CN108226397A - 一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置及方法，包括：实验模拟系统、压力控制系统、流体注入系统、压力测量系统、管径调节系统、温度控制系统、循环系统、进排水系统和监控存储系统，管径调节装置同轴设置在分支管内，管径调节装置包括N个三棱体，分支管的内壁上圆周均布有N个推动缸，N个所述推动缸同时推动三棱体逐渐远离分支管内壁时，相邻的两个所述三棱体相互靠近，滑动贴合的两个侧面的重叠面积逐渐增大，流体通道横截面边长逐渐减小。本发明通过控制主管和分支管的流动速度，以及通过调节分支管直径控制主管道和分支管道内径比，研究汇流流动的机理，并模拟研究水合物形成后在金属管道粘附聚集的形成机理。

Description

一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及汽油生产工程技术领域，尤其是涉及一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置及方法。

背景技术

随着陆地石油资源的日益匮乏，以及人们对海洋油气资源的勘探越来越多，天然气水合物资源丰富，特别重视对深水油气资源的开发。水下开采尤其是在深水条件下开采和生产输送油气资源已经成为可能，但是在深水油气开采中存在着很多重要的问题和对环境的危害，其中最明显也是最严重的就是深水区水下运输管道的堵塞事故。深水区水下运输管道的堵塞会造成运输的中断，造成泄漏，污染海洋环境，使油气运输工业难以正常运作，后果非常严重。

但是长期以来，由于受深水环境、管道堵塞以及出砂问题等条件的限制，人们对水下特别是深水环境下油管完井段的流动状况以及管道内压降变化研究并不多，并且对深水环境下水合物形成的研究形成过程也不够深入，目前国内外尚未有模拟管道与可调节变径分支管内的多相流动以及水合物生成的实验装置及方法。这些都对我们全面了解井下完井孔眼处流动状况和不同管道径下水合物的堵塞以及如何应对这种堵塞造成了很大的困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中未有模拟管道与可调节变径分支管内的多相流动以及水合物生成的实验装置及方法，对我们全面了解井下完井孔眼处流动状况和不同管道径下水合物的堵塞以及如何应对这种堵塞造成了很大的困难的问题，提供一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，包括：实验模拟系统、压力控制系统、流体注入系统、压力测量系统、管径调节系统、温度控制系统、循环系统、进排水系统和监控存储系统，其中：压力控制系统为实验模型系统提供压力，流体注入系统为实验模型系统的分支管注入多相流，压力测量系统为测量立管和支管汇流前后的压力，实验模拟系统为实验提供模拟高压、低温下水合物堵塞形成的金属管道环境，温度控制系统为实验模型系统提供所需的温度环境，循环系统为实验模型系统提供模拟管道液体流动环境，进排水系统为实验模型系统提供进装液体及实验结束后的污水排放，监控存储系统监控实验模型系统的运转并将数据进行存储。

所述实验模拟系统包括垂直设置的主实验管道和分支管，所述管径调节系统包括管径调节装置，所述管径调节装置同轴设置在所述分支管内，所述管径调节装置包括N个三棱体，N个所述三棱体沿分支管的中心圆周阵列设置，相邻两个三棱体的侧面滑动贴合，N个三棱体的侧面围成供流体通过的流体通道，流体通道的横截面形状为正N边形，流体通道的中心轴线与所述分支管的中线轴线重合，所述分支管的内壁上圆周均布有N个推动缸，N个所述推动缸与N个所述三棱体一一对应，所述推动缸的中心轴线与其对应的三棱体中围布成流体通道的面之间的夹角为α，流体通道横截面的内角角度为β，α＝1/2β，N个所述推动缸同时推动三棱体逐渐远离分支管内壁时，相邻的两个所述三棱体相互靠近，滑动贴合的两个侧面的重叠面积逐渐增大，流体通道横截面边长逐渐减小。

为了使相邻两个滑块之间的运动更加平稳，所述三棱体中围布成流体通道的面上沿三棱体的移动轨迹上固定安装有滑块，与该面滑动贴合的三棱体面上开设有导轨，所述滑块滑动安装在所述导轨内。

