CN111486795B - 一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置和方法，包括试验管、储水装置、加热装置、供气装置、摄像装置，试验管竖直放置，试验管的底部与储水装置连接，试验管的外侧壁设置冷却管套，冷却管套与加热装置连接，储水装置与供气装置连接，摄像装置设置在试验管的外侧。全面系统的研究水合物膜生长沉积层的形成特性、生长特性、形态、厚度分布、孔隙度、干度。有助于研究输气管线内天然气水合物的堵塞及防治技术。

Description

一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装 置和方法

技术领域

本发明属于深水流动安全保障水合物防治技术领域，具体涉及一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置和方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

天然气水合物的生成需要低温、高压的外界条件，在油气管道输送过程中，当管道运行工况进入低温、高压区域时，天然气水合物就容易在管道内生成。自1934年首次管道水合物堵塞现象被发现以来，随着油气资源的开发不断向深水和超深水领域进军，由管道内水合物生成和堵塞所引发的一系列问题已成为石油工业流动安全保障领域的研究热点。因此，对油气管线内天然气水合物防治技术的研究就显得尤为重要和突出。

针对油气管线内水合物防治技术的研究，目前最有效的手段为开展实验室实验，对应的实验装置主要包括固定式反应釜、摇晃式反应釜以及各类不同尺寸的实验环路。这些实验装置虽然都能在不同程度上模拟实际生产工况和过程，但是由于实验装置结构和实验方法的原因，在使用上述这些传统装置进行实验时，往往不能有效的区分水合物颗粒间聚集、水合物颗粒着床沉积、水合物颗粒管壁粘附沉积和水合物膜生长沉积对管道内水合物沉积层形成及水合物堵塞过程的影响。这就导致了实验过程中难以针对某一具体的水合物现象展开专门和细致的研究。因此，目前国内外对水合物膜生长沉积的研究极度匮乏，对于管道内水合物膜生长沉积层形成特性、生长特性、形态、厚度分布、孔隙度和干度的认识较浅，亟待深入探索。

总之，目前现有的水合物实验研究装置大都无法对水合物膜生长沉积展开专门且系统的研究，对水合物膜生长沉积形成和生长的过程及其特征性质也缺乏认知。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置和方法。该装置能够全面系统的研究水合物膜生长沉积层的形成特性、生长特性、形态、厚度分布、孔隙度、干度，有助于研究输气管线内天然气水合物的堵塞及防治技术。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，包括试验管、储水装置、换热装置、供气装置、摄像装置，试验管竖直放置，试验管的底部与储水装置连接，试验管的外侧壁设置冷却管套，冷却管套与换热装置连接，储水装置与供气装置连接，摄像装置设置在试验管的外侧。

本发明通过试验管与换热装置、储水装置、供气装置连接，试验管内提供高压和适合的温度，使天然气和水蒸气在试验管内生成天然气水合物，天然气水合物在试验管内形成生长沉积层，然后利用摄像装置观察生长沉积层，得到厚度分布和表面形貌，然后根据反应的水和气体的值得到耗气量和耗水量，进而计算得到沉积层的体积、孔隙度和干度。

在一些实施例中，换热装置为恒温水浴装置，恒温水浴装置通过冷却管道与冷却管套连接。

在一些实施例中，试验管的底部通过适配器与储水装置连接，适配器上设置可视窗。可以随时观察内部的天然气水合物的生长情况。优选的，试验管设置第一温度传感器。用于采集试验管内壁的温度。

在一些实施例中，储水装置的底部与加热搅拌器连接，加热搅拌器的搅拌装置设置在储水装置内部。

在一些实施例中，储水装置分别设置第二温度传感器和压力传感器。

在一些实施例中，供气装置为高压气瓶，高压气瓶通过输气管与储水装置连接。

优选的，输气管上设置放空管，放空管上设置放空阀。

优选的，输气管上设置气体减压阀和储水器阀。

在一些实施例中，试验管的高度为25-30厘米；优选为28厘米。

在一些实施例中，摄像装置包括控制器、管道内窥镜，管道内窥镜包括摄像头、光源，摄像头位于管道内窥镜的端部，光源位于摄像头的远离端部的一侧。

在一些实施例中，还包括数据采集端，数据采集端分别与第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、摄像装置的控制器连接。

