CN108474776B - 用于测量气体中的硫溶解度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本文提供用于测量测试气体中硫的溶解度的方法和系统，其包括使所述测试气体流入装有元素硫并维持在升高温度下的第一管道(112)中，将含有元素硫的所述测试气体引入维持在较低温度下的第二管道(116)中，使所述测试气体流入第三管道(120)中，所述第三管道的一部分(124)维持在足以导致元素硫沉积的冷温度下，并基于元素硫的沉积量计算所述硫溶解度。

Description

用于测量气体中的硫溶解度的方法和系统

技术领域

本揭示案涉及用于收集少量(亚毫克水平)的元素硫(或其他痕量元素，例如汞)的方法和器件，所述元素硫是从典型石油生产环境中发现的气体或具有预期硫沉积问题的气流以及除石油和气体外的工业中所含有的ppm水平的元素硫(或其他痕量元素，例如汞)沉积得来。使用用于测定所收集硫的量的合适的分析化学技术，并从该结果可以计算固定温度、压力和气体组成下气体中硫的溶解度。

背景技术

硫的管理仍然是酸气和天然气操作中持续存在的问题。在许多酸气操作中，气体中的元素硫蒸气可以在不同位置沿着酸气系统冷凝和沉积，此会造成许多问题。例如，气体管线和加工设施中的硫沉积会提高公称管中的腐蚀速率，并造成泄漏或堵塞，其阻碍气体管线正常操作。随后的硫沉积物的移除和处理则会引起安全和环境问题。由于与移除硫沉积物相关的问题，需要有方法来准确地预测未来硫沉积物在气体管线(例如，管线、压力容器等)结构内的位置，并且还预测可以沉积的硫的最大量。

石油和气体生产技术专业人员通常清楚地知道经常在油层气中发现饱和或显著水平的元素硫。其通常也知道如下事实：气体的压力或温度降低可导致硫从气体沉淀和沉积。或者，其很难知道其设施中其可能会发现沉积硫的位置，并且在那些位置，可预计沉积多少硫。由于缺乏所述知识，石油和气体生产工程师难以确定如何管理其设施中潜在的硫沉积以及随后其可能产生的问题。现有技术中需要什么以及缺乏什么是石油和气体生产人员使用研发的硫沉积预测模型。为了创建为油田气体操作量身打造的这种模型，需要三种类型的数据：

1.溶解在进入气体处理设施的气体中的硫的量，所述量随其组成、压力和温度变化

2.溶解在气体中的硫的量，所述量随温度降低变化

3.溶解在气体中的硫的量，所述量随压力降低变化

使用现有技术，难以测定进入气体设施的气流中的硫的量。然而，利用现有技术，不能经济有效地或尤其可行地测定随温度或压力降低变化的溶解于气体中的硫的量。以下段落详细解释了这一点。

更具体地说，在现有技术中，可用基于实验室的技术，其试图提供用于准确测定气体中的硫的手段。所有现有的基于实验室的技术都采用封闭系统，其中将一定体积的气体加压至固定体积平衡单元或高压釜内的所需压力，所述平衡单元或高压釜被控制在所需温度。尽管完全能够模拟任何油田的气体环境，但固定体积的封闭系统不能提供准确测定气体中硫的手段。现有技术的基于实验室的技术的缺陷直接从固定体积的封闭系统产生。实例和论述将澄清这一点。

对于这个实例，将假设研究人员试图为典型石油和气体生产环境中发现的100％甲烷气流创建硫沉积预测模型。因此，需要准确测定在压力和温度下通常在气体生产设施中发现的甲烷气体中的元素硫来创建模型。在含有甲烷的气体生产设施中典型的一组条件是其中甲烷在300-psia压力下和在45℃温度下的条件。研究人员为了进行测试，将使用典型的现有技术、封闭、固定体积的高压釜容器。为了其益处，研究人员认识到，其容器的体积越大，其测试结果就越好。因此，其决定使用体积为10升的非常大的固定体积容器。在300-psia压力和45℃温度的条件下，甲烷气体通常可以含有每百万标准立方英尺气体0.01磅的元素硫。现有技术的分析化学技术需要最少约0.1毫克的沉积的元素硫进行准确和精确的测定。因此，在这些压力和温度条件下，收集0.1毫克元素硫所需的甲烷气体的体积在标准1气压下将约为625升。在300-psia压力下，其是约31升气体。考虑到测试容器的体积为10升，显而易见的是，为了满足分析技术的要求，从10升容器中移除31升气体是不可能的。这使得本实例中的研究人员无法研发用于典型石油和气体生产环境中发现的甲烷气体的硫沉积预测模型。可以认为可以使用更大的高压釜容器。这可能是事实，但使用更大的压力容器的成本和复杂性以惊人的速度增加。然而，存在将显示当前实验室技术的缺陷的另一微妙点。为了准确且精确地测定气体中硫的量，必须采样足够体积的气体，以便为分析化学分析收集充足的硫。在上述实例中，其是约31升。不管采样气体的体积是1毫升或31升，其都代表从固定体积容器中物理移除气体。如果从固定体积容器中移除1毫升气体，那么占用相同体积的气体将减少，并且容器内的压力必须降低。已经确定，气体中所含有的元素硫的饱和程度与气体的压力成正比。因此，当从现有技术的固定体积容器中移除气体时，容器内的压力将下降，并且气体中所含有的硫的量也将下降。现有技术的基于实验室的固定体积容器无法克服这个问题。

