油氣管道中水合物降壓分解實(shí)驗(yàn)

宋光春，李玉星，王武昌，姜?jiǎng)P，施政灼 ，趙鵬飛

油氣管道中水合物降壓分解實(shí)驗(yàn)

宋光春1，李玉星1，王武昌1，姜?jiǎng)P1，施政灼1，趙鵬飛2

（1中國石油大學(xué)(華東)山東省油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；2中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083）

利用高壓環(huán)道裝置，以柴油、水、天然氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在不同含水率（30%、70%、100%）等條件下進(jìn)行管道內(nèi)水合物的降壓分解實(shí)驗(yàn)，研究水合物在油氣管道中的降壓分解過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中水合物形態(tài)的演化情況，分析了管道內(nèi)水合物降壓分解的過程和特性，并據(jù)此提出了水合物在管道內(nèi)降壓分解的簡化物理模型。該模型由4個(gè)獨(dú)立部分組成：水合物在管壁上的分解，主要描述管壁水合物層的變薄、坍塌和脫落過程，氣體運(yùn)移通道和油包氣泡結(jié)構(gòu)會在上述過程中出現(xiàn)；水合物在純水體系中的分解，主要描述管道內(nèi)的水合物云團(tuán)因水合物顆粒的不斷上浮和分解而逐漸變薄直至消失的過程；水合物在水基體系中的分解，主要描述管道內(nèi)的水合物云團(tuán)因水合物絮體的不斷上浮和分解而逐漸變薄直至消失的過程，該過程中液相分層現(xiàn)象會因水合物的分解而愈加明顯；水合物在油基體系內(nèi)的分解，主要描述絮狀水合物云團(tuán)因分解而整體收縮直至消失的過程，在該過程中會出現(xiàn)由水合物分解水向下沉降而形成的液相分層現(xiàn)象。

水合物；降壓分解；形態(tài)；水合物層；水合物云團(tuán)；物理模型

氣體水合物是由水分子和氣體分子在低溫高壓條件下結(jié)合而成的籠狀晶體物質(zhì)[1]。由于油氣集輸環(huán)境及集輸系統(tǒng)具有高壓、低溫、長距離、大高差的特點(diǎn)，氣體水合物很容易在油氣管道中形成并引發(fā)堵塞，有礙正常生產(chǎn)[2-4]。通常情況下，管道中水合物堵塞形成后，往往需要數(shù)周的時(shí)間來將其清除，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大[5]。因此，對油氣管道中水合物分解過程的研究就顯得尤為重要和 突出。

降壓法是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的水合物分解方法[6]，主要包括單端降壓法和雙端降壓法。目前，關(guān)于水合物降壓法分解的研究多集中在水合物降壓分解機(jī)理[7-9]、水合物降壓分解數(shù)學(xué)模型[10-12]及多孔介質(zhì)中水合物的降壓開采[13-15]等方面。但是，對水合物在油氣管道和油水乳狀液中的降壓分解，研究則相對較少，有待進(jìn)一步深入。BOLLAVARAM等[16]和PETERS等[17]分別研究了反應(yīng)釜內(nèi)水合物的單端降壓分解和環(huán)道內(nèi)水合物的雙端降壓分解并建立了相關(guān)模型。然而，上述研究均未涉及水合物在降壓分解過程中的形態(tài)變化。LACHANCE等[18]使用差式掃描量熱儀（DSC）的研究發(fā)現(xiàn)，水合物顆粒在乳狀液中分解時(shí)會發(fā)生聚集，而這種聚集會導(dǎo)致游離水的出現(xiàn)并引發(fā)破乳。CHEN等[19]利用聚焦光束反射測量裝置（FBRM）和顆粒顯微錄影裝置（PVM）的研究則進(jìn)一步表明，覆蓋在水合物顆粒表面的分解水是導(dǎo)致水合物顆粒在分解時(shí)發(fā)生聚集的根本原因。此外，還可通過其他可視技術(shù)對水合物的分解形態(tài)進(jìn)行研究[20-23]。值得注意的是，上述關(guān)于水合物分解形態(tài)的研究都局限在微觀層面，而對于水合物在降壓分解時(shí)的宏觀形態(tài)變化特點(diǎn)，還需深入研究。

本研究利用高壓環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置，在柴油+水+天然氣體系中進(jìn)行了不同含水率等條件下的水合物降壓分解實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，針對不同含水率體系分別分析了水合物在降壓分解過程中的宏觀形態(tài)變化特點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)上述研究結(jié)果，提出了水合物在油氣管道中降壓分解的簡化物理模型。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

