一种天然气水合物浆流动特性的高压测试装置的制作方法

本实用新型属于多相管流技术领域，特别是涉及一种天然气水合物流动特性的高压测试装置。

背景技术：

随着海底油气田的开发，远距离输送未经处理的含水含气原油等成为经济高效开发海底油气田的关键。而海底恶劣的自然环境不仅使海底平台和水下设施面临着严峻的考验，也使连接各个生产设施的海底管线面临挑战，其中海底管道内水合物的生成与堵塞一直是研究的热点。但是随着海上油气田开发向深海和超深海发展，管输温度越来越低，抑制水合物生成的常规方法成本过高，或达到其作用极限，而添加传统水合物抑制剂还会带来环保等方面以及成本方面的负面影响。学者因此提出了基于风险管理策略的水合物浆体输送技术和冷流概念，允许或引导流体中的天然气生成水合物。真正有实际应用价值的并不是只形成天然气水合物而是具有流动特性的水合物浆体。如今，如何进行水合物浆液输送管线的工艺设计在国际上仍处于前沿研究领域，而水合物浆体流动规律的研究则是输送管线工艺设计的基础。因此，研究天然气水合物浆在管道中的流动特性有着重要指导意义。

为测量天然气水合物浆的流动特性，叶健等人提出了一种水合物浆体流动实验装置(叶健,张鹏,钱文强.水合物浆体在水平细管中的流动特性研究[J].工程热物理学报,2014, 35(3):000550-553.)。采用带搅拌器的储罐和水浴制备天然气水合物浆，隔膜泵驱动流体进入测试管道。通过采集设备采集天然气水合物浆的流动数据，收集桶回收实验流体。其存在的主要问题是，实验无法进行循环流动，导致流动不稳定。系统无法进行高压实验，且无法配置不同组分的天然气水合物浆，即实验范围受限。装置未设置取样阀，无法获取实验流体样本，且无法测量在流动过程状态下水合物浆体颗粒的粒径尺寸。因此，此系统功能局限性较强，流动稳定性较低，适用范围有限，无法获取流体样本，且无法在线测量水合物浆颗粒粒径。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种流动稳定、功能全面、适用范围广、可实时获取流体样本、在线测量水合物浆颗粒粒径的天然气水合物浆流动特性高压测试装置。

本实用新型设置甲烷气瓶、乙烷气瓶、丙烷气瓶、丁烷气瓶，可配置不同组分含量的天然气进行实验。利用高压柱塞泵向气罐下部泵送液体从而压缩气体空间，提高气罐内部压力，实现高压输送测试。采用混合罐和搅拌器制备天然气水合物浆，利用磁力泵及旁通管路可实现流体的循环密闭流动及循环开式流动。环道末端设置玻璃管道，可实时显示天然气水合物浆的流动状态。环道末端设置在线粒度分析仪，可在线测量天然气水合物浆颗粒的粒径尺寸。环道末端设置取样阀，可实时获取流体样本。

本实用新型具体的技术方案如下：

一种天然气水合物浆流动特性的高压测试装置，包括注气系统、气液混合系统和环道系统三个部分，所述注气系统和气液混合系统相连，气液混合系统与环道系统相连；所述注气系统包括甲烷气瓶、乙烷气瓶、丙烷气瓶、丁烷气瓶、第一质量流量计、第二质量流量计、第三质量流量计、第四质量流量计、球阀一、球阀二、球阀三、球阀四、开口桶、高压柱塞泵、球阀五、放空阀一、气罐、第五压力传感器、球阀六、第五质量流量计、球阀七和连接管路，用于向气液混合系统注气；所述气液混合系统包括第一水浴、混合罐、放空阀二和连接管路，用于制备天然气水合物浆；所述环道系统包括球阀八、球阀九、球阀十、磁力泵、第六质量流量计、第二水浴、玻璃管道、在线粒度分析仪、取样阀、球阀十一和连接管路，用于测试天然气水合物浆的流动特性；所述高压柱塞泵通过球阀五与气罐下部相连，用于向气罐注液加压；所述混合罐外层设有夹套，与第一水浴相连，用于控制混合罐温度；所述环道外层设有夹套，与第二水浴相连，用于控制环道温度；所述玻璃管道置于环道尾部，可对天然气水合物浆流动状态进行实时观察及拍摄；所述混合罐上部设有搅拌器，用于搅拌气液混合；所述在线粒度分析仪置于玻璃管道后，用于在线测量天然气水合物浆颗粒的粒径尺寸；所述取样阀位于在线粒度分析仪之后，可在线获取天然气水合物浆的实验样品。

