深水氣井測試水合物臨界沉積粒徑及敏感因素

高永海, 陳 野, 孟文波, 張 崇, 崔燕春, 王金堂, 孫寶江

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.海洋水下設(shè)備試驗(yàn)與檢測技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266580; 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057)

海洋具有豐富的油氣資源,隨著技術(shù)的發(fā)展,勘探開發(fā)逐漸由淺水區(qū)域轉(zhuǎn)移向了深水區(qū)域,先后在西非、墨西哥灣、巴西等地海域展開了大規(guī)模的開發(fā)作業(yè)[1-3]。然而深水鉆采的難度遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆采,其低溫高壓的環(huán)境也滿足水合物生成條件,在能夠提供充足的氣與水的工況(例如氣井?dāng)y液)下,易誘導(dǎo)水合物顆粒生成、聚集[4]。水合物顆粒附著在井筒內(nèi)壁上,逐漸堵塞管道,從而造成巨大的生產(chǎn)損失[5]。另外,在深水氣井測試過程中,水合物堵塞井筒會(huì)干擾壓力、流量等數(shù)據(jù)的計(jì)量,使其失去準(zhǔn)確獲取油氣藏特性信息的意義,甚至導(dǎo)致生產(chǎn)測試無法進(jìn)行[6]。為了解決以上問題,工業(yè)上普遍采用注入化學(xué)劑來抑制水合物生成[7],但該方法經(jīng)濟(jì)成本較高,且會(huì)在一定程度上影響測試、生產(chǎn)效果。由于水合物顆粒生成后,需要在滿足一定條件下才能附著、沉積于管柱內(nèi)壁造成堵塞,因此掌握管道內(nèi)水合物顆粒沉積規(guī)律,對(duì)水合物堵塞精確預(yù)測具有重要意義和幫助[8]。水合物顆粒晶核的形成需要很長的誘導(dǎo)期,逸度差被認(rèn)為是主要成核驅(qū)動(dòng)力[9]。晶核一旦到達(dá)臨界尺寸,就會(huì)快速生長[10]。Sloan等[11]提出成簇成核模型,將成核過程劃分為可以用5個(gè)準(zhǔn)基元反應(yīng)來描述的4個(gè)階段[12]。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院研發(fā)了一套微機(jī)械測力裝置,考察了顆粒間黏附力的影響因素,認(rèn)為液橋力在顆粒間聚結(jié)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)作用[13-15]。此外,固橋力同樣是顆粒間作用力的主要來源,隨著時(shí)間的推移,液橋力會(huì)逐漸向固橋力轉(zhuǎn)化,形成更加穩(wěn)定的、不可逆的固結(jié)作用[16]。宮敬等[17]借助 FBRM (顆粒粒度分析儀)和 PVM (顆粒錄影顯微儀)分析了水合物生成過程中顆粒/液滴的分布規(guī)律。劉海紅等[18]以最大聚結(jié)粒徑作為水合物聚結(jié)程度的標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)了模型,并研究了油水界面張力等因素對(duì)聚結(jié)的影響規(guī)律。在以氣相為主導(dǎo)的系統(tǒng)中,水合物沉積堵塞概念模型認(rèn)為水合物首先在管壁表面成核,然后快速生長,由于流動(dòng)等客觀條件,水合物會(huì)從管壁脫落,至下游段沉積堵塞[19]。借助理想的假設(shè)條件,Nicholas等[20]提出了適用于層流的水合物顆粒移除模型。相比哈里伯頓等公司設(shè)計(jì)的搖晃式反應(yīng)釜[21],水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路更接近管道內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)環(huán)境,因此被廣泛應(yīng)用于水合物相變、運(yùn)移、沉積等規(guī)律研究[22-27]。結(jié)合環(huán)路實(shí)驗(yàn)中天然氣水合物在管道中的流動(dòng)特點(diǎn),以傳統(tǒng)的固液雙層流動(dòng)模型為基礎(chǔ),將臨界流動(dòng)速度和臨界床層高度作為天然氣水合物漿穩(wěn)定流動(dòng)的判定標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)出了計(jì)算天然氣水合物漿流型及流動(dòng)參數(shù)的方法[28]。根據(jù)顆粒受力分析,趙鵬飛等[29]建立了油基天然氣水合物顆粒管壁黏附動(dòng)力學(xué)模型,定量探究了油包水乳狀液中水合物顆粒在不同壁面環(huán)境下的黏附情況?；谒衔镱w粒聚集動(dòng)力學(xué),引入群體平衡模型,建立三維幾何模型進(jìn)行聯(lián)合求解,模擬了流速、水合物顆粒粒徑及體積分?jǐn)?shù)對(duì)管內(nèi)水合物顆粒沉積特性的影響,證實(shí)了管道橫截面處的水合物分布和粒徑分布有較好的一致性[30]。已有的研究能夠從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度解釋水合物顆粒在獨(dú)立的理想環(huán)境中生成與運(yùn)移機(jī)制,但缺乏針對(duì)具體工況,尤其是具體流型條件下水合物沉積規(guī)律的研究,難以為實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中管道內(nèi)復(fù)雜的水合物沉積問題提出有效的預(yù)防建議[31]。筆者針對(duì)深水條件下以氣相為主的環(huán)霧流工況,分析管道內(nèi)水合物顆粒的受力情況,并結(jié)合具體的生產(chǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算水合物顆粒所受到的力矩,分析溫度、壓力、氣相產(chǎn)量、液相產(chǎn)量及流通管徑等因素對(duì)水合物沉積堵塞的影響規(guī)律。