应该理解的是，上述实例本质上是示例性的，并且是为了说明常规技术的缺陷而提出。

同样在业内，石油和气体生产工程师可以使用现场技术，这可以提供准确测定气体中的硫的手段。在这种基于现场测试的情况下，由于通常可获得大体积的气体，可以获得潜在的准确结果，这克服了上述基于实验室的测量的限制。然而，这些方法并不常用，因为其本身知道在一个特定位置的气体中硫的量为工程师提供了非常有限的知识。工程师不知道测量位置上游气体中的硫的量，并且将无法预测测量位置下游设施中硫是否会沉淀和沉积或沉淀和沉积多少。理论上，工程人员可以在多个压力和温度变化的位置测定气流中硫的量，目的是创建其自身硫沉积预测模型。但是，这样做的成本、时间、安全问题和复杂性会很麻烦，至完全不切实际的程度。

总之，现有技术中需要什么以及缺乏什么是石油和气体生产人员使用研发的硫沉积预测模型。为了创建为油田气体操作量身打造的这种模型，需要三种类型的数据：

1.溶解在进入气体处理设施的气体中的硫的量，所述量随其组成、压力和温度变化；

2.溶解在气体中的硫的量，所述量随温度降低变化；以及

3.溶解在气体中的硫的量，所述量随压力降低变化。

本发明所表达的意图是通过连续的气体流动能力准确且精确地产生这三个数据，这将提供用于创建供石油和气体生产人员使用的所研发的硫沉积预测模型的手段。

发明内容

本发明涉及评估关于硫沉积潜力的气田和设施，更具体地说，涉及用于测量感兴趣气体(例如来自新的探测油田的气体)的硫溶解度的连续气体流动系统和方法。

本发明涉及用于在实验室类型的器件中测量测试气体在所选测试温度和压力下的硫溶解度的方法和系统。用于测定感兴趣气体(“测试气体”)的硫溶解度的一种示例性方法包括使测试气体流入可位于系统的第一站的第一管道的步骤。第一管道装有元素硫，并至少维持第一温度下，在当测试气体流经第一管道时，所述第一温度足以引起元素硫由测试气体吸收。测试气体吸收的元素硫超过了在所述测试温度下测试气体中元素硫的天然平衡溶解度水平。

所述方法还包括将测试气体引入第二管道的步骤。第二管道与第一管道流体连通，并至少维持在第二温度下，所述第二温度足以将测试气体的温度降低到与测试温度相等的温度，使得测试气体中元素硫的量降低到在测试温度下测试气体中的其天然平衡溶解度水平。随后，饱和测试气体流入与第二管道流体连通的第三管道中。第三管道的至少一部分维持在足以导致元素硫从饱和测试气体沉积到第三管道的一部分中的第三温度下。基于第三管道中沉积的元素硫的量和在给定实验运行中通过系统的测试气体的体积计算测试气体的硫溶解度。

附图说明

在结合附图阅读下文所述各种实施方案的详细描述时，本揭示案的其他方面将更容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个或多个实施方案的用于测量气体中硫溶解度的系统的示意图。

