CN106770990B - 一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，包括供气系统，注液系统，液相循环系统，气相循环系统，低凹管线和立管线，高压反应釜，温度、压力控制系统，数据采集系统；所述供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统均与高压反应釜通过管线相连；所述低凹管线和立管线连接在液相循环系统、气相循环系统的共用管路上；所述数据采集系统采集装置各处温度、压力，并对水合物的生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞、分解情况进行监测。本发明模拟深水油气集输管线，通过实验得到天然气水合物形成、分布、流动、分解特性，有助于研究深水油气集输管线中天然气水合物的形成及防治技术。

Description

一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置

技术领域

本发明属于深水油气管线输送流动安全保障技术领域，具体涉及一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置。

背景技术

在石油工业领域的油气开采和输送过程中，由于高压和低温条件，很容易形成天然气水合物，天然气水合物是由水分子和甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等小分子气体在一定条件下结合形成的固体化合物，它的形成会堵塞管路有碍正常生产。目前，油气资源的开采正不断向深水和超深水领域发展，而深水油气集输管线(水平管及海洋立管)所处环境具有长距离、大高差、低温、高压等特点，管线内非常容易生成天然气水合物并产生堵塞，对正常生产造成严重威胁。因此，对深水油气集输管线中天然气水合物防治技术的研究就显得尤为重要和突出。

针对天然气水合物防治技术的研究，目前最有效的手段就是通过搭建相关实验装置对实际生产过程进行模拟。相关实验装置主要包括固定式反应釜装置、摇晃式反应釜装置、轮式流动模拟器装置及环道流动装置。其中，通过环道流动装置对水合物防治技术进行的研究最为有效，与实际生产过程也最为相似。目前，已有部分环道流动装置用于天然气水合物防治技术的研究，但这些装置都具有一定缺陷，尤其不能满足对深水油气集输管线中水合物防治技术的研究。例如，这些装置虽可对水平管线内水合物的形成过程和流动特性进行研究，但并不能有效的对深水立管管线内水合物的形成过程和流动特性进行研究。同时，这些装置对水平管线内水合物的堵塞过程、堵塞机理及管线内水合物形成后或管线堵塞后水合物的加热、降压、注剂等分解工艺也不能进行有效研究。

总之，目前相关的实验装置对深水立管管线内水合物的形成及形成后的流动特性缺乏研究，对管线内水合物生成、流动、堵塞、分解的整个流程的研究也并不全面，因此本发明设计了一种用于全面研究深水油气集输管线中天然气水合物防治技术的实验装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，该装置能够全面研究深水油气集输管线中天然气水合物的形成机理、流动特性及防治技术。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，包括供气系统，注液系统，液相循环系统，气相循环系统，低凹管线和立管线，高压反应釜，温度、压力控制系统，数据采集系统；所述供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统均与高压反应釜通过管线相连；所述低凹管线和立管线连接在液相循环系统、气相循环系统的共用管路上；所述温度、压力控制系统控制整个实验装置的温度和压力；所述数据采集系统包括气体组成测量部分、压力温度采集部分、流量测量部分和水合物测量部分，所述气体组成测量部分测量供气系统所供气体的组成，所述压力温度采集部分对液相循环系统、气相循环系统、高压反应釜的压力和温度信号进行采集，所述流量测量部分对供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统的流量进行测量，所述水合物测量部分对液相循环系统和气相循环系统的共用管路、低凹管线和立管线管段中水合物的生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞、分解情况进行监测。

优选的，所述供气系统包括高压气瓶、气体减压阀、不锈钢输气管线，所述高压气瓶、气体减压阀之间通过不锈钢输气管线依次连接；所述供气系统通过不锈钢输气管线与高压反应釜釜盖上的气相针型阀相连。

优选的，所述注液系统包括恒流泵、不锈钢注液管线，所述恒流泵通过不锈钢注液管线与高压反应釜釜盖上的液相针型阀相连。

优选的，所述液相循环系统包括高压软管、磁力离心泵、直管段、球阀、套管段、石英玻璃管段；所述高压反应釜釜体下部通过法兰与液相循环系统的进口高压软管相连，并依次连接磁力离心泵、第一直管段、第一套管段、第一石英玻璃管段、第二套管段、第二石英玻璃管段、第三套管段、第三石英玻璃管段、第四套管段、第四石英玻璃管段、第五套管段、第二直管段、出口高压软管，出口高压软管通过法兰与高压反应釜釜体上部相连；所述第一直管段、第二直管段之间连接第三直管段；