第二方面，一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验方法，具体步骤为：

1、向储水器内加入适量的去离子水等液体，密封连接试验管和储水器，开启恒温水浴和加热搅拌器，调节试验管内壁温度和储水器内水温；当温度稳定后，依次打开高压气瓶、气体减压阀、储水器阀，使天然气通过输气管从高压气瓶进入储水器和试验管，当储水器和试验管内压力达到设定值并稳定后，依次关闭储水器阀、气体减压阀、高压气瓶，停止天然气的输送；

2、调节恒温水浴和加热搅拌器，调节试验管内壁温度和储水器内水温，储水器内挥发的水蒸气在低温的试验管内壁冷凝并与试验管内的天然气反应生成水合物膜生长沉积层；

3、当实验进行到设定时间后，调节恒温水浴和加热搅拌器，调节试验管内壁的温度和储水器内水温；

4、当试验管内壁温度和储水器内水温稳定后，打开放空阀使试验管和储水器内压力缓慢降低至常压。

优选的，步骤1中试验管内壁的温度为20-30℃，平衡后试验管内的压力为1-10MPa。

优选的，步骤2中磁力搅拌器的转速为300～1000rpm。优选的，步骤2中试验管内壁的温度为-10～12℃。优选的，步骤2中储水器内部的水温为30～90℃。优选的，步骤3中试验管内壁的温度为-6～-12℃。优选的，步骤3中储水器内部的水温为20-30℃。

本发明的有益效果：

本发明通过一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，可排除水合物颗粒间聚集、水合物颗粒着床沉积及水合物颗粒和管壁间粘附沉积等现象对水合物膜生长沉积的影响，单独对水合物膜生长沉积开展专门研究；通过管道内窥镜测量，得到水合物膜生长沉积层的形态及其在管道内部的厚度分布情况；通过管道内窥镜测量结合沉积层生长耗气量和耗水量计算，得到水合物膜生长沉积层的孔隙度和干度等特征性质，对输气管线内水合物防治技术研究具有重大意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置结构图；

图2为试验管的连接结构图；

图3为沉积物的不同厚度分布及形态图；

图4为不同工况下的沉积物厚度分布曲线图；

图5为储水器的加热温度对管道内沉积层的影响；

其中，1、试验管，2、储水装置，3、冷却管套，4、可视窗，5、磁力搅拌桨，6、高压气瓶，7、气体减压阀，8、输气管，9、储水器阀，10、恒温水浴装置，11、加热搅拌器，12、供水管，13、管道内窥镜，14、控制器，15、LED光源，16、摄像头，1701、第一温度传感器，1702、第二温度传感器，18、压力传感器，19、数据采集端，20、放空阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的实验装置包括试验管1、储水装置2、换热装置、供气装置、摄像装置，试验管1竖直放置，试验管1的底部与储水装置2连接，试验管1的外侧壁设置冷却管套3，冷却管套2与换热装置连接，储水装置2与供气装置连接，摄像装置设置在试验管的外侧。

由图1所示，试验管1竖直放置，底部连接储水装置2，试验管1模拟输气管道，试验管1内部提供反应的场所，供气装置提供天然气，天然气先进入到储水装置2，在储水装置2内形成一定的气压。然后水蒸气伴随着天然气进入到试验管1。当试验管1内的压力恒定后，说明试验管1和储水装置2的气压平衡并达到设定的压力，此时停止供应天然气。

本发明的实验装置够排出水合物颗粒间聚集、水合物颗粒间着床沉积及水合物颗粒和管壁间粘附沉积等现象对水合物膜生长沉积的影响。具体解释为：使用本实验装置进行试验时，由于实验装置结构和设计的特殊性，水合物只会由试验管壁面上冷凝的水滴或水膜转化而成，形成水合物膜即水合物膜生长沉积，因此实验中不会有水合物颗粒生成且水合物只会在壁面上生成。因此，实验中不会出现水合物颗粒的碰撞和聚集，也就不会出现水合物颗粒的着床沉积(重力作用下向管道下部沉积，多见于水平管)和水合物颗粒的管壁粘附沉积(颗粒在别处生成，运动过程中碰到壁面并通过与壁面间的粘附力粘附在壁面上)。

