CN105223227B - 一种高压蜡沉积模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压蜡沉积模拟装置和方法，所述高压蜡沉积模拟装置包括高压釜(1)，高压釜(1)内含有用来蜡沉积的冷指(5)，冷指(5)的温度由第一温度控制系统(18)控制，高压釜(1)内的温度由第二温度系统(19)控制，所述高压蜡沉积模拟装置还包括能够在高压釜(1)内的高压环境下取样观察的取样管(9)、取样器(21)和可视窗(10)，所述高压蜡沉积模拟装置还包括粘度检测装置(17)。该高压蜡沉积模拟装置和方法可实现高压环境下的蜡沉积模拟实验、粘度在线检测以及可视化过程。

Description

一种高压蜡沉积模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及油气储运试验设备领域，具体的是一种高压蜡沉积模拟装置，还是一种高压蜡沉积模拟方法。

背景技术

随着深海油气资源的开采，海底管道输送是其重要环节。深海油气管道多采用油气水多相混输技术，管道处在高压低温的海底环境下，容易在输送过程中导致水合物的生成，产生水合物浆液。海底原油有些是含蜡的，含蜡原油在海底输送管道输送过程可能会有蜡沉积过程发生，而水合物对蜡沉积过程的影响是研究含蜡原油海底输送的重要部分。目前，有不少研究常压下蜡沉积的实验装置，比如冷板实验、旋转圆盘实验、环道实验、冷指实验等，但这些都是一些常压实验装置，不能模拟研究海底管道高压低温环境下有水合物存在时的蜡沉积过程。研发一种高压蜡沉积模拟装置显得尤为重要。

常压下的蜡沉积实验中，微观观察蜡晶时常采用直接打开容器盖进行取样，然后制样，并在偏光显微镜下观察蜡晶状态，常压下的这种取样过程不会影响蜡沉积试验的继续进行。而高压下水合物浆液的蜡沉积过程，如果也采用常压下打开容器盖直接取样的方法，水合物将会分解，蜡晶状态也因为压力发生变化而改变。另外，高压下的蜡沉积实验中，开盖取样也会影响后续蜡沉积实验的继续进行。因此，发明一种高压下水合物浆液的蜡沉积实验过程中的取样方法很有必要。

发明内容

为了解决现有技术中没有高压蜡沉积模拟实验装置的问题，本发明提供了一种高压蜡沉积模拟装置和方法，该高压蜡沉积模拟装置和方法可实现高压环境下的蜡沉积模拟实验、粘度在线检测以及可视化过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压蜡沉积模拟装置，包括高压釜，高压釜内含有搅拌桨和冷指，冷指连接有第一温度控制系统，第一温度控制系统能够控制冷指的温度，搅拌桨连接有用于驱动搅拌桨转动的驱动机构，所述高压蜡沉积模拟装置还包括能够在高压釜内的高压环境下取样的取样机构。

一种高压蜡沉积模拟方法，使用了上述的高压蜡沉积模拟装置，该高压蜡沉积模拟方法包括以下步骤：

步骤1、向高压釜内注入含蜡原油乳状液样品和用来生成水合物的高压气体；

步骤2、打开驱动机构，在搅拌桨的搅拌下生成水合物浆液；

步骤3、当高压釜内流体粘度发生变化时，取样观察该样品的生成情况；

步骤4、当该样品生成稳定水合物浆液后，关闭驱动机构，进行静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验，在该实验进行的过程中不间断对流体样品取样，观察蜡晶状态；

步骤5、在该静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验完成后，对高压釜泄压，打开高压釜，取出冷指，对沉积在冷指表面的蜡层厚度、硬度、含蜡量进行研究。

本发明的有益效果是，

1、所述高压釜与高压气瓶连接，高压气瓶为高压釜提供足够的压力和气源，高压釜内的高压环境能够保持水合物生成后浆液的稳定性，保证高压下水合物浆液蜡沉积实验的顺利进行。