所述第一直管段上安装第一球阀、第二球阀，所述第三直管段上安装第三球阀、第四球阀；所述第一直管段、第三直管段之间连接旁通回路，所述旁通管路一端连接至第一直管段第一球阀的前端，另一端连接至第三直管段的第三球阀、第四球阀之间，所述旁通回路上安装第五球阀；所述第二套管段上安装控制球阀；

所述高压软管之间采用法兰连接，所述高压软管与直管段之间采用法兰连接，所述套管段与石英玻璃管段之间采用法兰连接。

优选的，所述气相循环系统包括循环针型阀、压缩机入口缓冲罐、天然气压缩机、压缩机出口缓冲罐、管壳式换热器、气相循环管线以及与液相循环系统共用的直管段、球阀、套管段、石英玻璃管段、出口高压软管；所述高压反应釜釜体上部通过法兰与气相循环管线相连，气相循环管线依次连接循环针型阀、压缩机入口缓冲罐、天然气压缩机、压缩机出口缓冲罐、管壳式换热器，之后连接至直管段，后续气相循环系统的管路与液相循环系统共用，通过出口高压软管与高压反应釜釜体上部相连。

优选的，所述低凹管线和立管线连接在第二套管段的控制球阀两端，所述低凹管线和立管线与第二套管段之间安装连接球阀；所述低凹管线和立管线的低凹水平段和立管段上分别设置低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段，所述低凹管线和立管线的其他管段均为套有套管的套管管路。

优选的，所述高压反应釜安装机械搅拌器，所述机械搅拌器上部与扭矩传感器相连，所述机械搅拌器下部从上到下布置有三处搅拌桨叶，所述高压反应釜配有循环夹套，所述循环夹套内有冷媒循环流动。

优选的，所述温度、压力控制系统包括冷水机组、真空泵、管线排气口、管线排液口、反应釜排气口及反应釜排液口；所述冷水机组与循环夹套相连，所述真空泵连接至气相针型阀前端的不锈钢输气管线上，真空泵连接管路上设置真空泵球阀，所述管线排气口设置在第四套管段上，所述管线排液口设置在第一套管段上，所述管线排气口安装管线排气球阀，所述管线排液口安装管线排液球阀，所述反应釜排气口安装排气球阀，所述反应釜排液口安装排液球阀。

优选的，所述气体组成测量部分包括气相色谱仪，所述气相色谱仪连接至气体减压阀的出口端，所述气相色谱仪的连接管路上安装色谱针型阀；所述压力温度采集部分包括温度传感器、压力传感器、差压传感器，所述温度传感器安装在高压反应釜上端、套管段、第二直管段上，所述压力传感器安装在高压反应釜上端、套管段、第二直管段上，所述差压传感器安装在套管段上；所述流量测量部分包括气体质量流量计、液体质量流量计，气体质量流量计共有2个，一个安装在气体减压阀与气相针型阀之间的不锈钢输气管线上，另一个安装在管壳式换热器后端的气相循环管线上，所述液体质量流量计安装在第一直管段的第一球阀、第二球阀之间；所述水合物测量部分包括激光粒度仪、高速摄像机，所述激光粒度仪与高速摄像机均布置在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处，所述激光粒度仪用来检测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处的水合物形成过程中粒径的变化，所述高速摄像机用来对石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处的水合物生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞情况进行摄制监测。

本发明提供的用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其研究天然气水合物的具体操作如下：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态；打开气体减压阀和色谱针型阀，使高压气瓶中的天然气进入到气相色谱仪中测量天然气组成；关闭色谱针型阀，打开气相针型阀，使天然气通过不锈钢输气管线进入高压反应釜中；同时打开液相针型阀，启动恒流泵使水相通过不锈钢注液管线进入高压反应釜中；当高压反应釜中的压力达到3～6MPa时，停运恒流泵，关闭液相针型阀，关闭气相针型阀和气体减压阀，停止水和天然气的输入；使用冷水机组将高压反应釜气液相温度降到1～5℃；

