混輸管道水合物的防治及冰塞預測模型

高峰，郭錦佳，王澤鑫，田野

1.中國石油集團海洋工程有限公司海工事業部，山東青島266555

2.中國石油集團工程技術研究院，天津300451

3.中國石油北京油氣調控中心，北京100007

混輸管道水合物的防治及冰塞預測模型

高峰1，郭錦佳2，王澤鑫3，田野1

1.中國石油集團海洋工程有限公司海工事業部，山東青島266555

2.中國石油集團工程技術研究院，天津300451

3.中國石油北京油氣調控中心，北京100007

隨著油氣田開發向著深海發展，因水合物造成的流動安全保障問題愈發凸顯。文章針對水合物生成所造成的危害及對應的常用工程防治方法進行簡單描述，并就水合物降壓解堵過程中，可能由于水合物的分解而產生高速的水合物冰塞運動造成的損害進行分析。與此同時，還提出了簡化的堵塞位置預測和冰塞運動模型，據此可用于工程施工中粗略估計冰塞位置和運動速度，為減輕高速冰塞對整個管道設備的危害提供依據，并對模型的局限性提出改進建議。

混輸管道；水合物冰塞；位置預測；速度預測

0 引言

天然氣水合物是在低溫高壓的熱力條件下天然氣與水作用形成的一種非化學計量型的籠型結晶化合物。截至目前，已發現的天然氣水合物結構有三種，即Ⅰ型、Ⅱ型和H型。對于海洋管道，由于海洋環境的低溫、高壓，造成管內的流體常處于水合物生成區，正常生產條件下就可能形成水合物，造成管道堵塞，即通常所說的“冰堵現象”[1-3]。

而在管道日常運行中，一些誤操作或者工況發生變化，如管道不正當節流、輸量下降、含水量增高、環境溫度下降、注入系統事故等，也可能導致水合物的生成。

1 水合物冰塞的危害

水合物冰塞會對管道造成破壞：其一是水合物冰塞會沿著管道向下游運動使管道中流體的壓力快速地增加，可能導致管道超壓甚至破裂，如圖1所示；其二是高速運動的水合物冰塞遇上阻礙，如彎管、凹坑或孔口等，造成管道損毀，如圖2所示。

圖1 管道中閥件處發生破裂

圖2 管道彎頭處發生破裂

管道越長，發生水合物堵塞的風險就越大，對于比較嚴重的水合物堵塞事故，有時只能停產維修甚至放棄整條管道，會給油田生產帶來巨大的經濟損失。

2 水合物的防治

目前，抑制水合物生成的費用約占油氣生產成本的5%～8%，為了能夠有效控制水合物，需對其生成機理、分解機理進行深入了解和掌握，還要根據管道的實際情況，選擇合理、安全的水合物解堵方法和事故處理方案。

傳統抑制水合物生成的方法包括：添加熱力學抑制劑（甲醇或乙二醇）、加熱或對管道進行絕熱保護。目前最常用的方法是添加熱力學抑制劑，通過降低水的活度將水合物平衡曲線向著更高壓力或者更低溫度方向移動，從而保證運行條件處在水合物生成區域以外，以此來抑制水合物的生成。

經多年的研究和開發，低劑量的動力學抑制劑（LDHIs）[4-5]，包括動力學抑制劑（KHIs）和防聚劑（AAs），作為一種新型的控制水合物方法逐漸為人們所了解。KHIs是一種水溶性的聚合物，其自身攜帶的官能團能夠進入到水合物籠形結構內。不同于熱力學抑制劑，他們能夠推遲水合物的成核，以保證流體在管道停留時間內不會形成水合物，從而保證安全輸送。但是，動力學抑制劑會受到過冷度的限制，當過冷度超過一定值時，KHIs就會失效。AAs分子通常有一個親水基和一個疏水基，他們允許水合物的生成，但使水合物以小顆粒的分散狀態懸浮在液態烴里，水合物晶體就以水合物漿液的狀態存在，不影響管道輸送。AAs和KHIs的用量相對較小，約為水相質量的0.1%～3.3%。在較高的過冷度下，AAs的作用效果比KHIs要好，因此對于中深海石油勘探開發來說，AAs可能是唯一的選擇。

關于解堵，一般采取降壓的方法。降壓操作應在水合物堵塞管段的兩端同時進行，以維持兩側的壓力平衡。若降壓不慎，會導致水合物兩側產生較大壓差，進而造成管道破裂。另外，對管道進行降壓操作，分解的水合物會吸收大量的熱量，造成管道的局部溫度降低，水合物分解產生的水易轉化為冰，而冰對壓力不敏感并且更難融解，只能采用加熱的方法補救。