如圖1所示，采用高壓環(huán)道裝置[24]進(jìn)行管道中水合物的降壓分解實(shí)驗(yàn)。該裝置主要由供氣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、溫度壓力控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)4部分組成。

循環(huán)系統(tǒng)容積共40L，由混合罐、磁力離心泵、高壓軟管、高壓環(huán)道依次連接而成。其中混合罐容積21L，由不銹鋼材料制成，最大承壓15MPa。為促進(jìn)水合物生成，混合罐內(nèi)配有機(jī)械攪拌裝置，實(shí)驗(yàn)過程中攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定為200r/min[25]。高壓環(huán)道和高壓軟管總長35.8m，內(nèi)徑26mm，容積19L，最大承壓10MPa。其中高壓環(huán)道由不銹鋼材料制成，中部連接有帶圓形（直徑65mm）和方形可視窗的透明段，便于采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中采集圖像和視頻。磁力離心泵額定轉(zhuǎn)速3000r/min，用于使實(shí)驗(yàn)介質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)溫度由冷水機(jī)組控制，溫度調(diào)節(jié)范圍–10～50℃，控溫精度±0.05℃?；旌瞎藓透邏涵h(huán)道外均安裝有水浴夾套，用于冷水機(jī)組的冷媒循環(huán)。此外，實(shí)驗(yàn)裝置還安裝有溫度傳感器、壓力傳感器和差壓傳感器，實(shí)驗(yàn)過程中通過采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度、壓力、液相流量、壓降等參數(shù)并存儲于計(jì)算機(jī)中。

圖1 環(huán)道實(shí)驗(yàn)體系示意圖

使用天然氣、柴油、去離子水等模擬實(shí)際管輸介質(zhì)進(jìn)行環(huán)道體系內(nèi)的水合物堵塞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料明細(xì)表

選擇柴油作為油相進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是因?yàn)槠漯ざ容^小，流動(dòng)性好，易于輸送。同時(shí)，柴油外觀呈金黃色，無雜質(zhì)，較為清澈透明，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。此外，柴油不含瀝青質(zhì)、樹脂等有表面活性劑作用的組分[26-27]，不會對管道內(nèi)水合物的生成及分布情況產(chǎn)生影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及工況

在本研究中，水合物的降壓分解實(shí)驗(yàn)是在水合物堵管實(shí)驗(yàn)之后接著進(jìn)行的。關(guān)于上述水合物堵管實(shí)驗(yàn)的步驟和工況，詳見參考文獻(xiàn)[24]。根據(jù)該文獻(xiàn)，水合物的局部沉積和管內(nèi)的液相分層是實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致管道堵塞的兩大原因，且實(shí)驗(yàn)過程中并未形成密實(shí)的水合物堵塞體。因此，針對密實(shí)堵塞體的單端降壓和雙端降壓法在本研究中意義并不大。考慮以上情況，實(shí)驗(yàn)過程中采用通過安裝在高壓環(huán)道上的排氣閥（圖1）排氣的方式來實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)水合物的降壓分解。排氣開始后，體系壓力將逐漸下降至0.1MPa，其中降壓速率通過調(diào)節(jié)排氣閥的開度進(jìn)行控制，每組實(shí)驗(yàn)中排氣閥的開度始終保持不變。其平均降壓速率可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。當(dāng)實(shí)驗(yàn)體系溫度壓力維持恒定且可視窗處觀察不到水合物時(shí)，認(rèn)為分解實(shí)驗(yàn)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)具體工況如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率100%

工況3中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程如圖2所示，下面以工況3為例，對含水率100%時(shí)管道內(nèi)水合物的降壓分解特性進(jìn)行分析。

