基于OLGA的海底管道水合物的生成和影響因素分析

王海秀 練章華 王樹立

摘要：海底管道是海洋油氣輸送的重要紐帶。為解決海底管道面臨的水合物生成和堵塞問題，文章結(jié)合海底多相流管道水合物生成的數(shù)學(xué)模型，采用O L GA對海底管道不同含水率、氣油比和流量下水合物的生成情況進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：在某海底管道的工藝參數(shù)條件下，水合物生成風(fēng)險(xiǎn)隨著含水率和流量的增大而降低，隨著氣油比的增大而增加；海底水平管路和立管都有可能生成水合物，尤其立管常是水合物最大生成量的位置；模擬結(jié)果可為海底管道水合物的防治和保障海底管道的安全運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：海底管道；水合物；含水率；氣油比；流量

中圖分類號： T E 8 3 2； P 7 5 6 . 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 8 7-0 6

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ 5 1 9 7 4 2 7 1） ；廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目（ G F 2 0 1 8 B 0 0 8） ；江蘇省油氣儲運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目（ C Y 2 0 1 7 0 1）.

T h eH y d r a t eF o r m a t i o na n dI t s I n f l u e n c i n gF a c t o r s i n S u b m a r i n eP i p e l i n eb yU s i n gO L G A

WAN G H a i x i u1， 2， L I ANZ h a n g h u a1，WANGS h u l i3

（ 1 . S o u t h w e s tP e t r o l e u m U n i v e r s i t y， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO i la n dG a sR e s e r v o i rG e o l o g ya n dE x p l o i t a t i o n， C h e n g d u6 1 0 5 0 0，C h i n a；2 .G u a n g d o n g R e s e a r c h C e n t e rf o r U n c o n v e n t i o n a lE n e r g y E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y， G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y，M a o m i n g5 2 5 0 0 0，C h i n a； 3 . C h a n g z h o u U n i v e r s i t y， J i a n g s u K e yL a b o r a t o r yo fO i l - g a sS t o r a g ea n dT r a n s p o r t a t i o nT e c h n o l o g y， C h a n g z h o u2 1 3 1 6 4， C h i n a）

A b s t r a c t： S u b m a r i n ep i p e l i n ew a s a n i m p o r t a n t l i n ko f o f f s h o r eo i l a n dg a s t r a n s p o r t a t i o n .I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e mo fh y d r a t ef o r m a t i o na n db l o c k a g ef a c e db ys u b m a r i n ep i p e l i n e， t h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fh y d r a t e f o r m a t i o n i ns u b m a r i n em u l t i p h a s e f l o wp i p e -l i n e， O L GAw a su s e d t os i m u l a t e t h eh y d r a t e f o r m a t i o nu n d e rd i f f e r e n tw a t e r c u t， g a s - o i l r a t i oa n d f l o wr a t e . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r i s ko f h y d r a t e f o r m a t i o nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s eo fw a -t e r c u t a n df l o wr a t e， a n d i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f g a s - o i l r a t i ou n d e r t h e c o n d i t i o no f p r o c e s s p a r a m e t e r so f as u b m a r i n ep i p e l i n e， h y d r a t em a yb e f o r m e d i nb o t hh o r i z o n t a l p i p e l i n ea n dr i s e r， e s p e c i a l l yt h er i s e r， w h i c hw a so f t e n t h e l o c a t i o no f t h em a x i m u mh y d r a t eg e n e r a t i o n . T h e s i m u l a -t i o nr e s u l t sp r o v i d e dg u i d a n c e f o rh y d r a t ep r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f s u b m a r i n ep i p e l i n e t oe n s u r e i t ss a f eo p e r a t i o n .

K e y w o r d s： S u b m a r i n ep i p e l i n e， H y d r a t e，W a t e r c u t， G a s - o i l r a t i o， F l o w

0 引言

海底管道是海洋油氣的主要輸送方式，也是海洋石油的“生命線”。隨著海洋油氣開發(fā)加速向深水和超深水延伸，海底管道發(fā)揮的重要作用越來越凸顯，海底管道的流動安全保障問題也備受關(guān)注。

海底管道低溫、高壓的集輸環(huán)境為水合物的生成提供極為便利的條件，而水合物一旦生成將對多相流動和傳熱特性產(chǎn)生顯著影響，可使管道流通面積縮小、表面粗糙度增加和壓降增大，導(dǎo)致管道和設(shè)備堵塞，降低油氣產(chǎn)量，影響正常生產(chǎn)，甚至引起管道停輸事故[ 1]，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

