CN105403673A - 用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置及方法，包括一个反应釜I和反应釜II，所述的反应釜I和反应釜II均与同一个供气系统相连，且反应釜I设有与注液系统I相连的注液口，反应釜II的顶部和底部通过循环管道连通，在所述的循环管道上设有与注液系统II相连的注液口；所述的反应釜I、反应釜II以及循环管道上均设有对其温度和压力进行调节的调节装置，且在循环管道和反应釜II上还安装有检测装置，所述的检测装置与数据处理系统相连，同时在反应釜I上设有可视窗口，在循环管道上设有可视段。

Description

用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置及方法，属于油气管道输送流动安全保障技术领域。

背景技术

天然气水合物是水与甲烷、乙烷、二氧化碳及硫化氢的等小分子气体形成的非化学计量性笼状晶体物质。在油气开采和运输过程中，由于高压和低温条件，很容易形成天然气水合物堵塞管道，有碍正常生产。自1934年前苏联在天然气输送管道中首次发现水合物冰堵以来，随着油气资源开发不断向深水领域发展，由水合物引发的各类问题逐渐成为石油工业领域流动安全保障的研究热点。其中，对油气输送管道中形成水合物防治技术的研究尤为重要和突出。

根据对国内外现行的油气输送管道中天然气水合物防治技术研究装置的调研发现，国内外研究在水合物防控技术尤其是输送管道水合物防控技术研究方面还远远不够。所涉及的国内外主要的专利有以下几项。

中国专利CN201310712299公开了一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，包括多相流循环系统、分离系统、流体注入系统、和废气回收系统。可模拟低温高压环境，用来进行油气管道流体流动安全性评价，包括水合物、蜡沉积等问题引起的油气管道堵塞以及因管道腐蚀导致的油气输送安全问题。

中国专利CN201310561102涉及一种管道式气体水合物生成实验装置，它包括气液输送系统、冷却系统和水合物管道生成系统，其中，气液输送系统包括气瓶、储气罐、排泄口一、离心泵、液体流量计、压缩机、气体流量计、分离器和缓冲罐；冷却系统包括冷却箱、排泄口二、冷水浴一和冷水浴二；水合物管道生成系统包括加药口、微气泡发生器、连接法兰、扭带式螺旋流发生器、温度传感器、压力传感器、压差计、观察视窗和实验管段。整套实验装置操作方便，运行费用较低，满足水合物浆体生成和流动规律实验的要求。

以上专利技术，均对水合物的生成规律以及流动规律进行了研究和设计。以上各专利，在应用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究时存在以下问题：

(1)以上各专利均可对管道内水合物的形成过程和水合物形成后的流动特性进行研究，但并不能有效的对管线内水合物的堵塞过程和堵塞机理进行分析研究。

(2)以上专利主要用于研究管线内水合物的预防和生成工艺，对管线内水合物形成后或管线堵塞后水合物的加热、降压、注剂等分解工艺则不能进行有效研究。

总之，以上专利对管线内水合物生成、流动、堵塞、分解的整个流程研究并不全面，因此本发明设计了一种用于全面研究油气输送管道中天然气水合物防治技术的实验装置以及方法。

发明内容

本发明目的是提供一种油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置及方法。将油、气、水三相加入反应釜体系或环道体系，通过搅拌、循环流动、冷媒循环控温、排气降压、注化学试剂等的作用，研究实际管输条件和管输工艺中天然气水合物的防治技术。

本发明实现的具体技术方案如下：

一种用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，包括一个反应釜I和反应釜II，所述的反应釜I和反应釜II均与同一个供气系统相连，且反应釜I设有与注液系统I相连的注液口，反应釜II的顶部和底部通过循环管道连通，在所述的循环管道上设有与注液系统II相连的注液口；所述的反应釜I、反应釜II以及循环管道上均设有对其温度和压力进行调节的调节装置，且在循环管道上还安装有检测管道内天然气水合物反应状态的检测装置，所述的检测装置与数据处理系统相连，同时在反应釜I上设有可视窗口，在循环管道上设有可视段。

进一步的，所述的检测装置包括设置在循环管道上的温度传感器、压力传感器、激光粒度仪、差压传感器以及流量计；

在所述的反应釜I和反应釜II上设有压力表和排压口。

进一步的，所述的循环管道设有可拆卸段，所述的可拆卸段的外圈设有循环夹套管，所述的循环夹套管与对循环管道进行温度调节的冷却水循环机相连通。

进一步的，所述的注液系统包括设置在反应釜I上的注液口以及与反应釜I相连的恒流泵。

进一步的，所述的供气系统包括储气罐，所述的储气罐通过管道分别与反应釜I、反应釜II连通，且储气罐与反应釜I、反应釜II连接的管道上均设有控制其开断的控制阀、气体体积流量计和真空泵，在储气罐的出口连接有气体减压阀。