由圖2(a)可知，降壓分解開始前，管道內(nèi)水合物主要分布在壁面和液相主體中。在液相主體中，水合物以小顆粒的形式存在并形成了較為濃稠的水合物漿。在壁面上，水合物則形成了密實(shí)的沉積層。降壓分解開始后，壁面上原本密實(shí)的水合物沉積層開始逐漸變薄并慢慢從壁面上坍塌脫落，如圖2(b) 所示?？紤]到壁面上形成的水合物沉積層較為密實(shí)，故在降壓分解的初始階段，近壁面處水合物層分解產(chǎn)生的氣泡和水滴往往會因移動(dòng)受限而停留在壁面上，如圖2(c)所示。當(dāng)這些氣泡和水滴由于聚集而變大，或水合物層因分解而變得疏松時(shí)，氣泡和液滴才得以脫離壁面。在這一過程中，壁面的水合物沉積層中會形成數(shù)條氣體運(yùn)移通道，這些運(yùn)移通道是由氣泡在疏松水合物層中的移動(dòng)沖擊造成的。當(dāng)運(yùn)移通道形成后，水合物分解產(chǎn)生氣體就能通過這些運(yùn)移通道更快地?cái)U(kuò)散進(jìn)入氣相，從而大大降低了分解過程的傳質(zhì)阻力。另外，實(shí)驗(yàn)中觀察到，相鄰兩條運(yùn)移通道間的水合物沉積層往往能更快地從壁面上坍塌脫落，進(jìn)而加速水合物的分解。

表2 實(shí)驗(yàn)工況明細(xì)表

當(dāng)壁面上的水合物沉積層分解完成后，管道的液相主體內(nèi)仍有水合物存在，如圖2(f)所示。此時(shí)，液相主體內(nèi)的水合物濃度分布極不均勻。在液相下部，水合物濃度較低，水合物顆粒分布較為稀疏。在液相中上部，水合物顆粒濃度較高并因此形成漿狀的水合物云團(tuán)結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)象主要由以下3個(gè)原因造成：首先，實(shí)驗(yàn)中形成水合物的密度比水低（通常在0.866～0.959g/cm3[2]），因此水合物顆粒更傾向于懸浮在液相中上部；第二，從壁面上坍塌脫落的水合物沉積層也主要集中在液相中上部；第三，水合物顆粒在上浮過程中會裹挾氣泡進(jìn)入云團(tuán)結(jié)構(gòu)，這些氣泡本身的浮力作用會防止較大的水合物聚集體因重力而下沉。因此，在降壓分解過程中液相主體中的水合物顆粒會呈現(xiàn)出不均勻分布。

工況1中水合物降壓分解的形態(tài)演化情況如圖3所示。同工況3類似，壁面上的水合物沉積層分解結(jié)束較早，液相主體中的水合物漿（圖4）在分解過程中呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布。和工況3不同的是，圖3(c) ～圖3(f)通過漿狀水合物云團(tuán)的厚度變化更好地展示了工況1分解過程中水合物顆粒不均勻分布的變化過程。

圖5為工況2中水合物降壓分解的形態(tài)演化情況。其中，圖5(a)～圖5 (d)展示了壁面水合物沉積層坍塌脫落的典型過程：首先，原本密實(shí)的水合物層開始因分解逐漸變得疏松；然后，右側(cè)水合物沉積層在重力的作用下發(fā)生坍塌并緩慢滑落進(jìn)入液相；最終，整個(gè)水合物沉積層從壁面脫離進(jìn)入液相。在降壓分解第15～20min之間，即圖5(d)、圖5(e)間，嘗試開泵進(jìn)行再啟動(dòng)，落入液相的沉積層在開泵再啟動(dòng)引發(fā)的瞬時(shí)流量沖擊下破碎成水合物小顆粒。最后，水合物顆粒在液相中完成分解，該過程和工況3類似，這里不再贅述。

圖2 工況3中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

圖3 工況1中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

2.2 含水率70%

以工況4為例（圖6）說明含水率70%條件下管道內(nèi)水合物的降壓分解特性。對于壁面上水合物沉積層的分解，如圖6(a)～圖6(e)所示，其主要包括沉積層變薄、坍塌和脫落3個(gè)階段，主要分解特性與含水率100%體系中的分解特性基本相同。這說明液相流體含水率的變化對管壁水合物沉積層的分解情況幾乎沒有影響。然而，含水率對液相主體內(nèi)水合物的分解特性卻有重要影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[24]，含水率70%時(shí)管道的水合物堵塞是由液相分層現(xiàn)象直接導(dǎo)致的。液相分層后，上層為從油水混合液中分離出來的柴油層，下層為含有大量水合物小絮體的油水混合液。上述水合物小絮體會在油水混合液中形成絮狀的水合物云團(tuán)結(jié)構(gòu)。因此，含水率70%條件下管道內(nèi)水合物的降壓分解主要在液相主體下層的油水混合液中進(jìn)行。隨著分解過程的持續(xù)，更多的柴油會從下層油水混合液中分離并進(jìn)入上方的柴油層，因此柴油層的厚度會不斷增加，即液相分層現(xiàn)象會因水合物的分解而愈加明顯，如圖6(b)～圖6 (f)所示。