步骤二：打开第一直管段上的第一球阀、第二球阀，打开第二套管段上的控制球阀，打开循环针型阀；开启机械搅拌器，同时开启磁力离心泵和天然气压缩机，使水和天然气分别在液相循环系统和气相循环系统中循环流动；

步骤三：调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤四：关闭机械搅拌器或停运天然气压缩机、磁力离心泵进行停输工况研究；开启机械搅拌器或启动天然气压缩机、磁力离心泵进行启动工况研究；在此过程中通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段中天然气水合物生成情况；

步骤五：打开连接球阀，关闭控制球阀；调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤六：关闭机械搅拌器或停运天然气压缩机、磁力离心泵进行停输工况研究；开启机械搅拌器或启动天然气压缩机、磁力离心泵进行启动工况研究；在此过程中，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物生成情况；

步骤七：继续调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中观察到天然气水合物堵塞现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物堵塞现象；

步骤八：通过冷水机组将实验装置温度升高至20～50℃，通过加热解除天然气水合物对 管路的堵塞，堵塞解除之后通过冷水机组将实验装置温度降到1～5℃；或者打开反应釜排气口和管线排气口，通过降压解除天然气水合物对管路的堵塞，堵塞解除之后关闭反应釜排气口和管线排气口；或者通过恒流泵注入化学试剂解堵；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物分解现象。

本发明的有益效果是：

本发明通过用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，采用低凹管线和立管线模拟深水油气集输管线，通过实验得到天然气水合物在水平管线、低凹管线和立管内的形成、分布特性、流动特性；通过实验装置采用加热、降压、注剂等方法得到天然气水合物在水平管线、低凹管线和立管内的分解特性；通过实验装置研究启停输工况下水平管线、低凹管线和立管内天然气水合物生成情况。通过模拟深水油气集输管线的实验装置得到的天然气水合物形成、分布特性、流动特性、分解特性以及启停输工况下的形成特性，有助于研究深水油气集输管线中天然气水合物的形成，同时对于深水油气集输管线中天然气水合物的防治技术研究也具有重大意义。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为本发明装置低凹管线和立管线结构示意图。

1-高压气瓶，2-气体减压阀，3-气相色谱仪，301-色谱针型阀，4-气体质量流量计，5-不锈钢输气管线，6-真空泵，601-真空泵球阀，701-气相针型阀，702-液相针型阀，703-循环针型阀，8-压缩机入口缓冲罐，9-天然气压缩机，10-温度传感器，11-机械搅拌器，12-扭矩传感器，13-压力传感器，14-反应釜排气口，1401-排气球阀，15-不锈钢注液管线，16-恒流泵，17-高压反应釜，18-反应釜循环夹套，19-搅拌桨叶，20-反应釜排液口，2001-排液球阀，21-压缩机出口缓冲罐，2201-进口高压软管，2202-出口高压软管，23-磁力离心泵，24-管壳式换热器，25-直管段，2501-第一直管段，2502-第二直管段，2503-第三直管段，2601-第一球阀，2602-第二球阀，2603-第三球阀，2604-第四球阀，2605-第五球阀，27-液体质量流量计，28-气相循环管线，29-差压传感器，30-高速摄像机，31-套管段，3101-第一套管段，3102-第二套管段，3103-第三套管段，3104-第四套管段，3105-第五套管段，3106-控制球阀，32-管线排液口，3201-管线排液球阀，33-管线排气口，3301-管线排气球阀，34-石英玻璃管段，3401-第一石英玻璃管段，3402-第二石英玻璃管段，3403-第三石英玻璃管段，3404-第四石英玻璃管段，35-低凹管线和立管线，3501-低凹石英玻璃管段3501，3502-立管石英玻 璃管段3502，36-激光粒度仪，37-连接球阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图2所示，一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，包括供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统、低凹管线和立管线35、高压反应釜17、温度、压力控制系统、数据采集系统；所述供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统均与高压反应釜17通过管线相连；所述低凹管线和立管线35连接在液相循环系统、气相循环系统的共用管路上；所述温度、压力控制系统控制整个实验装置的温度和压力；所述数据采集系统包括气体组成测量部分、压力温度采集部分、流量测量部分和水合物测量部分，所述气体组成测量部分测量供气系统所供气体的组成，所述压力温度采集部分对液相循环系统、气相循环系统、高压反应釜17的压力和温度信号进行采集，所述流量测量部分对供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统的流量进行测量，所述水合物测量部分对液相循环系统和气相循环系统的共用管路、低凹管线和立管线35管段中水合物的生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞、分解情况进行监测

