本發(fā)明屬于天然氣水合物開采，尤其涉及一種用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、天然氣水合物作為一種極具潛力的戰(zhàn)略資源，其開采過程中的氣液固三相流動規(guī)律的研究至關(guān)重要。在海底水合物開采時，如機械-熱聯(lián)合開采法和固體流化開采法等，含水合物沉積物顆粒與海水混合物在管道輸送中，因壓力降低和傳熱導(dǎo)致水合物分解，使管道內(nèi)的流動物質(zhì)從固液兩相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖汗倘?，且水合物分解與多相流動相互影響，管道內(nèi)的流場變化極為復(fù)雜。目前針對垂直輸送管道內(nèi)的研究存在諸多不足，如缺乏有效的對流傳熱條件下水合物分解理論模型、對三相流動控制因素與演化特征認識不足、氣體膨脹效應(yīng)與分解平衡高度關(guān)聯(lián)機理不明等。現(xiàn)有實驗裝置和方法難以全面、準確地模擬和研究含水合物分解的多相流動過程，無法滿足水合物高效開采技術(shù)發(fā)展需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
2、一種用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，包括：樣品制備系統(tǒng)、水合物分解管道、溫度控制系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)；水合物分解管道是整個實驗裝置的反應(yīng)場所；樣品制備系統(tǒng)用于制備含水合物樣品，制備好的水合物樣品通過連接至水合物分解管道的底部的管道送入水合物分解管道；水合物分解管道的出口處設(shè)置壓力表；溫度控制系統(tǒng)包括圍繞水合物分解管道外壁設(shè)置多層加熱和冷卻線圈和若干溫度傳感器；流體注入系統(tǒng)連接至水合物分解管道底部；測量系統(tǒng)包括用于拍攝水合物分解管道的若干高速攝像機、環(huán)繞在水合物分解管道臨近出口的電阻層析成像系統(tǒng)、水合物分解管道的中部的電磁流量計；數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、測量系統(tǒng)連接。
3、一種用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗方法，用于所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，包括：
4、步驟1，樣品制備；選用海底水合物分布區(qū)的粉砂質(zhì)黏土作為水合物合成的沉積物骨架，將粉土與蒸餾水混合配比成一定含水量的土樣；采用樣品制備系統(tǒng)制備含水合物球形顆粒；
5、步驟2，管道流動實驗；預(yù)先在水合物分解管道底部堆積一定量的含水合物沉積物顆粒，使用溫度控制系統(tǒng)控制水合物分解管道環(huán)境溫度為273.15?k以下；使用流體注入系統(tǒng)從水合物分解管道底部注入特定溫度和速度的水流引發(fā)水合物分解，使用測量系統(tǒng)測量并記錄數(shù)據(jù)信息；含水合物顆粒開始分解后，使用測量系統(tǒng)的高速攝像機拍攝記錄水合物分解管道內(nèi)氣液固三相的流動和顆粒的分解過程，記錄氣液固三相的流型變化；采用溫度傳感器采集流動中水的溫度信息；數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)分析水合物分解產(chǎn)生的氣體對管道內(nèi)流型以及顆粒高度膨脹的影響。
6、本發(fā)明具有以下有益效果：
7、本發(fā)明的樣品制備系統(tǒng)選用海底水合物分布區(qū)的粉砂質(zhì)黏土作為水合物合成的沉積物骨架，并通過樣品制備系統(tǒng)特定方法制備成球形顆粒，模擬更接近實際的水合物樣本。水合物合成在專門的樣品制備系統(tǒng)的高壓釜中進行，對溫度、壓力和合成時間都進行精確控制，合成后顆粒還需經(jīng)過穩(wěn)定處理，確保實驗樣本的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為后續(xù)實驗的準確性奠定基礎(chǔ)。
8、本發(fā)明的測量系統(tǒng)由多種先進測量設(shè)備組成。其中，高速攝像機安裝在正面和側(cè)面兩個角度，拍攝幀率高達5000幀/秒以上，可全方位清晰捕捉顆粒的分解過程、流型變化以及床層膨脹情況等瞬間細節(jié)；電阻層析成像系統(tǒng)環(huán)繞在水合物分解管道底部測量部位，能夠?qū)崟r監(jiān)測管道內(nèi)顆粒分布范圍下游的產(chǎn)氣量變化以及局部相含率，精度在±5%以內(nèi)；溫度傳感器沿管道軸向均勻分布，能夠精確采集流動中的溫度信息。這些器件相互配合，從不同維度對實驗過程進行監(jiān)測，可以提供全面、精確的數(shù)據(jù)，有助于深入研究多相流動規(guī)律。
9、本發(fā)明的整體系統(tǒng)協(xié)同、各系統(tǒng)之間緊密連接和協(xié)同工作是重要改進。樣品制備系統(tǒng)為水合物分解管道提供實驗樣本，溫度控制系統(tǒng)確保管道內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定，為實驗提供準確的溫度條件，流體注入系統(tǒng)模擬海水環(huán)境并控制水合物分解，測量系統(tǒng)實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)收集和分析測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。以上協(xié)同工作模式可以全面、準確模擬和研究含水合物分解的多相流動過程，滿足水合物高效開采技術(shù)發(fā)展需求，使得實驗過程能夠被精確控制和全面監(jiān)測，提高了實驗的準確性和可靠性。