1 管壁附近水合物顆粒受力分析

深水氣井測試多為環(huán)霧流,在管壁附近會(huì)有一層薄液膜,其厚度隨氣相產(chǎn)量和液相產(chǎn)量而變化。簡化水合物顆粒粒徑和液膜厚度之間的浸入狀態(tài),即:①液膜厚度小于顆粒直徑,稱之為非浸入態(tài)(δ<2R),②液膜厚度大于等于顆粒直徑,稱之為浸入態(tài)(δ≥2R)。其中δ為液膜厚度,m;R為為水合物顆粒近似半徑,m。

在非浸入態(tài)下,水合物顆粒與管壁間存在液橋力。在侵入態(tài)下,液橋力消失,固固黏附力將成為主要作用力[29]。由于管壁附近存在液相剪切應(yīng)力,沉積顆粒在不斷生長的過程中變得多孔而疏松,在剪切應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生新的破碎。破碎后的水合物顆粒一部分會(huì)脫離管壁,另一部分仍然會(huì)黏附在管壁上,直到形成穩(wěn)定的水合物層。穩(wěn)定的水合物沉積層形成之后,液膜會(huì)沿著水合物沉積層流動(dòng),開始新的沉積,不斷加厚,直至堵塞管道[32]。

除此之外,顆粒在管壁附近還會(huì)受到范德華力、流速差異造成的徑向升力、拖曳力、拖曳力矩、凈重力、剪切力、固橋力等,如圖1所示。

圖1 管壁附近水合物顆粒受力示意圖Fig.1 Diagram of forces on hydrate particle near pipe wall

氣井測試過程中,水相在氣相中呈現(xiàn)為分散相,水合物顆粒間液橋力的簡化計(jì)算公式為

Fcap=2πRγglcosθ.

(1)

式中,Fcap為水合物顆粒間液橋力,N;γgl為氣液界面張力,N/m;θ為接觸角,(°)。

在顆粒向管壁的沉積過程中,顆粒與管壁間的固固黏附力成為主導(dǎo),即

Fjkr=3πRγsl.

(2)

式中,Fjkr為顆粒與管壁間的固固黏附力,N;γsl為固液界面張力,N/m。

在管壁附近,顆粒所受拖曳力和力矩主要來源于氣液相的流動(dòng)。在顆粒浸入態(tài)下,采用黏性流動(dòng)計(jì)算公式[33]:

Fd=1.700 9×6πμlRvc,

(3)

Md=0.943 993×8πμlR2vc.