试验管1竖直放置，一方面这样的设置利于水合物膜生长沉积层的形成，同时排除聚集、着床和粘附沉积的影响。此外，竖直放置相当于模拟实际生产中的竖直管，例如井筒及各类旁通管等。

储水装置2放入的水的量和供气装置的供气量是可以衡量和计算的。可以根据实验初始状态和结束状态的系统温度、压力，利用气体状态方程计算出耗气量。刚开始储水装置2内部的水的量是一定的，然后剩余水的量也是可以衡量的，所以可以得到进入试验管1的量。从而计算出生成天然气水和物的耗气量和耗水量。

实验中耗气量是根据实验初始状态和结束状态的温度和压力利用气体状态方程计算出的。

试验管1设置冷却管套3，相当于冷却管套3包覆在整个试验管1的外侧壁，然后冷却管套3与恒温水浴10连接，可以实现对整个试验管1的加热，实现了热量的均衡。

换热装置为恒温水浴装置，恒温水浴装置10通过循环水管与冷却管套3连接，冷却水进入冷却管套3的内部，然后再流出，起到冷却试验管的作用。

加热搅拌器11与储水装置2的底部连接，加热搅拌器11的搅拌装置设置在储水装置的内部，图1中，搅拌装置为磁力搅拌桨5，加热搅拌器11可以加热储水装置2内部的水，还可以进行搅拌，控制磁力搅拌桨5的转速。可通过加热促进储水器2内的液态水挥发变为水蒸气从而进入试验管1。

试验管1的顶部和底部设置外螺纹，顶部外螺纹与可视窗的内螺纹连接，底部外螺纹通过适配器与储水装置连接，适配器为顶部和底部设置内螺纹的空心管状结构。

可视窗设置在适配器的侧壁。

摄像装置包括控制器14、管道内窥镜13，管道内窥镜13包括摄像头16、光源，摄像头位于管道内窥镜的端部，光源位于摄像头的远离端部的一侧。试验管的顶部设置通口，通口在实验的过程中是可以封闭的，摄像装置的管道内窥镜13可以通过试验管顶部的通口伸入管道内部，通过管道内窥镜13可以得到天然气水合物膜层的图像和厚度分布。光源可以为LED光源15。

第一温度传感器1701可以测量得到试验管1内壁的温度，第二温度传感器1702可以测量得到储水装置2内部的温度，压力传感器18可以测量得到储水装置2内部的气体压力。

数据采集端19为电脑处理端，第一温度传感器1701、第二温度传感器1702和压力传感器18分别与数据采集端19连接。

高压气瓶通过输气管与储水装置连接，输气管8上设置放空管，放空管上设置放空阀20，输气管8上设置气体减压阀7和储水器阀9。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1-实施例16中的试验管的高度为28厘米。

实施例1

步骤一：打开试验管1和储水器2之间的螺纹连接，向储水器2内加入适量的去离子水等液体；密封试验管1和储水器2之间的螺纹连接；开启恒温水浴10和加热-搅拌器11，将试验管1内壁温度和储水器2内水温调节到25℃；当温度稳定后，依次打开高压气瓶6、气体减压阀7、储水器上的针型阀9，使天然气通过不锈钢输气管线8从高压气瓶6进入储水器2和试验管1；当储水器2和试验管1内压力达到实验设定值10MPa并稳定后，依次关闭储水器2上的针型阀9、气体减压阀7、高压气瓶6，停止天然气的输送；

步骤二：调节加热-搅拌器11，使磁力搅拌桨5在实验设定转速500rpm下转动，加速储水器2内水分的挥发；调节恒温水浴10和加热-搅拌器11，使试验管1内壁温度4℃和储水器2内水温60℃分别达到实验设定值；随后，储水器2内挥发的水蒸气会在低温的试验管1内壁冷凝并与试验管1内的天然气反应生成水合物膜生长沉积层；

步骤三：当实验进行到24h后，调节加热-搅拌器11，使储水器2内部的磁力搅拌桨5停止转动；同时，调节恒温水浴10和加热-搅拌器11，使试验管1内壁的温度和储水器2内水温分别降低至-10℃和25℃；此后，储水器2内水分的挥发会因温度的降低和搅拌的停止而显著降低，进而抑制水合物膜生长沉积层的进一步生长；