进一步的，在所述的反应釜II和反应釜I上还设有对其内部进行搅拌的搅拌装置。

进一步的，所述的温度控制装置包括冷却水循环机，在反应釜II和反应釜I的外表面包裹有循环夹套，所述循环夹套的内部与冷却水循环机相连。

进一步的，所述的循环管道的可拆卸段的外圈也设有循环夹套管，所述的循环夹套管上设有冷媒循环接口，所述的冷媒循环接口与冷却水循环机相连。

进一步的，所述的反应釜I的前后两面设有由耐高压石英玻璃为材料制成的圆形透明可视窗。

进一步的，所述的循环管道的可视段安装有长方形可视窗和圆形可视窗各一段。

进一步的，所述反应釜体系和环道体系工作温度范围为-20℃～50℃，工作压力范围为0.1MPa～10MPa，所述环道体系流速范围为0m/s～3m/s。

进一步的，注液系统I、注液系统II还可以为同一个注浆系统，且注液系统I、注液系统II为现有的注浆系统，在此不详细展开了。

基于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置的研究方法，包括以下步骤：

步骤1，对循环管道中水合物的形成进行监测，建立水合物生成后管道压力与流量的关系模型；

步骤2，根据水合物生成后压力及流量关系模型，计算实际流量与水合物生成前流量的比值，藉此建立判别准则，将水合物的生成堵塞阶段进行划分；

步骤3，根据实际管线的流量和压降参数，判定其水合物堵塞的阶段；

步骤4，根据水合物所处的阶段提出相应的解堵方法；

步骤5，建立完整的解堵体系。

进一步，步骤1所述的建立水合物生成模型的方法是：通过监测管道中的压力和流量判断水合物的生成情况，建立水合物生成后管道内流量与压降的关系，即建立了水合物生成后管道压力与流量的关系模型。

进一步，步骤2中，采用实际流量与水合物生成前流量的比值作为主判断依据，利用管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力的变化作为辅助判断依据。

进一步，基于实际油气混输管道的管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力的变化确定管道中水合物生成，利用注热力学抑制剂与解堵效果实验确定临界的实际流量与水合物生成前流量的比值作为判断阈值。

进一步，步骤三中，若实际的实际流量与水合物生成前流量的比值小于阈值，且管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力确定为水合物生成，则判定管道进入高危堵塞状态，否则判定为低堵塞状态，同时若实际流量与水合物生成前流量的比值为0，则判断为完全堵塞状态，藉此将管道中水合物堵塞的分为低堵塞状态，高危堵塞状态和完全堵塞状态。

进一步，步骤4中的解堵方法为：低堵塞状态采用注剂解堵，高危堵塞状态和完全堵塞状态采用降压解堵。

进一步，低堵塞状态采用注剂解堵，其注入的溶剂为水合物热力学抑制剂甲醇或者乙二醇，注剂浓度及流量基于管道中含水量、流量、天然气组分进行计算。

进一步，高危堵塞状态采用降压解堵，采用下游单向降压，降压速度通过排气阀控制，同时监控管道内气液流速，控制降压速度确保管道内气液流速与降压前一致，直至管道内压力下降到水合物生成压力以下。

进一步，完全堵塞状态采用降压解堵，采用上下游双向降压，降压速度通过排气阀控制，同时监控管道内温度，控制管道内温度不低于0摄氏度。直至管道内压力下降到水合物生成压力以下。

本发明的有益效果如下:

1.本发明可以用来做以下研究：

(1)天然气水合物在管线内的形成和分布特性

不同温度、压力、流速、含水率、化学添加剂条件下水合物在管线中的生成速率、生位置、生成量不同，本装置温度、压力、流速可控，在含水率和化学试剂不同时，通过反应釜可视窗和环道可视段对水合物生成后的分布情况进行观察，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析，即可对不同管输工艺下天然气水合物的预防技术进行研究。

(2)天然气水合物在管线内的流动特性

天然气水合物在管线内形成后，当流速、含水率、化学试剂条件不同时，水合物在流动过程中的聚集、沉积、堵塞情况不同，改变反应釜体系搅拌速率及环道体系循环流速便可研究天然气水合物在管线内的流动特性。