为了防止流体从相邻三棱体的贴合面流出，所述流体通道内固定安装有伸缩橡胶软管，所述伸缩橡胶软管与三棱体中围布成流体通道的面相切且固定设置。

为了便于同时控制多个推动缸，使多个推动缸同时工作，所述管径调节装置还包括调节旋钮，所述调节旋钮与所述推动缸电连接，所述调节旋钮安装在分支管外壳上。

为了实现三棱体只能朝一个方向滑动，所述三棱体中围布成流体通道的面上沿三棱体的移动轨迹上均匀开设有若干容纳腔，若干所述容纳腔内转动安装有金属扣，与该面滑动贴合的三棱体面上沿三棱体的移动轨迹上均匀开设有限位槽，所述限位槽内设置有磁铁，当相邻的两个三棱体相互靠近时，金属扣在磁铁的作用下转动，卡设在限位槽内，限制三棱体相互远离。

一种在模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置中执行的方法，该方法包括以下步骤：

(1)、实验准备阶段：

在溶液匹配槽中先配备好所需浓度的溶液，关闭安全泄压阀、循环水进水控制阀，打开实验仓，检查管道的对接吻合，旋紧管道固定法兰，关闭实验仓。打开进水控制阀，启动进水泵，向实验模拟仓内注入所需液体，直至液体水平面淹没循环水管道出口为止，然后关闭循环水进水控制阀和进水泵，使水在实验温度控制装置中循环流通，使温度控制装置达到实验所需温度，启动进水泵和加压泵，保证实验仓内立管和分支管组合中的液体流动；打开气体增压泵与气体控制阀，启动气体增压泵开始工作，读出压力表中压力，待管道内内压力达到试验工况所需压力后，关闭气体增压泵，打开溢流安全阀；打开光源，从照明视窗向实验仓中打光，启动高速摄像机和计算机，保证高速摄像机对准观察视窗；实验准备结束；

(2)、实验进行阶段：

当实验仓内温度到达实验设定温度时，打开气体注入控制阀，然后打开气体增压泵，控制气体流量计流量，打开沙漏控制阀的开关，根据刻度控制漏砂的速度，开始模拟主实验管道与可变径分支管内的汇流流动的实验，用高速摄像机自动抓拍气泡在主实验管道上的流动情况，以及水合物的形成以及聚集阻塞过程，气体流量一定，循环水流量一定，且观察到管道有水合物形成为止，一个实验过程结束，高速摄像机抓拍的图像数据通过数据线传到计算机进行存储。

(3)、分支管的变径阶段：

对实验管道进行泄压，通过调节分支管外壁上的调节旋钮，调节旋钮控制推动缸启动，N个推动缸同时推动N个三棱体远离分支管内壁，相邻的两个三棱体相互靠近，滑块在导轨内滑动，起到了导向作用，滑动贴合的两个侧面的重叠面积增大，流体通道横截面边长减小，流体通道的横截面面积减少，流体通道的管径变小，金属扣在磁铁的作用下转动，卡设在限位槽内，使三棱体只能按固定方向移动，防止三棱体相互远离，流体通道的管径固定，重复上述步骤进行下一组实验。以此类推根据实验的需求，可进行多组不同管径比的实验。

(4)、实验结束阶段：

先关闭温度控制装置，打开实验管道的安全泄压阀泄压，关闭进水控制阀和循环水出水控制阀，打开实验仓下端的排水阀，将一次实验后实验模拟仓内的污水放空至水池，实验结束。

本发明的有益效果是:(1)本装置可以测量一定温度、压力条件下主实验管道与可变径分支管内的汇流流动压降，可实现不同管径比，不同介质，不同注入比的压降测量；

(2)本装置可以模拟得到一定温度、压力条件下主管道和分支管道的汇流流动以及水合物的形成；

(3)本装置实验过程中无需拆卸管道进行管径调节，防止了介质的泄露，提高了实验的准确性；

(4)通过处理计算机中存储图像数据，可以分析不同管径比、不同气体流速、不同固相颗粒浓度、液体流速下的水合物形成机理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的二维示意图；

图2是本发明中管径调节装置的主视图；

图3是本发明中三棱体的三维装配示意图；

图4是本发明中相邻两个三棱体配合的剖视图；

图5是本发明中管径调节装置变径后的主视图。

图中：1.分支管，2.三棱体，3.流体通道，4.气缸，5.滑块，6.导轨，8.容纳腔，9.金属扣，10.限位槽，11.磁铁，12.溶液匹配槽，13.安全泄压阀，14.循环水进水控制阀，15.实验仓，16.管道固定法兰，17.进水泵，18.实验温度控制装置，19.加压泵，20.气体增压泵，21.气体控制阀，22.压力表，23.溢流安全阀，24.气体注入控制阀，25.沙漏控制阀。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，包括：实验模拟系统、压力控制系统、流体注入系统、压力测量系统、管径调节系统、温度控制系统、循环系统、进排水系统和监控存储系统，其中：压力控制系统为实验模型系统提供压力，流体注入系统为实验模型系统的分支管1注入多相流，压力测量系统为测量立管和支管汇流前后的压力，实验模拟系统为实验提供模拟高压、低温下水合物堵塞形成的金属管道环境，温度控制系统为实验模型系统提供所需的温度环境，循环系统为实验模型系统提供模拟管道液体流动环境，进排水系统为实验模型系统提供进装液体及实验结束后的污水排放，监控存储系统监控实验模型系统的运转并将数据进行存储。

