一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备及方法

本发明属于油气安全工程，更具体地说，涉及一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备及方法。

背景技术：

1、

2、天然气水合物是水分子和气体小分子在低温高压条件下形成的一种冰雪状晶体的笼型化合物，不仅会引发井筒、管道、阀门堵塞等问题，也可致使圈闭压力、管道破裂，严重影响天然气的安全生产，给社会、经济和环境造成巨大影响，可能关联各个方面的灾难性事故。而添加水合物抑制剂是防治的常用措施，通过在井筒或管线中添加适量抑制剂，改变天然气水合物形成的热力学条件等，从而抑制其水合物生成。目前，对于水合物抑制剂的性能评价主要通过室内实验，包括静态搅拌釜、摇晃式反应釜和不同规模的实验环路，但均不能真实模拟现场工况，所以设计一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备具有重大工程应用价值。

3、发明专利cn201911124748.1设计了一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法，主要包括主高压可视釜、驱动控制系统、气液注入与排出系统、温度控制系统和数据采集系统，借助主高压可视釜对管内水合物生长形态变化进行实时观测，通过驱动控制系统控制可视釜的摇摆频率和角度，模拟流体在管道内的流动，应用低温恒温室风冷制冷，解决可视釜表面起雾问题。但该试验装置通过摇摆模拟管道内流体流动，反应釜体积小，同时难以控制流体流速和流态，会干扰水合物的形成过程，降低水合物抑制剂性能评价的准确性。

4、发明专利cn202010062969.7设计了一种可视化高压微流控水合物模拟实验装置，主要包括微量流体注射与压力控制单元、耐压微流控水合物反应单元、温度控制单元、生成气体处理单元及实时显示单元，各单元间通过管线或数据线相连，并通过相应阀门或开关进行控制，可对水合物反应的微观过程进行实时的清晰观测。但该装置通过微流控技术模拟天然气水合物所处的低温高压环境，模拟情况与现场实际存在较大差异，另外该方法主要针对地层多孔介质中的天然气水合物，不适用于大直径管道的天然气输送方式。

技术实现思路

1、

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备及方法，有效解决了现阶段水合物抑制剂性能评价装置难以模拟现场实际，使得评价准确性较低的问题。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明提供了一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备，包括节流控制系统、抑制剂注入系统、可视化釜体、温度控制系统和数据采集系统；

5、所述节流控制系统包括节流装置主体、前端蝶阀、后端蝶阀、步进电机、转角传感器、传动机构和节流机构；所述节流装置主体由上节流座和下节流座组成，所述上节流座上开设有中心孔，所述中心孔的轴线与所述上节流座的上端面及下端面所在平面相垂直；所述下节流座包括箱体以及连接与所述箱体下方的左侧管体、右侧管体，所述箱体与所述上节流座的下端面固定连接，且与所述中心孔相连通；所述左侧管体上设有压力计，所述右侧管体上设有与所述抑制剂注入系统相连接的注剂阀；所述前端蝶阀一端固定连接现场井口旁通，另一端固定连接所述左侧管体的左端外管口；所述可视化釜体的一端连接所述右侧管体的右端外管口，另一端连接所述后端蝶阀，所述后端蝶阀的另一端连接现场管道；所述温度控制系统与所述可视化釜体相连，用以控制所述可视化釜体环空内导热液温度；所述数据采集系统安装于所述可视化釜体的外部，用以获得所述可视化釜体内水合物形成的动态图像，并将信息传输至成像控制器中；所述步进电机的输出轴上安装有所述转角传感器，且所述步进电机、所述转角传感器均与所述成像控制器电性连接；

6、所述传动机构包括主动轴、从动轴、小锥齿轮和大锥齿轮，所述主动轴穿过所述中心孔伸入所述箱体内，所述主动轴的上端连接所述步进电机的输出轴，下端通过联轴器连接与所述主动轴轴线一致的所述从动轴，所述从动轴的下端连接所述小锥齿轮，并保持所述小锥齿轮的轴向与周向固定；所述小锥齿轮与一侧的所述大锥齿轮互相保持啮合；

7、所述节流机构包括活动挡板和固定挡板，所述活动挡板上开设有多个扇叶一和窗口一，且所述扇叶一和所述窗口一在周向上等角度间隔分布；所述活动挡板与所述大锥齿轮固定连接，能够由所述大锥齿轮带动进行转动；所述固定挡板上开设有多个扇叶二和窗口二，且所述扇叶二和所述窗口二的数量、角度与所述活动挡板上的所述扇叶一和所述窗口一对应一致；所述固定挡板与所述右侧管体的左端固定连接，所述活动挡板转动安装于所述左侧管体的右端。