2、所述冷指设计为耐压的，由内外两层圆筒形不锈钢组成，两个同心圆筒的两端为完全封闭的，且不锈钢需要加厚以承受高压釜内的高压环境，两层圆筒形不锈钢之间设有循环水套，循环水套与冷指温度控制系统连接，内层圆筒的中心部分用来放置搅拌桨，进行蜡沉积实验时冷指温度一般低于高压釜内温度，形状又为竖直圆柱形，故称冷指；所设计冷指强度足够承受一定高压，有独立温度控制系统控制冷指温度，使得蜡沉积实验中冷指与釜内温度之间产生温差，为蜡分子的扩散提供保证。

3、所述循环水套有两套，一套循环水套用来控制冷指温度，一套循环水套用来控制高压釜内的温度；循环水套能比较精准的控制冷指表面和高压釜内的温度。

4、所述温度控制系统有三组，一组温度控制系统控制高压釜内温度，一组温度控制系统控制冷指表面温度，一组温度控制系统控制可视玻璃窗的温度；温度控制系统互不干扰，可视玻璃窗的温度在观察时通过偏光显微镜温度系统控制。

5、所述取样器分别通过两个阀门与高压釜和可视玻璃窗连接；取样器两端分别通过阀门与高压釜和可视玻璃窗连接，取样时首先关闭连接可视玻璃窗的阀门，打开连接高压釜的阀门，靠高压釜内的压力将样本打入到取样器，而后关闭连接高压釜的阀门，打开连接可视玻璃窗的阀门，样本流入可视玻璃窗，可以随时取样，而且可以避免打开高压釜盖取样时对实验过程的影响，取样简单，造价便宜。

6、所述可视玻璃窗放置在温度控制系统中，由上下两片耐压玻璃制作，两块玻璃片的周围密封连接，两片玻璃片之间设有固定间隙，样本流入到间隙内，放在偏光显微镜下观察样本的微观结构；可视玻璃窗设计为耐压的，可视玻璃窗的温度通过偏光显微镜的温度系统进行控制，保证玻璃窗内压力和温度与高压釜内的一致，避免样本由于压力和温度改变而产生的变化。

7、所述高压在线粘度计实时测定高压釜内介质粘度，并将检测值传输给数据采集处理系统；实时在线检测水合物生成过程和蜡沉积过程高压釜内介质粘度，可以避免流变仪检测方法中取样对介质粘度的影响。

8、所述磁力搅拌系统中的搅拌子为锚式搅拌桨；锚式搅拌桨可减少高压釜内“挂壁”的产生，并能保证高压釜内上下受到均匀的剪切扰动。

9、所述安全保护系统由安全阀及电接点压力表组成，系统超过设定压力后，通过溢流孔将系统内气体、液体直接排出，同时电接点压力表由于超过最高压力保护值，系统会自动断电，关闭电源；防止压力过高，发生爆炸。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为高压蜡沉积模拟装置的主视图。

图2为取样机构中可视玻璃窗和连接管的连接示意图。

其中1.高压釜，2.循环水套，3.保温层，4.搅拌桨，5.冷指，6.循环水套，7.高压釜盖，8.驱动机构，9.取样器，10.可视玻璃窗，11.流量检测与控制系统，12.高压气源，13.温度传感器，14.压力传感器，15.第一阀门，16.第二阀门，17.高压在线粘度计，18.第一温度控制系统，19.第二温度控制系统，20.进液管，21.取样管，22.连接管，23.空心针头，24.密封胶，25.安全插管，26.安全阀，27.电接点压力表；

41.搅拌杆，42.搅拌部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种高压蜡沉积模拟装置，包括高压釜1，高压釜1内含有搅拌桨4和冷指5，冷指5连接有第一温度控制系统18，第一温度控制系统18能够控制冷指5的温度，搅拌桨4连接有用于驱动搅拌桨4转动的驱动机构8，所述高压蜡沉积模拟装置还包括能够在高压釜1内的高压环境下取样(即取出高压釜1内的样品)的取样机构，如图1所示。