在海底油藏的不同開采時期，管輸體系的流量、氣油比和含水率均會發(fā)生變化。開采初期的含水率較低，并有伴生天然氣；開采中后期的含水率逐漸升高，油以乳化油滴的形式分散在連續(xù)水相中[ 2]，不同多相體系的堵塞機(jī)理不盡相同[ 3]。C a -m a r g o等[ 4]研究油包水型乳狀液體系，提出水合物顆粒因黏聚力的作用而形成水合物聚集體，由于體系黏度增大和流動性降低而堵管；呂曉方等[ 5-6]發(fā)現(xiàn)低流速下的水合物顆粒易聚并，并觀察到一臨界流速。然而現(xiàn)有研究未考慮體系中量變化對水合物生成的影響，因此本研究針對海底管道不同時期量發(fā)生的變化，對不同含水率、氣油比和流量下管道中水合物的生成情況進(jìn)行模擬分析并得出影響規(guī)律，為海底管道水合物的防治以及保障海底管道的安全運(yùn)行提供參考。

1 多相流管道水合物的生成機(jī)理

多相流管輸體系水合物的生成已引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中以含油氣水三相的油主導(dǎo)體系研究最為成熟（圖1和圖2）。

由圖1可以看出，水合物的生成與堵塞過程分為4個階段。（ 1）油水乳化：大部分水在流動剪切作用下以水滴形式完全分散于連續(xù)油相中，形成油包水型乳狀液。②水合物生長：當(dāng)體系的溫度和壓力滿足水合物生成條件后，水合物在水滴與油相的界面處生成，并逐漸形成殼狀將水滴包裹住；水合物殼的厚度隨著被裹住的水滴不斷轉(zhuǎn)化成水合物而增大，直至水滴消耗完畢，或因傳熱和傳質(zhì)限制仍有部分水滴未完全轉(zhuǎn)化而停止[ 7]，水合物顆粒粒徑與水滴初始粒徑基本一致，未發(fā)生明顯變化。③聚集：水合物顆粒凝聚成大的水合物聚集體，使得水合物漿液體系的黏度增大和流動特性降低[ 8]；目前關(guān)于管輸中水合物的聚集原理尚無明確定論，許多學(xué)者認(rèn)為水合物聚集體因水合物顆粒間黏聚力的作用而形成[ 9-1 1]。④堵塞：聚集持續(xù)進(jìn)行，水合物聚集體不斷增大，水合物漿黏度也進(jìn)一步增大，當(dāng)水合物體積分?jǐn)?shù)大于3 0 %以及體系黏度大于10 0 0c P時[ 1 2]，管道堵塞。

目前較成熟的水合物生成與堵塞預(yù)測模型是基于上述機(jī)理的O L GA - C S MH y K動力學(xué)模型，其已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中水合物堵塞的預(yù)測，在流動安全保障行業(yè)具有一定的認(rèn)可度[ 1 3]。

2 數(shù)學(xué)模型

2 . 1 多相流管道溫度壓力

3 數(shù)值模擬

3 . 1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某海底水平輸送管道長為5 60 0 0 m，立管長為2 1 0 . 0 8 6m，二者的內(nèi)徑為3 0 4 . 8 mm、外徑為3 2 3 . 8mm，管道粗糙度為4 6μm，外壁傳熱系數(shù)為5 0 0 W/ （m2·K） ，整個水平輸送管道處于4℃海水中，立管出口環(huán)境溫度為2 5℃。

管道所輸送的流體組分為： N 2為0 . 6 8%， C O2為0 . 5 5%， CH4為5 4 . 8 7%， C 2H6為4 . 8 4%， C 3H8為2 . 2 5%， i C 4為2 . 1 6%，n C 4為2 . 5 4%， i C 5為2 . 4 7 %， n C 5為5 . 2 5 %， C 6為5 . 5 8 %， C 7+為1 8 . 8 1 %； C 7+分子量為3 5 0k g/k m o l，密度為8 7 0k g/m3；水密度為11 0 8k g/m3?；贠 L GA建立海管模型（圖3）。

3 . 2 模擬結(jié)果

在不同含水率、不同氣油比和不同流量下，分別模擬海底管道水合物的生成情況。

3 . 2 . 1 含水率

假定管道終點(diǎn)壓力為5 0b a r，起點(diǎn)溫度為5 0℃，產(chǎn)油量為40 0 0m3/d，氣油比為1 0 0，流體含水率的變化對海底管道沿程水合物生成的影響如圖4所示。

