CN111239361A - 一种水合物生成诱导时间的准确测量装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水合物生成诱导时间的准确测量装置及其应用，该实验装置包括反应釜单元、温度控制单元、压力控制单元、数据测量和采集单元。所述反应釜单元包括气体控温釜和高压反应釜；所述温度控制单元通过恒温水浴装置控制反应釜内的温度；所述压力控制单元通过向反应釜中注入气体或溶液来控制反应釜内的压力；所述数据测量和采集单元通过温度传感器、压力传感器、电子显示器、数据采集软件等采集和储存以上各单元的各项参数，本装置可以实现气液分离独立降温后混合生成天然气水合物，可以完成多种不同类型的实验，比如水合物的生成、分解、置换开采等，综合性、实用性较强。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物室内模拟实验、天然气水合物开发技术领域，具体涉及一种水合物生成诱导时间的准确测量装置及其应用。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrates)是一类固态晶体，简称水合物，是由一种或几种气体或易挥发的液体和水在高压、低温的环境下相互作用而形成的包络状晶体。天然气水合物是一种清洁能源，在空气中燃烧后生成水和CO2，对环境的污染小，大约是煤的1/800、石油的1/40。与传统能源(煤、石油)相比，天然气水合物具有清洁、储量丰富、能量密度高等特点，具有极高的资源价值。因此，天然气水合物具有极高的研究价值，已成为国内外学者研究的热点。但是水合物同样存在于深水钻井作业及油气运输环节中，严重威胁深水钻井的作业安全。深水中低温、高压的特殊环境极易生成气体水合物，水合物一旦形成，会造成一系列的生产安全问题。因而如何高效、经济地防治水合物的生成就显得尤其重要。添加低剂量的水合物抑制剂被认为是一种理想高效的抑制方式，被广泛应用于水合物防治以及水合物藏的开采。
在水合物防治以及水合物藏的开采工作中，需要根据施工情况选择合适的水合物动力学抑制剂，因此需要对水合物动力学抑制剂的性能进行评价。其中水合物生成诱导期是对过饱和系统在亚稳定平衡态下保持平衡能力的评估，是评价水合物动力学抑制剂性能的重要参数。关于如何确定水合物成核诱导时间主要有微观确定法和宏观确定法两种。微观确定法是指将系统中出现第一个超量核水合物晶核(具有临界尺寸、性能稳定的临界晶核)所需要的时间定义为水合物成核诱导时间。在宏观上，水合物生成时某些参数如压力、温度等会发生急剧变化，因此宏观确定法将系统压力、温度出现急剧变化的时间定义为水合物生成诱导时间。
中国专利文献CN06442930A公开了一种精确观测气体水合物诱导时间的装置和方法，包括设置在冷台上的聚四氟乙烯管、用于拍摄聚四氟乙烯管内水合物晶体生长的显微镜、数据采集仪、电脑。实验利用显微镜对聚四氟乙烯管内水合物晶体生长过程进行观察，认为第一粒水合物晶体生成的时间是水合物生成诱导时间。但是此方法对实验设备要求较高，且观察第一粒晶体出现的时间有一定的主观因素，难以进行重复实验。
中国专利文献CN102614814A公开了一种并联式反应釜及基于反应釜的水合物诱导时间测试装置，由并联式反应釜、温度控制系统、供气增压系统、供液系统、计算机数据采集系统、真空泵和安全阀组成。并联式反应釜采用环形排列，有8个等距离的耐高压反应釜组成，可以同时进行多组实验。实验过程中，先将反应釜中的溶液降至预定温度，之后通入一定压力的天然气，在反应釜中生成水合物，记录温度、压力出现急剧变化的时间。但是，在注气加压的过程中，反应釜内溶液已降至预期温度，而气体温度未知。温度未知的气体通入反应釜内会造成温度波动，无法判断该温度波动是由于气体温度造成的还是由于水合物生成放热造成的，因而无法判断水合物是否生成，造成实验误差。
发明内容