本发明主要研究高压环境下的蜡沉积情况，其中“高压”的范围是0.1MPa～15MPa。在本实施例中，冷指5为筒状结构，冷指5含有内筒和外筒，该内筒和外筒之间设有循环水套6，第一温度控制系统18与该循环水套6连接，第一温度控制系统18能够控制该循环水套6内的温度，如第一温度控制系统18能够将该循环水套6内的温度控制在-10℃～90℃。优选冷指5固定于高压釜1的上端，冷指5的轴线与高压釜1的轴线重合，冷指5的下端与高压釜1的下端之间存在间隔，高压釜1的侧壁内也含有循环水套2，该循环水套2连接有第二温度控制系统19，第二温度控制系统19能够控制该循环水套2内的温度，如第二温度控制系统19能够将该循环水套2内的温度控制在-10℃～90℃。循环水套能比较精准的控制冷指表面和高压釜内的温度。

具体的，所述冷指5安装在高压釜盖7的正中心，悬在高压釜1的中心部分，冷指5底部与高压釜1底有2cm的间距，驱动机构8为磁力搅拌系统，该磁力搅拌系统包括搅拌子、外磁卡、外磁块、搅拌电机、速度调节及显示装置。所述冷指5设计为耐压的，使用时放置在高压釜1内高压环境中，冷指5由内外两层圆筒形不锈钢组成，两个同心圆筒的两端为完全封闭的，且该不锈钢需要加厚以承受高压釜1内的高压环境，两层圆筒形不锈钢之间设有循环水套6，循环水套与第一冷指温度控制系统18连接，同心圆柱的中心部分为空的，用来放置搅拌桨4，进行蜡沉积实验时冷指5的温度一般低于高压釜1内的温度，冷指5的形状又为竖直圆柱形，故称冷指。此处设计的优势在于，所设计冷指5强度足够承受一定高压，有独立的第一温度控制系统18控制冷指温度，使得蜡沉积实验中冷指5与高压釜1内温度之间产生温差，为蜡分子的扩散提供保证。另外，冷指5与高压釜盖7可拆卸连接。比如在进行蜡沉积实验时，需要冷指，则可将冷指5安装在高压釜盖7上，而在高压釜进行其他实验时，不需要冷指5，则可将冷指5从高压釜盖7上拆卸掉。

在本实施例中，该取样机构包括依次连接的取样管21、第一阀门15、取样器9和第二阀门16，取样管21的一端插接于高压釜1内，取样管21的另一端与第一阀门15连接，取样器9内含有容纳腔，可以容纳一定量的液体样品。如图1所示，取样管21设置在高压釜盖7上，取样管21呈倒L型，取样管21的下端插入该高压釜1内，取样管21的上端与第一阀门15连接。该取样机构包括可视玻璃窗10，该可视玻璃窗10含有上下层叠设置的两块透明耐压玻璃片，该两块透明耐压玻璃片的周围通过密封胶24密封连接，该两块透明耐压玻璃片之间存在间隙，可视玻璃窗10和第二阀门16之间设有连接管22，连接管22的一端与第二阀门16连接，连接管22的另一端设有空心针头23，空心针头23插接于该两块耐压玻璃片之间的间隙内。如图2所示，空心针头23的端部比较尖利，可以刺入弹性较好的密封胶24(图2中阴影线所示)，或密封胶24上设有预留的插接孔，空心针头23的端部可以刺入密封胶24并入两块透明耐压玻璃片之间的间隙。

此处设计的优势在于，取样器9两端分别通过第一阀门15和第二阀门16连接，第一阀门15通过取样管21与高压釜1连接，第二阀门16通过连接管22和空心针头23与可视玻璃窗10连接，取样时首先关闭连接可视玻璃窗10的第二阀门16，打开连接高压釜的第一阀门15，靠高压釜1内的压力将样本打入到取样器9内，而后关闭连接高压釜的第一阀门15，再打开连接可视玻璃窗的第二阀门16，样本便可流入可视玻璃窗10，从而可以随时取样，而且可以避免打开高压釜盖7取样时对实验过程的影响(减压)，取样简单，造价便宜。

所述高压蜡沉积模拟装置还包括偏光显微镜，可视玻璃窗10位于该偏光显微镜的载物台。样本流入到两片透明玻璃片之间的间隙内，通过偏光显微镜便可以观察样本的微观结构。该偏光显微镜的载物台含有温度控制系统，该温度控制系统为第三温度控制系统，可视玻璃窗10设计为耐压的，可视玻璃窗10的温度通过偏光显微镜的温度系统进行控制，保证可视玻璃窗10内的压力和温度与高压釜内的一致，避免样本由于压力和温度改变而产生的变化。

