掉进气阀门25与进气管线相连的进气快接口，使进气管线与高压反应釜4脱离；

（5）关闭恒温箱1箱门，开启恒温箱1的启动按钮，设置温度为30.0℃，通过高压反应釜4上的温度传感器61的输出信号来判断釜内温度，釜内温度到达30.0℃后恒温3min；

（6）开启电机54，设定转速1r/s，高压反应釜4的上下摇摆周期为1s；

（7）开启高清摄像机；

（8）设置恒温箱温度为2.0℃，达到设定的温度后进行恒温实验。

通过上述实验，结果发现：

(1)在进气压力为8.5MPa，温度为2.0℃的实验条件下，第一组添加1wt%PVP K90溶液的三个实验开始生成水合物的时间分别为174min、176min，177min，此时水合物生成时温度曲线出现上升峰，压力曲线出现下降拐点，与此同时在透明管41内也观察到类似冰状的水合物颗粒的生成，据此，我们确定了添加1wt%PVP K90溶液的水合物的生成时间为176min（取三个实验平均值）。而位移传感器63的位移信号和高清摄像机66的高清摄像有完全一致的反映：三个实验的前期小球速度保持恒定且相同，分别在186min、188min、187min之后小球速度逐渐减慢，此时从高清摄像中可发现透明管41内水合物已经大量生成并且聚集，小球在管内的运动变得缓慢；到233min、237min、241min之后已经没有小球的位移信号，从高清摄像中可发现水合物已经堵塞管道，小球被水合物包裹，不再移动。由此可知，虽然176min时已经生成水合物，但是直到187min水合物才阻碍流体流动，到237min之后水合物才完全堵塞管道；

(2)在进气压力为8.5MPa，温度为2.0℃的实验条件下，第二组添加1wt%HY10溶液的三个实验开始生成水合物的时间分别为224min、229min，229min，此时水合物生成时温度曲线出现上升峰，压力曲线出现下降拐点，与此同时在透明管41内也观察到类似冰状的水合物颗粒的生成，据此，我们确定了添加1wt% HY10溶液的水合物的生成时间为227min。位移传感器63的位移信号和高清摄像机66的高清摄像有完全一致的反映：三个实验的前期小球速度保持恒定且相同，分别在241min、237min、245min之后小球速度逐渐减慢，此时从高清摄像中可发现透明管41内水合物已经大量生成并且聚集，小球在管内的运动变得缓慢；到297min、293min、303min之后已经没有小球的位移信号，从高清摄像中可发现水合物已经堵塞管道，小球被水合物包裹，不再移动。由此可知，虽然227min时已经生成水合物，但是直到241min水合物才阻碍流体流动，到298min之后水合物才堵塞管道；

(3)添加1wt%PVP K90的诱导时间为176min，阻球时间为187min，停球时间为237min；添加1wt%HY10的诱导时间为227min，阻球时间为241min，停球时间为298min。这表明在相同温压、相同浓度1wt%下，HY10比PVP K90具有更好的抑制性能；

(4)本发明既能判断水合物生成时间，又能提供水合物阻碍流体流动时间和水合物堵塞时间，并能通过高清摄像观察水合物是否聚集、是否严重阻碍小球46运动，在功能上能更加精确地判断水合物生成时间、阻球时间、停球时间，更适合评价水合物抑制剂。

实施例3

本实施例与实施例2的区别是比较防聚剂KL-1和Span85的抑制效果，以Span85为参照，判断KL-1是否为防聚性能良好的防聚剂。与实施例2相同的实验条件下，分别在两组高压反应釜的每个釜中吸入17ml含1.5wt% KL-1和17ml含1.5wt%Span85溶液，充入8.7MPa的混合气后，待温度和压力信号稳定后，设置可控温冰柜的温度为2.0℃。从温压信号、高清摄像判断，添加1.5wt% KL-1溶液的诱导时间为108min，阻球时间为313min，停球时间为437min；添加1.5wt% Span85的诱导时间为105min，阻球时间为254min，停球时间为357min，二者诱导时间相差不大，但添加1.5wt% KL-1溶液的阻球时间比添加1.5wt% Span85的阻球时间更长，这表明KL-1比Span85具有更好的防聚性能，可以确定KL-1是一种良好的防聚剂。