(4)

式中,Fd為管壁附近水合物顆粒所受拖曳力,N;Md為管壁附近水合物顆粒所受拖曳力矩,N·m。

在顆粒非浸入態(tài)下,考慮顆粒在氣液交界面的受力不同,將顆粒分為兩部分,如圖2所示。分別計(jì)算分相中的拖曳力,考慮顆粒球缺性對(duì)拖曳力的影響[34]。

圖2 水合物顆粒在氣液交界面處的分部受力Fig.2 Forces of hydrate particles within gas and liquid phase

球體積和表面積分別為

(5)

S=π(2Rh-h2)+2πRh=4πRh-πh2.

(6)

式中,V為球缺的體積,m3;r為球缺的底面半徑,m;h為球缺的高度,m;S為球缺的表面積,m2。

其質(zhì)心位置c為

(7)

則球缺等體積的球體直徑為

(8)

式中,dp為球缺等體積的球體直徑,m。

考慮球缺的球度ψ,即球缺等體積的球體表面積與實(shí)際表面積的比值:

(9)

同時(shí)球缺的橫向球度ψ⊥為與球缺等體積的球體橫截面積與球缺沿流動(dòng)方向的投影面積之比,即

(10)

式中,Ap為球缺在流速方向上的投影面積,m2。對(duì)于不同部分,有

(11)

Ap2=πR2-Ap1.

(12)

在上述基礎(chǔ)之上,以質(zhì)心位置不變,計(jì)算分相中的拖曳力,即

(13)

Md1=0,

(14)

(15)

(16)

式中,Rep為質(zhì)心處等體積球體在流體中的雷諾數(shù);vc為球缺質(zhì)心處的流速,m/s。

綜上可得到總的拖曳力和附加力偶為

Fd=Fd1+Fd2,

(17)

Md=Md2+Fd1(c1+R-h1)-Fd2(c2+h1-R).

(18)

由于在徑向上存在著速度梯度,顆粒在軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)受到徑向的升力,而且在近壁面處速度梯度大,升力也隨之增大。在顆粒浸入態(tài)下,管壁附近的層流區(qū)內(nèi),Saffman升力[35]為

(19)

在顆粒非浸入態(tài)下,考慮到速度梯度在氣相部分為零,升力僅為浸入液膜部分,考慮球缺性和線性分布流場的影響,即

(20)

式中,Fl為Saffman升力,N;μl為液相黏度,Pa·s;R為水合物顆粒半徑,m;ρl為液相密度,kg/m3;vl為液膜平均流速,m/s;δ為液膜厚度,m;vc為顆粒質(zhì)心對(duì)應(yīng)流速,m/s。

在顆粒完全不浸入液膜狀態(tài)下,顆粒處于氣相之中,Saffman升力為零。

由于管壁附近液相密度較大,相比于管壁中心部分,浮力大幅提高。在顆粒浸入液膜狀態(tài)下,凈重力為

(21)

在顆粒非浸入態(tài)下,凈重力為

(22)

式中,G為凈重力,N;ρh、ρc、ρl分別是水合物、混合相和液體的密度,kg/m3。

由于液相黏度遠(yuǎn)大于氣相黏度,液膜的存在會(huì)使管壁附近的剪切力變得很大。另外管壁附近速度梯度很大,加強(qiáng)了剪切作用。一旦水合物顆粒粒徑足夠大,就會(huì)被剪切破碎。

在顆粒不浸入液膜狀態(tài)下,液相剪切力為零。在顆粒浸入液膜狀態(tài)下,液相剪切應(yīng)力或界面剪切應(yīng)力成為主導(dǎo),流速為線性變化,速度梯度很大,切應(yīng)力為

(23)

式中,τl為切應(yīng)力,Pa。

兩個(gè)水合物顆粒間的范德華力可以表示為

(24)

式中,Fvdw為范德華力,N;A為Hamaker常數(shù),J,本文中取A=5×10-21J;h為顆粒之間距離,nm,取h=1.4 nm[36];R*為不同粒徑的水合物顆粒諧波近似半徑,m。

在水合物顆粒間相互接觸之后,隨著時(shí)間的增加,在接觸點(diǎn)附近會(huì)逐漸開始生成水合物。研究表明,在顆粒接觸30 s后會(huì)開始發(fā)生固結(jié)[16],而在實(shí)際測試過程中顆粒運(yùn)移時(shí)間遠(yuǎn)大于30 s,因此水合物顆粒固結(jié)完全有可能發(fā)生。固橋力通過固橋破裂來計(jì)算:

Fsin=τtAi.