优选的，所述供气系统包括高压气瓶1、气体减压阀2、不锈钢输气管线5，所述高压气瓶1、气体减压阀2之间通过不锈钢输气管线5依次连接；所述供气系统通过不锈钢输气管线5与高压反应釜17釜盖上的气相针型阀701相连。

优选的，所述注液系统包括恒流泵16、不锈钢注液管线15，所述恒流泵16通过不锈钢注液管线15与高压反应釜17釜盖上的液相针型阀702相连。

优选的，所述液相循环系统包括高压软管22、磁力离心泵23、直管段25、球阀、套管段31、石英玻璃管段34；所述高压反应釜17釜体下部通过法兰与液相循环系统的进口高压软管2201相连，并依次连接磁力离心泵23、第一直管段2501、第一套管段3101、第一石英玻璃管段3401、第二套管段3102、第二石英玻璃管段3402、第三套管段3103、第三石英玻璃管段3403、第四套管段3104、第四石英玻璃管段3404、第五套管段3105、第二直管段2502、出口高压软管2202，出口高压软管2202通过法兰与高压反应釜17釜体上部相连；所述第一直管段2501、第二直管段2502之间连接第三直管段2503；

所述第一直管段2501上安装第一球阀2601、第二球阀2602，所述第三直管段2503上安装第三球阀2603、第四球阀2604；所述第一直管段2501、第三直管段2503之间连接旁通回路，所述旁通管路一端连接至第一直管段2501第一球阀2601的前端，另一端连接至第三直管段2503的第三球阀2603、第四球阀2604之间，所述旁通回路上安装第五球阀2605；所述第二套管段3102上安装控制球阀3106；

所述高压软管22之间采用法兰连接，所述高压软管22与直管段25之间采用法兰连接，所述套管段31与石英玻璃管段34之间采用法兰连接。

优选的，所述气相循环系统包括循环针型阀703、压缩机入口缓冲罐8、天然气压缩机9、压缩机出口缓冲罐21、管壳式换热器24、气相循环管线28以及与液相循环系统共用的直管段25、球阀、套管段31、石英玻璃管段34、出口高压软管2202；所述高压反应釜17釜体上部通过法兰与气相循环管线28相连，气相循环管线28依次连接循环针型阀703、压缩机入口缓冲罐8、天然气压缩机9、压缩机出口缓冲罐21、管壳式换热器24，之后连接至直管段25，后续气相循环系统的管路与液相循环系统共用，通过出口高压软管2202与高压反应釜17釜体上部相连。

优选的，所述低凹管线和立管线35连接在第二套管段3102的控制球阀3106两端，所述低凹管线和立管线35与第二套管段3102之间安装连接球阀37；所述低凹管线和立管线35的低凹水平段和立管段上分别设置低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502，所述低凹管线和立管线35的其他管段均为套有套管的套管管路。

优选的，所述高压反应釜17安装机械搅拌器11，所述机械搅拌器11上部与扭矩传感器12相连，所述机械搅拌器下部从上到下布置有三处搅拌桨叶19，所述高压反应釜17配有循环夹套18，所述循环夹套18内有冷媒循环流动。

优选的，所述温度、压力控制系统包括冷水机组37、真空泵6、管线排气口33、管线排液口32、反应釜排气口14及反应釜排液口20；所述冷水机组37与循环夹套18相连，所述真空泵6连接至气相针型阀701前端的不锈钢输气管线5上，真空泵6连接管路上设置真空泵球阀601，所述管线排气口33设置在第四套管段3104上，所述管线排液口32设置在第一套管段3101上，所述管线排气口33安装管线排气球阀3301，所述管线排液口32安装管线排液球阀3201，所述反应釜排气口14安装排气球阀1401，所述反应釜排液口20安装排液球阀2001。