本发明为了探究气体水合物在微孔隙内的微观反应过程，针对现有的技术缺陷，提供一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置。
与现有实验装置相比，本发明的有益效果是：可以实现气液分离独立降温后混合生成天然气水合物，避免不同温度的气液两相混合产生的温度波动对判断水合物是否生成造成影响，以致造成实验误差；可以完成多种不同类型的实验，比如水合物的生成、分解、置换开采等，综合性、实用性较强。
附图说明
图1为本发明所述的准确测量水合物生成诱导时间的实验装置示意图。
图2为本发明所述的压力控制单元的实验装置示意图。
A、反应釜单元，B、温度控制单元，C、压力控制单元，D、数据测量和采集单元；
1、气体控温釜，2、水浴循环通道，3、气体控温釜上端盖，4、10、进气液阀，5、压力传感器Ⅰ，6、连通阀，7、压力传感器Ⅱ，8、磁力搅拌器，9、高压反应釜上端盖，，11、电子显示器，12、数据采集软件，13、高压反应釜，14、排空阀，15、温度传感器Ⅱ，16、恒温水浴装置，17、温度传感器Ⅰ,18、气瓶，19、中间容器，20、气体流量计，21、注液手摇泵，22、真空泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明提供的一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置包括反应釜单元A、温度控制单元B、压力控制单元C、数据测量和采集单元D。所述反应釜单元A包括气体控温釜1、高压反应釜13和磁力搅拌器8；所述温度控制单元B通过恒温水浴装置16控制反应釜内的温度；所述压力控制单元C通过向反应釜中注入气体或溶液来控制反应釜内的压力；所述数据测量和采集单元D通过温度传感器、压力传感器、电子显示器、等采集和储存以上各单元的各项参数，所述各单元之间通过连接管线相连，并通过阀门、开关对各单元进行控制，具体的为，所述温度控制单元B、压力控制单元C、数据测量和采集单元D通过连接管线与所述反应釜单元A相连。
所述反应釜单元A包括气体控温釜1、高压反应釜13和磁力搅拌器8；气体控温釜1由气体控温釜上端盖3和釜体组成，高压反应釜由高压反应釜上端盖9、釜体和磁力搅拌器8组成，可对釜中溶液进行搅拌操作。
所述气体控温釜1和高压反应釜13之间通过连通阀6相连，为实现气液分离独立降温后混合生成天然气水合物，消除温度未知的气体通入反应釜中造成的温度波动，可采取如下措施：关闭连通阀，在气体控温釜中通入一定压力的气体，在高压反应釜中注入一定体积的实验溶液；开启恒温水浴，让气体和实验溶液达到相同的温度；打开连通阀，温度相同的气液两相混合；在高压低温的环境下水合物开始生成。
所述温度控制单元B包括恒温水浴装置16以及水浴循环通道2，通过调节恒温水浴装置16的温度控制反应釜内的温度；气体控温釜1和高压反应釜13均设有水浴循环通道2，所述水浴循环通道2通过管线与恒温水浴装置16相连，所述调节恒温水浴装置16通过设定温度可实现对气体控温釜1和高压反应釜12同时降温。
所述压力控制单元C通过向反应釜注入气体或溶液来控制反应釜内的压力；所述压力控制单元C包括气瓶18、中间容器19、气体流量计20、注液手摇泵21和真空泵22；中间容器19通过进气液阀4与气体控温釜1相连；注液手摇泵21通过进气液阀10与高压反应釜13相连；中间容器19与气瓶18和气体流量计20相连，中间容器19起到缓冲保护作用，同时可以外接气体增压泵，根据实验需求使用气体增压泵对中间容器19内的气体进行增压，达到预定压力后打开进气液阀4，向反应釜单元A通入高压气体；真空泵22通过排空阀14与高压反应釜13相连，实验开始前打开连通阀6，利用真空泵22对气体控温釜1和高压反应釜13进行抽真空；实验结束后，打开连通阀6、排空阀14对气体控温釜1和高压反应釜12进行排空操作。