具体实施方式

本揭示案详述用于测定实验室类型的环境或其他测试场所/实验设定中气流中硫溶解度的系统和方法。尽管常规实验室方法利用在平衡单元或高压釜内将已知体积的气体加压至特定压力的封闭系统(即无气流)，但本系统和方法利用连续气体流动系统(即，通过设备的连续气体流动)。使用连续气体流动允许本发明收集足够的硫用于准确且精确的测量，而封闭或密封容器则不能。更具体地说，在测试压力和测试温度下使气体连续流动长的持续时间(例如数小时、数天、数周)的能力允许非常准确地分析气体的硫溶解度，即使对于在预计气体中的硫吸收极低的低的压力和温度下的气体。本发明的另一优点是其更好地模拟气体自然流动的实际气体管线的状况的能力。此外，本发明可以帮助研发用于预测在宽范围参数(例如，气体组成、温度、压力)下任何气体的硫溶解度和沉积的数值计算模型。

本申请的实验室系统和方法可以用于测量特定气流的元素硫的沉积和溶解度(例如，以百万份数[ppm]水平表示)。在一个或多个实施方案中，感兴趣的气流进入第一管道，其中气流充满高水平的硫。感兴趣的气流(例如)可以包括来自新气田的目标气体或操作员已知的具有与硫有关的问题的任何其他气流。含有高水平的元素硫的气流然后流入第二管道，其中测试温度低于第一管道(但压力相同)。第二管道中的温度下降导致从第一管道沉积过量硫。在测试温度下和在测试压力下，将离开第二管道的气体用硫饱和。在离开第二管道后，硫饱和的气流流入第三管道，其中条件足以使气流中的硫冷凝并沉淀在收集位点。然后可以测定沉积硫的重量和通过系统的测试气体的总体积以计算气流的硫溶解度。

本申请的系统和方法允许测定在不同温度和压力(包括低温和/或低压力)下干和湿气体中元素硫的溶解度。特定来说，本系统和方法利用连续气体流动系统(即，通过设备的连续气体流动)。使用连续气体流动允许本发明收集足够的硫用于准确且精确测量，而常规实验室方法(封闭或密封容器)则不能。

更具体地说，常规实验室方法利用大小相当小(通常体积为一升或更小)的密封(不连续气体流动)压力容器。在压力容器内重新创建待测试的环境。一段时间后，从容器中移出小的气体样品并对其含有的硫进行分析。常规方法的一个问题是，这些气体在其真实天然平衡水平下所含有的硫的量非常小(例如，低的百万份数)。因此，通过这些常规方法收集的硫的量非常小，以至于甚至检测到硫也造成巨大的分析挑战，更不用说可靠地测定所收集的量。

本申请的系统具有在固定水平的压力、温度和气体组成下实现气体中元素硫的天然平衡水平的能力。所述系统还具有与通常在油田环境中发现的任何气体组合物(包括含有硫化氢的那些)以及其他类型的气体组合物一起起作用的能力。

本发明的另一优点是其更好地模拟气体自然流动的实际气体管线设备的条件的能力。这个系统相对于现有技术的另一优点是可以使用水饱和的气流。更具体地说，在至少一个实施方案中，系统可以在测试压力和测试温度下用水使气体饱和。通常在油田环境中发现的气体组合物中元素硫的主要来源是来自天然存在于含有石油和气体的地下地层中的硫。水通常也存在于含有石油和气体的地下地层中，并且因此从地下地层产生的气体通常经水和硫饱和。气体中的水饱和度可能对气体中硫的溶解度水平有很大影响。因此，测定湿气和干气中硫溶解度的能力是对现有技术的改进。现在参照附图更全面地描述用于测量在实验室类型环境中气流中硫溶解度的所提及的系统和方法，所述附图中显示一个或多个所阐释的实施方案和/或系统的布置和方法。系统和方法不以任何方式限于所阐释的实施方案和/或布置，这是因为下文所述的所阐释实施方案和/或布置仅仅是系统和方法的示例，其可以各种形式体现，如本领域技术人员所理解。因此，应该理解，本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制系统和方法，而是作为代表性的实施方案和/或布置来提供，以用于教导本领域技术人员一种或更多种方式来执行系统和方法。

图1示出了用于测定实验室类型环境或其他测试/实验设定中选定(目标)气流的硫溶解度的示例性系统100。图1还显示了示例性流程图。系统100包括气体源，例如容器(例如储存器或罐)102，其含有系统100的感兴趣(测试气体)的测试气体。测试气体可以包括一种或多种各种气体，包括但不限于CH₄、CO₂和H₂S(或其任何组合)；或沉积硫是问题的任何其他气体组合物，例如典型石油生产环境中发现的任何气体或具有预期硫(或其他痕量元素，例如汞)沉积问题的气流；以及除石油和气体外的其他工业的类似气体。

