油气管道水合物堵塞机理研究进展

根据堵塞实验开展的条件不同,将油气管输体系分为油基体系、水基体系、气主导体系和部分分散体系。分析表明,管道水合物堵塞机理较多,具体包括水合物的聚集和沉积、水合物大量聚集阻塞管道流通截面及油水相分离等。指出对环状流液滴分布、油水分散状态、乳状液稳定性及未乳化自由水层等的量化研究则是未来水合物堵塞机理的研究重点。     

多相流管输体系中水合物沉积机理研究进展

国内外对多相流管输体系中水合物沉积的研究虽然很多，但水合物沉积机理仍有待进一步研究。本文根据水合物沉积实验开展条件的不同，将多相流管输体系分为气体主导体系、油基体系、部分分散体系、水主导体系，总结了各体系的水合物沉积的主要机理，并提出了未来的发展方向。管输体系中水合物沉积机理包括水润湿沉积表面、水合物颗粒聚并、水合物的管壁膜生长、水合物颗粒的管壁粘附和水合物的颗粒着床沉积等。大多数学者认为：水合物的管壁膜生长是气体主导体系水合物沉积的主要机理；油基体系水合物沉积的主要机理是水合物颗粒的着床沉积；而部分分散体系和水主导体系的水合物沉积机理尚无统一定论，需进一步研究。多相流管输体系中水合物沉积研究未来的发展方向如下。①搭建全透明的流动环路，观测水合物在管路内实际的形成过程及沉积过程，对水合物沉积机理进行深入研究。②量化研究油水分层、油包水(或水包油)乳状液、自由水层对水合物沉积、堵塞的影响。③对于气体主导体系，除环状流和分层流外，有必要对段塞流、气泡流等其他常见的流型下沉积机理进行研究，重点在于开发一个综合模型来描述水合物沉积过程。④对于水主导体系，水合物形成过程出现的油水破乳的具体机理应是未来水合物沉积过程进行定量研究的方向。⑤国内外对垂直管、弯管及管阀件处水合物沉积堵塞理论研究较少，未来应着重这方面。     

水合物颗粒聚集频率影响因素及正交试验

水合物颗粒聚集频率研究对深水油气管道的流动安全保障和水合物浆技术的工业推广具有重要意义。本文首先定义了水合物颗粒的聚集频率并分别给出了纯水体系和油水体系中水合物颗粒聚集频率的计算公式。根据聚集频率计算公式,影响纯水体系中水合物颗粒聚集的因素主要为剪切速率、颗粒粒径、哈梅克常数和纯水黏度。影响油水体系中水合物颗粒聚集的因素主要为剪切速率、颗粒粒径、油水界面张力、接触角和油水黏度。然后,根据相关参考文献选取各影响因素取值并基于聚集频率计算公式分别计算并分析了各影响因素对水合物颗粒聚集频率的作用规律。最后,通过正交试验设计,分别确定了纯水体系和油水体系中各影响因素的影响次序及其最优组合。本文的研究成果可为深水流动安全保障和水合物浆技术提供理论支持。     

油水体系水合物浆液流动保障研究进展

海洋油气田的高效、安全开采是践行国家深海战略、探索未来战略能源的必要手段。在深海低温、高压环境下运行的多相混输管道的堵塞已成为能源行业安全生产和流动保障的棘手问题，而天然气水合物的快速形成是造成这一问题的主要诱因。明晰油水体系水合物浆液的堵塞机理，开发设计绿色、环保的低剂量水合物抑制剂，掌握浆液的流动特征，将为深水油田多相混输管道的流动保障提供理论基础和技术指导。为此，本文从水合物堵塞过程、化学法防治以及水合物浆液的流动特性等方面总结概括了油水体系水合物浆液的流动保障研究进展。油水体系水合物堵塞主要由水合物的生长、聚集、管壁黏附和着床沉积造成，文章提出：应量化水合物生长、聚集、管壁黏附和着床沉积等因素对流动阻力和管道堵塞的影响，建立科学的工业管道水合物堵塞风险评估理论体系；借助微观尺度实验和分子动力学模拟，厘清不同类型的动力学抑制剂（KHIs）抑制机理和防聚剂（AAs）防聚机理；将实验探索、理论分析和数值模拟相结合，解耦颗粒微观行为与流场宏观物理参数间的关系，定量表征浆液流变性和流动阻力。     

纯水体系二氧化碳水合物浆液流动特性的研究

为研究纯水体系下二氧化碳水合物浆液流动的特性,在高压环路中进行水合物的生成实验.分析二氧化碳水合物在气泡流、段塞流条件下的堵塞过程及机理;在环路堵塞后仍保持水浴降温,分析了堵塞后水合物的温度及生成速率的变化.结果表明:气泡流生成水合物的位置主要在管道顶部,以小气泡为核生长出的水合物层拦截液相中的絮状水合物逐步降低流通面...     

