一种基于压力波动促进水合物生成的实验系统及方法与流程

本发明涉及天然气水合物合成，特别是关于一种基于压力波动促进水合物生成的实验系统及方法。

背景技术：

1、天然气水合物是甲烷等烃类气体与水在高压、低温条件下相互作用形成的笼形结晶状化合物，其由于资源量巨大被认为是继致密气、煤层气、页岩气之后最具开采潜力的接替能源，也是目前尚未开发的、资源潜力最为巨大的非常规天然气资源。

2、水合物技术在能源气储运、混合气分离、海水淡化、二氧化碳封存、石油化工、生物制药以及蓄冷等诸多领域有着广泛应用前景。此外，在深水气井生产过程中，低温海洋环境使得井筒中的流体热量不断散失、温度降低，加之从地层到井筒不断变化的高压条件，极易导致天然气水合物生成。水合物生成后在井筒中不断粘附、聚集，轻则增加运行成本，损坏仪器设备，重则将堵塞井筒造成生产停止，或引发生产事故，进而带来经济损失、甚至人员伤亡。

3、目前，对于水合物的基础物性研究仍然不够透彻，无化学添加剂下其静态合成速率非常缓慢且生成量很低，无法实现规模化快速生产。同时，现有的研究基本均在稳定压力条件下开展，针对压力波动对水合物生成过程影响研究较少。另外，现有的天然气水合物生成实验系统可用于天然气水合物的合成、分解，但是只能通过改变气体物质的量来改变天然气水合物实验装置内的压力，不能达到控制单一变量来研究压力变化下对水合物合成的影响。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于压力波动促进水合物生成的实验系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种基于压力波动促进水合物生成的实验系统，包括水合物生成系统、注液系统、配气系统、注气系统以及数据采集与监测系统，其中，所述水合物生成系统包括水合物反应釜、废液罐、真空泵、可程式恒温恒湿箱和压力波动泵，所述水合物反应釜和压力波动泵设置在所述可程式恒温恒湿箱内；

3、所述注液系统用于向所述水合物反应釜内注入液体；

4、所述注气系统用于向所述配气系统内注入所需的气体；

5、所述配气系统用于对注入的气体进行混合后将混合气体注入所述水合物反应釜；

6、所述水合物反应釜用于进行水合物生成作业；

7、所述废液罐用于储存所述水合物反应釜排出的液体；

8、所述真空泵用于对所述水合物反应釜进行抽真空；

9、所述压力波动泵用于通过改变泵内活塞的进给深度，进而调节所述水合物反应釜内的压力；

10、所述数据采集与监测系统用于控制所述压力波动泵的工作，进行压力波动促进水合物生成作业，并确定生成水合物后的气体消耗量、液体消耗量和水合物生成量。

11、进一步地，所述可程式恒温恒湿箱处设置有第一温度传感器；所述水合物反应釜的底部进液口依次通过第一截止阀、液体流量计和第二温度传感器连接所述注液系统，所述水合物反应釜的底部出液口通过第二截止阀连接废液罐；

12、所述水合物反应釜的第一出气口依次通过第一压力传感器和第三截止阀连接所述真空泵；所述水合物反应釜的第二出气口通过第四截止阀连接电子点火器，所述电子点火器还连接火炬，所述电子点火器用于进行点火以使使整个实验系统内的气体在所述火炬处燃烧；所述水合物反应釜的第三出气口通过第五截止阀连接所述压力波动泵；所述压力波动泵处设置有第二压力传感器；

13、所述水合物反应釜的顶部设置有安全阀、第三压力传感器和第三温度传感器，所述水合物反应釜的顶部进气口通过第六截止阀和气体流量计经第七截止阀连接所述配气系统，所述配气系统通过所述第七截止阀和第八截止阀连接所述注气系统，所述注气系统和配气系统还分别连接所述电子点火器；