8、通过采用上述技术方案，本发明一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备主要由节流控制系统、抑制剂注入系统、可视化釜体、温度控制系统和数据采集系统组成；节流控制系统包括节流装置主体、传动机构、节流机构等，通过传动机构控制活动挡板转动，进而与固定挡板配合调控流体流通面积；温度控制系统可控制可视化釜体环空内导热液温度；可视化釜体可获得其内部水合物形成的动态图像，并将信息传输至成像控制器中。本发明适用于天然气运输过程中水合物抑制剂的现场试验，可确定不同流量温度、开关井工况下水合物生成情况以及压降变化，较室内实验有效提高抑制剂性能评价的准确性。

9、优选地，所述上节流座中所述下端面的周向上开设有多个螺纹孔，所述箱体顶部设有密封垫，所述箱体与所述上节流座的所述下端面之间通过螺钉固定连接；所述前端蝶阀与所述后端蝶阀的结构尺寸保持一致。

10、优选地，所述传动机构还包括滚子轴承，所述中心孔上开设有轴承定位凸起；所述滚子轴承与所述中心孔的轴线一致，且与所述轴承定位凸起的内壁过盈配合；所述滚子轴承的上端由下至上同轴心设有密封圈和端盖，所述上节流座中所述上端面的周向上开设有多个螺纹孔，所述端盖通过螺钉与所述上端面固定连接；

11、所述主动轴的上端与所述步进电机固定相连，所述主动轴同轴心穿过所述滚子轴承，且与所述滚子轴承的内孔为过盈配合；

12、所述主动轴的下端设有半键槽a，所述从动轴的上端设有半键槽b；所述联轴器包括联轴器上座、联轴器下座和平键b，所述联轴器上座的内壁设有平键槽b，且所述平键槽b的尺寸与所述半键槽a和所述半键槽b的组合尺寸保持一致；所述联轴器上座与所述联轴器下座通过螺栓连接实现所述联轴器的轴向固定；所述平键b置于所述主动轴与所述从动轴的对应键槽内，所述平键b与所述平键槽b间隙配合实现联轴器的周向固定；

13、所述从动轴的下端设有平键a，所述小锥齿轮的内孔设有平键槽a，所述平键a和所述平键槽a配合实现所述小锥齿轮的周向固定；同时，所述从动轴的下端外周面上设有外螺纹，该外螺纹与一压盖相配合，实现所述小锥齿轮的轴向固定。

14、优选地，所述节流控制系统还包括用以构成所述主动轴与所述上节流座之间机械密封的密封机构，所述中心孔的上设有密封定位凸起，所述主动轴的中段设有台阶以实现所述密封机构的轴向定位；

15、所述密封机构包括沿主动轴中心轴线由上至下设置的静密封圈、动密封圈、推环、密封弹簧和弹簧座，所述静密封圈与所述中心孔的轴线一致，且与所述密封定位凸起的内壁过盈配合；所述静密封圈的下端面设有由圆柱面和圆弧面组成的密封带，所述动密封圈的上端开设有密封槽，所述密封槽与所述密封带紧密贴合；所述动密封圈的下端开设有花键槽，所述推环的上端开设有花键，所述花键与所述花键槽过盈配合；所述推环的下端设有定位圆柱，用以实现所述密封弹簧上端的周向固定；所述密封弹簧放置于所述弹簧座和所述推环之间，并处于压缩状态；所述弹簧座通过所述主动轴的台阶实现轴向定位，并与所述主动轴固定连接，所述弹簧座上也设有定位圆柱，用以实现所述密封弹簧下端的周向固定。

16、优选地，所述右侧管体左端外周的上半面开设有固定槽，所述左侧管体右端外周的上半面开设有活动槽；所述固定挡板与所述固定槽通过螺钉固定连接；所述活动槽的左侧面与所述大锥齿轮的底端平齐，右侧面与所述活动挡板上的所述扇叶一左侧平齐；所述固定槽的左侧面与所述固定挡板上的所述扇叶二右侧平齐，右侧面与所述固定挡板的右端面平齐。

17、优选地，所述抑制剂注入系统包括注入剂筒、注液泵、流通阀、注液泵开关和注入压力表；

18、所述注入剂筒与所述注液泵通过管道一连通；所述流通阀安装于所述管道一上，用以控制所述管道一内流体流通；所述注液泵与所述注液泵开关通过电性连接，所述注液泵与所述注剂阀通过管道二连接；所述注入压力表用以监测流体出所述注液泵后压力。

19、优选地，所述可视化釜体包括反应釜外筒、蓝宝石内筒、法兰座、温度计、进液孔和出液孔；

20、所述反应釜外筒的两端外侧各焊接固定有一法兰座；对所述蓝宝石内筒外表面进行预金属化处理后得到预金属化带，采用钎料将所述预金属化带与所述法兰座进行钎焊固定；所述反应釜外筒的上部设有温度计，侧面设有可视窗口座、可视窗口盖和密封环，所述可视窗口盖与所述可视窗口座通过螺钉固定连接；所述可视窗口座内部设有凹槽，用以放置所述密封环；所述可视窗口盖内部嵌有蓝宝石窗口；所述反应釜外筒同一轴线上分别设有所述进液孔以及所述出液孔。

