一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性的装置技术领域
本发明涉及一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性的
装置，属于油气输运过程的流动保障领域。
背景技术
随着陆地和近海石油资源的不断开采，人们正逐渐将目光转向深海区域，
深水油气开采已经成为油气勘探开发的重要趋势。因此，深海区域油气管道流
动的安全问题已经成为石油工业的一个主要问题。在深海区域，高压低温的环
境很容易导致水合物的生成，从而引起管路堵塞，导致管道内压力升高甚至引
起管路的损坏，给工业生产带来巨大的经济损失以及安全隐患。深海管路中的
水合物管路堵塞已成为流动安全领域的重要课题之一。
在油气开采输运过程中，在管路低点、盲管、法兰以及阀门等位置，很容
易有水合物的生成。尤其是在盲管中，由于存在一个相对静止的空间，气体很
容易在这一区域聚集。另外，会有相当一部分水在盲管管壁上遇冷凝结，一旦
达到相平衡条件，就会有水合物生成，并凝结在壁面上。日积月累，水合物层
逐渐增厚，如果聚集到一定程度，就会导致盲管堵塞，从而引起盲管上连接的
仪器设备失灵。示数的偏差导致操作失误，引起事故，给设备带来损坏，甚至
会酿成重大事故，造成人员伤亡。另一方面，如果水合物继续生长，导致管路
堵塞，引起停产，就会给企业带来数以万计的财产损失。因此，对盲管中天然
气水合物生长特性的研究极为重要。
X射线CT设备作为一种可视化工具，通过断层扫描，三维成像，在缺陷检
测、尺寸测量、结构分析等工业领域有着极其广泛的应用。X射线CT设备极高
的灵敏度和分辨率，通过密度判别，能够清晰的分辨出水、水合物以及气体相，
可以用来观测到水合物生长过程，从而研究水合物的生长特性。
作为流动安全的一个重要研究研究课题，盲管中水合物的生成特性研究还
停留在探索阶段，没有实际的实验研究。当前关于水合物的研究还主要停留在
反应釜多孔介质、油水乳浊液以及管路多相流动系统中水合物的生成，这都不
足以探索盲管中水合物生成特性。在海底输运管路的盲管中，存在一个静止区
域和一个动态流动区域，如何在实验室真实地模拟这一工况，获取实验规律及
结论用于指导现场海底管路系统中油气的安全运输，对水合物生成导致管路堵
塞的风险控制提供支持，成为当今石油工业所面临的一大课题。
基于对盲管中天然气水合物生长特性的研究迫在眉睫，为了解决这一问题，
本发明设计了一套可用于X射线CT成像的反应装置，用于研究盲管中水合物
的生长特性。
发明内容
为了探索盲管中水合物的生长特性，本发明提供了一种用于X射线CT设
备的模拟深海油气输运管路盲管的装置，该装置采用磁力搅拌模拟管路中液相
的流动，通过控制温度和压力条件，使得水合物在盲管中生成，通过X射线CT
成像观测，研究海底油气输运管路盲管中天然气水合物的生成特性。该装置可
以精确控制温度和压力条件并实时采集，另外，CT设备用于对水合物成像，可
以起到可视化的效果，精确度高。该装置的发明对于研究深海油气输运管路的
盲管中水合物的生成特性具有重要的意义。
本发明的技术方案是：
一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性的装置，反应
釜18采用钛合金材质，用于CT设备28进行三维成像，反应釜18主体为圆柱
形“凸”型结构，分为静态区和动态区，“凸”型结构的上端凸起为静态区，下
端柱体为动态区，静态区和动态区之间采用活动连接；静态区用于X射线CT
扫描成像，观测水合物的生成情况，其上端设有进气口1和热电偶接口12，进
气口1一端经流量计15与增压泵14相连，增压泵14通过阀门13连接储气罐
25，维持反应釜18内压力恒定，进气口1另一端引出作为排气口16；热电偶接
口12位于反应釜18上端盖的一侧，使得热电偶贴于静态区内壁，用于监测反
应釜18内的温度；动态区由反应釜上端盖5、反应釜下端盖8和两反应釜侧壁
6组成的柱体结构，动态区侧壁6处对称设有进水口11和出水口7，并通过阀
门13控制，通过循环注射泵22和贮水器23配合分别用于向反应釜18内注水
和排水，在动态区内侧底部安装可拆卸搅拌轴10，可拆卸搅拌轴10上安装有多
个磁子9，用于搅拌反应釜18内的液体，促进动态区水的挥发并与静态区的气
体充分混合生成水合物；反应釜18的进水口11和出水口7用于连接外部循环
管路，此时将可拆卸搅拌轴10拆下，使反应釜18动态区和外部管路连接形成
完整的闭路循环，来模拟实际的管路流动；反应釜18置于CT设备载物台31上，
CT控制系统26控制的X射线放射源27对准反应釜18的静态区，对静态区生
成的水合物29进行三维成像，再现静态区管壁上水合物生成形态的变化；所述
的反应釜18置于空气浴19内，通过空气浴控制箱24控制空气浴19，用于控制
反应釜18内的温度，反应釜18内的压力通过与反应釜18静态区相连的增压泵
14来控制，生成水合物所消耗的气体通过反应釜18体和增压泵14间的流量计
15进行计量，并由数据采集仪17采集并存储在计算机20。