步骤四：当试验管1内壁温度和储水器2内水温稳定后，打开放空针型阀20使试验管1和储水器2内压力缓慢降低至常压；在此过程中，形成的水合物膜生长沉积层会因水合物在低温下的自保护效应而分解极其缓慢。

降压完成后，打开试验管1和储水器2之间的螺纹连接；随后，使用控制器14控制管道内窥镜13，将管道内窥镜13缓慢伸入试验管1内部，进而对试验管1内水合物膜生长沉积层的形态进行观察、对厚度分布进行测量；同时，收集储水器2内尚未反应的去离子水等液体并称量其体积或质量，用于计算水合物膜生长沉积层的干度；

根据实验过程中温度、压力的变化情况，计算出水合物膜生长沉积层形成和生长的耗气量，进而计算出理论耗水量和水合物膜生长沉积层的理论体积；同时，根据管道内窥镜13测量的沉积层体积分布，计算出水合物膜生长沉积层的真实体积；随后，根据理论体积与真实体积之比，计算出水合物膜生长沉积层的孔隙度；同时，根据理论耗水量和由称量剩余液体得到的实际耗水量之比，计算出水合物膜生长沉积层的干度；最终，基于上述数据完成对水合物膜生长沉积层形成特性、生长特性、形态、厚度分布、孔隙度、干度的研究。

通过耗气量和耗水量可以得到天然气水合物生长的适合的气体和水的环境，通过在竖直管道内沉积层的分布情况，得到形成的沉积层的分布情况和厚度的情况与竖直管的高度的关系。

实施例2

相比于实施例1，反应时间为48h。

实施例3

相比于实施例1，反应时间为65h。

实施例4

相比于实施例1，反应时间为96h。

实施例5

相比于实施例1，管壁温度为8℃。

实施例6

相比于实施例5，反应时间为48h。

实施例7

相比于实施例5，反应时间为65h。

实施例8

相比于实施例5，反应时间为96h。

实施例9

相比于实施例1，管壁温度为12℃。

实施例10

相比于实施例9，反应时间为48h。

实施例11

相比于实施例9，反应时间为65h。

实施例12

相比于实施例9，反应时间为96h。

实施例13

相比于实施例1，反应时间为144h。

实施例14

相比于实施例1，反应时间为286h。

实施例15

相比于实施例5，反应时间为144h。

实施例16

相比于实施例9，反应时间为144h。

实施例17

相比于实施例4，储水器的水温为40℃。

实施例18

相比于实施例4，储水器的水温为80℃。

实施例1-实施例18的条件对比如表1所示，表中工况1-工况18分别对应实施例1-实施例18。

表1不同工况的条件

图3和图5中为使用摄像头照射的图像，其中白色(或者说两边颜色较浅的位置)为沉积层，中间颜色较深的表示试验管内部，图3中图3a、图3b、图3c、图3d中的右侧为左侧的局部放大图。

图3为实施例5、实施例6、实施例7、实施例8的沉积层的分布及形态对比图，从图3可以得到，在管壁温度为8℃、储水器水温为60℃、压力为10MPa的条件下，随着反应时间的延长，管壁上形成的水合物膜生长沉积层厚度逐渐增加并在某一位置处达到最大，表明该位置处在实验条件下发生水合物堵塞的风险最大。

图4为实施例1(工况1)、实施例2(工况2)、实施例3(工况3)、实施例4(工况4)为不同时间下的厚度分布的变化情况。其中，工况2和工况2*表示同一操作条件，进行重复实验，说明本发明的实验结果具有可重复性。其中横坐标中的x表示试验管内壁某一点与试验管底部的距离，ID表示试验管内径。从图4可以看到，沉积层厚度沿管壁的分布轮廓基本一致，沉积层厚度最大的位置即最容易发生水合物堵塞的位置也基本一致。

图5为实施例4、实施例17、实施例18的储水器的水温对沉积层的影响，可以得到储水器的水温升高，沉积层厚度最大的位置即发生水合物堵塞的位置逐渐升高，这是因为储水器的水温越高，管道下部温度就越高，水合物沉积层的生长速度就越慢，因此管道上部更容易发生水合物沉积和堵塞。