圖4 工況1液相主體中的濃稠水合物漿（分解開始后6min）

另外，在下層的油水混合液中，存在部分未乳化的油滴黏附在壁面上，如圖6(b)所示。在降壓分解的初始階段，水合物分解產(chǎn)生的天然氣能很快在下層水相和油相中達(dá)到溶解飽和并形成氣泡。然而，考慮到液相主體下層中存在大量濃密的水合物小絮體，上述氣泡很難上浮或擴(kuò)散到液相上層的柴油層中。在這種情況下，這些氣泡更傾向于融合入黏附在壁面上的油滴中并形成一種油包氣泡（G/O）結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示，這種油包氣泡結(jié)構(gòu)目前尚未在相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道過。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，在油包氣泡結(jié)構(gòu)中，氣泡可以在油滴內(nèi)部自由移動(dòng)且在浮力的作用下，這些氣泡多集中在油滴的上部。當(dāng)一個(gè)油滴內(nèi)融合進(jìn)足夠多的氣泡后，整個(gè)油包氣泡結(jié)構(gòu)就會在氣泡浮力的作用下脫離壁面并上浮進(jìn)入液相上部的柴油層，如圖7(b)～圖7(f)所示。此外，在上浮過程中，不同的油包氣泡結(jié)構(gòu)可以發(fā)生聚集并形成一個(gè)相對較大的油包氣泡結(jié)構(gòu)，該過程跟水合物顆粒間的聚集過程有一定的相似性。通過上述分析可知，在實(shí)驗(yàn)過程中，油包氣泡結(jié)構(gòu)的形成會加速液相主體的分層，從而加劇管道的堵塞程度。

圖5 工況2中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

圖6 工況4中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

圖7 工況4觀察到的油包氣泡結(jié)構(gòu)及其上浮過程

圖8 工況5中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

圖8為工況5中水合物降壓分解的形態(tài)演化情況。如圖8(c)～圖8(f)所示，水合物在液相下層分解時(shí)也呈現(xiàn)出不均勻分布的特征，不同于含水率100%體系的是，水合物在液相中是以小絮體而不是小顆粒的形式分解的。這是由于在純水體系中，水合物顆粒間的黏附力（主要考慮毛細(xì)液橋力）較小，水合物顆粒間的聚集現(xiàn)象并不明顯。而在70%含水率體系中，自由水會在水合物顆粒間形成液橋，促進(jìn)水合物顆粒間的聚集，當(dāng)水合物顆粒聚集體中裹挾入油滴或者水滴時(shí)，就會形成水合物小絮體結(jié)構(gòu)。

圖9 工況6中水合物降壓分解的形態(tài)演化過程

圖10 絮狀水合物云團(tuán)的破碎-再聚集

2.3 含水率30%

含水率30%條件下水合物降壓分解時(shí)的形態(tài)演化情況如圖9所示。不同于高含水率（100%、70%）下的實(shí)驗(yàn)，含水率30%的實(shí)驗(yàn)中水合物并沒有在壁面上形成，只有管道底部存在絮狀的水合物沉積層，如圖9(a)所示?？紤]到實(shí)驗(yàn)中形成水合物的密度要比油水混合液低，故上述水合物管底沉積現(xiàn)象是由水合物絮體中裹挾入較多水導(dǎo)致的。分解實(shí)驗(yàn)開始后不久，嘗試進(jìn)行開泵再啟動(dòng)，由此帶來的瞬時(shí)流量沖擊將管底的絮狀水合物沉積層破壞，沉積層中裹挾的游離水重新分散入液相主體。此后，沉積層破壞產(chǎn)生的水合物小絮體開始在密度差的作用下在液相主體內(nèi)再分布，并最終在液相中上部形成了一整塊絮狀的水合物云團(tuán)，如圖9(b)所示。隨著分解過程的持續(xù)，絮狀水合物云團(tuán)整體漸縮，水合物分解產(chǎn)生的游離水也在重力的作用下向管道底部沉降并逐漸形成一層游離水層，如圖9(c)～圖9 (f)所示。最終，所有的絮狀水合物分解結(jié)束，液相主體也因水合物的分解產(chǎn)生了分層現(xiàn)象，此時(shí)液相中上部為柴油層，下部為游離水層。