3 堵塞位置預測

在水合物解堵的過程中，確定水合物堵塞點的位置是整個解堵過程中的重中之重，也是能否安全移除水合物的關鍵。

根據管道出口泄壓和再憋壓的升壓速率，按天然氣管道儲氣的過程可以估算出天然氣管道的堵塞位置。其原理如圖3所示。

圖3 天然氣管道堵塞點示意

輸氣管道水力計算基本公式：

式中P1——管道堵塞點壓力（流量不大時可用起點壓力代替），絕對壓力/Pa；

P2——管道出口壓力，絕對壓力/Pa；

Q——天然氣標準狀況下體積流量/（Nm3/s）；

L——管道堵塞點位置（距下游出口）/km。

輸氣管的平均壓力公式：

因此，可得輸氣管儲氣開始和結束時的平均壓力Pa1和Pa2：

式中P12——儲氣開始時管道出口壓力；

P22——儲氣結束時管道出口壓力。

根據Pa1和Pa2可求得儲氣開始和結束時管道中的存氣量V始和V末：

然后依據上述儲氣開始和結束時的存氣量即可獲得充氣過程中的充氣量Vs：

式中B——單位長度管道的積液量；

P0——標準工況下體系壓力；

T0——標準工況下體系溫度；

T——實際工況下體系溫度；

V——管道實際體積。

對方程（5）進行替換變形可得：

依據上述堵塞位置預測的思路，并根據實際現場幾次泄壓的記錄數據，可算得堵塞位置位于距離管道末端L=1.286～1.496 km處，這與現場實際堵塞情況相符。同時，考慮到管道中積液量因素對堵塞位置預測的影響，還可以根據現場實際管道中積液量的不同數據對其預測的堵塞位置進行修正，具體結果如表1所示。

表1 管道堵塞點位置預測結果

由于堵塞位置的確定受到管道中積液量的影響，因此，如何準確計算堵塞點至管道末端的管段中所殘留的積液量成為預測堵塞位置的關鍵。所以，在進行堵塞位置預測時應充分考慮實際運行管道的滯液情況。

4 解堵過程中冰塞速度預測

在水合物解堵過程中，高速運動的水合物冰塞，在遇到閥門、彎頭、設備等時會造成較大損害。所以，對水合物冰塞在管道中的運動進行研究具有重要的意義。冰塞在管道中的運動如圖4所示。

圖4 壓差作用下冰塞在管道中的運動

從圖4可以看出冰塞兩端作用力之差為［（Pu-Pd）Acs］，其中Pu和Pd分別為上、下游的壓力，Acs為管道的橫截面積。在分解過程中，如果作用在冰塞兩端的作用力之差大于冰塞與管壁的粘結力，冰塞就會變成管道中的水合物“炮彈”。

一個簡單的水合物冰塞在管道中的運動模型如圖5所示。其中，Pi是水合物冰塞兩端的壓力（i=1時代表下游，i=2時代表上游，下同）；Vi是冰塞上下游的體積；Li是冰塞距上下游的距離；M為冰塞的質量；χ為冰塞在壓差下的移動距離。在該簡化模型中做了如下假設：

（1）冰塞在管道中運行時，冰塞和管壁之間是無摩擦、光滑的。

（2）在冰塞的運動過程中，氣體的壓縮因子是常量。

（3）冰塞的密封效果良好，沒有氣體從高壓部分向低壓部分串通。

圖5 水合物冰塞基本模型

依據上面的簡化可建立如式（7）的冰塞運動方程：

其中：

式中A——管道橫截面積；

mi——冰塞上、下游儲存氣體的質量；

Ti——冰塞上、下游氣體的溫度。

然后對式（7）進行變形、積分運算后可得：

再根據初始條件：

最后可得方程式：

當水合物冰塞由于最初的壓力梯度開始向下游運動時，下游最大壓力可能會影響此初始推動力。理想情況下，冰塞在管道中壓差作用下的運行情況如圖6所示。

圖6 冰塞在管道中的運行情況

上述運行情況的得出是基于較為理想的情況，并沒有考慮管道中的積液量、局部摩阻以及管道配套設備對冰塞速度的影響。因此，冰塞在管道中的運行速度表現出一定的對稱性，呈現出先增加后減小而后反向的情況，冰塞的運行表現出一定的震蕩性，較為符合實際的運行模型。