在一个或多个实施方案中，系统100的流体的流速由流动控制系统控制，所述流动控制系统包括一个或多个数字式质量流量计、压力调节器、阀、压力计和/或压力安全元件(例如，防爆盘)。尽管系统100的流动控制系统(参见图1)(如下面的实施例部分中所述)以特定方式配置，但是可以使用任何数量的阀、调节器、压力计等的配置用于流动控制系统，以完成系统100内流体的指定流速。

尽管系统100的测试气体效仿实际气体管线设备的气流或可以从现有的气体管线设备采样，但应该注意到系统100本身被设计为远离且不直接连接到气体管线结构。因此，系统100是与现场气体处理系统分开和远离的实验室(测试)系统。

再次参照图1，测试气体从容器102通过第一流体通道104(例如公称管、管子)流到系统100的其余部分。在一个或多个实施方案中，系统100还可以包括氮气(N₂)气体容器(罐或储存器)106。在至少一个实施方案中，在感兴趣的测试气体的测试运行开始之前，容器106中的N₂气体可以分别通过第二和第三流体管道108和110泵送到系统100的其余部分以吹扫任何氧气的系统100。然而，在至少一个实施方式中，系统可以允许将氧气引入气流中。如图中所示，本文所述的管道可以包括传统的设备，例如阀、调节器等，以控制氮气和测试气体的流动。如所示，第一和第二管道104、108流向同样连接到第三管道110(例如公称管或管子)的阀机构，所述第三管道将相应的气体递送到系统100的下游测试设备。

为了开始测试气体的测试运行，测试气体从容器102流动通过第一管道104和第三管道110并被递送到系统100的第一站(部分)101。系统100的第一站101经设计以在促进这种活动的选定的规定条件下充满具有高水平(不一定是饱和水平)的元素硫的气流。系统100的第一站101包括与第三管道110流体连通的第四管道(所要求保护的第一管道)112。因此，第四管道112装有元素硫并且第四管道112的条件使得测试气体在离开第四管道112之前充满高水平的元素硫。在一个或多个实施方式中，第四管道112中的元素硫呈粉末形式并沿第四管道112的选定部分(长度)安置在第四管道112内。

在流经第四管道112期间，测试气体“捡起”元素硫，使得测试气体充分充满高水平的元素硫(这是由测试气体流经元素硫引起)。测试气体的元素硫捡起水平随特定测试气体组成以及第四管道112内的压力和温度以及测试气体在第四管道112内的滞留时间变化。滞留时间必须足够长，以确保气流在进入第二水浴之前具有足够高的硫吸收水平。在一个或多个实施方式中，测试气体在离开第四管道112时所含有元素硫的量超过在管道116中离开的较低测试温度(测试温度)下测试气体中元素硫的天然平衡溶解度水平。第四管道112中充足的滞留时间对于提供最准确的测量可能是至关重要的。因此，在一个或多个实施方案中，可以将测试气体的气体流速设定为较低的值，以确保在第四管道112中有足够的滞留时间。例如，在一个或多个实施方案中，测试气体进入第四管道112中的气体流速约为50ml/min。测试气体进入并通过第四管道112的气体流速也可以受第四管道112的物理结构(例如，第四管道112的环的数量和尺寸)的影响。

在一个或多个实施方式中，第四管道112的温度升高，使得第四管道112中的测试气体的温度升高并且变得足以导致测试气体足够高水平的硫吸收。足够高水平的硫捡起所需的第四管道112的温度可以根据例如测试气体的组分和第四管道112的尺寸而变化。在一个或多个实施方式中，第四管道112的温度小于或等于95℃。在一个或多个实施方案中，可以基于测试气体的已知组分和第四管道112的尺寸来预定第四管道112的温度。应该理解的是，在选择第四管道112的目标温度时可以考虑其他因素。

第四管道112的温度可以本领域普通技术人员已知的各种方式加以控制。在至少一个实施方案中(如图1中所示)，第四管道112可以暴露于加热介质，并且特定来说，第四管道112可以位于水浴114内。在这个实施方案中，可以操纵水浴114的温度以改变第四管道112的温度，并因此改变流经第四管道112的测试气体的温度。因此，第四管道112可以浸没或以其他方式与介质(例如浴114中的水)接触。

