油包水乳液體系水合物的形成對多相流動摩阻的影響

李文慶 呂曉方 孫憲航

摘 ?????要： 水合物漿液輸送作為流動安全保障主要措施和天然氣新型運輸方法之一，其復雜的流動特性引起了學者的廣泛關注。以國內首套水合物高壓實驗環路為依托，基于水合物生成后管路壓降明顯增加的現象，分析了4.5 MPa壓力下，0.4、0.5、0.9、1.1 m/s四個流速下壓降變化幅度，對比水合物生成前后體系摩阻系數的變化，定量表示了各個流速下顆粒存在對摩阻系數的影響。實驗結果表明，流速越大，顆粒存在對于體系摩阻系數的影響越小;并且通過對比0.4和0.5 m/s的實驗結果可知，在水合物漿液流動過程中，不同的流速對應著不同的液固流型，存在臨界懸浮流速的概念。

關 ?鍵 ?詞：水合物;乳液;壓降;摩阻系數;臨界流速

中圖分類號：TE832 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0029-04

Abstract： Hydrate slurry transportation has brought the attention of many researchers as an important flow safety assurance method and a new way of gas transmission. Based on the theory that the pressure drops significantly when hydrates are generated， a series of experiments （at the velocity of 0.4， 0.5， 0.9 and 1.1 m/s under 4.5 MPa） were conducted on the first set of domestic high-pressure experiment loop to analyze the pressure drop， frictional resistance factor and particle influence of hydrate slurry. The results showed that the influence of existed particles to frictional resistance factor was getting weaker as the velocity got faster. Comparing the results of 0.4 and 0.5 m/s indicated that for hydrate slurry transportation， different velocities corresponded to different liquid-solid flow patterns， and critical suspension velocity existed.

Key words： Hydrate;Emulsion; Pressure drop; Frictional resistance factor; Critical velocity

多相混輸海底管道的高壓低溫環境為水合物的生成創造了條件[1]，因此水合物堵塞管道將是海底管道輸送過程中必須面對的問題。水合物的生成和聚集不僅使得流體的流動性變差，當其沉積過多時還會影響管道、閥門等設備的安全運行，甚至可能導致停產維修及管線報廢[2]。目前，針對多相混輸管線中水合物的堵塞問題，常從熱力學角度出發，采用一定的措施來抑制或防止水合物的生成，主要包括熱力學抑制劑法[3，4]、保溫[5]、降壓[6]等。但是在深海油氣田的開發中，由于傳統抑制方法受到經濟和技術因素的限制，因此就需要尋求一種新的經濟有效的替代方式[2]。20世紀90年代，隨著低劑量抑制劑[7，8]進入人們的視野，水合物的防治從傳統的抑制生成變為風險控制，通過添加動力學抑制劑、阻聚劑或采用冷流技術[9，10]來實現含水合物固體顆粒的油氣水多相混輸流動技術（即所謂的水合物漿液風險控制技術）。

水合物漿液風險控制技術的研究主要針對深海油氣田的開發和利用。利用深水高壓低溫的環境條件，將油氣水混輸管道中分散的水滴以水合物顆粒的形式分布于流體中進行輸送。當前，盡管水合物漿液輸送技術還不成熟，正處于試驗與理論研究的初始階段，但其進行風險控制所節約的成本和運行花費將是十分巨大的，這使得該研究備受推崇。然而，由于油氣水多相混輸過程中引入了水合物固體顆粒，這會在一定程度上影響多相混輸流體的物性，改變流體的黏度和流動形態、影響多相流動的壓降規律。因此，為了探究水合物固體顆粒的存在對多相流動規律的影響，本文從水合物固體顆粒的生成過程中入手，主要研究水合物漿液形成過程中固體顆粒的存在對漿液流動規律及摩阻的影響。

1 ?實驗設備簡介

1.1 ?高壓環道

該實驗環路是我國首套高壓水合物實驗環路[11]（如圖1所示）。該環路配有FBRM、PVM、溫控儀以及質量流量計等先進實驗設備[12]。環道的主要設計參數為[13]：壓力：0～15 MPa;溫度：-20～80 ℃;實驗環道長30 m，管徑1寸。液相由磁力離心泵驅動;氣體則由柱塞式天然氣壓縮機驅動;全實驗環道利用套管控溫[14]。

1.2 ?實驗介質

本實驗使用的介質為：0#柴油，去離子水，民用天然氣（組分見表1）。

1.3 ?實驗步驟

（1） 利用真空泵將整個實驗系統抽成相對真空度為0.09 MPa，然后采用自吸方式向分離器中加入實驗流體。

（2） 打開數據采集系統及水浴，設置水浴溫度為30 ℃，然后開啟泵并設定泵頻率為40 Hz（根據實驗流量需要設定），對油水進行攪拌約3 h，使其形成較為穩定的油包水乳狀液。

（3） 利用高壓氣瓶將系統壓力提高至實驗壓力后，設定水浴溫度為4 ℃（根據實驗需要和環境溫度的不同略有差異）對系統進行降溫，同時記錄數據采集系統采集的數據，此時水合物生成實驗開始進行。若要進行加劑實驗，可以在降溫前利用計量泵向系統內注入一定量的阻聚劑，并持續流動一段時間（約5 h），使阻聚劑能夠較好地分散在油包水乳狀液中。