所述甲烷气瓶与第一质量流量计、球阀一依次串联连接，用于计量和控制甲烷气体的注入。

所述乙烷气瓶与第二质量流量计、球阀二依次串联连接，用于计量和控制乙烷气体的注入。

所述丙烷气瓶与第三质量流量计、球阀三依次串联连接，用于计量和控制丙烷气体的注入。

所述丁烷气瓶与第四质量流量计、球阀四依次串联连接，用于计量和控制丁烷气体的注入。

所述甲烷气瓶、乙烷气瓶、丙烷气瓶、丁烷气瓶并联连接，可向气罐内注入一定量不同组分的气体。

所述环道沿线设有若干压力传感器和温度传感器，可采集流体的压力、温度数据。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)通过不同组分的并联气瓶，可配置不同组分含量的天然气，研究不同组分含量的天然气对天然气水合物浆体流动特性的影响。

(2)利用高压柱塞泵向气罐下部泵送液体从而压缩气体空间，提高气罐内部压力，研究高压状态下天然气水合物浆体的流动特性，扩大了实验范围。

(3)利用磁力泵及旁通管路可实现流体的循环密闭流动及循环开式流动，流动稳定，流程多变。

(4)环道末端设置在线粒度分析仪，可在线测量天然气水合物浆颗粒的粒径尺寸，提高实验结果精确度。

(5)环道设有有机玻璃管和取样装置，可多方面获取天然气水合物浆的流动状态数据从而进行对比分析。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-甲烷气瓶；2-乙烷气瓶；3-丙烷气瓶；4-丁烷气瓶；5-第一质量流量计；6-第二质量流量计；7-第三质量流量计；8-第四质量流量计；9-球阀一；10-球阀二；11-球阀三；12-球阀四；13-开口桶；14-高压柱塞泵；15-球阀五；16-放空阀一；17-气罐；18-第五压力传感器；19-球阀六；20-第五质量流量计；21-球阀七；22-第一水浴；23-混合罐；24-放空阀二；25-球阀八；26-球阀九；27-球阀十；28-磁力泵；29-第六质量流量计；30-第二水浴； 31-玻璃管道；32-在线粒度分析仪；33-取样阀；34-球阀十一。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来详细说明本实用新型。以下内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定为本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型包括注气系统、气液混合系统和环道系统四个部分，所述注气系统和气液混合系统相连，气液混合系统与环道系统相连。

其中所述的注气系统包括甲烷气瓶1、乙烷气瓶2、丙烷气瓶3、丁烷气瓶4、第一质量流量计5、第二质量流量计6、第三质量流量计7、第四质量流量计8、球阀一9、球阀二10、球阀三11、球阀四12、开口桶13、高压柱塞泵14、球阀五15、放空阀一16、气罐17、第五压力传感器18、球阀六19、第五质量流量计20、球阀七21和连接其中的管路。所述第一质量流量计5与甲烷气瓶1相连，用于计量甲烷流量。所述球阀一9与第一质量流量计5相连，用于控制甲烷注入的开关状态。所述第二质量流量计6与乙烷气瓶2相连，用于计量乙烷流量。所述球阀二10与第二质量流量计6相连，用于控制乙烷注入的开关状态。所述第三质量流量计7与乙烷气瓶2相连，用于计量乙烷流量。所述球阀三11与第三质量流量计7相连，用于控制乙烷注入的开关状态。所述第四质量流量计8与丁烷气瓶4相连，用于计量丁烷流量。所述球阀四12与第四质量流量计8相连，用于控制丁烷注入的开关状态。所述甲烷气瓶1的管路、乙烷气瓶2的管路、丙烷气瓶3的管路和丁烷气瓶4的管路并联连接，且均与气罐17相连，用于向气罐17注气。所述高压柱塞泵14一端与开口水桶13相连，另一端与气罐17下部相连，用于向气罐内注液加压。所述放空阀一16与气罐17相连，用于排出气罐内的废液。所述气罐17上方设有第五压力传感器18，用于监测气罐17内的压力。所述第五质量流量计20通过球阀六19与气罐17下部相连，用于计量天然气流量。所述球阀七21 与第五质量流量计20相连，用于控制气体注入的开关状态。