(3)天然气水合物在管线内的分解特性

当体系温度、压力条件改变或注入化学试剂时，管线内的水合物便会发生分解，利用本装置的温度、压力控制系统和注液系统改变体系温度、压力或添加化学试剂，即可研究不同管线解堵工艺下天然气水合物的分解特性。

(4)启停输工况下管线内水合物生成情况

通过开启、关闭反应釜搅拌或开启、停止环道循环模拟实际管线启停输工况，研究启停输工艺下天然气水合物在管线内的防治技术。

2.装置本身的效果

1)该装置中通过同一个供气系统对两个反应釜进行供气，且通过控制阀门的开断还可以实现单个反应釜的单独供气，节约了研究成本；

2)在该装置中通过设置通过反应釜可视窗和环道可视段对水合物生成后的分布情况进行观察，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析。

3)通过改变反应釜体系搅拌装置速率及环道体系循环流速便可研究天然气水合物在管线内的流动特性。

2.本发明提供的方法是一种能够根据水合物堵塞状态阶段对其堵塞进行解堵的综合方法，即基于管道中水合物生成后流量的变化、压降与流量的关系及压力的变化建立了水合物堵塞状态判别的准则，藉此确定管道中水合物堵塞的不同状态，将天然气水合物堵塞状态分为低危险堵塞状态、高危堵塞状态和完全堵塞状态，根据不同的堵塞状态采用不同的解堵方法，即低危堵塞状态采用注热力学抑制剂方法解堵，对高危堵塞状态和完全堵塞状态采用降压解堵，而且两种状态降压解堵的方法和控制速度均不同。采用基于管道堵塞状态的组合解堵方法相对于单一解堵方法更加全面，且更加安全经济。低危堵塞状态及时采用注剂解堵，不会对生产造成大的影响；在高危堵塞状态及时采用控制速度的降压解堵，不会造成管道进一步完全堵塞，且能够控制在解堵过程中不会出现局部完全堵塞的事故；在发生完全堵塞后采用双向降压解堵，且控制速度，确保堵塞过程管道中不会因为冰的形成而出现二次堵塞。本发明对于高危堵塞状态的措施对于控制管道因堵塞而长时间停产的损失具有非常好的效果。

附图说明

图1为本发明一种油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置。

图2为本发明的研究方法。

图1中：1-高压气瓶，2-气体减压阀，3-气体体积流量计，4-真空泵，5-环道体系该欧亚反应釜，6-反应釜体系反应釜，7-循环夹套，8-圆形透明可视窗，9-冷却水循环机，10-恒流泵，11-磁力离心泵，12-磁力搅拌器，13-机械搅拌器，14-高压软管，15-球阀，16-通过法兰连接的带旁通管段，17-环道可视段，18-通过法兰连接的可拆卸管段，19-循环夹套管，20-冷媒循环接口，21-反应釜注液口，22-环道注液/排气口，23-反应釜排气口，24-温度传感器，25-压力传感器，26-差压传感器，27-压力表，28-质量流量计，29-扭矩传感器，30-激光粒度仪，31-气相色谱仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面参照附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，一种油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，包括反应釜体系和环道体系，主要由供气系统，注液系统，反应系统/循环系统，温度、压力控制系统，测量系统，数据采集及处理系统六部分。

供气系统包括通过不锈钢输气管线依次连接成封闭体系的高压气瓶1、气体减压阀2、气体体积流量计3、真空泵4、三通、环道体系高压反应釜I5、反应釜体系反应釜6。

注液系统包括恒流泵10、注液管线、反应釜注液口21和环道注液/排气口22。

反应系统由反应釜体系反应釜II6和磁力搅拌器12组成。

循环系统由带有机械搅拌器13的环道体系反应釜I5、若干通过法兰连接的高压软管14、磁力离心泵11、若干球阀15、若干通过法兰连接的带旁通管段16、环道可视段17、若干通过法兰连接的可拆卸管段18依次串接而成。

温度、压力控制系统包括冷却水循环机9、环道注液/排气口22和反应釜排气口23。

测量系统包括温度传感器24、压力传感器25、差压传感器26、压力表27、气体体积流量计3、质量流量计28、扭矩传感器29、激光粒度仪30和气相色谱仪31。

数据采集及处理系统为计算机系统。

上述装置具体的连接方式如下：

反应釜I6和反应釜II5均与同一个供气系统相连，供气系统通过一个三通管分别与反应釜I6和反应釜II5相连；且反应釜I6还与注液系统I相连，反应釜II5的顶部和底部通过循环管道连通，在所述的循环管道上液设有注液口；注液口与注液系统II相连，所述的反应釜I6和反应釜II5上均设有对其温度和压力进行调节的控制装置。