优选的，所述气体组成测量部分包括气相色谱仪3，所述气相色谱仪3连接至气体减压阀2的出口端，所述气相色谱仪3的连接管路上安装色谱针型阀301；所述压力温度采集部分包括温度传感器10、压力传感器13、差压传感器29，所述温度传感器10安装在高压反应釜17上端、套管段31、第二直管段2502上，所述压力传感器13安装在高压反应釜17上端、套管段31、第二直管段2502上，所述差压传感器29安装在套管段上；所述流量测量部分包括气体质量流量计4、液体质量流量计27，气体质量流量计4共有2个，一个安装在气体减压阀2与气相针型阀701之间的不锈钢输气管线5上，另一个安装在管壳式换热器24后端的气相循环管线28上，所述液体质量流量计27安装在第一直管段的第一球阀 2601、第二球阀2602之间；所述水合物测量部分包括激光粒度仪36、高速摄像机30，所述激光粒度仪36与高速摄像机30均布置在石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502处，所述激光粒度仪36用来检测石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502处的水合物形成过程中粒径的变化，所述高速摄像机30用来对石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502处的水合物生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞情况进行摄制监测。

本发明提供的深水油气集输管线中天然气水合物防治技术研究的装置，其研究天然气水合物的具体操作如下：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态；打开气体减压阀2和色谱针型阀301，使高压气瓶1中的天然气进入到气相色谱仪3中测量天然气组成；关闭色谱针型阀301，打开气相针型阀701，使天然气通过不锈钢输气管线5进入高压反应釜17中；同时打开液相针型阀702，启动恒流泵16使水相通过不锈钢注液管线15进入高压反应釜17中；当高压反应釜17中的压力达到3～6MPa时，停运恒流泵16，关闭液相针型阀702，关闭气相针型阀701和气体减压阀2，停止水和天然气的输入；使用冷水机组37将高压反应釜17气液相温度降到1～5℃；

步骤二：打开第一直管段2501上的第一球阀2601、第二球阀2602，打开第二套管段3102上的控制球阀3106，打开循环针型阀703；开启机械搅拌器11，同时开启磁力离心泵23和天然气压缩机9，使水和天然气分别在液相循环系统和气相循环系统中循环流动；

步骤三：调节循环针型阀703和第一直管段2501上的第一球阀2601、第二球阀2602，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段34中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计4和液体质量流量计27测量气液相流量，通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤四：关闭机械搅拌器11或停运天然气压缩机9、磁力离心泵23进行停输工况研究；开启机械搅拌器11或启动天然气压缩机9、磁力离心泵23进行启动工况研究；通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34中天然气水合物生成情况；

步骤五：打开连接球阀37，关闭控制球阀3103；调节循环针型阀703和第一直管段2501上的第一球阀2601、第二球阀2602，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计4和液体质量流量计27测量气液相流量，通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤六：关闭机械搅拌器11或停运天然气压缩机9、磁力离心泵23进行停输工况研究；开启机械搅拌器11或启动天然气压缩机9、磁力离心泵23进行启动工况研究；通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502中天然气水合物生成情况；

步骤七：继续调节循环针型阀703和第一直管段2501上的第一球阀2601、第二球阀2602，在石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502中观察到天然气水合物堵塞现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计4和液体质量流量计27测量气液相流量，通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34、低凹石英玻璃管段3501、立管石英玻璃管段3502中天然气水合物堵塞现象；

步骤八：通过冷水机组37将实验装置温度升高至20～50℃，通过加热解除天然气水合物对管路的堵塞，堵塞解除之后通过冷水机组37将实验装置温度降到1～5℃；或者打开反应釜排气口14和管线排气口33，通过降压解除天然气水合物对管路的堵塞，堵塞解除之后关闭反应釜排气口14和管线排气口33；或者通过恒流泵16注入化学试剂解堵；在此过程中通过气体质量流量计4和液体质量流量计27测量气液相流量，通过温度传感器10和压力传感器13测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪36、高速摄像机30监测石英玻璃管段34中天然气水合物分解现象。