所述数据测量和采集单元D包括温度传感器、压力传感器、电子显示器11和数据采集软件12，气体控温釜1和高压反应釜13中各有一个温度传感器和压力传感器，温度传感器均位于釜体内部的底端，实时监测反应釜内的流体温度，具体的，所述气体控温釜1内部底端设置有温度传感器Ⅰ17，所述高压反应釜13内部底端设置有温度传感器Ⅱ15；气体控温釜1的压力传感器位于釜体内部的顶端，具体的，所述气体控温釜1的顶端安装有压力传感器Ⅰ5，高压反应釜13的压力传感器Ⅱ7位于气体控温釜1和高压反应釜13之间的连接管线内；电子显示器11实时显示气体控温釜1和高压反应釜13中的温度和压力，并与数据采集软件12相连，实时采集和储存反应釜单元的温度、压力参数。
所述气体控温釜1可单独作为反应釜进行水合物静态生成实验；关闭连通阀6，分别在气体控温釜1和高压反应釜13中注气注液，打开恒温水浴装置16进行降温，在气体控温釜1中水合物静态生成，在高压反应釜13中开启磁力搅拌器8加速水合物生成。
所述一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置可以完成多种不同类型的实验，本实施例是将该实验装置用于动力学抑制剂水溶液中测量水合物生成诱导时间，以1wt％PVP溶液中测量CH4水合物生成诱导时间为例；
步骤1：连接实验管线，关闭进气液阀4、10，打开连通阀6，将排空阀14与真空泵22相连，对气体控温釜1和高压反应釜13抽真空，关闭排空阀14，关闭真空泵22；
步骤2：关闭连通阀6，打开气瓶18，气体进入中间容器19，按实验需求确定是否使用增压泵，使中间容器19中的气体压力略高于实验预期压力，打开气体控温釜1的进气液阀4并与压力控制单元中的中间容器19相连，向气体控温釜1中通入CH4至预期压力，关闭进气液阀4；
步骤3：打开高压反应釜13的进气液阀10并与注液手摇泵21相连，向高压反应釜13中注入一定体积的实验溶液，关进气液阀10，或打开高压反应釜上端盖9向釜体内注入一定体积的实验溶液；
步骤4：打开恒温水浴装置16，调至实验预期温度，冷却液在气体控温釜1和高压反应釜13内部的水浴循环通道2中循环流动，对气体控温釜1中的CH4和高压反应釜13中的实验溶液进行降温；
步骤5：当温度降至预期温度并稳定后，打开连通阀6，气体控温釜1中的CH4进入高压反应釜13中，对釜内的实验溶液加压，打开磁力搅拌器8，开始生成CH4水合物；
步骤6：实验过程中通过数据测量和采集单元实时监控并记录气体控温釜1和高压反应釜13内的温度、压力变化，气体控温釜1的温度T1、压力P1、高压反应釜13的温度T2、压力P2实时显示在电子显示器11上，被数据采集软件12收集记录下来并实时绘制成曲线，其中从实验开始到温度突然上升、压力急剧下降的时间被认为是水合物生成诱导时间；
步骤7：实验结束后，打开进气液阀4并与一截空管路相连，将气体控温釜1和高压反应釜13中的CH4排放到集气装置中并妥善处理，打开排空阀14，将高压反应釜13中的气液混合物排出。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例将本发明一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置用于水合物生成实验，以蒸馏水体系中水合物静态生成与搅拌加速生成CH4水合物对比实验为例；
步骤1：连接实验管线，关闭进气液阀4、10，打开连通阀6，将排空阀14与真空泵22相连，对气体控温釜1和高压反应釜13抽真空，关闭排空阀14，关闭真空泵22；
步骤2：关闭连通阀6，打开气体控温釜1的进气液阀4并与注液手摇泵21相连，向气体控温釜1中注入一定体积的蒸馏水。将进气液阀4与压力控制单元中的中间容器19相连，向气体控温釜1中通入CH4至预期压力，关闭进气液阀4；