(25)

式中,Fsin為固橋力,N;τt為水合物抗拉強(qiáng)度,Pa,取τt=200 Pa(甲烷水合物)[37];Ai為水合物固橋在軸向方向的最小橫截面積,m2。

由于水合物顆粒表面包裹有類液層,具有很好的靜電消除能力,且接觸之前會(huì)形成液橋,阻礙了顆粒間的直接碰撞,因此不考慮靜電力和碰撞力對(duì)顆粒間作用的影響。

2 水合物顆粒臨界沉積粒徑判別方法

管道內(nèi)壁通常并不完全光滑,其粗糙度為水合物顆粒沉積提供了很好的受力支點(diǎn)。由于顆粒在管壁上受到軸向力、徑向力以及力矩,因此存在著3種沉積條件:

Fl≤Fjkr,

(26)

Fd-G≤f(Fjkr-Fl),

(27)

Md+(Fd-G)L1≤(Fjkr-Fl)L2.

(28)

式中,L1、L2為與表面粗糙度、顆粒表面粗糙度、顆粒變形等有關(guān)的參數(shù),L1=0.6R、L2=0.2R[20];f為靜摩擦系數(shù)。

從受力角度分析,水合物顆粒必須同時(shí)滿足以下條件才能沉積到管壁上,即不升離、不滑動(dòng)、不滾動(dòng),如圖3所示。

定義滑動(dòng)力Fs=Fd-G,靜摩擦力Ff=f(Fjkr-Fl),移除力矩Mrem=Md+(Fd-G)L1,黏附力矩Madh=(Fjkr-Fl)L2,固橋力矩Msin=(Fsin-Fl)L2。以此為基礎(chǔ),分析計(jì)算流通直徑70 mm、氣相流量300 000 m3/d、液相流量15 m3/d、溫度15 ℃、壓力25 MPa條件下,不同沉積方式下水合物顆粒所受的作用力見圖4?？梢钥闯?隨著顆粒粒徑的增大,水合物顆粒所受到的各作用力都會(huì)相應(yīng)增大,但增大幅度不同。

圖3 管壁附近顆粒沉積受力分析Fig.3 Analysis of forces on hydrate particle near the wall

圖4 不同沉積方式下水合物顆粒所受的作用力Fig.4 Force of particle size of hydrate with different deposition methods

根據(jù)式(26)～(28)的判別標(biāo)準(zhǔn),分析表明,該工況下3種不同的沉積方式都存在著對(duì)應(yīng)的沉積粒徑。其中徑向升離的臨界粒徑約為600 μm(即顆粒粒徑約600 μm時(shí),Fl=Fjkr),滑動(dòng)脫離的臨界粒徑約為500 μm(即顆粒粒徑約500 μm時(shí),Fd-G=f(Fjkr-Fl)),而滾動(dòng)脫離的臨界粒徑約為430 μm(即顆粒粒徑約430 μm時(shí)Md+(Fd-G)L1=(Fjkr-Fl)L2)。因此從顆粒受力角度來研究,臨界沉積粒徑最小的滾動(dòng)脫離是最容易發(fā)生的方式,即顆粒沉積的臨界粒徑由黏附力矩和移除力矩的平衡來控制。

當(dāng)顆粒沉積后發(fā)生固化,其固化力矩大于移除力矩4個(gè)量級(jí),無法再被移除,即水合物沉積一旦發(fā)生,除剪切破碎外,將不會(huì)再以升離、滑脫、滾動(dòng)等方式從壁面移除,即具有一定的不可逆性?；谝陨险J(rèn)識(shí),水合物顆粒沉積的主要方式由不發(fā)生滾動(dòng)的臨界粒徑?jīng)Q定,可以以該方式作為沉積判別標(biāo)準(zhǔn)。

3 臨界沉積粒徑敏感性因素

溫度和壓力是影響水合物顆粒生成與聚集的關(guān)鍵因素。除此之外,在實(shí)際工況條件下,附著于管壁附近的液膜厚度影響著作用于水合物顆粒的黏附力,而管道內(nèi)產(chǎn)氣速率影響著作用于水合物顆粒的剪切作用強(qiáng)度。同時(shí),隨著沉積的不斷發(fā)生,管道內(nèi)流通管徑的變化也會(huì)改變流體流速,從而影響水合物顆粒的沉積。因此將以上參數(shù)作為敏感性因素,分析相應(yīng)的水合物顆粒臨界沉積粒徑。