14、所述数据采集与监测系统分别电连接所述压力波动泵以及各所述传感器、流量计和阀门。

15、进一步地，所述水合物反应釜包括反应釜身、反应釜底座和反应釜盖；

16、所述反应釜身的底部固定设置所述反应釜底座，所述反应釜身的顶部固定设置所述反应釜盖，所述反应釜身上开设有可视窗口；对应于所述可视窗口的位置，所述反应釜身的外部设置有摄像机，所述摄像机设置在所述可程式恒温恒湿箱内，所述摄像机用于拍摄所述反应釜身内水合物生成情况的图像数据。

17、进一步地，所述注液系统包括储液罐和液体计量泵；

18、用于存储需向所述水合物反应釜注入液体的所述储液罐的进水口处设置有第九截止阀，所述储液罐处设置有液位传感器，所述储液罐的出水口通过第十截止阀连接所述液体计量泵的输入端，所述液体计量泵的输出端依次通过所述第二温度传感器、液体流量计和第一截止阀连接所述反应釜身的底部进液口。

19、进一步地，所述注气系统包括甲烷气瓶、乙烷气瓶、二氧化碳气瓶、第一气体计量泵、第二气体计量泵和第三气体计量泵；

20、所述甲烷气瓶处设置有第四压力传感器；所述甲烷气瓶的出气口通过第十一截止阀连接所述第一气体计量泵的输入端，所述第一气体计量泵的输出端依次通过第十二截止阀、所述第八截止阀和第七截止阀连接所述配气系统的顶部进口，所述第一气体计量泵的输出端还通过所述第十二截止阀和第一泄压阀连接所述电子点火器，所述第一气体计量泵与所述第十二截止阀之间设置有第五压力传感器和第四温度传感器；

21、所述乙烷气瓶处设置有第六压力传感器；所述乙烷气瓶的出气口通过第十三截止阀连接所述第二气体计量泵的输入端，所述第二气体计量泵的输出端依次通过第十四截止阀、所述第八截止阀和第七截止阀连接所述配气系统的顶部进口，所述第二气体计量泵的输出端还通过所述第十四截止阀和所述第一泄压阀连接所述电子点火器，所述第二气体计量泵与所述第十四截止阀之间设置有第七压力传感器；

22、所述二氧化碳气瓶处设置有第八压力传感器；所述二氧化碳气瓶的出气口通过第十五截止阀连接所述第三气体计量泵的输入端，所述第三气体计量泵的输出端依次通过第十六截止阀、所述第八截止阀和第七截止阀连接所述配气系统的顶部进口，所述第三气体计量泵的输出端还通过所述第十六截止阀和所述第一泄压阀连接所述电子点火器，所述第三气体计量泵与所述第十六截止阀之间设置有第九压力传感器和第六温度传感器。

23、进一步地，所述配气系统包括中间活塞容器、增压泵和空气压缩机；

24、所述中间活塞容器处设置有第十压力传感器和第七温度传感器；所述中间活塞容器的活塞上部通过所述第七截止阀和所述第八截止阀连接所述注气系统，所述中间活塞容器的活塞上部还通过所述第七截止阀、气体流量计和第六截止阀连接所述水合物反应釜的顶部进气口；所述中间活塞容器的活塞上部还通过第二泄压阀连接所述电子点火器；

25、所述中间活塞容器的活塞下部通过第十七截止阀连接所述增压泵的输出端，所述中间活塞容器的活塞下部还设置有第三泄压阀；所述增压泵的输入端通过第十八截止阀连接所述空气压缩机；

26、所述空气压缩机用于将大气中的空气进行压缩提供压缩空气，所述增压泵用于对压缩空气进行增压得到高压空气，所述中间活塞容器用于通过活塞下部注入的高压空气，驱替活塞上部来自所述注气系统的混合气体注入所述水合物反应釜内。

27、进一步地，所述数据采集与监测系统包括数据采集控制柜和计算机，其中，所述计算机内设置有数据接收模块、参数设定模块、压力波动泵控制模块、阀门控制模块、数据处理模块；