但由于實際運行過程中冰塞速度會受管壁摩擦、彎道及管道中的液相等因素的影響。因此，冰塞在管道中的實際運行速度會較理想情況下有所減小，并且其在管道中的運行趨勢有可能表現出一定的非對稱性。

綜上可知，該冰塞速度預測模型的建立是在一定程度的簡化基礎上建立起來的，其預測結果較實際情況會有一定的偏差（適合于直管段、管道中積液量小的情況預測）；今后應依據實際管道運行情況對其模型進行深化，考慮積液量、局部摩阻等因素的影響。

當水合物冰塞由于最初的壓力梯度開始向下游運動時，下游最大壓力可能會影響此初始推動力。速度會由于摩擦、彎道及管道中的液相等因素而減慢。如果水合物冰塞在最初的軌道中并沒有充分減速，則其速度會隨時間震蕩，直至壓力平衡，水合物冰塞的速度降至零。

5 結束語

對于水合物堵塞管道，雙向降壓是較為安全的分解和消除水合物冰塞的方法。首先應根據管道的實際情況，分析管道中水合物堵塞成因，尋找可能發生堵塞的位置，再確定適宜的解堵方式。依據本文論述，利用輸氣管道水力計算相關公式提出了一個堵塞位置預測模型，據此找到可能發生堵塞的位置，然后根據管道實際情況采取解堵的方法，保證在解堵的過程中能維持熱力和水力可控。與此同時，在解堵過程中還應注意冰塞高速運動的可能性，其在運動到閥門、彎頭處時會產生巨大沖擊力而破壞管道設備，利用本文建立的冰塞速度預測模型，掌握其運動速度，判別其是否會給管道運行帶來危害，以便采取措施來減輕或防止事故的發生。

需要指出的是，對于建立的水合物堵塞位置預測模型及解堵過程中冰塞運動模型，由于進行了不同程度的簡化，假設條件與現場實際存在一定的偏差，因此上述模型有待進一步的完善與改進。

[1]Sloan E D.A Changing Hydrate Paradigm—from Apprehension to Avoidance to Risk Management[J].Fluid Phase Equilib.2005，228（1）：67-74.

[2]Sloan E D.Clathrate Hydrates of NaturalGases（2nd edition）[M]. 2nd.New York:MarcelDekker,1998.27-64.

[3]Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].New York: MarcelDekker Inc,1998.

[4]Kelland M A.History of the development of low dosage hydrate inhibitors[J].Energy Fuels，2006，20（3）：825-847.

[5]Arjmandi M，Tohidi B，Danesh A，et al.Is subcooling the right driving force for testing low-dosage hydrate inhibitors[J].Chem. Eng.Sci.2005，60（5）：1 313-1 321.

[6]Huo Z，Freer E，Lamar M.，et al.Hydrate plug prevention by antiagglomeration[J].Chem.Eng.Sci.2001，56（17）：4 979-4 991.

[7]Kelland M A，Svartaas T M,?vsthusJ.，et al.Studies on some zwitterionic surfactant gas hydrate anti-agglomerants[J].Chem. Eng.Sci.，2006，61（2）：4 048-4 059.

Prevention of Hydrate and Prediction Models of Ice Plugging in Multiphase Pipeline

Gao Feng1，Guo Jinjia2，Wang Zexin3，Tian Ye1
1.CPOE Offshore Engineering Fabrication&Construction Division，Qingdao 266555，China
2.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
3.PetroChina Beijing Oil&Gas Pipeline ControlCenter，Beijing 100007，China

With the oil-gas field development towards deep sea，flow security problems caused by hydrate have increasingly become prominent.This paper gives a brief description of harms caused by hydrate formation and the corresponding common prevention methods，analyzes the damage caused by high-speed movement of hydrate ice due to hydrate decomposition in the course of decreasing pressure for eliminating plugging.Meanwhile，the paper also proposes a simplified prediction models about plug position and ice motion，which can be used in construction to obtain a rough estimation of the plug position and ice velocity，providing the basis for mitigating high-speed ice damage to whole pipeline equipment.Finally，the paper puts forward suggestions to improve the limitation of the models.

multiphase pipeline；hydrate plugging；position prediction；velocity prediction

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.018

高峰（1985-），男，吉林松原人，助理工程師，2009年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，現從事海洋工程相關工作。

2014-03-04