泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法

摘要

本发明属于油气运输工程领域，涉及泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法，本发明的目的是提供一种模拟泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法，用于实现在室内对泡状流下气体水合物在金属管道聚集形成机理的研究，为泡状流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，并可以确定不同泡状流流速下水合物阻塞形成的快慢及模拟深水环境下各种金属管道水合物聚集形成的机理研究，包括：压力控制系统、气体注入系统、实验模拟系统、冷却系统、循环系统、进排水系统、监控存储系统；其中：压力控制系统、气体注入系统、冷却系统、循环系统、进排水系统都和实验模拟系统连接为实验模型系统服务，通过控制气体的注入速度与立管内液体的流速来模拟研究水合物形成后在金属管道粘附聚集的形成机理。

说明书

技术领域

本发明属于油气运输工程领域，涉及泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法。

背景技术

随着陆地石油资源的日益匮乏以及全球油气需求的不断攀升，人们对海洋油气资源的勘探和开发越来越多，尤其加大了对深水油气资源的开发力度。水下开采尤其是在深水条件下开采和管道输送油气资源已经成为可能，但是在深水油气开采运输过程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、管道堵塞等条件的限制，人们对水下特别是深水环境下溢油金属管道的利用水合物堵塞研究并不多，并且对深水环境下水合物形成的研究和各种金属管道运输堵塞形成也不够深入，目前国内外尚无能够模拟泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法。这些都对我们全面了解金属管道水合物堵塞以及如何应对这种不同管道堵塞造成了很大的困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种模拟泡状流下气体水合物阻塞机理模拟实验装置及方法，用于实现在室内对泡状流下气体水合物在金属管道聚集形成机理的研究，为泡状流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，并可以确定不同泡状流流速下水合物阻塞形成的快慢及模拟深水环境下各种金属管道水合物聚集形成的机理研究，其具体的技术方案如下：

一种泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置，包括：压力控制系统、气体注入系统、实验模拟系统、冷却系统、循环系统、进排水系统、监控存储系统；其中：压力控制系统、气体注入系统、冷却系统、循环系统、进排水系统都和实验模拟系统连接为实验模型系统服务，其中：压力控制系统为实验模型系统提供压力，气体注入系统为实验模型系统提供注入气体，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，冷却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。

压力控制系统包括：氮气气源、气体增压泵、背压罐，氮气气源、气体增压泵、背压罐依次通过管线相连，气体增压泵、背压罐相连的管线上设有背压罐入口控制阀。

气体注入系统包括：气体储存罐、气体注入控制阀、高压球动阀、气体流量计；气体储存罐通过管线与气体注入控制阀相连，气体注入控制阀与高压球动阀之间通过管线相连，高压球动阀与实验模拟系统间连接的管线上装有气体流量计。

实验模拟系统，包括：实验模拟仓，实验模拟仓上下两端密封，上部开有高压氮气注入孔、冷却水出口、循环水出口，下部开有气体注入孔、冷却水注入孔、循环水注入孔，实验模拟仓圆周壁的竖直方向上分别开有两列窗口：一列为两个照明视窗，一列为观察视窗，实验模拟仓底端安装气体发射管，循环水进口管，气体发射管与实验模拟仓下部的气体注入孔连接，循环水进口管与实验模拟仓下部的循环水进口相连接，实验模拟仓内四周围绕冷却水循环管，冷却水循环管上端与冷却水出口相连，下端与冷却水进口相连，实验模拟仓内竖立一根分半组合立管，分半组合立管下端四周开孔，一半分半组合立管正对观察窗且设置为透明的，另一半立管上带有卡槽，分半组合立管的下部开有循环水进孔，气体发射管处于分半组合立管下部中心处；背压罐通过管线与安全阀连接，安全阀通过管线与实验模拟仓顶端的高压氮气注入孔相连，背压罐与安全阀相连的管线上设有背压罐测量压力计。

冷却系统包括：冷却水出口阀、冷却机组、冷却水进口阀、温度计；冷却水出口阀、冷却水进口阀与冷却机组通过管线相连，冷却水出口阀与实验模拟仓上部冷却水出口通过管线相连，冷却水进口阀与实验模拟仓下部冷却水进口通过管线相连，管线上装有温度计。

循环系统包括：循环水出水控制阀、循环泵、循环水进水控制阀、流量计；实验模拟仓上部的循环水出口与循环水出水控制阀、循环水出水控制阀与循环泵、循环水进水控制阀与循环泵、实验模拟仓下部的循环水进口依次通过管线相连，循环水出水控制阀与循环泵相连的管线上装有流量计。

进排水系统包括：进水控制阀、进水泵、水池、排水阀；进水控制阀、进水泵、水池、排水阀依次通过管线相连，进水控制阀通过管线连接在循环水出水控制阀与实验模拟仓上部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与实验模拟仓下部的循环水进口相连的管线上。