本发明通过用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，采用低凹管线和立管线模拟深水油气集输管线，通过实验得到天然气水合物在水平管线、低凹管线和立管内的形成、分布特性、流动特性；通过实验装置采用加热、降压、注剂等方法得到天然气水合物在水平管线、低凹管线和立管内的分解特性；通过实验装置研究启停输工况下水平管线、低凹管线和立管内天然气水合物生成情况。通过模拟深水油气集输管线的实验装置得到的天然气水合物形成、分布特性、流动特性、分解特性以及启停输工况下的形成特性，有助于研究深水油气集输管线中天然气水合物的形成，同时对于深水油气集输管线中天然气水合物的防治技术研究也具有重大意义。

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 (8)

1.一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，包括供气系统，注液系统，液相循环系统，气相循环系统，低凹管线和立管线，高压反应釜，温度、压力控制系统，数据采集系统；所述供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统均与高压反应釜通过管线相连；所述低凹管线和立管线连接在液相循环系统、气相循环系统的共用管路上；所述温度、压力控制系统控制整个实验装置的温度和压力；所述数据采集系统包括气体组成测量部分、压力温度采集部分、流量测量部分和水合物测量部分，所述气体组成测量部分测量供气系统所供气体的组成，所述压力温度采集部分对液相循环系统、气相循环系统、高压反应釜的压力和温度信号进行采集，所述流量测量部分对供气系统、注液系统、液相循环系统、气相循环系统的流量进行测量，所述水合物测量部分对液相循环系统和气相循环系统的共用管路、低凹管线和立管线管段中水合物的生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞、分解情况进行监测；

所述注液系统包括恒流泵、不锈钢注液管线，所述恒流泵通过不锈钢注液管线与高压反应釜釜盖上的液相针型阀相连；

所述液相循环系统包括高压软管、磁力离心泵、直管段、球阀、套管段、石英玻璃管段；所述高压反应釜釜体下部通过法兰与液相循环系统的进口高压软管相连，并依次连接磁力离心泵、第一直管段、第一套管段、第一石英玻璃管段、第二套管段、第二石英玻璃管段、第三套管段、第三石英玻璃管段、第四套管段、第四石英玻璃管段、第五套管段、第二直管段、出口高压软管，出口高压软管通过法兰与高压反应釜釜体上部相连；所述第一直管段、第二直管段之间连接第三直管段；

所述第一直管段上安装第一球阀、第二球阀，所述第三直管段上安装第三球阀、第四球阀；所述第一直管段、第三直管段之间连接旁通回路，所述旁通回路一端连接至第一直管段第一球阀的前端，另一端连接至第三直管段的第三球阀、第四球阀之间，所述旁通回路上安装第五球阀；所述第二套管段上安装控制球阀；

所述高压软管之间采用法兰连接，所述高压软管与直管段之间采用法兰连接，所述套管段与石英玻璃管段之间采用法兰连接。

2.如权利要求1所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述供气系统包括高压气瓶、气体减压阀、不锈钢输气管线，所述高压气瓶、气体减压阀之间通过不锈钢输气管线依次连接；所述供气系统通过不锈钢输气管线与高压反应釜釜盖上的气相针型阀相连。

3.如权利要求1所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述气相循环系统包括循环针型阀、压缩机入口缓冲罐、天然气压缩机、压缩机出口缓冲罐、管壳式换热器、气相循环管线以及与液相循环系统共用的直管段、球阀、套管段、石英玻璃管段、出口高压软管；所述高压反应釜釜体上部通过法兰与气相循环管线相连，气相循环管线依次连接循环针型阀、压缩机入口缓冲罐、天然气压缩机、压缩机出口缓冲罐、管壳式换热器，之后连接至直管段，后续气相循环系统的管路与液相循环系统共用，通过出口高压软管与高压反应釜釜体上部相连。

4.如权利要求3所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述低凹管线和立管线连接在第二套管段的控制球阀两端，所述低凹管线和立管线与第二套管段之间安装连接球阀；所述低凹管线和立管线的低凹水平段和立管段上分别设置低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段，所述低凹管线和立管线的其他管段均为套有套管的套管管路。

5.如权利要求4所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述高压反应釜安装机械搅拌器，所述机械搅拌器上部与扭矩传感器相连，所述机械搅拌器下部从上到下布置有三处搅拌桨叶，所述高压反应釜配有循环夹套，所述循环夹套内有冷媒循环流动。