圖10為工況6實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的絮狀水合物云團(tuán)破碎-再形成過程。首先，水合物云團(tuán)在瞬時(shí)流動(dòng)沖擊的作用下破碎成許多小絮體，這些小絮體雜亂不均地分布在整個(gè)液相主體中，如圖10(a)、圖10(b)所示。接著，水合物小絮體開始在浮力的作用下上升。在上升過程中，不同小絮體間因黏附力而逐漸聚集，此時(shí)絮狀水合物云團(tuán)開始在液相中上部初步重組，如圖10(d)所示。隨后，相對疏松的水合物云團(tuán)因黏附力而逐漸緊縮，其內(nèi)部裹挾的液體也逐漸被擠出。最終，一個(gè)相對密實(shí)、內(nèi)部幾乎無游離水分布的絮狀水合物云團(tuán)再形成結(jié)束，如圖10(f)所示。實(shí)驗(yàn)室過程中，水合物云團(tuán)的破碎-再形成過程在很短的時(shí)間內(nèi)就能完成（通常在1min以內(nèi)），因此在進(jìn)行上述分析時(shí)并沒有考慮水合物的分解帶來的影響。

值得注意的是，含水率100%和含水率70%條件下分解實(shí)驗(yàn)中觀察到的水合物云團(tuán)是通過水合物顆?；蛩衔镄⌒躞w簡單的集中分布形成的。然而，含水率30%條件下實(shí)驗(yàn)中觀察到的絮狀水合物云團(tuán)則是眾多水合物小絮體通過黏附力（主要為液橋力）彼此連接形成的網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)。由此可知，由油水比例及分散狀態(tài)不同導(dǎo)致的水合物黏附力強(qiáng)弱差異是造成水合物云團(tuán)差異的根本原因。

本文研究發(fā)現(xiàn)，含水率70%及含水率30%條件下的分解實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)了液相主體的分層現(xiàn)象。在含水率70%的分解實(shí)驗(yàn)中，液相分層現(xiàn)象是由水合物堵塞造成的，其在水合物分解過程中得到了不斷地增強(qiáng)。在含水率30 %的分解實(shí)驗(yàn)中，液相分層現(xiàn)象則是由水合物分解造成的，并且也隨著分解過程的持續(xù)而愈發(fā)明顯。

圖11 水合物在各體系中分解時(shí)的宏觀形態(tài)變化情況

2.4 管道內(nèi)水合物降壓分解的宏觀物理模型

通過上述分析可知，水合物在管道內(nèi)的降壓分解通常發(fā)生在管壁處和液相主體中。而根據(jù)液相種類的不同，水合物在液相主體中的分解又可進(jìn)一步分為水合物在純水中、水主導(dǎo)體系中和油主導(dǎo)體系中的分解3類。由此，可提出水合物在管道內(nèi)降壓分解的簡化宏觀物理模型。該模型由4個(gè)相互獨(dú)立的部分組成，分別描述了水合物在管壁處、純水、水主導(dǎo)及油主導(dǎo)體系中分解時(shí)的宏觀形態(tài)變化情況，如圖11所示。

第Ⅰ部分，水合物在管壁上的分解，如圖11(a)所示。在管壁上，水合物主要以水合物管壁沉積層的形式存在，降壓分解開始后，該沉積層會逐漸變薄，隨后坍塌、脫落進(jìn)入液相主體。在液相主體中，該沉積層會在流動(dòng)沖擊的作用下分裂成水合物小顆粒或小絮體并最終完成分解。在上述過程中，會觀察到氣體運(yùn)移通道及油包氣泡結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。值得注意的是，液相的種類并不會對管壁上水合物的降壓分解過程產(chǎn)生影響。

第Ⅱ部分，水合物在純水體系中的分解，如圖11(b)所示。純水體系中，水合物主要以小顆粒的形式存在，在分解過程中水合物顆粒會在液相主體中呈現(xiàn)不均勻分布。由水合物顆粒簡單集中分布形成的水合物云團(tuán)，其厚度也會因降壓分解的持續(xù)進(jìn)行而逐漸減小，直至云團(tuán)最終消失。

第Ⅲ部分，水合物在水主導(dǎo)體系中的分解，如圖11(c)所示。水主導(dǎo)體系中，水合物主要以小絮體的形式存在，其在分解過程中也會出現(xiàn)不均勻分布，由此形成的水合物云團(tuán)的厚度也會因分解過程的持續(xù)而逐漸減小。此外，由水合物堵塞導(dǎo)致的液相分層現(xiàn)象會因水合物的分解而愈發(fā)明顯。