实验模拟仓上端和下端分别设置上法兰和下法兰。

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。

本发明的模拟泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验方法，利用权利要求上述的模拟泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置，步骤如下：

(1)、实验准备阶段：

打开实验模拟仓的上法兰，提取带有卡槽的一半套管，依次向上面装上预先做好的金属管道样品，装好后放回，保证与另一半的吻合，旋紧上法兰，关闭安全阀、循环水进水控制阀、循环水出口控制阀、排污阀、高压球动阀，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，然后关闭进水控制阀，进水泵，打开冷却水进口阀与冷却水出口阀，让通过冷水机组制冷后的冷水在实验模拟装置中循环流通，使实验模拟仓内的温度达到实验所需温度，打开循环水出水控制阀和循环水进水控制阀，启动循环泵，保证模拟实验仓内分半组合立管中的液体流动。

实验模拟仓内冷却循环水已经达到实验所需温度，使装置内水保持循环流动，保持实验冷却水出口阀与冷却水进口阀打开；打开气体增压泵与背压罐之间的背压罐入口控制阀，启动气体增压泵开始工作，从背压罐测量压力计读出背压罐的压力，待背压罐内压力达到试验工况所需压力后，关闭背压罐入口控制阀，关闭气体增压泵，打开安全阀；打开光源，从照明视窗向实验模拟仓中打光，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：

当实验模拟仓内温度到达实验设定温度时，打开气体注入控制阀，然后打开高压球动阀，控制气体流量计流量，开始泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验，向实验模拟仓内的分半组合立管内注入气体同时用高速摄像机自动抓拍气泡在两个不同金属管道片上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，且观察到金属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)、实验排污阶段：

先关闭冷却装置，关闭实验模拟仓下端的高压球动阀11、循环水进水控制阀和循环水出水控制阀，打开实验模拟仓下端的排水阀，将一次实验后实验模拟仓内的污水放空至水池，实验结束。

相对于现有研究，本发明的有益效果如下：

(1)、本装置可以模拟得到一定温度、压力条件下泡状流中水合物的形成以及在各种金属管道处水合物的聚集过程，并利用水合物在金属管道处的阻塞来阻止原油的外泄；

(2) 、通过控制气体的注入速度与立管内液体的流速来模拟研究水合物形成后在金属管道粘附聚集的形成机理；

(3)、本技术方案的装置操作简单，易于观察，可行性高；

(4)、测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量；

（5）、通过处理计算机中存储图像数据，可以分析不同气体流速与液体流速下的水合物形成机理以及在各种金属管道中的粘附聚集过程，从而为泡状流下气体水合物的形成与堵塞机理研究提供有效的参数数据。

附图说明

图1为本发明的泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置的结构示意图；

图2是本发明的实验模拟仓的结构示意图；

图3是本发明的仓内组合立管的结构示意图；

图4是本图3的A部放大图。

图中：1、氮气气源；2、气体增压泵；3、背压罐入口控制阀；4、背压罐；5、背压罐测量压力计；6、安全阀；7、气体储存罐；8、气体注入控制阀；10、气体测量压力计；11、高压球动阀；12、照明视窗；13、实验模拟仓；131、循环水进口管；132、气泡发射管；134、循环水出口管；136、分半组合立管（一侧可拆装金属管道片）；135、冷却水循环管；137、观察视窗；14、高速摄像机；15、计算机；21、循环水出水控制阀；28、循环水流量计；20、循环泵；18、循环水进水控制阀；16、排水阀；17、水池；22、进水控制阀；23、进水泵；24、冷却水出口阀；25、冷却机组；26、冷却水进口阀。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图及实施例对本发明的泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置及方法作进一步详细的说明。

本发明的泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置包括：压力控制系统、气体注入系统、实验模拟系统、冷却系统、循环系统、进排水系统、监控存储系统；其中：压力控制系统、气体注入系统、冷却系统、循环系统、进排水系统都和实验模拟系统连接为实验模型系统服务，其中：压力控制系统为实验模型系统提供压力，气体注入系统为实验模型系统提供注入气体，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，冷却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。

压力控制系统包括：氮气气源1、气体增压泵2、背压罐4，氮气气源1、气体增压泵2、背压罐4依次通过管线相连，气体增压泵2、背压罐4相连的管线上设有背压罐入口控制阀3。

气体注入系统包括：气体储存罐7、气体注入控制阀8、高压球动阀11、气体流量计；气体储存罐7通过管线与气体注入控制阀8相连，气体注入控制阀8与高压球动阀11之间通过管线相连，高压球动阀11与实验模拟系统间连接的管线上装有气体流量计。