在至少一个实施方案中，第四管道112可以是单一公称管或管子。在一个或多个实施方案中，第四管道112也可以是一组互连的公称管或管子。例如，如图1中所示，第四管道112可以是以蛇形方式布置的一系列互连的管子，用于增加表面积并使气体暴露于围绕并加热第四管道112的介质(例如，水)。在一个或多个实施方案中，一系列互连的管子具有大的直径(例如0.5英寸)。互连的管子的大直径允许测试气体与硫粉接触更长时间，这确保测试气体在离开第四管道112之前足够充满高水平的元素硫。在一个或多个实施方案中，测试气体在第四管道112中的滞留时间为至少2小时。相对长的滞留时间以及升高的温度允许测试气体在离开第四管道112时所含有元素硫的量超过在管道116中离开的较低测试温度下测试气体中元素硫的天然平衡溶解度水平。还应该注意的是，本系统的容器和/或管道可以由本领域已知的金属或金属混合物制成。在一个或多个实施方案中，本系统的容器和/或管道可以由一种或多种耐腐蚀合金制成。

在本发明的第一站或级101中由测试气体吸收足够高水平的硫之后，现在充满硫的测试气体从第一站或级流到系统100的第二站或级115。更具体地说，充满硫的测试气体从与第一站101相关的第四管道112流到与第二站/级115相关的第五管道(所要求保护的第二管道)116。第二站115被配置成将测试气体的温度降低到规定温度(范围)。特定来说，第二站115的条件使得将第五管道116中的测试气体降低到如下温度：模拟测试气体将处于系统中用于加工或输送气体(其中预期硫捡起)的温度(即测试温度)。换句话说，第五管道116(第二站中)的温度将测试气体的温度改变为基本上等于在离开第五管道116之前选定的测试温度的温度。测试温度可以基于例如测试气体的组分和第五管道116的尺寸而变化。在一个或多个实施方案中，测试温度比第四管道112的温度低10℃到15℃。

此外，小心地调整第二级115中的气体流动条件，使得基于操作员试图测定硫溶解度的工业工艺条件预定第五管道116的温度和其中流动的气体的压力(即，测试温度和测试压力)。如上所论述，测试气体在升高的温度下进入第五管道116，并且其含有超过第五管道116的测试温度下气体的溶解度限值的硫。因此，当测试气体进入第五管道116时，条件(例如，测试温度和测试压力)使得测试气体在第五管道116的壁上沉积过量的硫。第五管道116中的测试气体的滞留时间足以确保测试气体在特定的测试温度和测试压力下达到硫的天然平衡溶解度水平。因此，当测试气体离开第五管道116时，在测试温度和测试压力下其经硫饱和。

与第四管道112一样，第五管道116的温度可以以本领域普通技术人员已知的各种方式加以控制。在至少一个实施方案中(如图1中所示)，第五管道116可以安置在冷却介质(在这种情况下为水浴118)内。在这个实施方案中，可以操纵水浴118的温度以改变(例如，降低)第五管道116的温度，并因此改变其中流动的硫饱和的测试气体的温度。

第五管道116内硫饱和的测试气体的滞留时间必须足够长以确保测试气体在所需温度(即，基本上等于测试温度)下离开第五管道116。通常，第五管道116中的测试气体的滞留时间比第四管道112中的测试气体的滞留时间短。因此，在一个或多个实施方案中，可以改变(例如，通过质量流量控制器)硫饱和的测试气体进入第五管道116中的气体流速以确保在第五管道116中有足够的滞留时间。通常在测试运行开始时计算和设定测试气体的气体流速。第五管道116中的硫饱和的测试气体的气体流速也可以受第五管道116的尺寸影响。例如，第五管道116可以是具有1/8英寸外径的单一盘管子等。在一个或多个实施方案中，第五管道116也可以是一组串联布置的互连的公称管或管子。如图1中所示，例如，第五管道116可以是以蛇形方式布置的一系列互连的管子或公称管，以增加表面积并允许其中流动的气体经受冷却介质。

在第五管道116中硫饱和的测试气体的温度降低之后，硫饱和的测试气体流入系统100的第三站或级119。如本文所述，第三站/级119是以受控方式从测试气体中以沉淀形式收集元素硫者。第三站/级119包括流体连接到第二站115的第五管道116的第六管道(所要求保护的第三管道)120。如本文所述，气体在第六管道120内流动并且以允许小心地收集、测量和分析元素硫的方式经受导致元素硫从测试气体中沉积的条件。