油气管道水合物生成堵塞机理综述

水合物的生成模型分为热力学和动力学模型,根据管输体系的不同,液相体系和气相体系水合物的形成可分别划为四个阶段。水合物堵塞机理目前比较认可的是聚并机理和管壁沉积理论。以目前研究最为成熟的油基体系水合物生成堵塞为例,介绍堵塞机理并就当前研究现状提出几点展望。     

油气管道中水合物降压分解实验

利用高压环道装置,以柴油、水、天然气为实验介质,在不同含水率(30%、70%、100%)等条件下进行管道内水合物的降压分解实验,研究水合物在油气管道中的降压分解过程。根据实验中水合物形态的演化情况,分析了管道内水合物降压分解的过程和特性,并据此提出了水合物在管道内降压分解的简化物理模型。该模型由4个独立部分组成:水合物在管壁上的分解,主要描述管壁水合物层的变薄、坍塌和脱落过程,气体运移通道和油包气泡结构会在上述过程中出现;水合物在纯水体系中的分解,主要描述管道内的水合物云团因水合物颗粒的不断上浮和分解而逐渐变薄直至消失的过程;水合物在水基体系中的分解,主要描述管道内的水合物云团因水合物絮体的不断上浮和分解而逐渐变薄直至消失的过程,该过程中液相分层现象会因水合物的分解而愈加明显;水合物在油基体系内的分解,主要描述絮状水合物云团因分解而整体收缩直至消失的过程,在该过程中会出现由水合物分解水向下沉降而形成的液相分层现象。     

柴油+水+天然气体系中水合物堵管实验研究

采用新建的高压环道装置,以柴油、水、天然气为实验介质,在不同含水率(30%~100%)、液相初始流量(1600~2400kg/h)等条件下进行管道内水合物堵塞实验,研究水合物在管道中的堵塞过程和堵塞机理。根据实验过程中流动参数的变化规律和水合物形态的演化情况,分析了管道内水合物的形成和分布特点并得到了管道内水合物堵塞的两类过程及其对应的主导堵塞机理。对于第一类堵塞,其堵塞过程可分为4个阶段,水合物沉积层在管道内的形成和生长是其主导堵塞机理。对于第二类堵塞,其堵塞过程也可分为4个阶段,液相分层和流体黏度的急剧增加是其主导的堵塞机理。另外,在第一类堵塞实验中观察到了细泥沙状水合物和絮状水合物沉积层,而在第二类堵塞过程中水合物则呈浆状并且没有观察到明显的水合物沉积层。     

天然气水合物的生成对浆液流动稳定性影响综述

目前在海底混输管道的水合物风险控制策略中,允许水合物在管道内的生成,以液固浆液流动的形式对海底油气产物进行输送。其中主要通过控制浆液中水合物的生成量和聚集程度,来实现对海底集输管线的流动安全保障。液固浆液流动具有相当复杂的流动特性,固相颗粒的引入对于流体的流动特性影响很大。本文分别综述了拟单相流动体系和气液多相流动体系中水合物颗粒对于管输体系流动稳定性的影响以及水合物对混输管道堵管特性的影响。着重讨论了水合物在管道壁面的生长和沉积特性、水合物与气液流型的耦合关系以及不同体系中水合物的堵管机理。此外,对软件模拟在水合物生成及浆液流动特性研究中的应用做了简单介绍。最后,根据对相关研究结果的总结,指出水合物在壁面生长沉积的微观特性和定量表述、颗粒不同分散形式的临界流速、不同气液流型条件下的水合物生成特性和颗粒行为等是今后水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

气体水合物相平衡研究进展

气体水合物的相平衡研究是解决油气输送管道水合物堵塞和实现水合物工业化的基础,其发展过程也从简单的纯水体系逐渐延伸到复杂的含抑制剂及多孔介质体系。目前纯水体系的水合物相平衡相对比较成熟,而复杂体系中水合物相平衡尚需完善。现有的复杂体系的水合物相平衡模型多数是对van der Waals-Platteeuw(VDW-P)和Chen-Guo水合物模型的改进,其模型预测准确度主要受气/液相的组成计算的准确度、介质材料、孔径分布、土壤空隙率等因素的影响。     

基于群体平衡理论的水合物聚集动力学模型

水合物颗粒间的聚集是导致油气输送管道堵塞的重要原因,建立聚集模型能更好地进行水合物聚集的防治。首先,假定管道中水合物颗粒粒径连续分布并忽略对流扩散的影响,建立了以群体平衡模型为基本框架的水合物聚集动力学模型。重点考虑水合物的聚集和破碎,该模型的核心主要包括聚集核和破碎核两部分。其中,聚集核包括水合物颗粒间的碰撞频率和碰撞后的聚集效率,破碎核包括水合物颗粒的破碎频率和破碎后子颗粒的粒径分布函数。接着,以前人研究为基础并结合水合物颗粒的自身特性,对模型聚集核和破碎核的计算方法进行了选取和改进。最后,采用计算流体力学方法对模型进行了求解并将求解结果与相关实验数据进行了对比分析。该模型可为管道流动安全保障提供技术支持。     

