水合物漿液流動壓降規(guī)律研究進展

呂曉方，張 婕，趙 毅，許佳文，柳 楊，饒永超，周詩崠

（1. 常州大學 油氣儲運省重點實驗室，江蘇 常州 213164；2. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

隨著油氣田的開發(fā)從陸地逐步過渡到海洋，深海油氣流動的安全問題成為國內(nèi)外研究的熱點，為預防“冰堵”現(xiàn)象的發(fā)生，在使用傳統(tǒng)熱力學抑制劑又存在許多弊端的狀況下，允許水合物生成但是抑制其顆粒聚集的冷流技術(shù)[1,2]應運而生。 這種使水合物以漿液的形式輸送的新型風險控制技術(shù)在一定程度上緩解了天然氣輸送效率低下的問題，又能保證管道的安全運行，降低“冰堵”的風險，引起了國內(nèi)外研究者極大的關(guān)注[3]。 盡管冷流技術(shù)在理論上是切實可行的，但仍會面臨如漿液流速改變，顆粒碰撞引起的流型轉(zhuǎn)變，水合物在管壁生長沉積脫落等造成的流動截面的變化，顆粒聚并、沉積等引起的漿液流動壓降的改變等諸多復雜多變的情況[4-6]。因此，掌握水合物漿液流動特性，研究流動壓降的變化規(guī)律是合理開展冷流技術(shù)、實現(xiàn)漿液安全輸送的關(guān)鍵。

本文將圍繞現(xiàn)有研究得出的現(xiàn)象及結(jié)論對影響流動壓降變化的因素進行總結(jié)分析，從水合物漿液宏觀影響因素、水合物顆粒微觀影響因素和水合物漿液數(shù)值模擬研究等方面歸納水合物漿液流動壓降的變化規(guī)律，得到關(guān)鍵參數(shù)與流動壓降變化的關(guān)系，為規(guī)避實際混輸管道因漿液流動壓降變化導致的運行風險提供一定的參考。

1 流動體系水合物形成理論

流動體系水合物顆粒的形成、碰撞、聚并和沉積等行為會帶來管道的安全運行問題，輕則增加動力設(shè)備能耗、降低管道輸送效率，重則引發(fā)管道“堵塞”造成安全運行隱患。 因此，掌握流動體系水合物顆粒的形成機理，對于深海管輸送天然氣水合物的安全運行就顯得尤為重要[7-9]。

在油水體系下，水滴首先與油相結(jié)合并在油水界面處快速成膜，在傳質(zhì)和傳熱的影響下，水合物膜進一步生長成殼，隨著殼的慢慢生長，最終小液滴完全轉(zhuǎn)化成了水合物顆粒[10]，如圖1所示。

圖1 油水體系下水合物顆粒形成示意[10]

在液相中形成的水合物顆粒起初體積不大，可以跟隨液相流動，對水合物漿液的流動影響較小，但隨著水合物顆粒之間發(fā)生碰撞、聚并、沉積，水合物小顆粒轉(zhuǎn)化成大的聚集體，導致管內(nèi)流體流型和漿液的流動參數(shù)等因素發(fā)生改變，漿液的黏度上升，壓降上升，流動性變差，最終水合物顆粒聚并并產(chǎn)生堵塞[11]，如圖2所示。

圖2 油水體系下水合物顆粒形成、聚并及堵塞示意[11]

水合物顆粒發(fā)生碰撞、聚并、沉積等行為會直接改變水合物的形狀、粒徑、密度等微觀因素，進而影響漿液的流速、水合物體積分數(shù)、流動壓降等宏觀因素[12]，最終對整個水合物漿液的安全流動造成影響。由此可見，掌握流動體系下水合物的形成理論和堵管機理不僅可以幫助理解微觀體系下水合物顆粒的聚并、沉積、堵塞等顆粒特征，還可為宏觀體系下關(guān)鍵參數(shù)對漿液的流動影響奠定理論基礎(chǔ)， 為整個水合物漿液的安全輸送問題提供一定的理論依據(jù)。

2 宏觀因素對水合物漿液流動壓降的影響

為了探究水合物漿液宏觀因素對流動壓降的影響，國內(nèi)外研究者借助環(huán)道和反應釜開展了相關(guān)實驗，環(huán)道和反應釜的實物、示意分別如圖3[13]、圖4[14]所示。 其中，環(huán)道因更符合水合物漿液的實際流動狀態(tài)而得到研究者的青睞[15-17]，但環(huán)道實驗對于流動參數(shù)的測定存在局限性，往往輔以數(shù)值模擬的方法，既豐富實驗數(shù)據(jù)，又彌補實驗裝置的不足。 呂曉方等[18]和宋光春等[19]提出，水合物漿液宏觀流動中水合物體積分數(shù)和漿液流速對壓降的影響是顯著的，是探索壓降規(guī)律不可忽視的重要影響因素[20]。