在一个或多个实施方式中，测试气体中的全部硫均沉积在收集区中的第六管道120中。

在一个或多个实施方案中(如图1中所示)，第六管道120包括三个部分，即流入部分122、捕集部分124和流出部分126。在一个或多个实施方式中，流入部分122是流体连接到管道116的连续加热的管子或公称管。流入部分122的条件(例如，温度、压力)确保硫饱和的测试气体(来自第五管道116)的温度保持足够高以避免流入部分122内元素硫的任何沉积。

继续参照图1，硫饱和的测试气体从流入部分122流到捕集部分124。捕集部分124的条件使得硫饱和的测试气体使硫在捕集部分124中沉淀(沉积)。具体地说，在一个或多个实施方案中，在进入捕集器部分124时，硫饱和的测试气体混合物被“骤冷”(快速冷却)到非常低的温度，从而导致溶解在饱和测试气体中的总量的硫立即冷凝和沉积。在元素硫沉积于捕集部分124中之后，使用常规的分析技术和设备测定沉积硫的重量。

应该注意，在一个实施方案中，捕集部分124作用于其中流动的测试气体的温度，但不作用于气体的压力。需要限制或防止气体压力的任何变化，这是因为作用于测试气体压力的系统将导致在压力降低装置的位置处沉淀，并因此增加了不准确测量的潜能。在一个或多个实施方案中(如图1中所示)，捕集部分124可以是U形管子。U形管子允许沉积的硫聚集在“U”形底部，这允许更容易地收集和随后测量沉积的硫，这是因为沉淀的气体不会流到U形部分的下游。U形管子还确保沉积的硫不会被气流推动并提升到位于下游的洗气罐，其会影响测量的溶解度值。在至少一个实施方案中，捕集部分124可以是V形的或具有导致沉淀的硫由于重力而在区域中收集的另一配置。

与系统100的其他部分一样，捕集部分124的温度可以以各种方式加以控制。例如，在至少一个实施方案中(如图1中所示)，捕集部分124可以位于冷却/骤冷介质(在这种情况下为水浴128)内。在这个实施方案中，可操纵水浴128的温度以在进入捕集部分124时快速降低硫饱和的测量气体的温度。另外，应该理解，捕集部分124可以安置在其他冷却介质(例如具有冷却的温度的气体)内或以其他方式与其他冷却介质接触。

如上文所提及，在捕集部分124中沉积硫之后，测定沉积的硫的重量。例如，可以从其他部分122、126中移除捕集部分124，并且然后将收集的硫溶解在已知的有机溶剂中，并使用常规的分析技术对其重量进行分析型分析。在至少一个实施方案中，可以使用连接器(例如快速释放连接器)以将捕集部分124连接到其他部分122、126。另外，现在不饱和的测试气体离开捕集部分124并进入流出部分126，其中使用常规设备(例如，流量计，质量流量控制器)测量测试持续期间通过系统100的测试气体混合物的总体积。然后使用沉积硫的重量和测试运行期间通过系统100的测试气体混合物的总体积来测定测试气体混合物的硫溶解度。硫溶解度可以在温度和压力的正常条件或标准条件下计算，如下文实施例部分中进一步详述。

根据与系统有关的各种因素(包括测试气体的组分以及系统的不同部分的形状和尺寸)，上述系统100可以在各种温度和/或压力下运行。在示例性实施方案中，系统100是在约100psia和约1000psia之间的压力下运行，并且在整个系统中恒定。第一站和第二站的温度可以在约5℃到95℃的范围内，而冷却/骤冷介质(例如，水浴128)的温度为约0.0℃或更低。

上述方法和系统可以利用干燥气体作为测试气体。在一个或多个替代实施方案中，湿气也可以用作测试气体。在测试气体是湿气的实施方案中，测试气体在用硫饱和之前首先用水饱和。例如，在至少一个实施方案中，测试气体首先从气体容器102通过管道104和110流入容器130中。在容器130中，测试气体被水饱和。在容器130中的水饱和之后，现在“湿”测试气体流入管道112中，以吸收足够高水平的元素硫。水饱和气体过程的其余部分以与如上述方法描述中描述相同的方式继续。在一个或多个实施方案中，容器130是独立的容器。在至少一个实施方案中，如图1中所示，容器130位于测试温度水浴118内。

实施例

提供以下实施例以更好地说明本发明的实施方案，但其不应被解释为限制本发明的范围。

在这些实施例中，进行了五次测试运行，并且每次测试运行使用的测试气体是甲烷(CH4)。如表1(如下)中所示，对于五次测试运行，测试温度在30℃与70℃之间变化，并且测试压力在300psia与1000psia之间变化。高温水浴(第一站)设定为85℃，而测试温度水浴(第二站)设定为所需的测试温度(每次运行的测试温度见表1)。系统的压力也设定为所需的测试压力(每次运行的测试压力见表1)。