6.如权利要求5所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述温度、压力控制系统包括冷水机组、真空泵、管线排气口、管线排液口、反应釜排气口及反应釜排液口；所述冷水机组与循环夹套相连，所述真空泵连接至气相针型阀前端的不锈钢输气管线上，真空泵连接管路上设置真空泵球阀，所述管线排气口设置在第四套管段上，所述管线排液口设置在第一套管段上，所述管线排气口安装管线排气球阀，所述管线排液口安装管线排液球阀，所述反应釜排气口安装排气球阀，所述反应釜排液口安装排液球阀。

7.如权利要求6所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置，其特征是，所述气体组成测量部分包括气相色谱仪，所述气相色谱仪连接至气体减压阀的出口端，所述气相色谱仪的连接管路上安装色谱针型阀；所述压力温度采集部分包括温度传感器、压力传感器、差压传感器，所述温度传感器安装在高压反应釜上端、套管段、第二直管段上，所述压力传感器安装在高压反应釜上端、套管段、第二直管段上，所述差压传感器安装在套管段上；所述流量测量部分包括气体质量流量计、液体质量流量计，气体质量流量计共有2个，一个安装在气体减压阀与气相针型阀之间的不锈钢输气管线上，另一个安装在管壳式换热器后端的气相循环管线上，所述液体质量流量计安装在第一直管段的第一球阀、第二球阀之间；所述水合物测量部分包括激光粒度仪、高速摄像机，所述激光粒度仪与高速摄像机均布置在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处，所述激光粒度仪用来检测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处的水合物形成过程中粒径的变化，所述高速摄像机用来对石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段处的水合物生成、分布、流动、聚集、沉积、堵塞情况进行摄制监测。

8.如权利要求1至7任一所述的一种用于深水油气集输管线中天然气水合物研究的实验装置的实验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态；打开气体减压阀和色谱针型阀，使高压气瓶中的天然气进入到气相色谱仪中测量天然气组成；关闭色谱针型阀，打开气相针型阀，使天然气通过不锈钢输气管线进入高压反应釜中；同时打开液相针型阀，启动恒流泵使水相通过不锈钢注液管线进入高压反应釜中；当高压反应釜中的压力达到3～6MPa时，停运恒流泵，关闭液相针型阀，关闭气相针型阀和气体减压阀，停止水和天然气的输入；使用冷水机组将高压反应釜气液相温度降到1～5℃；

步骤二：打开第一直管段上的第一球阀、第二球阀，打开第二套管段上的控制球阀，打开循环针型阀；开启机械搅拌器，同时开启磁力离心泵和天然气压缩机，使水和天然气分别在液相循环系统和气相循环系统中循环流动；

步骤三：调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤四：关闭机械搅拌器或停运天然气压缩机、磁力离心泵进行停输工况研究；开启机械搅拌器或启动天然气压缩机、磁力离心泵进行启动工况研究；在此过程中通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段中天然气水合物生成情况；

步骤五：打开连接球阀，关闭控制球阀；调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，对气液相流量进行调节，在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中观察到天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物生成、分布、流动、聚集、沉积现象；

步骤六：关闭机械搅拌器或停运天然气压缩机、磁力离心泵进行停输工况研究；开启机械搅拌器或启动天然气压缩机、磁力离心泵进行启动工况研究；在此过程中，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物生成情况；

步骤七：继续调节循环针型阀和第一直管段上的第一球阀、第二球阀，在石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中观察到天然气水合物堵塞现象时停止调节；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物堵塞现象；

步骤八：通过冷水机组将实验装置温度升高至20～50℃，通过加热解除天然气水合物对管路的堵塞，堵塞解除之后通过冷水机组将实验装置温度降到1～5℃；或者打开反应釜排气口和管线排气口，通过降压解除天然气水合物对管路的堵塞，堵塞解除之后关闭反应釜排气口和管线排气口；或者通过恒流泵注入化学试剂解堵；在此过程中通过气体质量流量计和液体质量流量计测量气液相流量，通过温度传感器和压力传感器测量装置各处的温度和压力，通过激光粒度仪、高速摄像机监测石英玻璃管段、低凹石英玻璃管段、立管石英玻璃管段中天然气水合物分解现象。

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