步骤3：打开高压反应釜13的进气液阀10并与注液手摇泵21相连，向高压反应釜13中注入一定体积的蒸馏水。将进气液阀10与压力控制单元中的中间容器19相连，向高压反应釜13中通入CH4至预期压力，关闭进气液阀10；
步骤4：打开恒温水浴装置16，调至实验预期温度，冷却液在气体控温釜1和高压反应釜13内部的水浴循环通道2中循环流动，对气体控温釜1中的气液混合物和高压反应釜13中的气液混合物进行降温；
步骤5：打开磁力搅拌器8，在高压反应釜13中搅拌加速生成CH4水合物，而气体控温釜1中静态生成CH4水合物；
步骤6：实验过程中通过数据测量和采集单元实时监控并记录气体控温釜1和高压反应釜13内的温度、压力变化，气体控温釜1的温度T1、压力P1、高压反应釜13的温度T2、压力P2实时显示在电子显示器11上，并被数据采集软件12收集记录下来；
步骤7：实验结束后，打开进气/液阀4并与一截空管路相连，将气体控温釜1和高压反应釜13中的CH4排放到集气装置中并妥善处理，打开排空阀14，将高压反应釜13中的气液混合物排出。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例是将将本发明一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置用于水合物分解实验，以不同浓度NaCl溶液对CH4水合物分解速率影响的实验为例；
步骤1：连接实验管线，关闭进气液阀4、10，打开连通阀6，将排空阀14与真空泵22相连，对气体控温釜1和高压反应釜13抽真空，关闭排空阀14，关闭真空泵22；
步骤2：关闭连通阀6，打开气瓶18，CH4气体进入中间容器19，按实验需求确定是否使用增压泵，使中间容器19中的气体压力略高于实验预期压力，打开气体控温釜1的进气液阀4并与压力控制单元C中的中间容器19相连，向气体控温釜1中通入CH4至预期压力，关闭进气液阀4；
步骤3：打开高压反应釜13的进气液阀10并与注液手摇泵21相连，向高压反应釜13中注入一定体积的NaCl溶液，关进气液阀10，或打开高压反应釜上端盖9向釜体内注入一定体积的NaCl溶液；
步骤4：打开恒温水浴装置16，调至实验预期温度，冷却液在气体控温釜1和高压反应釜13内部的水浴循环通道2中循环流动，对气体控温釜1中的CH4和高压反应釜13中的NaCl溶液进行降温；
步骤5：当温度降至预期温度并稳定后，打开连通阀6，气体控温釜1中的CH4进入高压反应釜13中，对釜内的实验溶液加压，打开磁力搅拌器8，开始生成CH4水合物；
步骤6：待水合物完全生成后对高压反应釜13进行泄压操作，打开进气/液阀4并与一截空管路相连，将气体控温釜1和高压反应釜13中的CH4排放到集气装置中并妥善处理，迅速关闭进气液阀4，高压反应釜13内的水合物开始分解；
步骤7：实验过程中通过数据测量和采集单元D实时监控并记录气体控温釜1和高压反应釜13内的温度、压力变化，气体控温釜1的温度T1、压力P1、高压反应釜13的温度T2、压力P2实时显示在电子显示器11上，被数据采集软件12收集记录下来并实时绘制成曲线；
步骤8：实验结束后，打开排空阀14，将高压反应釜13中的气液混合物排出；
步骤9：改变NaCl溶液的浓度，重复上述步骤，得到不同浓度NaCl溶液中水合物分解过程中温度、压力随时间变化的曲线，探究不同浓度NaCl溶液对CH4水合物分解速率的影响。
实施例4
与实施例1不同的是，本实施例是将本发明一种准确测量水合物生成诱导时间的实验装置用于水合物置换实验，以CO2置换开采CH4水合物为例；
步骤1：连接实验管线，关闭进气液阀4、10，打开连通阀6，将排空阀14与真空泵22相连，对气体控温釜1和高压反应釜13抽真空，关闭排空阀14，关闭真空泵22；
步骤2：关闭连通阀6，打开高压反应釜13的进气液阀10并与注液手摇泵21相连，向高压反应釜13中注入一定体积的蒸馏水。将进气/液阀10与压力控制单元中的中间容器19相连，向高压反应釜13中通入CH4至预期压力，关闭进气液阀10。