循环管道上的注液口液作为排气口使用。

注液系统为现有技术，在此不进行详细说明。

循环系统由带有机械搅拌器13的反应釜II5、若干通过法兰连接的高压软管14、磁力离心泵11、若干球阀15、若干通过法兰连接的带旁通管段16、环道可视段17、若干通过法兰连接的可拆卸管段18依次串接而成，其上还设有温度传感器24、压力传感器25、激光粒度仪30和差压传感器26，所述的反应釜II5上设有压力表27和排压口。

所述的注液系统包括设置在反应釜I6上的反应釜注液口21以及与反应釜I6相连的恒流泵10。

供气系统包括通过不锈钢输气管线依次连接成封闭体系的高压气瓶1、气体减压阀2、气体体积流量计3、真空泵4。供气系统的高压气瓶1通过管道分别与反应釜I6、反应釜II5连通，且高压气瓶1与反应釜I6、反应釜II5连接的管道上均设有控制其开断的控制阀、气体体积流量计3和真空泵4，在高压气瓶1的出口连接有气体减压阀2。

在反应釜II5和反应釜I6上还设有对其内部进行搅拌的搅拌装置。反应釜I6的搅拌装置为磁力搅拌器12；反应釜II5的搅拌装置为机械搅拌器13，其从上到下布置三处搅拌桨叶。

温度控制装置包括冷却水循环机9，在反应釜II5和反应釜I6的外表面包裹有循环夹套7，循环夹套7上设置有连接冷媒的冷媒循环接口与冷却水循环机9相连。

反应釜I6的前后两面设有由耐高压石英玻璃为材料制成的圆形透明可视窗。

循环管道的可视段安装有长方形可视窗和圆形可视窗各一段。

反应釜体系反应釜I6前后两面有由耐高压石英玻璃为材料制成的圆形透明可视窗8。

环道可视管段17安装有长方形可视窗和圆形可视窗各一段。

通过法兰连接的可拆卸管段18外表面包裹有循环夹套管19，所述循环夹套管19外表面有冷媒循环接口20,所述的冷媒循环接口与冷却水循环机相连。

注液系统I、注液系统II还可以为同一个注浆系统，且注液系统I、注液系统II为现有的注浆系统，在此不详细展开了。

本发明实施例的研究方法，包括以下步骤：

S101，对油气混输管道中水合物的形成进行监测，建立水合物生成后管道压力与流量的关系模型；

S102，根据水合物生成后压力及流量关系模型，计算实际流量与水合物生成前流量的比值，藉此建立判别准则，将水合物的生成堵塞阶段进行划分；

S103，根据实际管线的流量和压降参数，判定其水合物堵塞的阶段；

S104，根据水合物所处的阶段提出相应的解堵方法；

S105，建立完整的解堵体系。

本发明的具体实施流程为：

步骤1所述的建立水合物生成模型的方法是：通过监测管道中的压力和流量判断水合物的生成情况，建立水合物生成后管道内流量与压降的关系，即建立了水合物生成后管道压力与流量的关系模型。

步骤2中，采用实际流量与水合物生成前流量的比值作为主判断依据，利用管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力的变化作为辅助判断依据。

步骤2中，测试实际油气混输管道的管道内水合物流动的压降与流量关系，做出对应关系曲线，通过检测管道内压力的在水合物生成过程中有突然的降低，确定管道中流量下降是由于水合物生成引起，利用注热力学抑制剂与解堵效果实验确定临界的实际流量与水合物生成前流量的比值作为判断阈值，其值为0.1。

步骤3中，若实际的实际流量与水合物生成前流量的比值小于阈值0.1，且管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力确定为水合物生成，则判定管道进入高危堵塞状态，否则判定为低堵塞状态，同时若实际流量与水合物生成前流量的比值为0，则判断为完全堵塞状态，藉此将管道中水合物堵塞的分为低堵塞状态，高危堵塞状态和完全堵塞状态。

步骤4中的解堵方法为：低堵塞状态采用注剂解堵，高危堵塞状态和完全堵塞状态采用降压解堵。

步骤4中，低堵塞状态采用注剂解堵，其注入的溶剂为水合物热力学抑制剂(乙二醇)，注剂浓度及流量基于管道中含水量、流量、天然气组分进行计算，根据加剂后的温度和实际运行温度判断确定，实际注剂浓度为质量浓度50-70％。