所述实验模拟系统包括垂直设置的主实验管道和分支管1，实验仓15上下两端密封，上部开有介质流出孔，以及压力表22、安全控制阀，下部和侧面开有流体体注入孔。有两层可视窗口，一层为实验仓15上安装的实验舱可视窗口，另一层为主实验管道和分支管1装的管道可视窗口，实验仓15底端和侧面安装有温度控制装置，实验仓15内主实验管道分别与气相、液相管线相连，达到气液两相流，分支管1分别与气相、固相、液相管线相连，达到气液固三相流，通过双层可视窗口可观察实验的流型以及水合物的堵塞情况。

压力测量系统，包括试验管线上的压力表22，还包括在反应釜内的主实验管和可变径分支管1上装有多个压力测量头，主实验管道内设有7个，分支管1设有2个。温度控制系统包括：实验管线流入口与温度控制器流入口相连，通过螺旋管道，所述螺旋管道与温控循环管道接触面呈现凹凸状增加传热面积，通过改变温控循环管道内介质温度来改变螺旋管道内实验介质的温度，实验仓15内的实验管道则与温度控制器流出口相连，实验仓15采用隔温材料，保证实验温度管线不受外界环境温度的影响，试验管线内装有温度计。循环系统包括：液相气相固相分离装置，气相根据需求可以进入收集气瓶或排出，固体颗粒沉淀在分离装置下部，液相流入液相收集槽，所述液相收集槽可以与溶液匹配槽12通过管线与控制阀相连形成循环系统。进排水系统包括：溶液匹配槽12、进水控制阀、进水泵17、一次加压泵19、二次加压泵19依次通过管线相连，固相颗粒加注装置，包括沙漏，固体颗粒下漏控制阀，并与液相管线相连，液相通过孔眼流出，液相控制阀、气相控制阀通过管线连接在反应釜的循环水出口相连的管线上，排水阀通过管线连接在循环水进水控制阀14与实验模拟仓下部的循环水进口相连的管线上。监控存储系统包括高速摄像机和计算机，高速摄像机和计算机连接，高速摄像机的镜头对准观察视窗。

所述管径调节系统包括管径调节装置，所述管径调节装置同轴设置在所述分支管1内，所述管径调节装置包括10个三棱体2，如图2所示，10个所述三棱体2沿分支管1的中心圆周阵列设置，相邻两个三棱体2的侧面滑动贴合，所述三棱体2中围布成流体通道3的面上沿三棱体2的移动轨迹上固定安装有滑块5，与该面滑动贴合的三棱体2面上开设有导轨6，所述滑块5滑动安装在所述导轨6内，如图3所示。10个三棱体2的侧面围成供流体通过的流体通道3，流体通道3的横截面形状为正十边形，流体通道3的中心轴线与所述分支管1的中线轴线重合，所述流体通道3内固定安装有伸缩橡胶软管，所述伸缩橡胶软管与三棱体2中围布成流体通道3的面相切且固定设置。所述分支管1的内壁上圆周均布有10个推动缸，本发明使用的推动缸为气缸4，10个所述气缸4与10个所述三棱体2一一对应，所述气缸4的中心轴线与其对应的三棱体2中围布成流体通道3的面之间的夹角为α，流体通道3横截面的内角角度为β，α＝1/2β，其中β＝144°，则α＝72°，10个所述气缸4同时推动三棱体2逐渐远离分支管1内壁时，相邻的两个所述三棱体2相互靠近，滑动贴合的两个侧面的重叠面积逐渐增大，流体通道3横截面边长逐渐减小。

所述管径调节装置还包括调节旋钮，所述调节旋钮与所述气缸4电连接，所述调节旋钮安装在分支管1外壳上。所述三棱体2中围布成流体通道3的面上沿三棱体2的移动轨迹上均匀开设有若干容纳腔8，若干所述容纳腔8内转动安装有金属扣9，与该面滑动贴合的三棱体2面上沿三棱体2的移动轨迹上均匀开设有限位槽10，所述限位槽10内设置有磁铁11，当相邻的两个三棱体2相互靠近时，金属扣9在磁铁11的作用下转动，卡设在限位槽10内，限制三棱体2相互远离，如图4所示。