实施例4

本实施例与实施例2和实施例3的区别是评价并比较PVP K90+二乙二醇单丁醚和PVP K90+乙二醇单丁醚两种组合抑制剂的性能。在与实施例2和实施例3相同的实验条件下，分别在两组高压反应釜的每个釜中吸入17ml含5wt% 二乙二醇单丁醚+1wt%PVP K90和5wt% 乙二醇单丁醚+1wt%PVP K90。充入8.7MPa的混合气后，待温度和压力信号稳定后，设置可控温冰柜的温度为2.0℃。从温压信号、高清摄像判断，添加5wt% 二乙二醇单丁醚+1 %PVP K90溶液的诱导时间为306min，阻球时间为370min，停球时间为463min；添加乙二醇单丁醚+1 %PVP K90的诱导时间为261min，阻球时间为316min，停球时间为395min。这表明在相同温压下，5wt%二乙二醇单丁醚+1wt%PVP K90组合抑制剂比5wt%乙二醇单丁醚+1wt%PVP K90组合抑制剂具有更好的抑制性能。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，包括恒温箱(1)、进气系统(2)、进液系统(3)、设置于恒温箱(1)内的高压反应釜(4)、摇摆系统(5)，还包括数据采集系统(6)，其特征在于：所述高压反应釜(4)分别连接进气系统(2)、进液系统(3)，所述数据采集系统(6)用于获取高压反应釜(4)的温度、压力、位移信号及高压反应釜(4)内视频数据，所述摇摆系统(5)固定高压反应釜(4)并使之产生周期性摇摆。

2.如权利要求1所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述高压反应釜(4)包括透明管(41)、分别设置于透明管(41)固定端和摇摆端的固定端釜盖(42)及摇摆端釜盖(43)，所述固定端釜盖(42)和摇摆端釜盖(43)之间通过分布均匀的四根紧固螺栓(44)固定，所述透明管(41)内置一小球(46)，所述固定端釜盖(42)连接设置有连通透明管(41)的四通阀(45)。

3.如权利要求2所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所固定端釜盖(42)和摇摆端釜盖(43)与透明管(41)之间由橡胶密封圈(47)密封。

4.如权利要求3所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述透明管(41)的内径为12mm，外径为20mm，长度为200mm，透明管(41)可耐压0~12MPa，小球(46)直径为9mm。

5.如权利要求2所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述进气系统(2)包括高压气瓶(21)、连接高压气瓶(21)的减压阀(22)、排气阀门(24)、共同进气阀门(23)、釜进气阀门(25)，它们之间通过不锈钢管线顺次连接，所述釜进气阀门(25)与所述四通阀(45)连接。

6.如权利要求1所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述摇摆系统(5)包括底板(51)、固定支架(52)、摇摆支架(53)、电机(54)、连杆(55)、连接电机(54)的偏心轮(56)、滑动轨道(57)、滑块(58)，所述固定支架(52)竖直固定在底板(51)上，通过滚动轴承与固定端釜盖(42)活动连接；所述摇摆支架(53)与摇摆端釜盖(43)通过滚动轴承活动连接，所述连杆(55)两端分别通过滚动轴承与偏心轮(56)和滑块(58)活动铰接，所述滑块(58)位于滑动轨道(57)内，所述摇摆支架(53)与滑块(58)相连接。

7.如权利要求2所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述的进液系统(3)包括进液口(32)、进液阀门(31)、三通阀(33)、真空泵(35)和阀门(34)，所述进液口(32)通过进液阀门(31)、三通阀(33)连接四通阀(45)，所述真空泵(35)通过阀门(34)连接三通阀(33)。

8.如权利要求2所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述数据采集系统(6)包括数据采集记录仪(64)、通过电路连接数据采集记录仪(64)的温度传感器(61)、压力传感器(62)、位移传感器(63)、计算机(65)、高清摄像机，所述透明管(41)外表面两个位置安装2个用于测量小球(46)移动速度的位移传感器(63)，所述温度传感器(61)连接摇摆端釜盖(43)，所述压力传感器(62)连接四通阀(45)，所述高清摄像机能实时记录反应过程中高压反应釜(4)内流体和小球(46)的信息，所述计算机(65)用于呈现温度传感器(61)、压力传感器(62)、位移传感器(63)及高清摄像机所获取的参数信息。

9.如权利要求1所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述恒温箱(1)的温度控制范围为-10℃~50℃。

10.如权利要求6所述的一种评价水合物抑制剂性能的摇摆反应装置，其特征在于：所述高压反应釜(4)的摇摆幅度范围为水平±60°，摆动周期范围为0.1s~1s。