步骤3：打开气体控温釜1的进气/液阀4与压力控制单元中的中间容器19、气体流量计20相连，向气体控温釜1中通入一定量的CO2，关闭进气液阀4；
步骤4：打开恒温水浴装置16，调至实验预期温度，对气体控温釜1中的CO2和高压反应釜13中的CH4/蒸馏水进行降温；
步骤5：打开高压反应釜13中的磁力搅拌器8，在高压反应釜13中搅拌加速生成CH4水合物；
步骤6：高压反应釜13中的CH4水合物完全生成后，打开进气液阀10并与一截空管路相连，迅速放空高压反应釜13中的CH4。打开连通阀6，气体控温釜1中的高压CO2迅速进入高压反应釜13中，并升温至所需的置换温度，开始置换CH4水合物；
步骤7：在CO2置换CH4水合物的实验过程中，每隔一段时间利用气相色谱仪检测高压反应釜13中的气相组成并记录实验数据；
步骤8：实验过程中通过数据测量和采集单元实时监控并记录气体控温釜1和高压反应釜13内的温度、压力变化，气体控温釜1的温度T1、压力P1、高压反应釜13的温度T2、压力P2实时显示在电子显示器11上，并被数据采集软件12记录收集下来；
步骤9：CO2置换CH4水合物结束后，打开进气/液阀4并与一截空管路相连，将气体控温釜1和高压反应釜13中的CO2/CH4排放到集气装置中并妥善处理，打开排空阀14，将高压反应釜13中的气液混合物排出。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。
Claims (7)
1.一种水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：包括反应釜单元、温度控制单元、压力控制单元、数据测量和采集单元，所述温度控制单元通过恒温水浴装置控制反应釜内的温度；所述压力控制单元通过向反应釜中注入气体或溶液来控制反应釜内的压力；所述数据测量和采集单元通过温度传感器、压力传感器、电子控制箱、数据采集软件等采集和储存以上各单元的各项参数，并通过阀门、开关对反应釜单元进行控制。
2.根据权利要求1所述的水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：所述反应釜单元包括气体控温釜、高压反应釜和磁力搅拌器，所述气体控温釜通过连通阀与高压反应釜相连，所述高压反应釜中设置有磁力搅拌器。
3.根据权利要求2所述的水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：气体控温釜可单独作为反应釜进行水合物静态生成实验。
4.根据权利要求1所述的水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：所述温度控制单元包括恒温水浴装置以及水浴循环通道，所述恒温水浴装置通过水浴循环通道与反应釜单元相连接。
5.根据权利要求1所述的水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：所述压力控制单元包括气瓶、中间容器、气体流量计、注液手摇泵和真空泵，所述中间容器连接有气瓶和气体流量计，所述中间容器、注液手摇泵、真空泵和排空装置均与反应釜单元相连接，所述压力控制单元通过向反应釜注入气体或溶液来控制反应釜内的压力。
6.根据权利要求1所述的水合物生成诱导时间的准确测量装置，其特征在于：所述数据测量和采集单元包括温度传感器、压力传感器、电子显示器和数据采集软件，所述温度传感器和压力传感器均设置在反应釜单元内，所述电子显示器实时显示反应釜单元中的温度和压力，并通过连接管线与数据采集软件相连，实时采集和储存反应釜单元的温度、压力参数。
7.一种水合物生成诱导时间的准确测量装置在水合物的生成、分解、置换开采中的应用。
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