（4） 當水合物生成完成，整個系統中的壓力和溫度保持恒定時，進行水合物漿液流動實驗。

（5） 實驗完成后，設置水浴溫度為30 ℃，對系統進行升溫使得水合物全部分解，并直至體系相關參數都達到穩定值，停止各實驗設備的運行。

（6） 回收實驗氣體后，對實驗系統進行排液和清洗，然后利用壓縮空氣吹掃整個環路，最后利用氮氣對系統內的空氣進行置換。

2 ?結果與討論

2.1 ?水合物生成過程中壓力、溫度和壓降變化

伴隨著水合物的生成，實驗體系中壓力、溫度和壓降等參數隨時間的變化情況如圖2所示。其中，在水合物生成實驗過程中以溫度的突升來表征水合物的大量生成，由圖2中的實驗規律可知，在水合物大量生成后體系的壓力會迅速降低，而管路壓降則會快速波動式增加。這種環道摩阻壓降的震蕩式升高正是由于水合物顆粒的存在所致。

2.2 ?水合物生成過程中摩阻系數的變化趨勢

圖3則展示了水合物生成過程中，管路摩阻系數變化的變化情況。由圖3所表現出的實驗規律可知：確實在水合物開始大量生成后，整個體系內的水合物漿液摩阻系數會急劇增加，之后呈現波動式上升的趨勢。這同樣說明了在水合物的生成過程中，固體顆粒的存在確實影響了整個水合物漿液的流動特性，是顆粒與流體耦合的結果。

2.3 ?流速對水合物漿液摩阻系數的影響

在本實驗過程中，為了表征水合物生成后顆粒對于體系摩阻系數的影響，將摩阻系數f分為f1與f2兩項，其中f1為水合物生成前油水乳狀液體系的摩阻系數，f2則為生成水合物之后顆粒引起的摩阻系數增量。用f2/f1的大小來表征體系摩阻系數增加的程度，即顆粒存在對于體系的影響程度。通過進行不同流速下的漿液流動實驗，得到不同流速下f2/f1的變化情況，其具體情況如圖4、圖5所示。

3 ?結 論

針對水合物漿液流動過程中水合物生成后體系摩阻系數增加的現象，分析了體系在整個流動過程中的摩阻系數變化趨勢，得到了不同流速下顆粒的存在對于摩阻系數影響程度，主要結論如下：

（1）水合物漿液流動過程中，水合物生成之后體系的壓降先是迅速增加，隨后呈波動式上升;

（2）水合物固體顆粒存在對于體系摩阻系數的影響會隨著體系流速的增加逐漸減小，達到臨界懸浮流速后，流速對水合物固體顆粒的影響也逐漸減小（如流速達到1 m/s以后流速的影響并不明顯）;

（3）層流條件下，顆粒存在對于摩阻系數的影響主要是由于顆粒的沉積和碰撞引起的。根據不同流速下摩阻系數的變化趨勢可獲得水合物漿液流動的存在臨界懸浮流速。

參考文獻：

[1] Sloan， E.D.， Koh， C.A.. Clathrate Hydrates of Natural Gas（third ed.）[M]. CRC Press， Taylor & Francis Group， Boca Raton， FL， 2008.

[2] Sloan， ED.; Koh， C.A.; Sum， A.K. et al. Natural Gas Hydrates in Flow Assurance[M]. Elsevier： Amsterdam， Boston， Heidelberg， London， New York， Oxford， Paris， San Diego， San Francisco， Singapore， Sydney， Tokyo， 2010.

[3] Yousif M H. Effect of under inhibition with methanol and ethylene glycol on the hydrate-controlprocess[J]. SPE Production and Facilities， 1998， 13： 184-189.

[4] Zanota M L， Dicharry C， Graciaa A. Hydrate plug prevention by quaternary ammonium salts[J]. Energy & fuels， 2005， 19（2）： 584-590.

[5] Davies S R， Ivanic J， Sloan E D. Predictions of hydrate plug dissociation with electrical heating. Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates[M]. Trondheim， Norway， 2005：13-16.

[6] Kelkar S K， Selim M S， Sloan E D. Hydrate dissociation rates in pipelines[J]. Fluid Phase Equilibria， 1998， 150： 371-382.

[7] Makogon T Y， Sloan E D. Mechanism of kinetic hydrate inhibitors. Proceedings of the 4th International Conference on Gas Hydrates[C]. Yokohama， Japan， 2002： 498-503.

[8] Sinquin A， Palermo T， Peysson Y. Rheological and flow properties of gas hydrate suspensions[J]. Oil & gas Science and Technology， 2004， 59 （1）： 41-57.

[9] Gudmundsson J S. Cold flow hydrate technology. Proceedings of the 4th International Conference on Gas Hydrate[C]. Yokohama， Japan， 2002： 19-23.

[10]Turner D J， Talley L. Hydrate inhibition via cold flow - no chemicals or insulation. The 6th International Conference on Gas Hydrate， Vancouver[C]. British Columbia， Canada， 2008.

[11]李文慶，于達，吳海浩， 等. 高壓水合物/蠟沉積實驗環路的設計與建設[J]. 實驗室研究與探索， 2011， 30 （12）： 13-16.

[12]Lv xiaofang， Gong jing， Li wenqing et al . Focused-beam Reflectance Method Aids Hydrate Blockage Prediction[J]. Oil & Gas Journal， 2013，111 （1）： 99-106.

[13]呂曉方，吳海浩，史博會， 等. 流動體系中二氧化碳水合物堵塞時間實驗研究[J]. 實驗室研究與探索，2013， 32 （11）： 197-202.

[14]呂曉方，王瑩，李文慶， 等. 天然氣油基水合物漿液流動實驗[J].天然氣工業，2014， 34 （11）： 108-114.