当采用搅拌扰动反应液时，整个反应釜18体置于磁力搅拌器21上，通过
磁力搅拌器21带动反应釜18内可拆卸搅拌轴10上磁子9转动，起到搅拌液体
的作用，模拟油气输运管路中液体的流动。
所述的反应釜18承受0-30MPa的压力，在253-323K温度范围内工作。
所述的反应釜18的静态区为反应釜盲管2，采用固定卡套3和密封圈4配
合与反应釜18的动态区活动连接。
一种用所述装置实现观测盲管中天然气水合物生长特性的方法，步骤如下：
第一步，反应釜18连同磁力搅拌器21置于空气浴19内，连接循环管路，检查
装置气密性；
第二步，向反应釜18内注入反应液水或油水混合液，并启动磁力搅拌器21，带
动反应釜18内磁子9转动搅拌反应液，以促进液相中的水更快扩散；
第三步，待搅拌均匀后，向反应釜18内注入甲烷气到设定压力；
第四步，待达到稳定后，设定空气浴19温度以降温生成水合物，同时流量计15
监测流入反应釜18内气体的量，用来计算水合物的量；整个过程中温度、压力、
流量均由数据采集系统17实时记录；
第五步，X射线CT设备28用于对反应釜体静态区域生成的水合物进行三维成
像，以获取不同阶段水合物的生成情况；
第六步，待反应釜18静态区中水合物堵塞到一定程度，使其升温降压分解，重
复以上步骤进行下一轮测试。
本发明的优点是：
1)反应釜能承受0-30Mpa的压力和253-323K，可以模拟深海油气输送管道的
温度和压力条件；
2)反应釜通过磁力搅拌，模拟管路中的流动过程；
3)放有磁子的搅拌轴位于反应釜内部，可拆卸，属于非侵入性搅拌，有利于增
强反应釜的密封性；
4)反应釜可用于X射线CT成像，能够准确地判定反应釜内水合物的生成情况；
5)反应釜采用钛合金材质，减小了反应釜本身对磁力搅拌器磁场的影响；
6)数据采集系统具备数据存储、实时数据和图像分析软件支持；
7)对于研究深海油气输运管路盲管中水合物的生成和沉积特性具有重要的基
础意义，对于油气输送过程中的流动安全问题的解决具有重要意义。
附图说明
图1是一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置的
工作原理框图。
图2是一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置反
应釜釜体剖视图。
图3是一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置采
用磁力搅拌时的系统图。
图4是一种用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置采
用外管路循环时的系统图。
图5是X射线CT设备成像系统。
图中：1进气口；2反应釜盲管；3固定卡套；4密封圈；5反应釜上端盖；
6反应釜侧壁；7出水口；8反应釜下端盖；9磁子；10可拆卸搅拌轴；11进水
口；12热电偶接口；13阀门；14增压泵；15流量计；16排气口；17数据采集
仪；18反应釜；19空气浴；20计算机；21磁力搅拌器；22循环注射泵；23贮
水器；24空气浴控制箱；25储气罐；26CT控制系统；27X射线放射源；28CT
设备；29水合物；30X射线；31CT设备载物台。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1所示为用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置的
工作原理框图，其工作流程为：反应釜内加入液相水或油水混合物后，安装反
应釜并连接管路系统，检查装置的气密性，气体经恒压泵输入反应釜中，流量
计记录输入的气体量。开启空气浴对反应釜进行温度控制，开启磁力搅拌器，
使得反应釜内气液相相互混合，生成水合物，反应过程中的温度、压力、流量
等参数经过数据采集系统实时采集和分析，反应过程中可通过X射线CT成像
设备记录反应釜内水合物的生成情况。
图2所示为用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置反
应釜釜体剖视图，反应釜底部安装有可拆卸搅拌轴，通过磁力搅拌模拟管路流
动。上边设有进气口、热电偶插入口、进水口和出水口，将液体注入反应釜后
检测反应装置的气密性。
图3-4所示为用于X射线CT设备观测盲管中天然气水合物生长特性装置的
系统图：
1温压控制系统工作过程为：实验开始时将空气浴的温度设置到实验设定值，
启动空气浴控制反应釜内的温度；打开储气罐，开启恒压泵，将气体经流量计
注入反应釜，使釜内压力达到实验设定值，记录实验过程中注入反应釜内的气
体量。
2数据采集系统工作过程为：反应釜内的压力、温度信号以及流量计测量值
被传输到数据采集仪并输入计算机进行显示和存储。
3磁力搅拌系统工作过程为：将反应釜组装连接并检漏后，放置于磁力搅拌
器上，设定转速并启动磁力搅拌器带动反应内磁子的转动，使得反应釜内气液
多相相互混合并反应。
图5所示为X射线CT成像系统，每隔一段时间，关闭反应釜的进水口、
出水口、进气口等，进行CT扫描，得到反应釜盲管内水合物的生长情况。