水合物初始生成位置與起點(diǎn)的距離隨含水率的增大而變遠(yuǎn)，且水合物生成范圍變??；這是由于水的比熱容大于油和氣，管段溫降減小。水平管路的水合物體積分?jǐn)?shù)變化平緩，而立管段則急劇上升到峰值后又逐漸下降，最后趨于0，緣于水平管路壓力緩慢降低，而立管壓力快速下降。水合物體積分?jǐn)?shù)的峰值隨含水率的增大而增大，當(dāng)含水率由1 5%增至4 0%時，峰值由0 . 0 3 88增至0 . 1 0 30；但當(dāng)含水率進(jìn)一步增大時，截面持液率和摩阻增大，須消耗更多的壓能舉升流體，使壓降增大，加之高含水率下氣相在水中的溶解度較低，水合物難以成核，因此當(dāng)含水率達(dá)到4 5 %時，整個管道已無水合物生成。

3 . 2 . 2 氣油比

設(shè)定管輸流體含水率為4 0%，其他條件保持不變，模擬流體氣油比的變化對海底管道沿程水合物生成的影響（圖5）。

當(dāng)氣油比為5 0時，管道中無水合物生成；這是由于此時流體中的氣體含量低，沒有足夠的氣體與水接觸而生成水合物。隨著氣油比進(jìn)一步增大，氣體含量升高，管道中開始出現(xiàn)水合物；氣油比越大，氣體的低比熱容和焦湯效應(yīng)的影響越顯著，管段溫降越大，水合物初始生成位置距起點(diǎn)越近，水合物生成范圍越擴(kuò)大。水合物體積分?jǐn)?shù)的峰值均出現(xiàn)在立管段，且隨氣油比的增大而增大，當(dāng)氣油比由7 0增至1 2 5時，峰值由0 . 0 6 27增至0 . 1 1 62，管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)增加；這是因?yàn)榱⒐芴幍慕孛娉謿饴试龃?，摩阻降低，舉升流體所須壓能減小，流體壓力增大，更有利于水合物的生成。

3 . 2 . 3 流量

設(shè)定管輸流體含水率為4 0%，氣油比為1 0 0，其他條件保持不變，模擬流量變化時海底管道沿程水合物的生成情況（圖6）。

隨著流量的增大，管段溫降減小，水合物初始生成位置與起點(diǎn)的距離變遠(yuǎn)，水合物生成范圍縮小。水合物體積分?jǐn)?shù)的峰值隨流量的增大而增大，當(dāng)流量由20 0 0m3/d增至40 0 0m3/d時，峰值由0 . 0 7 86增至0 . 1 0 29，且峰值位置從水平管后移到立管段；這是因?yàn)殡S著流量的增大，流體對水合物的沖刷和攜帶作用增強(qiáng)，水合物顆粒在立管段重新聚集。當(dāng)流量繼續(xù)增大時，流體流速增大，氣體擾動加強(qiáng)，抑制水合物的聚集，加之高流速可維持高的流體溫度，不利于水合物的生成，因此當(dāng)流量達(dá)到45 0 0m3/d時，管道中無水合物生成。

4 結(jié)語

本研究基于O L GA對不同含水率、不同氣油比和不同流量下海底多相流管道的水合物生成情況進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明：含水率、氣油比和流量對水合物生成的影響不一，水合物生成風(fēng)險(xiǎn)隨含水率增大而降低、隨流量增大而降低、隨氣油比增大而增加；海底水平管路和立管都有可能生成水合物，尤其立管段常是水合物生成量最大的位置，須對這些部位開展重點(diǎn)預(yù)防。

由于海底油藏采出物處于動態(tài)變化中，須嚴(yán)密監(jiān)測各項(xiàng)指標(biāo)，掌握不同因素對水合物生成的影響規(guī)律，有助于采取有效措施防止水合物生成，保障管道流動安全。海底多相流管道水合物生成和堵塞機(jī)理較復(fù)雜且影響因素眾多，不同主導(dǎo)體系水合物生成機(jī)理的確定和模型的建立是未來管道流動安全保障領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[ 1] 雷云，余建星，吳朝暉，等.基于模糊AN P的海底管道失效風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)[ J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2 0 1 9， 2 9（ 5） ： 1 7 8-1 8 4.