每次测试运行使用以下方案进行(参照图1)：

首先打开管子加热(热控制器)。接下来，对三个水浴进行评估，以确保所有三个水浴的水位都正确。打开高温气体饱和水浴并设定为85℃。打开测试温度水浴并设定为测试运行所需的饱和温度。打开冷水浴循环和冷却开关。将水浴放置数小时以平衡到其正确的设定温度。关闭测试气体缸的主阀，并且将测试气体缸调节器(REG-2)调节到最低压力设定值。然后打开V-1测试气体位置(阀手柄指向指示阀位置的标签)。

接下来，打开V-2，打开V-4到达气体旁路，关闭V-3，并关闭V-5。然后打开测试气体缸的主阀。然后缓慢调节测试气体缸调节器(REG-2)，直到压力表显示准确的所需测试压力。接下来，对系统压力计(P-2)上指示的压力进行验证，以确保其等于所需的测试气体压力。然后将调节器(REG-3)调节到30psig与60psig之间，但不超过质量流量控制器(MFC-1)的最大入口压力。在本情况下，数字式质量流量计在0-200mL/min(等效N₂)的范围内操作，并且最大入口压力为150psig。

接下来，调节对应于特定气体共混物的气体校正因子(GCF)的值。还调节所需流速值(mL/min)和数据保存的频率。然后测试气体以所需流速和所需压力流经系统的气体旁路部分，并且操作员验证了所有三个水浴都达到了其正确的设定点温度。

然后打开V-4通向收集硫的位置(阀位于测试温度浴中)。然后记录样品收集管子(U形管子)中开始硫收集的日期和时间，以及测试气体组成、测试气体压力、测试气体流速和三个水浴的温度。为了终止硫收集，打开V-4通向气体旁路位置(阀位于测试温度水浴中)。然后记录样品收集管子中停止硫收集的日期和时间。硫收集结束后，关闭管子加热，并关闭升高温度和测试温度水浴。接下来，关闭测试气体缸的主阀，然后关闭V-2、V-5和V-6。然后缓慢打开V-3，释放系统中的高压力气体。观察压力计直到所有压力计都显示零压力。

在每次测试运行结束时，使用以下方程计算测试气体的硫溶解度：

其中S_NC是在正常条件(0℃[273.15K]和1atm)下的硫溶解度，m[mg]是沉积硫的重量，Q_v[ml/mn]是通过质量流量计收集的气体的流速(注意，流量计控制流量计下游的气体流量，其在25℃[298.15K]和环境压力下)，并且Δt[天数]为总测试持续时间。

对于标准条件(60°F[288.7K]和1atm)中的溶解度，转换系数如下引入：

每次测试运行的结果示于表1中。

表1.实例1-5的硫溶解度.

以上描述中使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，而不打算限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一(a和an)”和“所述”打算也包括复数形式。应进一步理解，本文中的术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变化形式当在本说明书中使用时指定了所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组的存在或添加。

应该注意，在权利要求中用以修改权利要求要素的序数术语(例如“第一”、“第二”、“第三”等)本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个的任何优先权、优先性或次序，或者执行方法的行为的时间顺序，而是仅用作标记以将具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但是使用序数术语)区分以区分权利要求要素。而且，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该认为是限制性的。

尽管本系统描述为含有多个站，但应该理解，所有的站和设备都可以包含在单一外壳等中(即，在相同的足迹下)。本发明只是为了说明的目的而在站方面进行论述并且论述在系统的单独部分中发生的不同操作。此外，本文论述的两个或更多个管道可以是物理上单一管子，并且不同管道的论述仅仅是为了示例性目的，以将管道的部分与本文论述的站之一相关联。

尽管上文使用具体实施方式描述了本发明，但是存在对于本领域的普通技术人员而言显而易见的许多变化和修改。因此，所描述的实施方案在所有方面都被认为仅仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都包括在其范围内。

Claims (23)

1.一种在实验室器件中测量在测试温度和测试压力下的测试气体的硫溶解度的方法，其包括：

用水使所述测试气体饱和；

使所述测试气体流入第一管道中，其中所述第一管道装有元素硫，并至少维持在第一温度，所述第一温度足以引起所述测试气体吸收的元素硫超过在所述测试温度下所述测试气体中元素硫的天然平衡溶解度水平；