28、所述数据采集控制柜用于采集各压力传感器、温度传感器、液体流量计、气体流量计和液位传感器测量的数据以及所述摄像机拍摄的图像数据，并发送至所述计算机；

29、所述数据接收模块用于接收所述数据采集控制柜发送的数据；

30、所述参数设定模块用于预先设定抽真空作业所需真空度，注液作业所需液体流量值，配气作业所需甲烷体积值、乙烷体积值和二氧化碳体积值，注气作业所需压力值以及压力波动促进水合物生成作业所需降压点和增压点；

31、所述压力波动泵控制模块用于根据预先设定的注气作业所需压力值以及压力波动促进水合物生成作业所需降压点和增压点，控制所述压力波动泵的工作；

32、所述阀门控制模块用于根据预先设定的抽真空作业所需真空度，注液作业所需液体流量值，配气作业所需甲烷体积值、乙烷体积值和二氧化碳体积值，注气作业所需压力值，降压点以及增压点，控制对应截止阀和泄压阀的开启或关闭，以进行气密性作业、抽真空作业、注液作业、配气作业、注气作业、压力波动促进水合物生成作业和结束作业；

33、所述数据处理模块用于根据所述气体流量计和液体流量计测量的混合气体流量和液体流量，计算得到生成水合物后气体消耗量、液体消耗量和水合物生成量；根据所述第三温度传感器和第三压力传感器测量的数据，生成所述水合物反应釜内水合物生成过程的温压曲线，进而分析天然气水合物生成过程的诱导时间以及生长速率与压力波动的关系；以及根据所述水合物反应釜内水合物生成过程的温压曲线和所述水合物反应釜内水合物生成情况的图像数据，判断该组分混合气体的水合物的相平衡温度和压力。

34、另一方面，提供一种基于压力波动促进水合物生成的实验系统的实验方法，包括：

35、数据采集与监测系统根据第一压力传感器实时测量的压力和预先设定的真空度，控制对应截止阀和真空泵工作，对整个实验系统回路进行抽真空作业；

36、数据采集与监测系统根据液体流量计实时测量的流量值和预先设定的液体流量值，控制对应截止阀和液体计量泵工作，向水合物反应釜内注入液体；

37、数据采集与监测系统根据所需混合气体体积值，控制对应截止阀工作，进而控制注气系统向水合物反应釜内注入所需的混合气体；

38、数据采集与监测系统根据第三压力传感器实时测量的压力值和预先设定的所需压力值，控制对应截止阀和压力波动泵工作，驱替配气系统内的混合气体注入水合物反应釜内；

39、启动可程式恒温恒湿箱进行制冷，设定为该混合气体理论计算的恒定条件下的水合物生成温度；

40、数据采集与监测系统控制压力波动泵的工作，使得水合物反应釜内的混合气体进入压力波动泵内或使得压力波动泵内的混合气体进入水合物反应釜内；

41、数据采集与监测系统根据气体流量计和液体流量计实时测量水合物反应釜内的混合气体流量和液体流量，通过累计值计算出水合物反应釜内混合气体和液体的物质的量，进而计算得到生成水合物后气体消耗量、液体消耗量和水合物生成量。

42、进一步地，在进行之前该方法还包括：

43、数据采集与监测系统控制对截止阀工作，使得二氧化碳气瓶中的二氧化碳气体充满整个实验系统回路，检查气密性。

44、进一步地，该方法还包括：

45、结束作业：数据采集与监测系统控制对应截止阀和泄压阀工作，启动电动点火器，使得整个实验系统内的混合气体在火炬处燃烧，并将水合物反应釜内的液体排出至废液罐内。

46、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

47、1、本发明提供的天然气水合物生成系统1通过连接压力波动泵，从而实现反应过程中压力变化可控，即不改变气体物质的量只有压力变化，就可更好研究压力波动对水合物影响。

48、2、本发明提供的配气系统通过增加中间容器，让多种气体组分提前在天然气水合物生成系统充分混合再注入反应釜内，可模拟真实生产条件下的地层或井筒气体组成成分，即可实现多元体系下天然气水合物相平衡规律研究。

49、综上所述，本发明可以广泛应用于天然气水合物合成技术领域中。