21、优选地，所述数据采集系统包括高速摄像机、摄像机座、定位座、定位杆和所述成像控制器；

22、所述摄像机座的侧边开设有环槽，上表面沿所述环槽的走向开设有若干限位槽；所述定位座呈倒u形设于所述摄像机座的上方；所述高速摄像机的底部设有外螺纹柱，所述外螺纹柱与所述定位座顶端中部的内螺纹孔配合连接，使所述高速摄像机连接于所述摄像机座上；所述高速摄像机的摄像头对准所述蓝宝石窗口，同时，所述高速摄像机与所述成像控制器通过电性连接以传输信息；所述定位座的顶端还设有支点槽，所述定位杆包括限位圆柱、半圆支点和弹簧槽，所述半圆支点紧密贴合于所述支点槽内，且所述半圆支点的一端连接所述限位圆柱，另一端连接弹簧；所述限位圆柱垂直穿过所述定位座的顶面，并能够伸入位于所述定位座下方的所述限位槽内，实现不同角度所述高速摄像机位置的固定；所述半圆支点的对应端底面上开设有所述弹簧槽，所述弹簧的顶端固定于所述弹簧槽内，底端与所述定位座的上表面连接固定；所述半圆支点的两侧通过与其转动连接的定位螺柱、带有定位孔的定位基座以及螺母来约束其自身在竖直平面上的位移；所述定位座的两侧设有通过螺母和滚轮杆固定的若干滚轮，所述滚轮的外侧与所述环槽的内侧相切。

23、优选地，所述温度控制系统包括储液罐、储液阀、循环泵、节流阀、冷凝器、压缩泵、加热器、出液阀和进液阀；

24、所述储液罐内部填充有透明导热液，所述储液罐与所述储液阀通过螺纹密封连接；所述循环泵为三通结构，所述出液阀、所述循环泵、所述节流阀、所述冷凝器、所述压缩泵、所述加热器和所述进液阀依次通过管道三连接；所述储液阀与所述循环泵通过管道四连接；所述进液阀与所述进液孔通过螺纹密封连接，所述出液阀与所述出液孔通过螺纹密封连接。

25、本发明还提供了一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试方法，采用上述中的一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备，包括如下步骤：

26、步骤一、在现场完成水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备的组装，检测各个装置是否正常工作，以及管路是否存在泄漏；

27、步骤二、通过成像控制器开启步进电机，待转角传感器传回成像控制器的角度达试验值，关闭步进电机，可计算得到活动挡板与固定挡板配合后的流体流通面积，使得流体流通面积与试验需求一致；若需模拟开关井过程，则保持步进电机为开启状态，使得活动挡板与固定挡板配合后的流体流通面积处于动态变化，否则忽略此步骤；

28、步骤三、将所需试验的水合物抑制剂通过抑制剂注入系统注入可视化釜体内；

29、步骤四、若需评估添加水合物抑制剂后压降变化，同时关闭前端蝶阀和后端蝶阀，将氮气充入抑制剂注入系统中，通过压力计记录左侧管体内的压力数值变化，否则忽略此步骤；

30、步骤五、开启温度控制系统各部分装置来调控温度，使得温度显示结果与试验需求一致；

31、步骤六、通过数据采集系统控制高速摄像机的拍摄角度；

32、步骤七、采集实验数据，记录转角传感器所示角度，以及温度和压力随时间的变化关系；记录高速摄像机拍摄角度，通过高速摄像机实时监测可视化釜体中天然气水合物生成情况，得到水合物形态随时间变化的动态过程；

33、步骤八、通过成像控制器调控步进电机，使得活动挡板与固定挡板的扇叶一、扇叶二完全重合，开启前端蝶阀和后端蝶阀，关闭温度控制系统和数据采集系统中各装置，完成水合物抑制剂的现场试验过程。

34、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种水合物生成与抑制效果在线可视化测试装备及方法，可实现如下技术效果：

35、1.本发明前端蝶阀与现场井口旁通固定连接，后端蝶阀与现场管道固定连接，前后端蝶阀均处于打开状态，且活动挡板与固定挡板的扇叶重合，不影响天然气的正常输送。

36、2.本发明借助节流控制系统能够有效控制管道内流体流通面积，结合抑制剂注入系统和温度控制系统，能够实现不同温度、压力、流量、开关井工况下抑制剂的现场试验；同时关闭前后端蝶阀，可确定加入抑制剂后密封管道内压降变化，进一步评估抑制剂效果。

37、3.本发明可视化釜体中采用蓝宝石内筒和蓝宝石窗口，可通过高速摄像机和摄像机座拍摄不同角度水合物形成的动态过程，传输至成像控制器得到水合物形成的动态图像，从而提高抑制剂评估准确性。