一种在模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置中执行的方法，该方法包括以下步骤：

(1)、实验准备阶段：

在溶液匹配槽12中先配备好所需浓度的溶液，关闭安全泄压阀13、循环水进水控制阀14，打开实验仓15，检查管道的对接吻合，旋紧管道固定法兰16，关闭实验仓15。打开进水控制阀，启动进水泵17，向实验模拟仓内注入所需液体，直至液体水平面淹没循环水管道出口为止，然后关闭循环水进水控制阀14和进水泵17，使水在实验温度控制装置18中循环流通，使温度控制装置达到实验所需温度，启动进水泵17和加压泵19，保证实验仓15内立管和分支管1组合中的液体流动；打开气体增压泵20与气体控制阀21，启动气体增压泵20开始工作，读出压力表22中压力，待管道内内压力达到试验工况所需压力后，关闭气体增压泵20，打开溢流安全阀23；打开光源，从照明视窗向实验仓15中打光，启动高速摄像机和计算机，保证高速摄像机对准观察视窗；实验准备结束；

(2)、实验进行阶段：

当实验仓15内温度到达实验设定温度时，打开气体注入控制阀24，然后打开气体增压泵20，控制气体流量计流量，打开沙漏控制阀25的开关，根据刻度控制漏砂的速度，开始模拟主实验管道与可变径分支管1内的汇流流动的实验，用高速摄像机自动抓拍气泡在主实验管道上的流动情况，以及水合物的形成以及聚集阻塞过程，气体流量一定，循环水流量一定，且观察到管道有水合物形成为止，一个实验过程结束，高速摄像机抓拍的图像数据通过数据线传到计算机进行存储。

(3)、分支管1的变径阶段：

对实验管道进行泄压，通过调节分支管1外壁上的调节旋钮，调节旋钮控制气缸4启动，N个气缸4同时推动N个三棱体2远离分支管1内壁，相邻的两个三棱体2相互靠近，滑块5在导轨6内滑动，起到了导向作用，滑动贴合的两个侧面的重叠面积增大，流体通道3横截面边长减小，流体通道3的横截面面积减少，流体通道3的管径变小，如图5所示，金属扣9在磁铁11的作用下转动，卡设在限位槽10内，使三棱体2只能按固定方向移动，防止三棱体2相互远离，流体通道3的管径固定，重复上述步骤进行下一组实验。以此类推根据实验的需求，可进行多组不同管径比的实验。

(4)、实验结束阶段：

先关闭温度控制装置，打开实验管道的安全泄压阀13泄压，关闭进水控制阀和循环水出水控制阀，打开实验仓15下端的排水阀，将一次实验后实验模拟仓内的污水放空至水池，实验结束。

本发明提供一种模拟管道带有分支管的汇流流动，以及可以模拟水合物形成机理的实验装置，用于实现在室内对多种主支管径比和多种流型下的汇流压降的测量以及气体水合物在金属管道聚集形成机理的研究，为多种流型下气体水合物在金属管道阻塞形成模拟提供精准的模型参数和有效数据，并可以模拟天然气水合物开采井筒完井段的孔眼处的汇流流动的压降测量及确定不同流速下水合物阻塞形成的速度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，包括：实验模拟系统、压力控制系统、流体注入系统、压力测量系统、管径调节系统、温度控制系统、循环系统、进排水系统和监控存储系统，所述实验模拟系统包括垂直设置的主实验管道和分支管(1)，其特征在于：所述管径调节系统包括管径调节装置，所述管径调节装置同轴设置在所述分支管(1)内，所述管径调节装置包括N个三棱体(2)，N个所述三棱体(2)沿分支管(1)的中心圆周阵列设置，相邻两个三棱体(2)的侧面滑动贴合，N个三棱体(2)的侧面围成供流体通过的流体通道(3)，流体通道(3)的横截面形状为正N边形，流体通道(3)的中心轴线与所述分支管(1)的中线轴线重合，所述分支管(1)的内壁上圆周均布有N个推动缸，N个所述推动缸与N个所述三棱体(2)一一对应，所述推动缸的中心轴线与其对应的三棱体(2)中围布成流体通道(3)的面之间的夹角为α，流体通道(3)横截面的内角角度为β，α＝1/2β，N个所述推动缸同时推动三棱体(2)逐渐远离分支管(1)内壁时，相邻的两个所述三棱体(2)相互靠近，滑动贴合的两个侧面的重叠面积逐渐增大，流体通道(3)横截面边长逐渐减小。