3.1 溫度對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響

模擬產(chǎn)氣量300 000 m3/d、產(chǎn)水量15 m3/d、壓力25 MPa、管徑70 mm時(shí),不同溫度條件下水合物顆粒所受的移除力矩與黏附力矩見圖5(a)。可以看出,當(dāng)其他因素保持不變時(shí),溫度升高,水合物顆粒所受的移除力矩和黏附力矩均減小,且水合物顆粒粒徑越大,影響幅度越明顯。當(dāng)水合物顆粒粒徑大于100 μm后,對(duì)比曲線可知,溫度對(duì)移除力矩的影響逐漸減小,而對(duì)黏附力矩的影響則相對(duì)劇烈。其主要原因是黏附力矩的主要作用力為固固黏附力,與水合物-水界面張力成線性關(guān)系,而溫度對(duì)界面張力的影響較大。因此黏附力矩隨溫度變化的幅度較明顯。

為更加方便、直觀地進(jìn)行對(duì)比,對(duì)坐標(biāo)軸(粒徑、力矩)進(jìn)行了對(duì)數(shù)化處理,結(jié)果見圖5(b)。可以看出,隨著水合物顆粒粒徑的增大,移除力矩與黏附力矩之間的差值首先不斷變小;而相交后則趨于變大,說明粒徑超過臨界沉積值后,移除力矩會(huì)比黏附力矩越來越大。二者的交點(diǎn),即特定工況下對(duì)應(yīng)的水合物顆粒臨界沉積粒徑。在模擬溫度范圍內(nèi),其水合物顆粒臨界沉積粒徑范圍為350～450 μm。低于臨界沉積粒徑時(shí),水合物顆粒所受的黏附力矩大于移除力矩,滿足沉積條件，而高于臨界沉積粒徑時(shí),水合物顆粒所受的黏附力矩小于移除力矩,不再發(fā)生沉積。

保持其他條件不變,流通管徑分別為60、70、80 mm時(shí),對(duì)黏附力矩與移除力矩的所有交點(diǎn),即水合物顆粒臨界沉積粒徑進(jìn)行比較,如圖6所示。不同管徑所對(duì)應(yīng)的曲線均表明溫度越高,水合物顆粒臨界沉積粒徑越小,即沉積過程越緩慢;反之,臨界沉積粒徑越大,沉積過程越劇烈。

圖5 不同溫度條件下水合物顆粒所受力矩隨粒徑變化Fig.5 Hydrate particle moment changes with its size under different temperature

圖6 流通管徑內(nèi)溫度對(duì)臨界沉積粒徑影響Fig.6 Influence of temperature on critical deposition size

3.2 壓力對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響

模擬產(chǎn)氣量300 000 m3/d、產(chǎn)水量15 m3/d、溫度15 ℃、管徑70 mm時(shí),不同壓力條件下水合物顆粒所受的移除力矩與黏附力矩見圖7?？梢钥闯?當(dāng)溫度和產(chǎn)量等其他因素保持不變時(shí),壓力升高水合物顆粒所受的移除力矩減小而黏附力矩增加，且水合物顆粒粒徑越大,壓力對(duì)力矩影響的幅度越明顯。這與氣體的可壓縮性相關(guān),隨著壓力的增大,氣相被不斷壓縮,密度和黏度都會(huì)增大,導(dǎo)致氣相體積流量減小,整體流速降低,對(duì)液膜的剪切作用也會(huì)變?nèi)?移除力矩降低;同時(shí),徑向速度梯度降低,Saffman升力減小,黏附力矩增大。與溫度相反,壓力對(duì)水合物顆粒所受黏附力矩的影響要小于對(duì)移除力矩的影響。在顆粒粒徑大于300 μm后,黏附力矩與移除力矩隨壓力變化的幅度均較為明顯。

