混輸管道水合物的防治及冰塞預(yù)測(cè)模型

高峰，郭錦佳，王澤鑫，田野

1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部，山東青島266555

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

3.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心，北京100007

混輸管道水合物的防治及冰塞預(yù)測(cè)模型

高峰1，郭錦佳2，王澤鑫3，田野1

1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部，山東青島266555

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

3.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心，北京100007

隨著油氣田開(kāi)發(fā)向著深海發(fā)展，因水合物造成的流動(dòng)安全保障問(wèn)題愈發(fā)凸顯。文章針對(duì)水合物生成所造成的危害及對(duì)應(yīng)的常用工程防治方法進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，并就水合物降壓解堵過(guò)程中，可能由于水合物的分解而產(chǎn)生高速的水合物冰塞運(yùn)動(dòng)造成的損害進(jìn)行分析。與此同時(shí)，還提出了簡(jiǎn)化的堵塞位置預(yù)測(cè)和冰塞運(yùn)動(dòng)模型，據(jù)此可用于工程施工中粗略估計(jì)冰塞位置和運(yùn)動(dòng)速度，為減輕高速冰塞對(duì)整個(gè)管道設(shè)備的危害提供依據(jù)，并對(duì)模型的局限性提出改進(jìn)建議。

混輸管道；水合物冰塞；位置預(yù)測(cè)；速度預(yù)測(cè)

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(xué)計(jì)量型的籠型結(jié)晶化合物。截至目前，已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物結(jié)構(gòu)有三種，即Ⅰ型、Ⅱ型和H型。對(duì)于海洋管道，由于海洋環(huán)境的低溫、高壓，造成管內(nèi)的流體常處于水合物生成區(qū)，正常生產(chǎn)條件下就可能形成水合物，造成管道堵塞，即通常所說(shuō)的“冰堵現(xiàn)象”[1-3]。

而在管道日常運(yùn)行中，一些誤操作或者工況發(fā)生變化，如管道不正當(dāng)節(jié)流、輸量下降、含水量增高、環(huán)境溫度下降、注入系統(tǒng)事故等，也可能導(dǎo)致水合物的生成。

1 水合物冰塞的危害

水合物冰塞會(huì)對(duì)管道造成破壞：其一是水合物冰塞會(huì)沿著管道向下游運(yùn)動(dòng)使管道中流體的壓力快速地增加，可能導(dǎo)致管道超壓甚至破裂，如圖1所示；其二是高速運(yùn)動(dòng)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(fā)生破裂

圖2 管道彎頭處發(fā)生破裂

管道越長(zhǎng)，發(fā)生水合物堵塞的風(fēng)險(xiǎn)就越大，對(duì)于比較嚴(yán)重的水合物堵塞事故，有時(shí)只能停產(chǎn)維修甚至放棄整條管道，會(huì)給油田生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 水合物的防治

目前，抑制水合物生成的費(fèi)用約占油氣生產(chǎn)成本的5%～8%，為了能夠有效控制水合物，需對(duì)其生成機(jī)理、分解機(jī)理進(jìn)行深入了解和掌握，還要根據(jù)管道的實(shí)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(tǒng)抑制水合物生成的方法包括：添加熱力學(xué)抑制劑（甲醇或乙二醇）、加熱或?qū)艿肋M(jìn)行絕熱保護(hù)。目前最常用的方法是添加熱力學(xué)抑制劑，通過(guò)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(dòng)，從而保證運(yùn)行條件處在水合物生成區(qū)域以外，以此來(lái)抑制水合物的生成。