2.如权利要求1所述的一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，其特征在于：所述三棱体(2)中围布成流体通道(3)的面上沿三棱体(2)的移动轨迹上固定安装有滑块(5)，与该面滑动贴合的三棱体(2)面上开设有导轨(6)，所述滑块(5)滑动安装在所述导轨(6)内。

3.如权利要求1所述的一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，其特征在于：所述流体通道(3)内固定安装有伸缩橡胶软管，所述伸缩橡胶软管与三棱体(2)中围布成流体通道(3)的面相切且固定设置。

4.如权利要求1所述的一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，其特征在于：所述管径调节装置还包括调节旋钮，所述调节旋钮与所述推动缸电连接，所述调节旋钮安装在分支管(1)外壳上。

5.如权利要求1所述的一种模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置，其特征在于：所述三棱体(2)中围布成流体通道(3)的面上沿三棱体(2)的移动轨迹上均匀开设有若干容纳腔(8)，若干所述容纳腔(8)内转动安装有金属扣(9)，与该面滑动贴合的三棱体(2)面上沿三棱体(2)的移动轨迹上均匀开设有限位槽(10)，所述限位槽(10)内设置有磁铁(11)，当相邻的两个三棱体(2)相互靠近时，金属扣(9)在磁铁(11)的作用下转动，卡设在限位槽(10)内，限制三棱体(2)相互远离。

6.一种在模拟主分支管比可变的水合物生成的实验装置中执行的方法，该方法包括以下步骤：

(1)、实验准备阶段：

在溶液匹配槽(12)中先配备好所需浓度的溶液，关闭安全泄压阀(13)、循环水进水控制阀(14)，打开实验仓(15)，检查管道的对接吻合，旋紧管道固定法兰(16)，关闭实验仓(15)。打开进水控制阀，启动进水泵(17)，向实验模拟仓内注入所需液体，直至液体水平面淹没循环水管道出口为止，然后关闭循环水进水控制阀(14)和进水泵(17)，使水在实验温度控制装置(18)中循环流通，使温度控制装置达到实验所需温度，启动进水泵(17)和加压泵(19)，保证实验仓(15)内立管和分支管(1)组合中的液体流动；打开气体增压泵(20)与气体控制阀(21)，启动气体增压泵(20)开始工作，读出压力表(22)中压力，待管道内内压力达到试验工况所需压力后，关闭气体增压泵(20)，打开溢流安全阀(23)；打开光源，从照明视窗向实验仓(15)中打光，启动高速摄像机和计算机，保证高速摄像机对准观察视窗；实验准备结束；

(2)、实验进行阶段：

当实验仓(15)内温度到达实验设定温度时，打开气体注入控制阀(24)，然后打开气体增压泵(20)，控制气体流量计流量，打开沙漏控制阀(25)的开关，根据刻度控制漏砂的速度，开始模拟主实验管道与可变径分支管(1)内的汇流流动的实验，用高速摄像机自动抓拍气泡在主实验管道上的流动情况，以及水合物的形成以及聚集阻塞过程，气体流量一定，循环水流量一定，且观察到管道有水合物形成为止，一个实验过程结束，高速摄像机抓拍的图像数据通过数据线传到计算机进行存储。

(3)、分支管(1)的变径阶段：

对实验管道进行泄压，通过调节分支管(1)外壁上的调节旋钮，调节旋钮控制推动缸启动，N个推动缸同时推动N个三棱体(2)远离分支管(1)内壁，相邻的两个三棱体(2)相互靠近，滑块(5)在导轨(6)内滑动，起到了导向作用，滑动贴合的两个侧面的重叠面积增大，流体通道(3)横截面边长减小，流体通道(3)的横截面面积减少，流体通道(3)的管径变小，金属扣(9)在磁铁(11)的作用下转动，卡设在限位槽(10)内，使三棱体(2)只能按固定方向移动，防止三棱体(2)相互远离，流体通道(3)的管径固定，重复上述步骤进行下一组实验。以此类推根据实验的需求，可进行多组不同管径比的实验。

(4)、实验结束阶段：

先关闭温度控制装置，打开实验管道的安全泄压阀(13)泄压，关闭循环水进水控制阀(14)和循环水出水控制阀，打开实验仓(15)下端的排水阀，将一次实验后实验模拟仓内的污水放空至水池，实验结束。