本发明通过一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，可排除水合物颗粒间聚集、水合物颗粒着床沉积及水合物颗粒和管壁间粘附沉积等现象对水合物膜生长沉积的影响，单独对水合物膜生长沉积开展专门研究；通过管道内窥镜测量，得到水合物膜生长沉积层的形态及其在管道内部的厚度分布情况；通过管道内窥镜测量结合沉积层生长耗气量和耗水量计算，得到水合物膜生长沉积层的孔隙度和干度等特征性质，对输气管线内水合物防治技术研究具有重大意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：包括试验管、储水装置、加热装置、供气装置、摄像装置，试验管竖直放置，试验管的底部与储水装置连接，试验管的外侧壁设置冷却管套，冷却管套与加热装置连接，储水装置与供气装置连接，摄像装置设置在试验管的外侧；

储水装置与加热搅拌器连接，加热搅拌器的搅拌装置设置在储水装置内部；

试验管设置第一温度传感器；

储水装置分别设置第二温度传感器和压力传感器；

试验管落在储水装置的顶部，试验管与储水装置的顶部连接；

储水装置内挥发的水蒸气在低温的试验管内壁冷凝并与试验管内的天然气反应生成水合物膜生长沉积层。

2.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：加热装置为恒温水浴，恒温水浴通过冷却管道与冷却管套连接。

3.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：试验管的顶部设置可视窗，可以随时观察内部的天然气水合物的生长情况。

4.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：试验管与储水装置的顶部螺纹连接，可以通过螺纹控制试验管与储水装置的连接。

5.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：供气装置为高压气瓶，高压气瓶通过输气管与储水装置连接。

6.根据权利要求5所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：输气管上设置气体减压阀和储水器阀。

7.根据权利要求5所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：输气管上设置放空管，放空管上设置放空阀。

8.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：摄像装置包括控制器、管道内窥镜，管道内窥镜包括摄像头、光源，摄像头位于管道内窥镜的端部，光源位于摄像头的远离端部的一侧。

9.根据权利要求1所述的用于输气管道内天然气水合物膜生长沉积研究的实验装置，其特征在于：还包括数据采集端，数据采集端分别与第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、摄像装置的控制器连接。

10.一种利用权利要求1-9任一项实验装置研究输气管道内天然气水合物膜生长沉积的实验方法，其特征在于：

具体步骤为：

（1）、向储水装置内加入适量的水，密封连接试验管和储水装置，开启恒温水浴调节试验管内壁温度，开启加热搅拌器调节储水装置内水温；当温度稳定后，依次打开高压气瓶、气体减压阀、储水器阀，使天然气通过输气管从高压气瓶进入储水装置和试验管，当储水装置和试验管内压力达到设定值并稳定后，依次关闭储水器阀、气体减压阀、高压气瓶，停止天然气的输送；

（2）、调节恒温水浴和加热搅拌器，调节试验管内壁温度和储水装置内水温；储水装置内挥发的水蒸气在低温的试验管内壁冷凝并与试验管内的天然气反应生成水合物膜生长沉积层；

（3）、当实验进行到设定时间后，调节恒温水浴和加热搅拌器，调低试验管内壁的温度和储水装置内水温，进而抑制水合物膜生长沉积层的进一步生长；

（4）、当试验管内壁温度和储水装置内水温稳定后，打开放空阀使试验管和储水装置内压力缓慢降低至常压；

对试验管内水合物膜生长沉积层的形态进行观察、对厚度分布进行测量；计算水合物膜生长沉积层的干度。

11.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤1中水是去离子水。

12.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤1中试验管内壁的温度为20-30℃，平衡后试验管内的压力为1-10MPa。

13.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤2中磁力搅拌器的转速为300~1000rpm。

14.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤2中试验管内壁的温度为-10~12℃。

15.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤2中储水装置内部的水温为30~90℃。

16.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤3中试验管内壁的温度为-6~-12℃。

17.如权利要求10所述的实验方法，其特征在于，步骤3中储水装置内部的水温为20-30℃。

Images