在本实施例中，高压釜1连接有用于检测高压釜1内样品温度的温度传感器13、用于检测高压釜1内压力的压力传感器14和用于检测高压釜1内样品粘度的高压在线粘度计17。所述高压在线粘度计17可以实时测定高压釜1内介质粘度，并将检测值传输给数据采集处理系统。实时在线检测水合物生成过程和蜡沉积过程高压釜内介质粘度，可以避免流变仪检测方法中取样对介质粘度的影响。温度传感器13和压力传感器14也与数据采集处理系统连接，并将检测的温度和压力值传输给数据采集处理系统。

在本实施例中，高压釜1的上端含有能够密封该高压釜1的高压釜盖7，驱动机构8固定于高压釜盖7上，搅拌桨4为锚式搅拌桨，搅拌桨4含有搅拌杆41和搅拌部42，搅拌杆41套设于冷指5的内筒内，搅拌部42呈U形，搅拌部42包括水平段和竖直段，该水平段位于冷指5的下端与高压釜1的下端之间，该竖直段位于冷指5的外侧，如图1所示。锚式搅拌桨4可减少高压釜内“挂壁”的产生，并能保证高压釜1内上下受到均匀的剪切扰动。

所述高压蜡沉积模拟装置包括用于向高压釜1内注入样品的进液管20，所述高压蜡沉积模拟装置包括用于向高压釜1内注入高压气体的高压气源12，高压气源12通过高压管线与高压釜1连接，该高压管线上设有流量监测与控制系统11。高压气源12为高压釜1提供足够的压力和气源，高压釜1内的高压环境能够保持水合物生成后浆液的稳定性，保证高压下水合物浆液蜡沉积实验的顺利进行。

所述高压气源12通过高压管线与高压釜1连接，流量监测与控制系统11用来控制并记录用气量和气压、所述高压在线粘度计17安装在高压釜1的侧壁上。该高压蜡沉积模拟装置还含有安全保护系统，所述安全保护系统包括安全插管25，安全插管25的一端插入高压釜1内，安全插管25连接有安全阀26及电接点压力表27，安全阀26和电接点压力表27均设置在高压釜1外。该高压蜡沉积模拟装置含有控制单元，安全阀26和电接点压力表27与该控制单元连接，当系统超过设定压力后，通过安全插管25上的溢流孔将系统内(高压釜1)气体、液体直接排出，同时电接点压力表由于超过最高压力保护值，系统会自动断电，关闭电源。此设计的优势在于，防止压力过高，发生爆炸。

另外，为了提高该高压蜡沉积模拟装置的自动化程度，流量检测与控制系统11、温度传感器13、压力传感器14、高压在线粘度计17、第一温度控制系统18、第二温度控制系统19和驱动机构8均与该控制单元连接。

下面介绍一种高压蜡沉积模拟方法，该高压蜡沉积模拟方法包括以下步骤：

步骤1、向高压釜1内注入含蜡原油乳状液样品和用来生成水合物的高压气体，如将含蜡原油乳状液从进液管20打入高压釜1内，用来生成水合物的气体由高压气源12打入高压釜1。

步骤2、打开驱动机构8，在搅拌桨4的搅拌下生成水合物浆液，如控制合适的温度、压力，并打开驱动机构8，在搅拌下生成水合物浆液；

步骤3、当高压釜1内流体粘度发生变化时，取样观察该样品的生成情况；

步骤4、当该样品生成稳定水合物浆液后，关闭驱动机构8，进行静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验；在该实验进行的过程中不间断对流体样品取样，通过可视玻璃窗10在偏光显微镜下微观观察蜡晶状态；

步骤5、在该静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验完成后，对高压釜1泄压，打开高压釜1，取出冷指5，对沉积在冷指5表面的蜡层厚度、硬度、含蜡量进行研究。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (8)