间歇流下二氧化碳水合物生成形态与堵塞机理

为明确二氧化碳水合物在间歇流条件下的生成形态与堵塞机理,采用高压可视实验环路进行了气团流及段塞流体系下的二氧化碳水合物的生成实验,分析了气团流与段塞流下二氧化碳水合物生成及堵塞形态图像。结果表明：气团流下水合物主要生成位置为管道顶部,以持续增长的水合物层的形式逐步减小环路流通面积,最终导致堵塞;段塞流下水合物在液相及管道顶部均有大量生成,但受制于大流量的冲刷,顶部水合物层无法长期存在,破碎落入液相主体中,导致液相主体黏度上升,流动阻力增大,流速下降,进而为液相中絮状水合物的并聚成块提供条件,液相中水合物的不断聚集是段塞流下水合物堵管的主要原因。此外,段塞流下生成的中空水合物球体是一种特殊的水合物形态,这类水合物多形成于液塞区与液膜区交界处。由于其内包裹着气体,故而会浮于液相空间上部,也会受扰动而破碎成片状水合物,但都无法在顶部空间聚集紧实形成致密水合层。     

水合物流动环路实验研究进展

作为水合物研究的重要手段之一,水合物环路实验研究因其能够模拟管输体系中的水合物生成、流动及堵塞规律,得到国内外众多研究者的青睐。本文介绍了法国Archimede环路、法国IFP-Lyre环路、美国ExxonMobil环路、美国塔尔萨大学FAL环路、澳大利亚Hytra环路、挪威NTNU环路、挪威SINTEF环路、挪威Petreco A/S高压轮形环路、中国科学院GIEC水合物实验环路、中国CUPB化工实验环路和中国CUPB储运实验环路11条国内外水合物实验环路的主要设计参数和实验工艺流程等基本概况。从流动体系水合物生成研究、水合物浆液流动特性研究、水合物堵管机理及风险控制研究、水合物颗粒聚并及粒径分布研究等4个方面,总结了基于水合物环路实验所获得的研究进展及主要成果。为未来更具功能特色的水合物实验环路的搭建提供了设计思路和参考意见。并指出后续深入开展水合物环路实验研究,应将宏观实验数据分析与微观测试手段相结合,优化实验方案,明确实验目标,以揭示水合物相关基础研究的本征机理。     

Effect of hydrate formation/dissociation on emulsion stability using DSC and visual techniques

A key factor in hydrate risk management for an oil-dominated system is the stability of the emulsified water with gas hydrate formation. We show via differential scanning calorimetry (DSC) that gas hydrate formation and dissociation has a destabilizing effect on water-in-oil (W/O) emulsions, and can lead to a free water phase through agglomeration and coalescence of dissociated hydrate particles. High asphaltene content crude oils are shown to resist hydrate destabilization of the emulsion. Span80 was successfully used as an analog to asphaltene surface activity. Based on our experimental results, a new conceptual hydrate-induced destabilization model is proposed.     

天然气水合物颗粒微观受力及聚集特性研究进展

水合物颗粒微观受力和聚集是影响水合物浆稳定流动的关键,本文调研了国内外研究水合物颗粒受力和聚集常用的测量装置,主要有聚焦光束反射测量仪、颗粒图像显微镜、高压差示扫描量热仪、微机械测力装置;受力测量和理论研究证明了毛细液桥力是导致水合物颗粒聚集的主要黏附力;介绍了常用于水合物聚集特性研究的受力平衡模型,通过该模型可以计算得到水合物颗粒最大临界聚集粒径;总结了众学者提出的水合物颗粒聚集机理,并阐述了基于群体平衡模型建立的接触诱导-剪切限制聚集机理的物理模型,该模型能够很好地描述水合物颗粒的动态聚集过程;水合物颗粒微观受力和聚集机理的深入研究和明确将对石油天然气的输送具有非常重大的意义,确定防聚集对水合物聚集的影响是未来研究的重点。     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

Measuring hydrate/ice deposition in a flow loop from dissolved water in live liquid condensate

Experiments were conducted to investigate hydrate/ice plugging and deposition mechanisms from water dissolved in a liquid condensate system, using a single‐pass flow loop. Two different hydrate/ice plugging mechanisms were observed. Hydrate/ice deposition from a dissolved‐water phase resulted in a lengthwise uniform/dispersed deposit and a gradual pressure drop increase. The dispersed deposit acted as insulation at the flow loop wall, and the deposit began to propagate downstream. However, cooling below the liquid‐water saturation curve resulted in free water coalescence, and a localized hydrate/ice restriction in the flow loop. This localized restriction resulted in a rapid pressure drop increase. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009