实验模拟系统，包括：实验模拟仓13，实验模拟仓13上下两端密封，上部开有高压氮气注入孔、冷却水出口、循环水出口，下部开有气体注入孔、冷却水注入孔、循环水注入孔，实验模拟仓13圆周壁的竖直方向上分别开有两列窗口：一列为两个照明视窗12，一列为观察视窗137，实验模拟仓13底端安装气体发射管，循环水进口管131，气体发射管与实验模拟仓12下部的气体注入孔连接，循环水进口管131与实验模拟仓13下部的循环水进口相连接，实验模拟仓13内四周围绕冷却水循环管135，冷却水循环管135上端与冷却水出口相连，下端与冷却水进口相连，实验模拟仓13内竖立一根分半组合立管136，分半组合立管136下端四周开孔，一半分半组合立管正对观察视窗137且设置为透明的，另一半立管上带有卡槽，分半组合立管136的下部开有循环水进孔，气体发射管处于分半组合立管下部中心处；背压罐4通过管线与安全阀6连接，安全阀6通过管线与实验模拟仓13顶端的高压氮气注入孔相连，背压罐4与安全阀6相连的管线上设有背压罐测量压力计5。

冷却系统包括：冷却水出口阀24、冷却机组25、冷却水进口阀26、温度计；冷却水出口阀24、冷却水进口阀26与冷却机组25通过管线相连，冷却水出口阀24与实验模拟仓13上部冷却水出口通过管线相连，冷却水进口阀26与实验模拟仓13下部冷却水进口通过管线相连，管线上装有温度计。

循环系统包括：循环水出水控制阀21、循环泵20、循环水进水控制阀18、流量计；实验模拟仓13上部的循环水出口与循环水出水控制阀21、循环水出水控制阀21与循环泵20、循环水进水控制阀18与循环泵20、实验模拟仓13下部的循环水进口依次通过管线相连，循环水出水控制阀21与循环泵20相连的管线上装有流量计。

进排水系统包括：进水控制阀22、进水泵23、水池17、排水阀16；进水控制阀22、进水泵23、水池17、排水阀16依次通过管线相连，进水控制阀22通过管线连接在循环水出水控制阀18与实验模拟仓13上部的循环水出口相连的管线上，排水阀16通过管线连接在循环水进水控制阀18与实验模拟仓13下部的循环水进口相连的管线上。

实验模拟仓13上端和下端分别设置上法兰和下法兰。

监控存储系统包括高速摄像机14和计算机15，高速摄像机14和计算机连接，高速摄像机14的镜头对准观察视窗137。

本发明的模拟泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验方法，利用上述的模拟泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验装置，步骤如下：

(1)、实验准备阶段：

打开实验模拟仓13的上法兰，提取带有卡槽的一半套管，依次向上面装上预先做好的金属管道样品，装好后放回，保证与另一半的吻合，旋紧上法兰，关闭安全阀6、循环水进水控制阀18、循环水出口控制阀21、排污阀16、高压球动阀11，打开进水控制阀22，启动进水泵23，向实验模拟仓13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，然后关闭进水控制阀22，进水泵23，打开冷却水进口阀26与冷却水出口阀24，让通过冷水机组25制冷后的冷水在实验模拟装置中循环流通，使实验模拟仓13内的温度达到实验所需温度，打开循环水出水控制阀21和循环水进水控制阀18，启动循环泵20，保证模拟实验13仓内分半组合立管136中的液体流动。

实验模拟仓13内冷却循环水已经达到实验所需温度，使装置内水保持循环流动，保持实验冷却水出口阀24与冷却水进口阀26打开；打开气体增压泵2与背压罐4之间的背压罐入口控制阀3，启动气体增压泵2开始工作，从背压罐测量压力计5读出背压罐4的压力，待背压罐4内压力达到试验工况所需压力后，关闭背压罐入口控制阀3，关闭气体增压泵2，打开安全阀6；打开光源，从照明视窗12向实验模拟仓13中打光，启动高速摄像机14和计算机15，保证高速摄像机14对准观察视窗137；实验准备结束；

（3）、实验进行阶段：

当实验模拟仓13内温度到达实验设定温度时，打开气体注入控制阀8，然后打开高压球动阀11，控制气体流量计流量，开始泡状流下气体水合物堵塞机理模拟实验，向实验模拟仓13内的分半组合立管136内注入气体同时用高速摄像机14自动抓拍气泡在两个不同金属管道片上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，且观察到金属管道有水合物形成为止，一个实验过程结束，高速摄像机14抓拍的图像数据通过数据线传到计算机进行存储；

(3)、实验排污阶段：

先关闭冷却装置，关闭实验模拟仓13下端的高压球动阀11、循环水进水控制阀18和循环水出水控制阀21，打开实验模拟仓13下端的排水阀16，将一次实验后实验模拟仓内的污水放空至水池17，实验结束。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。