步骤4中，高危堵塞状态采用降压解堵，采用下游单向降压，降压速度通过排气阀控制，降压速度为0.01-0.05MPa/s，同时监控管道内气液流速，控制降压速度确保管道内气液流速与降压前一致，直至管道内压力下降到水合物生成压力以下。

步骤5中，完全堵塞状态采用降压解堵，采用上下游双向降压，降压速度通过排气阀控制，降压速度为0.03-0.1MPa/s，同时监控管道内温度，维持在1-3摄氏度，温度不低于0摄氏度。直至管道内压力下降到水合物生成压力以下。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，其特征在于，包括一个反应釜I和反应釜II，所述的反应釜I和反应釜II均与同一个供气系统相连，且反应釜I设有与注液系统I相连的注液口，反应釜II的顶部和底部通过设有可拆卸段的循环管道连通，所述的可拆卸段的外圈设有循环夹套管，所述的循环夹套管与对循环管道进行温度调节的冷却水循环机相连通；在所述的循环管道上设有与注液系统II相连的注液口；所述的反应釜I、反应釜II以及循环管道上均设有对其温度和压力进行调节的调节装置，且在循环管道上还安装有检测循环管道内天然气水合物反应状态的检测装置，所述的检测装置与数据处理系统相连。

2.如权利要求1所述的用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，其特征在于，所述的检测装置包括设置在循环管道上的温度传感器、压力传感器、流量计、激光粒度仪和差压传感器；在所述的反应釜I和反应釜II上设有压力表和排压口。

3.如权利要求1所述的用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，其特征在于，所述的供气系统包括储气罐，所述的储气罐通过管道分别与反应釜I、反应釜II连通，且储气罐与反应釜I、反应釜II连接的管道上均设有控制其开断的控制阀、气体体积流量计和真空泵，同时在储气罐的出口连接有气体减压阀。

4.如权利要求1所述的油气混输管道装置，其特征在于，在反应釜II和反应釜I的外表面包裹有循环夹套，所述循环夹套的内部与对反应釜II和反应釜I内部温度进行调节的冷却水循环机相连。

5.基于权利要求1所述的油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对循环管道中水合物的形成进行监测，建立水合物生成后管道压力与流量的关系模型；

步骤2，根据水合物生成后压力及流量关系模型，计算实际流量与水合物生成前流量的比值，藉此建立判别准则，将水合物的生成堵塞阶段进行划分；

步骤3，根据实际管道的流量和压降参数，判定其水合物堵塞的阶段；

步骤4，根据水合物所处的阶段提出相应的解堵方法；

步骤5，建立完整的解堵体系。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤1建立过程如下：通过监测管道中的压力和流量判断水合物的生成情况，建立水合物生成后管道内流量与压降的关系，即建立了水合物生成后管道压力与流量的关系模型。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中采用实际流量与水合物生成前流量的比值作为主判断依据，利用管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力的变化作为辅助判断依据。

8.如权利要求7的方法，其特征在于，所述的步骤2中，测试实际油气混输管道的管道内水合物流动的压降与流量关系，做出对应关系曲线，通过检测管道内压力的在水合物生成过程中有突然的降低，确定管道中流量下降是由于水合物生成引起，利用注热力学抑制剂与解堵效果实验确定临界的实际流量与水合物生成前流量的比值作为判断阈值。

9.如权利要求8述的方法，其特征在于，若实际流量与水合物生成前流量的比值小于阈值，且管道内水合物流动的压降与流量关系和管道内压力确定为水合物生成，则判定管道进入高危堵塞状态，否则判定为低堵塞状态，同时若实际流量与水合物生成前流量的比值为0，则判断为完全堵塞状态，藉此将管道中水合物堵塞的分为低堵塞状态，高危堵塞状态和完全堵塞状态。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤4建立过程如下：低堵塞状态采用注剂解堵，高危堵塞状态和完全堵塞状态采用降压解堵；

低堵塞状态采用注剂解堵，其注入的溶剂为水合物热力学抑制剂，注剂浓度及流量基于管道中含水量、流量、天然气组分进行计算；

高危堵塞状态采用降压解堵，采用下游单向降压，降压速度通过排气阀控制，同时监控管道内气液流速，控制降压速度确保管道内气液流速与降压前一致，直至管道内压力下降到水合物生成压力以下；

完全堵塞状态采用降压解堵，采用上下游双向降压，降压速度通过排气阀控制，同时监控管道内温度，维持在1-3摄氏度，温度不低于0摄氏度；直至管道内压力下降到水合物生成压力以下。