1.一種用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，包括：樣品制備系統(tǒng)、水合物分解管道、溫度控制系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)；水合物分解管道是整個實驗裝置的反應(yīng)場所；樣品制備系統(tǒng)用于制備含水合物樣品，制備好的水合物樣品通過連接至水合物分解管道的底部的管道送入水合物分解管道；水合物分解管道的出口處設(shè)置壓力表；溫度控制系統(tǒng)包括圍繞水合物分解管道外壁設(shè)置多層加熱和冷卻線圈和若干溫度傳感器；流體注入系統(tǒng)連接至水合物分解管道底部；測量系統(tǒng)包括用于拍攝水合物分解管道的若干高速攝像機、環(huán)繞在水合物分解管道臨近出口的電阻層析成像系統(tǒng)、水合物分解管道的中部的電磁流量計；數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、測量系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，所述水合物分解管道采用高強度透明材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，所述樣品制備系統(tǒng)包括控溫箱、高壓釜、壓力傳感器、氣體增壓系統(tǒng)和氣罐，高壓釜是制備樣品的核心部件，設(shè)置于控溫箱中；高壓釜外接壓力傳感器，用于測量高壓釜內(nèi)部的氣體壓強；氣罐通過氣體增壓系統(tǒng)連接至高壓釜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，選用海底水合物分布區(qū)的粉砂質(zhì)黏土作為水合物合成的沉積物骨架，將粉砂質(zhì)黏土與蒸餾水按特定比例混合成一定含水量的土樣，再通過硅膠球形模具制備成球形顆粒；將制備好的球形顆粒放置于高壓釜中，通過控溫箱將高壓釜的溫度控制在270k-278k，壓力控制在1mpa-10mpa，合成時間為48-72小時；合成后球形顆粒在取出前先將控溫箱溫度降至240k并保持3-4小時，以穩(wěn)定水合物狀態(tài)；制備完成的顆粒通過水合物分解管道底部的特殊密封接口放入水合物分解管道內(nèi)進行實驗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，所述多層加熱和冷卻線圈緊密環(huán)繞在水合物分解管道的外壁確保管道的各個部位均勻受熱或冷卻；若干溫度傳感器沿管道軸向均勻分布，溫度傳感器實時監(jiān)測水合物分解管道內(nèi)的溫度變化，將溫度數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)；數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，對加熱和冷卻線圈的工作狀態(tài)進行調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，所述流體注入系統(tǒng)包括連接至水合物分解管道底部的水泵、液體流量計、水箱和制冷裝置；所述制冷裝置與水箱中的水接觸，水箱連接到水泵后經(jīng)由液體流量計連接至水合物分解管道的底部；通過調(diào)節(jié)水流的流速和溫度模擬海水環(huán)境、控制水合物分解的起始時間和速率，滿足不同實驗工況需求。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，在水合物分解管道的正面和側(cè)面兩個角度分別設(shè)置高速攝像機，用于全方位拍攝顆粒的分解過程、流型變化以及床層膨脹情況；電阻層析成像系統(tǒng)環(huán)繞在水合物分解管道臨近出口的下游測量部位，用于測量管道內(nèi)顆粒分布范圍下游的產(chǎn)氣量變化以及局部相含率，實時監(jiān)測氣液固三相的分布動態(tài)；電磁流量計設(shè)置于水合物分解管道的中部位置，用于對注入水合物分解管道的水流流量進行精確測量，通過監(jiān)測水流流量，準確控制實驗條件，模擬不同的水流速度對水合物分解及氣液固三相流動的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng)為計算機系統(tǒng)。
9.一種用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗方法，用于如權(quán)利要求1至8中任一項所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗裝置，其特征在于，包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于模擬水合物分解的氣液固三相流動實驗方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)信息包括：水流的溫度、速度、顆粒直徑、初始堆積高度、初始體積分數(shù)。