СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ ГИДРАТА МЕТАНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК G01N25/02 G01N25/48 G01K13/00 

Изобретения относятся к экспериментальному оборудованию, а именно к исследованию материалов с помощью тепловых средств и могут быть использованы для исследования процессов термической диссоциации гидрата метана.

Газовые гидраты представляют собой твердые кристаллические соединения, образованные водой и газом в условиях высокого давления и низкой температуры. Газовые гидраты считаются серьезной проблемой в нефтегазовой промышленности, поскольку они часто образуются в трубопроводах с потоками нефти или газа. При их накоплении формируется гидратная пробка, которая со временем может привести к разрушению ствола скважины, трубопроводов и нефтегазового оборудования, что понесет за собой остановку производства, экономические потери и возможно даже гибель людей. Поэтому от них стремительно пытаются избавиться. Одним из способов является термическая диссоциация, позволяющая с помощью нагрева разложить гидрат на газ и воду и тем самым ликвидировать гидратную пробку. На данный момент этот метод недостаточно изучен, поэтому необходимы исследования по термической диссоциации газового гидрата, чтобы определять наиболее оптимальные условия, позволяющие быстро и эффективно продиссоциировать газовый гидрат.

Известно устройство для изучения диссоциации газового гидрата [Hong D. N., Gruy F., Herri J. M. Experimental data and approximate estimation for dissociation time of hydrate plugs //Chemical Engineering Science. – 2006. – Т. 61. – №. 6. – С. 1846-1853], содержащее резервуар объемом 10 литров, внутри которого вертикально расположена ячейка, представляющая собой прозрачную поликарбонатную трубку внутренним диаметром 0,07 м. Регулирование температуры внутри ячейки обеспечивают за счет циркуляции смеси этанола с водой в объеме, разделяющем внешнюю поверхность ячейки (диаметр 0,08 м) и внутреннюю поверхность резервуара (диаметр 0,15 м). Две тефлоновые пластины установлены сверху и снизу ячейки для термической изоляции газового гидрата от источника тепла. По обеим сторонам резервуара расположены окна диаметром 0,01 м. В заглушке ячейки расположено 5 датчиков температуры.

Однако в данном устройстве нагрев газового гидрата осуществляют за счет циркуляции смеси этанола с водой в объеме, разделяющем внешнюю поверхность ячейки и внутреннюю поверхность резервуара.

Известен стенд для исследования диссоциации гидрата метана [He J. et al. Combined styles of depressurization and electrical heating for methane hydrate production //Applied energy. – 2021. – Т. 282. – С. 116112.], выбранный в качестве прототипа, содержащий горизонтально расположенный цилиндрический сосуд высокого давления (объемом 5,7 л) с двух сторон герметично закрытый фланцевыми крышками. Во фланцевых крышках выполнены отверстия для подвода/отвода метана и деионизированной воды. В сосуде, соосно ему, горизонтально установлена полая трубка, внутри которой находится резистивная проволока из тантала. Концы проволокли подключены к источнику питания. В сосуд также вставлена вертикальная полая труба для моделирования вертикального ствола скважины. Сосуд погружен в водяную ванну размером 1200×300×260 мм. В сосуде расположено три преобразователя давления и двадцать термопар. Рядом с водяной ванной расположены баллон, наполненный метаном, и контейнер объемом 10 литров, наполненный деионизированной водой. Баллон, наполненный метаном, трубопроводом соединен с газовым компрессором. Трубопровод от газового компрессора через резервуар для хранения газа и клапан подведен к сосуду. Вокруг контейнера с деионизированной водой расположена мелкомасштабная водяная баня. Контейнер через водяную баню трубопроводом, содержащим насос, соединен с сосудом. Кроме того, к сосуду трубопроводом через регулятор давления подсоединен сепаратор, под которым расположены весы. Регулятор, преобразователи давления, термопары и клапан подключены к персональному компьютеру.

С помощью этого устройства диссоциацию гидрата метана осуществляют, нагревая проволоку из тантала или путем разгерметизации сосуда с гидратом метана.

Техническим результатом предложенных нами изобретений является расширение арсенала технических средств для исследования термической диссоциации гидрата метана.

В первом варианте стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана, также как в прототипе, содержит горизонтально расположенную емкость с крышками на фланцах, три термопары, трубопровод и персональный компьютер.

Согласно изобретению емкость выполнена в виде трубы квадратного профиля, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера. Крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями. В центральное отверстие первой крышки вмонтирован штуцер, трубопроводом соединенный с источником тепла. В центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора. Три термопары вмонтированы в верхнюю часть емкости на равном расстоянии друг от друга и подключены к видеографическому регистратору. Видеокамера, газоанализатор и идеографический регистратор подключены к персональному компьютеру.