[ 2] 宋光春，李玉星，王武昌，等.油氣管道水合物堵塞機(jī)理研究進(jìn)展[ J].化工進(jìn)展， 2 0 1 8， 3 7（ 7） ： 2 4 7 3-2 4 8 1.

[ 3] 柳揚(yáng)，史博會，呂曉方，等.油基水基及部分分散體系水合物堵管機(jī)理[ J].科學(xué)通報(bào)， 2 0 1 7， 6 2（ 1 3） ： 1 3 6 5-1 3 7 6.

[ 4] C AMA R GO R，P A L E RMO T. R h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f h y d r a t e s u s p e n s i o n s i na na s p h a l t e n i c c r u d eo i l[ C]. Y o k o h a m a： T h e4 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nG a sH y d r a t e s， 2 0 0 2.

[ 5] 呂曉方，王瑩，李文慶，等.天然氣油基水合物漿液流動實(shí)驗(yàn)[ J].天然氣工業(yè)， 2 0 1 4， 3 4（ 1 1） ： 1 0 8-1 1 4.

[ 6] 呂曉方，胡善煒，于達(dá)，等.基于在線顆粒分析儀的水合物生成特性實(shí)驗(yàn)研究[ J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2 0 1 4（ 3 1） ： 8 4-8 8.

[ 7] TUR N E RDJ，M I L L E R K T， S L OANED. M e t h a n eh y d r a t e f o r m a t i o na n da ni n w a r dg r o w i n gs h e l m o d e l i nw a t e r - i n - o i l d i s p e r s i o n s[ J]. C h e mE n gS c i， 2 0 0 9， 6 4： 3 9 9 6-4 0 0 4.

[ 8] TUR N E R DJ，K L E EHAMME R D M，M I L L E R K T， e ta l . F o r m a t i o no f h y d r a t eo b s t r u c t i o n s i np i p e l i n e s： h y d r a t ep a r t i c l e d e v e l o p m e n t a n ds l u r r yf l o w[ C]. T r o n d h e i m： T h e5 t hI n t e r n a -t i o n a lC o n f e r e n c eo nG a sH y d r a t e s， 2 0 0 5.

[ 9] AU S T V I KT， X I AOYUNLI， G J E R T S E NLH. H y d r a t ep l u g p r o p e r t i e s： f o r m a t i o na n dr e m o v a lo fp l u g s[ J]. A n n a l so ft h e N e wY o r kA c a d e m yo fS c i e n c e s， 2 0 0 6， 9 1 2（ 1） ： 2 9 4-3 0 3.

[ 1 0] P A L E RMO T，F(xiàn) I D E L - D U F OUR A，MAUR E L P，e ta l . M o d e l o fh y d r a t e sa g g l o m e r a t i o n - a p p l i c a t i o nt oh y d r a t e sf o r -m a t i o n i na na c i d i cc r u d eo i l[ C]. B a r c e l o n a： T h e1 2 t hI n t e r n a -t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s eP r o d u c t i o nT e c h n o l o g y， 2 0 0 5 .

[ 1 1] P AU C HA R DV， D A R B OUR E T M， P A L E RMA T， e ta l . G a s h y d r a t es l u r r yf l o wi nab l a c ko i lp r e d i c t i o no fg a sh y d r a t e p a r t i c l e s a g g l o m e r a t i o n a n d l i n e r p r e s s u r e d r o p[C]. E d i n b u r g h： T h e1 3 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s e P r o d u c t i o nT e c h n o l o g y， 2 0 0 7.

[ 1 2] Z E R P ALE， AMANZ M， J O S H IS， e ta l . P r e d i c t i n gh y d r a t e b l o c k a g e s i no i l， g a sa n dw a t e r - d o m i n a t e ds y s t e m s[ C]. H o u s -t o n： O f f s h o r eT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e， 2 0 1 2.

[ 1 3] L I UC W， L IM Z， Z HANG GD， e ta l . D i r e c tm e a s u r e m e n t s o ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nc l a t h r a t eh y d r a t ep a r t i c l e sa n d w a t e rd r o p l e t s[ J]. P h y sC h e m C h e m P h y s， 2 0 1 5， 1 7（ 3 0） ： 2 0 0 2 1-2 0 0 2 9.

[ 1 4] V A N D E R W A A L SJH， P L A T T E E UW JC. C l a t h r a t e s o l u t i o n s[ J]. A d v a n c e s i nC h e m i c a lP h y s i c s， 1 9 5 9， 2（ 1） ： 1 - 5 7 .