所述气液混合系统包括第一水浴22、混合罐23、放空阀二24和连接其中的管路。所述混合罐23外层设有夹套与第一水浴22相连，用于控制混合罐23内的温度。所述混合罐23 上部设有搅拌器，用于搅拌流体使其受热均匀。所述放空阀二24与混合罐23下部相连，用于排放实验废液。

所述环道系统包括球阀八25、球阀九26、球阀十27、磁力泵28、第六质量流量计29、第二水浴30、玻璃管道31、在线粒度分析仪32、取样阀33、球阀十一34和连接其中的管路。所述磁力泵28通过球阀八25与混合罐23下部相连，用于驱动混合罐内的流体。所述第六质量流量计29与磁力泵28出口相连，用于计量流体的流量。所述第二水浴30与环道外层夹套相连，用于控制环道的温度。所述玻璃管道31置于环道末端，可实时显示流体的流动状态。所述在线粒度分析仪32与玻璃管道31相连，可在线测量天然气水合物颗粒的粒径。所述取样阀33置于在线粒度分析仪32后部，可获取流体样本。所述球阀十一34与取样阀33相连。所述球阀十27一端与球阀十一34相连，另一端与球阀八25和磁力泵28中间的管路相连。所述球阀九26一端与混合罐23上部相连，另一端与球阀十27和球阀十一34中间的管路相连。

本实用新型具体操作过程说明如下：

天然气水合物浆的制备：如图1所示，打开球阀一9，关闭球阀二10、球阀三11、球阀四12，向气罐17注入一定量的甲烷。打开球阀二10，关闭球阀一9、球阀三11、球阀四12，向气罐17注入一定量的乙烷。打开球阀三11，关闭球阀一9、球阀二10、球阀四12，向气罐17注入一定量的丙烷。打开球阀四12，关闭球阀一9、球阀二10、球阀三11，向气罐17 注入一定量的丁烷。关闭球阀一9、球阀二10、球阀三11、球阀四12、球阀六19，打开球阀五15，启动高压柱塞泵14向气罐17内注入一定量的液体，使气罐17内压力提高至实验压力。向混合罐23内注入一定量的油水混合物，关闭球阀八25、球阀九26，打开球阀六19、球阀七21，向混合罐23内注入一定量的天然气。打开第一水浴22和混合罐23上部的搅拌器，对天然气水合物浆进行制备。

天然气水合物浆环道开式实验：启动第二水浴30，将其温度设定为实验温度。待环道温度稳定后，关闭球阀七21、球阀十27，打开球阀八25、球阀十一34、球阀九26，启动磁力泵28，将制备好的天然气水合物浆泵入至实验环道内。利用环道沿线的压力传感器、温度传感器采集流体的压力、温度数据，玻璃管道31实时显示流体的流动状态，在线粒度分析仪采集天然气水合物浆颗粒的粒径数据，取样阀实时获取流体实验样本。

天然气水合物浆环道闭式实验：启动第二水浴30，将其温度设定为实验温度。待环道温度稳定后，关闭球阀七21、球阀十27，打开球阀八25、球阀十一34、球阀九26，启动磁力泵28，将制备好的天然气水合物浆泵入至实验环道内。待流动稳定后，打开球阀十27，关闭球阀八25、球阀九26,流程切换为闭式流程。待闭式流程流动稳定后，利用环道沿线的压力传感器、温度传感器采集流体的压力、温度数据，玻璃管道31实时显示流体的流动状态，在线粒度分析仪采集天然气水合物浆颗粒的粒径数据，取样阀实时获取流体实验样本。

综上，通过设置甲烷气瓶、乙烷气瓶、丙烷气瓶、丁烷气瓶，可配置不同组分含量的天然气进行实验。利用高压柱塞泵向气罐下部泵送液体从而压缩气体空间，提高气罐内部压力，实现高压输送测试。采用混合罐和搅拌器制备天然气水合物浆，利用磁力泵及旁通管路可实现流体的循环密闭流动及循环开式流动。环道末端设置玻璃管道，可实时显示天然气水合物浆的流动状态。环道末端设置在线粒度分析仪，可在线测量天然气水合物浆颗粒的粒径尺寸。环道末端设置取样阀，可实时获取流体样本。装置具有流动稳定、功能全面、适用范围广、可实时获取流体样本、在线测量水合物浆颗粒粒径的特点。