對(duì)不同管徑工況下即水合物顆粒臨界沉積粒徑(即黏附力矩與移除力矩的交點(diǎn))進(jìn)行比較,結(jié)果見圖8。可以看出,不同管徑所對(duì)應(yīng)的曲線均表明壓力越高,水合物顆粒臨界沉積粒徑越大,即能夠沉積的顆粒會(huì)越來越多,沉積速率變大,沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)升高。

圖7 不同壓力條件下水合物顆粒所受力矩隨粒徑變化Fig.7 Moment changes with particle size under different pressure

圖8 流通管徑內(nèi)壓力對(duì)臨界沉積粒徑的影響Fig.8 Influence of pressure on critical deposition size

3.3 氣相產(chǎn)量對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響

在水合物預(yù)測區(qū)域內(nèi),產(chǎn)氣量為200 000～500 000 m3/d。模擬產(chǎn)水量15 m3/d、溫度15 ℃、壓力25 MPa、管徑70 mm時(shí),不同氣相產(chǎn)量條件下水合物顆粒所受的移除力矩與黏附力矩,結(jié)果見圖9。可以看出,其他因素保持不變時(shí),氣相流速增大,移除力矩有明顯增加,黏附力矩有所減小。其主要原因?yàn)闅庀嗔髁康脑黾訒?huì)使液膜內(nèi)流速增大,液膜厚度減小,液膜內(nèi)速度梯度增大,Saffman升力增加,因此在一定程度上削弱了黏附力矩,計(jì)算條件下移除力矩與黏附力矩的交點(diǎn)主要發(fā)生在顆粒粒徑為200～800 μm。

圖9 不同氣相產(chǎn)量下水合物顆粒所受力矩隨粒徑變化Fig.9 Moment changes with particle size under different gas flow rate

保持其他條件不變,分別對(duì)流通管徑為60、70、80 mm的水合物顆粒臨界沉積粒徑進(jìn)行分析,如圖10所示。不同管徑所對(duì)應(yīng)的曲線均表明隨著氣相產(chǎn)量的增加,水合物顆粒臨界沉積粒徑逐漸減小,且隨著流通管徑減小而減小。另外,氣相產(chǎn)量對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響較大,在流通管徑為70 mm下,水合物顆粒臨界沉積粒徑變化范圍約為700 μm,遠(yuǎn)高于溫度(水合物顆粒臨界沉積粒徑變化范圍約80 μm)和壓力(水合物顆粒臨界沉積粒徑變化范圍約100 μm)對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的作用程度。氣相流速對(duì)顆粒沉積具有直接而關(guān)鍵的影響,適當(dāng)提高流速可以降低水合物沉積速率,可以在一定程度上緩解水合物沉積堵塞。

圖10 流通管徑內(nèi)氣相產(chǎn)量對(duì)臨界沉積粒徑的影響Fig.10 Influence of gas production on critical deposition size

3.4 液相流量對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響

在水合物預(yù)測區(qū)域內(nèi),模擬產(chǎn)氣量300 000 m3/d、溫度15 ℃、壓力25 MPa、管徑70 mm時(shí),不同液相流量條件下水合物顆粒所受的移除力矩與黏附力矩,結(jié)果見圖11?？梢钥闯?當(dāng)其他因素保持不變時(shí),隨液相流量增加,移除力矩減小,而黏附力矩增加。液相流量的增加會(huì)使液膜變厚,液膜內(nèi)速度梯度降低,同等條件下顆粒所受拖曳力和Saffman升力都會(huì)減小,故而移除力矩減小,黏附力矩增加。

圖11 不同液相產(chǎn)量下水合物顆粒所受力矩隨粒徑變化Fig.11 Moment changes with particle size under different liquid flow rate

圖11中移除力矩與黏附力矩的交點(diǎn)主要發(fā)生在顆粒粒徑為320～460 μm的區(qū)間內(nèi)。流通管徑為60、70、80 mm時(shí),所對(duì)應(yīng)的曲線均表明液相流量增加,臨界沉積粒徑增大,如圖12所示?？梢钥闯?隨著液相產(chǎn)量增加,液膜內(nèi)平均流速增加,但液膜厚度的增大速度比流速更顯著,故而液膜內(nèi)速度梯度是降低的,液膜內(nèi)剪切作用減弱。另外,在流通管徑為70 mm下,水合物顆粒臨界沉積粒徑變化范圍約為120 μm,說明液相流量的影響不如氣相流量,對(duì)控制水合物沉積堵塞的作用效果有限。