第Ⅳ部分，水合物在油主導(dǎo)體系中的分解，如圖11(d)所示。油主導(dǎo)體系中，水合物會在黏附力的作用下形成一整塊絮狀水合物云團(tuán)結(jié)構(gòu)漂浮在液相中上部。隨著分解過程的持續(xù)，該云團(tuán)結(jié)構(gòu)會逐漸縮小，分解產(chǎn)生的游離水也會在管道底部沉積并逐漸形成游離水層，即產(chǎn)生液相分層現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本研究利用高壓環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置，在柴油+水+天然氣體系中進(jìn)行了不同含水率等條件下的水合物降壓分解實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了不同含水率體系中水合物降壓分解的宏觀形態(tài)變化特點(diǎn)并提出了水合物在管道內(nèi)降壓分解的簡化物理模型。本文的主要結(jié)論如下所述。

（1）水合物在管道內(nèi)的降壓分解過程主要包括水合物在管壁上的分解及水合物在液相主體中的分解。其中，水合物在液相主體中的分解又可進(jìn)一步分為水合物在純水中、水主導(dǎo)體系中和油主導(dǎo)體系中的分解3類。

（2）水合物在管壁上的降壓分解主要包括水合物層的變薄、坍塌和脫落3個(gè)階段。同時(shí)，水合物在管壁上的降壓分解會導(dǎo)致氣體運(yùn)移通道和油包氣泡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

（3）水合物顆粒/水合物小絮體在純水/水主導(dǎo)體系中分解時(shí)會呈現(xiàn)出不均勻分布的特性，液相主體中形成水合物云團(tuán)的厚度也會因分解而逐漸變小。此外，水合物在水主導(dǎo)體系中分解時(shí)，液相分層現(xiàn)象會隨著分解過程的持續(xù)而愈發(fā)明顯。

（4）水合物在油主導(dǎo)體系分解時(shí)，液相主體中形成的絮狀水合物云團(tuán)會發(fā)生整體漸縮直至消失，與此同時(shí)，液相底部會逐漸形成游離水層，即液相主體會因分解發(fā)生分層。

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Experimental study of pipeline hydrate depressurization dissociation using a high-pressure flow loop

SONG Guangchun1，LI Yuxing1，WANG Wuchang1，JIANG Kai1，SHI Zhengzhuo1，ZHAO Pengfei2

（1Shandong Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Safety，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China；2SINOPEC Star Petroleum Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）

To investigate pipeline hydrate depressurization dissociation，a high-pressure flow loop was used where hydrate depressurization dissociation experiments were performed from natural gas + diesel oil + water systems for three different water cuts（30%，70% and 100%）. Based on the experimental data of hydrate macroscopic morphologies，the processes and characteristics of pipeline hydrate depressurization dissociation were analyzed and a simplified macro physical model including four independent parts was proposed accordingly. For hydrate dissociation on the pipe wall，it mainly includes the processes of hydrate layer thinning，collapsing and falling off. Gas migration pathway and G/O（gas bubble in oil） structures could be observed during these processes. For hydrate dissociation in water systems，the thickness of hydrate cloud would gradually decrease under the combined action of hydrate particle dissociation and floating up. For hydrate dissociation in water-dominated systems，the thickness of hydrate cloud would gradually decrease under the combined action of hydrate floccule dissociation and floating up. In addition，liquid stratification phenomenon would be gradually enhanced during the dissociation in water-dominated systems. For hydrate dissociation in oil-dominated systems，the flocculent-like hydrate cloud would gradually shrink as a whole due to dissociation and a liquid stratification phenomenon caused by dissociated water downward deposition would be observed.

hydrate；depressurization dissociation；morphology；hydrate layer；hydrate cloud；physical model

TE88

A

1000–6613（2017）10–3569–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0197

2017-02-13；

2017-03-07。

國家自然科學(xué)基金（51006120）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（14CX2207A，17CX06017，17CX05006）及中國石油大學(xué)（華東）研究生創(chuàng)新工程項(xiàng)目（YCX2017062）。

宋光春（1992—），男，博士研究生，主要從事深水流動(dòng)安全保障方向研究。E-mail：UpcNGH_sgc@163.com。

李玉星，博士，教授，主要從事油氣儲運(yùn)工程方面的研究和教學(xué)工作。E-mail：lyxupc@163.com。