将含有元素硫的所述测试气体引入第二管道中，所述第二管道与所述第一管道流体连通并至少维持在第二温度，所述第二温度足以将所述测试气体的所述温度降低到等于所述测试温度的温度，由此所述测试气体中元素硫的量减少到其在所述测试温度下在所述测试气体中的天然平衡溶解度水平；

使所述测试气体流入与所述第二管道流体连通的第三管道中，其中所述第三管道的至少一部分维持在足以引起所述元素硫从所述测试气体中沉积到所述第三管道的一部分中的第三温度；以及

基于所述第三管道中沉积的元素硫的量计算所述测试气体的所述硫溶解度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述实验室器件不与含有所述测试气体的气体处理设备直接接触。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述测试气体包括CH₄。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述测试气体还包括CO₂和H₂S。

5.如权利要求1所述的方法，其中计算所述硫溶解度的步骤包括：

对所述第三管道中沉积的所述硫称重达选定运行时间；以及测量所述选定运行时间期间通过所述第三管道的所述测试气体的体积。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第三管道包括U形管子。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是最大95℃。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述测试温度比所述第一温度低10℃到15℃。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述第三温度为0℃。

10.一种用于测量在测试温度下的测试气体的硫溶解度的系统，其包括：

所述测试气体的来源；

与所述测试气体的来源流体连通的第一站，所述第一站包括装有元素硫的第一管道，其中所述第一管道维持在第一温度，其当所述测试气体流经所述第一管道时引起元素硫由所述测试气体吸收，所述元素硫的吸收超过在所述测试温度下所述测试气体中的所述元素硫的天然平衡溶解度水平；

包括与所述第一管道流体连通的第二管道的第二站，其中所述第二管道维持在第二温度，其将所述测试气体的温度降低到所述测试温度，由此所述测试气体中的所述元素硫的量减少到其在所述测试温度下在所述测试气体中的天然平衡溶解度水平；和

包括与所述第二管道流体连通的第三管道的第三站，其中所述第三管道维持在第三温度，其引起所述元素硫从所述测试气体中沉积，所述第三管道经配置使得可以收集所述沉积的元素硫并进行称重，以基于所述测试气体通过所述系统的所测量流速来计算所述测试气体的所述硫溶解度；以及

与所述测试气体的来源流体连通并在所述第一管道的上游的第四管道，所述第四管道的条件足以在所述测试气体进入所述第一站之前在流经所述第四管道时，用水使所述测试气体饱和。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述系统为连续流动环系统。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述第一站包括使流经所述第一管道的所述测试气体的温度升高的第一介质；所述第二站包括将所述测试气体的所述温度降低到所述测试温度的第二介质，并且第三站包括通过降低其温度来使所述硫饱和的测试骤冷的第三介质。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述第一介质、所述第二介质和所述第三介质包括包含于相应第一、第二和第三浴中的水，所述第一管道、所述第二管道和所述第三管道分别由所述第一介质、所述第二介质和所述第三介质包围。

14.如权利要求10所述的系统，其中所述第一管道包括多个第一管子，所述多个第一管子串联布置并且包含于被加热以使所述测试气体的所述温度升高的第一介质内。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述多个第一管子是以蛇形布置来配置。

16.如权利要求10所述的系统，其中所述第二管道包括多个第二管子，所述多个第二管子串联布置并且包含于被冷却以将所述测试气体的所述温度降低到所述测试温度的第二介质内。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述多个第二管子是以蛇形布置来配置。

18.如权利要求10所述的系统，其中所述第三管道包括用于将所述测试气体维持在所述测试温度的流入部分、用于收集所述沉积的元素硫的捕集部分和在所述捕集部分下游用于从所述第三站输送所述测试气体的流出部分，其中所述流入部分和所述流出部分升高到超过所述捕集部分。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述捕集部分包括U形管子。

20.如权利要求10所述的系统，其还包括用于计算所述测试气体通过所述系统的流速的流量计，由此允许计算给定实验运行的测试气体的总体积。

21.如权利要求10所述的系统，其还包括在所述测试气体流经所述第一、第二和第三站中的每一个时将所述测试气体的压力维持在预定范围内的压力调节器。

22.如权利要求10所述的系统，其还包括用于监测所述测试气体的所述温度并调节所述测试气体的所述温度的温度控制器。

23.如权利要求10所述的系统，其中所述测试气体的来源包括从感兴趣的气田收集的酸气的罐。

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