圖12 液相流量對(duì)臨界沉積粒徑的影響Fig.12 Influence of liquid production on critical deposition size

3.5 流通管徑對(duì)水合物顆粒臨界沉積粒徑的影響

隨著管壁水合物沉積層厚度不斷增長,井筒內(nèi)流通管徑越來越小,導(dǎo)致實(shí)際流速越來越大,反過來影響水合物顆粒的沉積過程。模擬產(chǎn)氣量300 000 m3/d、產(chǎn)水量15 m3/d、溫度15 ℃、壓力25 MPa時(shí),不同流通管徑(40～114.3 mm)條件下水合物顆粒所受的移除力矩與黏附力矩,如圖13所示。

圖13 不同流通管徑下水合物顆粒所受力矩隨粒徑變化Fig.13 Moment changes with particle size under different flow diameter

由圖13可知,在模擬的粒徑范圍內(nèi),流通管徑為100和114.3 mm的黏附力矩曲線始終高于移除力矩曲線,所有的水合物顆粒都會(huì)沉積。盡管黏附力矩曲線與移除力矩曲線逐漸靠攏,當(dāng)顆粒粒徑足夠大時(shí)應(yīng)該會(huì)相交,但也能夠說明在實(shí)際作業(yè)的初始階段,管道內(nèi)水合物沉積堵塞現(xiàn)象是容易發(fā)生的。

隨著水合物沉積層厚度的不斷累積,流通管徑進(jìn)一步減小,移除力矩不斷增大,而黏附力矩相對(duì)減小,直到兩者相等,達(dá)到臨界沉積粒徑。在流通管徑90 mm時(shí),臨界沉積粒徑約為900 μm。將不同流通管徑條件下黏附力矩與移除力矩的所有交點(diǎn),即各流通管徑所對(duì)應(yīng)的水合物顆粒臨界沉積粒徑進(jìn)行比較,如圖14所示。根據(jù)曲線可知,隨著流通管徑不斷變小,臨界沉積粒徑也會(huì)不斷減小,水合物顆粒沉積趨于緩慢,直至完全堵塞井筒。

圖14 流通管徑對(duì)臨界沉積粒徑的影響Fig.14 Influence of flow diameter on critical deposition size

4 結(jié) 論

(1)管壁附近水合物顆粒主要受徑向升力、固固黏附力和拖曳力作用,必須同時(shí)滿足不升離、不滑動(dòng)、不滾動(dòng)才能沉積到管壁上。隨著顆粒粒徑的增大,水合物顆粒所受到的各作用力都會(huì)相應(yīng)增大。但各作用力的增大幅度不同,使得水合物顆粒有可能從管壁脫離。

(2)徑向升離的臨界粒徑約為600 μm,滑動(dòng)脫離的臨界粒徑約為500 μm,而滾動(dòng)脫離的臨界粒徑約為430 μm,滾動(dòng)脫離最容易發(fā)生,顆粒臨界沉積粒徑主要是由黏附力矩和移除力矩的平衡來控制。

(3)溫度、氣相產(chǎn)量與水合物顆粒沉積粒徑呈負(fù)相關(guān),壓力、液相流量、流通管徑與水合物顆粒沉積粒徑呈正相關(guān)。其中不同氣相產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的水合物顆粒臨界沉積粒徑變化幅度最大,說明它的影響作用明顯強(qiáng)于其他敏感性因素。

(4)在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的初始階段,井口附近水合物沉積的風(fēng)險(xiǎn)最高。隨著沉積的不斷發(fā)生,管道的有效流通內(nèi)徑越來越小,使水合物顆粒臨界沉積粒徑隨之變小。合理調(diào)節(jié)井內(nèi)溫度、壓力、氣相產(chǎn)量、液相流量,可以在一定程度上改變水合物顆粒臨界沉積粒徑的大小,控制水合物沉積速率與沉積層厚度,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防管道堵塞、保障生產(chǎn)安全的目的。