В качестве источника тепла может быть использован или парогенератор, или фен.

Во втором варианте стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана, также как в прототипе, содержит горизонтально расположенную емкость с крышками на фланцах, четыре термопары, насос, трубопровод и персональный компьютер.

В отличие от прототипа емкость выполнена в виде трубы квадратного профиля, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера. Крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями. В центральное отверстие первой крышки вмонтирована форсунка, которая трубопроводом, снабженным первой термопарой, через насос подключена к смесителю источника горячего и холодного водоснабжения. В центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора. Вдоль верхней части емкости на равном расстоянии друг от друга вмонтированы вторая, третья и четвертая термопары, которые подключены к видеографическому регистратору, к которому подключена первая термопара. Видеокамера, газоанализатор и видеографический регистратор подключены к персональному компьютеру.

Предложенные стенды позволяют изучать процесс термической диссоциации гидрата метана для определения эффективных условий, при которых он наиболее быстро распадается на газ и воду. Эти данные затем можно использовать для ликвидации гидратных пробок в реальных нефтегазовых скважинах.

На фиг. 1 представлена схема первого варианта стенда для исследования термической диссоциации гидрата метана.

На фиг. 2 представлена схема второго варианта стенда для исследования термической диссоциации гидрата метана.

Стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана содержит емкость 1 в виде горизонтально расположенной трубы квадратного профиля, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна 2 (фиг. 1). С торцевых сторон емкость 1 снабжена крышками 3 и 4, которые зафиксированы с помощью магнитных креплений 5, вмонтированных в фланцы емкости 1. В центральное отверстие первой крышки 3 вмонтирован штуцер 6, трубопроводом соединенный с источником тепла 7 (ИТ), в качестве которого может быть использован источник водяного пара - парогенератор или источник горячего воздуха - фен. Во второй крышке 4 выполнено отверстие, в которое вставлен щуп газоанализатора 8 (Г).

Вдоль емкости 1 сверху вмонтированы три термопары 9, которые подключены к видеографическому регистратору 10 (ВР), в качестве которого может быть использован РМТ 59М.

Видеографический регистратор 10 (ВР) и газоанализатор 8 (Г) подключены к персональному компьютеру 11 (ПК). Напротив одного окна 2 емкости 1 установлена видеокамера 12 (ВК), которая соединена с персональным компьютером 11 (ПК).

Второй вариант стенда для исследования термической диссоциации гидрата метана отличается от первого варианта тем, что в центральное отверстие первой крышки 3 вмонтирована форсунка 13 (фиг. 2), которая трубопроводом, снабженным термопарой 14, через насос 15 соединена со смесителем 16 источника горячего и холодного водоснабжения. Термопара 14 подключена к видеографическому регистратору 10 (ВР).

Для исследования термической диссоциации гидрата метана снимают крышки 3, 4 с торцов емкости 1 и заполняют её гидратом метана, прессуя с двух сторон поршнями, размеры которых соответствуют внутренним размерам емкости 1. Процедуру повторяют для того, чтобы спрессованный гидрат метана занял весь объем емкости 1. После этого поршни извлекают и торцы емкости 1 закрывают крышками 3 и 4, используя магнитные крепления 5.

Наполненную гидратом метана емкость 1 устанавливают на поднос (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано).

Если в качестве источника тепла 7 (ИТ) используют парогенератор, то через штуцер 6 в первой крышке 3 вводят водяной пар (фиг. 1), температура которого составляет 100 °С.

Если в качестве источника тепла 7 (ИТ) используют фен, то через штуцер 6 в первой крышке 3 вводят горячий воздух (фиг. 1). Температуру воздуха варьируют с помощью фена в диапазоне от 100 °С до 200 °С.

Во втором варианте выполнения стенда в емкость 1 с помощью насоса 15 через форсунку 13 (фиг. 2) в первой крышке 3 вводят воду от источника горячего и холодного водоснабжения, температуру которой варьируют с помощью смесителя 16 в диапазоне от 2 °С до 60 °С. Температуру воды измеряют термопарой 14. Данные от термопары 14 преобразуют в видеографическом регистраторе 10 (ВР) и передают в персональный компьютер 11 (ПК).