經(jīng)多年的研究和開(kāi)發(fā)，低劑量的動(dòng)力學(xué)抑制劑（LDHIs）[4-5]，包括動(dòng)力學(xué)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(tuán)能夠進(jìn)入到水合物籠形結(jié)構(gòu)內(nèi)。不同于熱力學(xué)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(shí)間內(nèi)不會(huì)形成水合物，從而保證安全輸送。但是，動(dòng)力學(xué)抑制劑會(huì)受到過(guò)冷度的限制，當(dāng)過(guò)冷度超過(guò)一定值時(shí)，KHIs就會(huì)失效。AAs分子通常有一個(gè)親水基和一個(gè)疏水基，他們?cè)试S水合物的生成，但使水合物以小顆粒的分散狀態(tài)懸浮在液態(tài)烴里，水合物晶體就以水合物漿液的狀態(tài)存在，不影響管道輸送。AAs和KHIs的用量相對(duì)較小，約為水相質(zhì)量的0.1%～3.3%。在較高的過(guò)冷度下，AAs的作用效果比KHIs要好，因此對(duì)于中深海石油勘探開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，AAs可能是唯一的選擇。

關(guān)于解堵，一般采取降壓的方法。降壓操作應(yīng)在水合物堵塞管段的兩端同時(shí)進(jìn)行，以維持兩側(cè)的壓力平衡。若降壓不慎，會(huì)導(dǎo)致水合物兩側(cè)產(chǎn)生較大壓差，進(jìn)而造成管道破裂。另外，對(duì)管道進(jìn)行降壓操作，分解的水合物會(huì)吸收大量的熱量，造成管道的局部溫度降低，水合物分解產(chǎn)生的水易轉(zhuǎn)化為冰，而冰對(duì)壓力不敏感并且更難融解，只能采用加熱的方法補(bǔ)救。

3 堵塞位置預(yù)測(cè)

在水合物解堵的過(guò)程中，確定水合物堵塞點(diǎn)的位置是整個(gè)解堵過(guò)程中的重中之重，也是能否安全移除水合物的關(guān)鍵。

根據(jù)管道出口泄壓和再憋壓的升壓速率，按天然氣管道儲(chǔ)氣的過(guò)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(diǎn)示意

輸氣管道水力計(jì)算基本公式：

式中P1——管道堵塞點(diǎn)壓力（流量不大時(shí)可用起點(diǎn)壓力代替），絕對(duì)壓力/Pa；

P2——管道出口壓力，絕對(duì)壓力/Pa；

Q——天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積流量/（Nm3/s）；

L——管道堵塞點(diǎn)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(chǔ)氣開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的平均壓力Pa1和Pa2：

式中P12——儲(chǔ)氣開(kāi)始時(shí)管道出口壓力；

P22——儲(chǔ)氣結(jié)束時(shí)管道出口壓力。

根據(jù)Pa1和Pa2可求得儲(chǔ)氣開(kāi)始和結(jié)束時(shí)管道中的存氣量V始和V末：

然后依據(jù)上述儲(chǔ)氣開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的存氣量即可獲得充氣過(guò)程中的充氣量Vs：

式中B——單位長(zhǎng)度管道的積液量；

P0——標(biāo)準(zhǔn)工況下體系壓力；

T0——標(biāo)準(zhǔn)工況下體系溫度；

T——實(shí)際工況下體系溫度；

V——管道實(shí)際體積。

對(duì)方程（5）進(jìn)行替換變形可得：

依據(jù)上述堵塞位置預(yù)測(cè)的思路，并根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)幾次泄壓的記錄數(shù)據(jù)，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(xiàn)場(chǎng)實(shí)際堵塞情況相符。同時(shí)，考慮到管道中積液量因素對(duì)堵塞位置預(yù)測(cè)的影響，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管道中積液量的不同數(shù)據(jù)對(duì)其預(yù)測(cè)的堵塞位置進(jìn)行修正，具體結(jié)果如表1所示。

表1 管道堵塞點(diǎn)位置預(yù)測(cè)結(jié)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(zhǔn)確計(jì)算堵塞點(diǎn)至管道末端的管段中所殘留的積液量成為預(yù)測(cè)堵塞位置的關(guān)鍵。所以，在進(jìn)行堵塞位置預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際運(yùn)行管道的滯液情況。

4 解堵過(guò)程中冰塞速度預(yù)測(cè)