1.一种高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，所述高压蜡沉积模拟装置包括高压釜(1)，高压釜(1)内含有搅拌桨(4)和冷指(5)，冷指(5)连接有第一温度控制系统(18)，第一温度控制系统(18)能够控制冷指(5)的温度，搅拌桨(4)连接有用于驱动搅拌桨(4)转动的驱动机构(8)，所述高压蜡沉积模拟装置还包括能够在高压釜(1)内的高压环境下取样的取样机构；

该取样机构包括依次连接的取样管(21)、第一阀门(15)、取样器(9)和第二阀门(16)，取样管(21)的一端插接于高压釜(1)内，取样管(21)的另一端与第一阀门(15)连接，取样器(9)内含有容纳腔；

该取样机构还包括可视玻璃窗(10)，该可视玻璃窗(10)含有上下层叠设置的两块耐压玻璃片，该两块耐压玻璃片的周围密封连接，该两块耐压玻璃片之间存在间隙，可视玻璃窗(10)和第二阀门(16)之间设有连接管(22)，连接管(22)的一端与第二阀门(16)连接，连接管(22)的另一端设有空心针头(23)，空心针头(23)插接于该两块耐压玻璃片之间的间隙内。

2.根据权利要求1所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，冷指(5)为筒状结构，冷指(5)含有内筒和外筒，该内筒和外筒之间设有循环水套(6)，第一温度控制系统(18)与该循环水套(6)连接，第一温度控制系统(18)能够控制该循环水套(6)内的温度。

3.根据权利要求2所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，冷指(5)固定于高压釜(1)的上端，冷指(5)的轴线与高压釜(1)的轴线重合，冷指(5)的下端与高压釜(1)的下端之间存在间隔，高压釜(1)的侧壁内含有循环水套(2)，该循环水套(2)连接有第二温度控制系统(19)，第二温度控制系统(19)能够控制该循环水套(2)内的温度。

4.根据权利要求1所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，所述高压蜡沉积模拟装置还包括偏光显微镜，可视玻璃窗(10)位于该偏光显微镜的载物台，可视玻璃窗(10)通过该偏光显微镜的载物台的温控系统控制可视玻璃窗(10)内的温度。

5.根据权利要求1所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，高压釜(1)连接有用于检测高压釜(1)内样品温度的温度传感器(13)、用于检测高压釜(1)内压力的压力传感器(14)和用于检测高压釜(1)内样品粘度的高压在线粘度计(17)。

6.根据权利要求2所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，高压釜(1)的上端含有能够密封该高压釜(1)的高压釜盖(7)，冷指(5)与高压釜盖(7)可拆卸连接，驱动机构(8)固定于高压釜盖(7)上，搅拌桨(4)为锚式搅拌桨，搅拌桨(4)含有搅拌杆(41)和搅拌部(42)，搅拌杆(41)套设于冷指(5)的内筒内，搅拌部(42)包括水平段和竖直段，该水平段位于冷指(5)的下端与高压釜(1)的下端之间，该竖直段位于冷指(5)的外侧。

7.根据权利要求1所述的高压蜡沉积模拟装置，其特征在于，所述高压蜡沉积模拟装置包括用于向高压釜(1)内注入样品的进液管(20)，所述高压蜡沉积模拟装置包括用于向高压釜(1)内注入高压气体的高压气源(12)，高压气源(12)通过高压管线与高压釜(1)连接，该高压管线上设有流量监测与控制系统(11)。

8.一种高压蜡沉积模拟方法，其特征在于，该高压蜡沉积模拟方法使用了权利要求1所述的高压蜡沉积模拟装置，该高压蜡沉积模拟方法包括以下步骤：

步骤1、向高压釜(1)内注入含蜡原油乳状液样品和用来生成水合物的高压气体；

步骤2、打开驱动机构(8)，在搅拌桨(4)的搅拌下生成水合物浆液；

步骤3、当高压釜(1)内流体粘度发生变化时，取样观察该样品的生成情况；

步骤4、当该样品生成稳定水合物浆液后，关闭驱动机构(8)，进行静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验，在该实验进行的过程中不间断对流体样品取样，观察蜡晶状态；

步骤5、在该静态高压下的水合物浆液蜡沉积冷指实验完成后，对高压釜(1)泄压，打开高压釜(1)，取出冷指(5)，对沉积在冷指(5)表面的蜡层厚度、硬度、含蜡量进行研究。