При нагреве гидрата метана теплоносителем от источника тепла 7 (ИТ) или от источника горячего и холодного водоснабжения, он диссоциирует на газ и воду, которая через щели между крышками 3, 4 и торцами емкости 1, вытекает на поднос. Процесс диссоциации гидрата метана фиксируется видеокамерой 12 (ВК). Полученные видеоизображения передают в персональный компьютер 11 (ПК). Во время экспериментов температуру в емкости 1 измеряют с помощью трех термопар 9, значения которых преобразуют в видеографическом регистраторе 10 (ВР) и передают в персональный компьютер 11 (ПК). Три термопары 9 обеспечивают получение достоверных результатов фронта распространения тепла и скорости диссоциации гидрата метана. Концентрацию выделяющегося газа фиксируют с помощью газоанализатора 8 (Г) в течение всего процесса диссоциации и ее значения передают в персональный компьютер 11 (ПК). Фиксация значений концентрации необходима для определения количества выделившегося метана в момент времени. Диссоциация завершается при полном распаде гидрата метана на газ и воду, что видно через окна 2 в емкости 1 и по нулевым значениям концентрации метана.

Объем гидрата метана, которым была наполнена емкость 1 во время экспериментов, составил 320 см³. Время, в течение которого происходила полная диссоциация гидрата метана, фиксировали с помощью видеокамеры 12 (ВК). При вводе пара температурой 100°С полная диссоциация гидрата метана произошла за 140 секунд. При вводе воздуха температурой 100°С для диссоциации гидрата метана потребовалось 30 минут; при вводе воздуха в том же объеме температурой 200°С – 15 минут. При вводе воды температурой 2°С полная диссоциация гидрата метана произошла за 15 минут; при вводе воды такого же объема температурой 60°С – 150 секунд.

Изобретения относятся к экспериментальному оборудованию, а именно к исследованию материалов с помощью тепловых средств, и могут быть использованы для исследования процессов термической диссоциации гидрата метана. В первом варианте стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана содержит горизонтально расположенную емкость в виде трубы квадратного профиля с крышками на фланцах. В двух противоположных боковых стенках емкости выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера. Крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями. В центральное отверстие первой крышки вмонтирован штуцер, трубопроводом соединенный с источником тепла. В центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора. В верхнюю часть емкости на равном расстоянии друг от друга вмонтированы три термопары, которые подключены к видеографическому регистратору. Видеокамера, газоанализатор и видеографический регистратор подключены к персональному компьютеру. В качестве источника тепла может быть использован или парогенератор, или фен. Во втором варианте стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана содержит горизонтально расположенную емкость в виде трубы квадратного профиля с крышками на фланцах, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера. Крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями. В центральное отверстие первой крышки вмонтирована форсунка, которая трубопроводом, снабженным первой термопарой, через насос подключена к смесителю источника горячего и холодного водоснабжения. В центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора. Вдоль верхней части емкости на равном расстоянии друг от друга вмонтированы вторая, третья и четвертая термопары, которые подключены к видеографическому регистратору, к которому подключена первая термопара. Видеокамера, газоанализатор и видеографический регистратор подключены к персональному компьютеру. Технический результат - расширение арсенала технических средств для исследования термической диссоциации гидрата метана. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана, содержащий горизонтально расположенную емкость с крышками на фланцах, три термопары, трубопровод и персональный компьютер, отличающийся тем, что емкость выполнена в виде трубы квадратного профиля, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера, крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями, в центральное отверстие первой крышки вмонтирован штуцер, трубопроводом соединенный с источником тепла, в центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора, три термопары вмонтированы в верхнюю часть емкости на равном расстоянии друг от друга и подключены к видеографическому регистратору, причем видеокамера, газоанализатор и видеографический регистратор подключены к персональному компьютеру.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника тепла использован парогенератор.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника тепла использован фен.

4. Стенд для исследования термической диссоциации гидрата метана, содержащий горизонтально расположенную емкость с крышками на фланцах, четыре термопары, насос, трубопровод и персональный компьютер, отличающийся тем, что емкость выполнена в виде трубы квадратного профиля, в двух противоположных боковых стенках которой выполнены окна, напротив одного из которых установлена видеокамера, крышки зафиксированы на фланцах емкости магнитными креплениями, в центральное отверстие первой крышки вмонтирована форсунка, которая трубопроводом, снабженным первой термопарой, через насос подключена к смесителю источника горячего и холодного водоснабжения, в центральное отверстие второй крышки вставлен щуп газоанализатора, вторая, третья и четвертая термопары вмонтированы в верхнюю часть емкости на равном расстоянии друг от друга и подключены к видеографическому регистратору, к которому подключена первая термопара, причем видеокамера, газоанализатор и видеографический регистратор подключены к персональному компьютеру.