在水合物解堵過(guò)程中，高速運(yùn)動(dòng)的水合物冰塞，在遇到閥門(mén)、彎頭、設(shè)備等時(shí)會(huì)造成較大損害。所以，對(duì)水合物冰塞在管道中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究具有重要的意義。冰塞在管道中的運(yùn)動(dòng)如圖4所示。

圖4 壓差作用下冰塞在管道中的運(yùn)動(dòng)

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(guò)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(jié)力，冰塞就會(huì)變成管道中的水合物“炮彈”。

一個(gè)簡(jiǎn)單的水合物冰塞在管道中的運(yùn)動(dòng)模型如圖5所示。其中，Pi是水合物冰塞兩端的壓力（i=1時(shí)代表下游，i=2時(shí)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(zhì)量；χ為冰塞在壓差下的移動(dòng)距離。在該簡(jiǎn)化模型中做了如下假設(shè)：

（1）冰塞在管道中運(yùn)行時(shí)，冰塞和管壁之間是無(wú)摩擦、光滑的。

（2）在冰塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣體的壓縮因子是常量。

（3）冰塞的密封效果良好，沒(méi)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(jù)上面的簡(jiǎn)化可建立如式（7）的冰塞運(yùn)動(dòng)方程：

其中：

式中A——管道橫截面積；

mi——冰塞上、下游儲(chǔ)存氣體的質(zhì)量；

Ti——冰塞上、下游氣體的溫度。

然后對(duì)式（7）進(jìn)行變形、積分運(yùn)算后可得：

再根據(jù)初始條件：

最后可得方程式：

當(dāng)水合物冰塞由于最初的壓力梯度開(kāi)始向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)，下游最大壓力可能會(huì)影響此初始推動(dòng)力。理想情況下，冰塞在管道中壓差作用下的運(yùn)行情況如圖6所示。

圖6 冰塞在管道中的運(yùn)行情況

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

但由于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中冰塞速度會(huì)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(shí)際運(yùn)行速度會(huì)較理想情況下有所減小，并且其在管道中的運(yùn)行趨勢(shì)有可能表現(xiàn)出一定的非對(duì)稱(chēng)性。

綜上可知，該冰塞速度預(yù)測(cè)模型的建立是在一定程度的簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，其預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差（適合于直管段、管道中積液量小的情況預(yù)測(cè)）；今后應(yīng)依據(jù)實(shí)際管道運(yùn)行情況對(duì)其模型進(jìn)行深化，考慮積液量、局部摩阻等因素的影響。

當(dāng)水合物冰塞由于最初的壓力梯度開(kāi)始向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)，下游最大壓力可能會(huì)影響此初始推動(dòng)力。速度會(huì)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(méi)有充分減速，則其速度會(huì)隨時(shí)間震蕩，直至壓力平衡，水合物冰塞的速度降至零。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)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(yīng)根據(jù)管道的實(shí)際情況，分析管道中水合物堵塞成因，尋找可能發(fā)生堵塞的位置，再確定適宜的解堵方式。依據(jù)本文論述，利用輸氣管道水力計(jì)算相關(guān)公式提出了一個(gè)堵塞位置預(yù)測(cè)模型，據(jù)此找到可能發(fā)生堵塞的位置，然后根據(jù)管道實(shí)際情況采取解堵的方法，保證在解堵的過(guò)程中能維持熱力和水力可控。與此同時(shí)，在解堵過(guò)程中還應(yīng)注意冰塞高速運(yùn)動(dòng)的可能性，其在運(yùn)動(dòng)到閥門(mén)、彎頭處時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大沖擊力而破壞管道設(shè)備，利用本文建立的冰塞速度預(yù)測(cè)模型，掌握其運(yùn)動(dòng)速度，判別其是否會(huì)給管道運(yùn)行帶來(lái)危害，以便采取措施來(lái)減輕或防止事故的發(fā)生。

需要指出的是，對(duì)于建立的水合物堵塞位置預(yù)測(cè)模型及解堵過(guò)程中冰塞運(yùn)動(dòng)模型，由于進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，假設(shè)條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在一定的偏差，因此上述模型有待進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。

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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(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程相關(guān)工作。

2014-03-04