圖3 高壓水合物實驗環(huán)道

圖4 氣體水合物實驗恒壓可視化反應釜

2.1 水合物體積分數(shù)的影響

國內(nèi)外學者探討了流動壓降隨水合物體積分數(shù)的變化規(guī)律，得到了流動壓降隨水合物體積分數(shù)變化呈現(xiàn)分段特性，且體積分數(shù)存在一個臨界值的結(jié)論， 通過數(shù)值模擬和實驗驗證所得到的研究成果，可以獲知水合物體積分數(shù)是影響漿液流動壓降和建立分析壓降模型不可或缺的因素之一[21-26]。

Andersson等[21]在高含油體系進行了水合物的宏觀流動特性實驗， 發(fā)現(xiàn)當水合物體積分數(shù)較小時，不會對流動壓降產(chǎn)生太大的影響；當水合物體積分數(shù)較大時，流動壓降波動劇烈，湍流程度明顯加強。 Joshi等[22]借助環(huán)道開展了高含水體系下水合物流動實驗，發(fā)現(xiàn)體系壓降在水合物體積分數(shù)較小時保持平穩(wěn)，當體積分數(shù)達到某一個臨界值時，體系壓降迅速增加，隨后持續(xù)波動，直到管路堵塞。

王武昌等[23-26]借助實驗環(huán)路分別開展了一氟二氯乙烷（HCFC-141b）、四氫呋喃（THF）和四丁基溴化銨（TBAB）水合物漿液的流動特性實驗，發(fā)現(xiàn)壓降隨著水合物體積分數(shù)的增大呈現(xiàn)先緩慢增加而后急劇增加的分段趨勢，證實了體積分數(shù)確實存在一個臨界值。楊蕊等[27]運用FLUENT對彎管段水合物漿液進行了模擬，發(fā)現(xiàn)當水合物體積分數(shù)超過臨界值時，會導致顆粒的不斷聚集，水合物漿液的黏度也會不斷增加，最終造成壓降的急劇增大。

江國業(yè)等[28]通過正交試驗得出當水合物體積分數(shù)在30%～50%時，彎管段的壓降隨著水合物體積分數(shù)的增加而減小，這與Wang等[29]進行的一氟二氯乙烷（CH3CCl2F）水合物漿液流動實驗的結(jié)論一致，此現(xiàn)象的原理在文獻[30]中也有論述：在該體積分數(shù)范圍內(nèi)， 水合物漿液處于由漿狀向泥狀過渡的轉(zhuǎn)折區(qū)，水合物紊亂程度減小，從而造成了壓降的減小。然而，與江國業(yè)等[28]提出的水合物體積分數(shù)對壓降變化影響最小的結(jié)論截然不同，姚淑鵬等[31]在立管內(nèi)水合物漿液的模擬研究中，提出了除連續(xù)相黏度外，水合物體積分數(shù)對壓降變化的影響最大。 對于兩者結(jié)論不一致的情況，分析原因為：前者的實驗在彎管內(nèi)進行，較立管來說，水合物漿液流經(jīng)彎管會加劇水合物的碰撞和粘附，使水合物漿液的流動更加復雜，壓降變化則受到更多因素的影響；其次，前者只選取了30%～50%范圍內(nèi)的體積分數(shù)，后者則考慮了10%～60%范圍內(nèi)的體積分數(shù)，而經(jīng)文獻[32]調(diào)研可知，水合物漿液的臨界體積分數(shù)大致在39.4%～50.6%，就探究所選的參數(shù)范圍來說，后者的更加全面，所以其探究的結(jié)果相對而言更加具有代表性。

雖然上述已有多位學者對彎管段的漿液流動特性進行了研究，但關(guān)于不同因素（水合物體積分數(shù)、流速、流型等）對彎管內(nèi)流動壓降的影響情況的實驗和模擬研究并不完善。 而彎管、閥門、接頭、泵體等局部組件又是水合物漿液在實際流動中多流經(jīng)的結(jié)構(gòu)。 因此，對于漿液流經(jīng)該局部組件的流動特性研究還應結(jié)合實驗模擬等方法進行補充完善。

2.2 流速的影響

流速是水合物漿液保持良好流動狀態(tài)的重要因素之一，Peysson[33]提出，保證水合物漿液不發(fā)生堵管風險，流體的流速要大于水合物顆粒沉降速度十倍以上。 經(jīng)Chen等[34]、史博會等[35]和趙建奎[36]的研究得出結(jié)論：流動壓降受流速影響顯著，為保證管路的正常運行，輸送流速要大于最小安全流速。

李文慶[37]在實驗環(huán)路上進行了水合物漿液的流動規(guī)律實驗，指出壓降受流速影響最大，并隨著流速的增大而增大，要使壓降損失減小，單從流速這一角度來說，則要求輸送流速越低越好。但是，Lv等[38]在含阻聚劑體系下的漿液流動實驗中指出，油水乳狀液的初始流速存在一個臨界值，漿液流速低于此臨界值，管路極易發(fā)生堵塞，并提出了保證水合物漿液安全輸送的 “臨界流速” 的概念。 近年來，Thomas[39]、Durand[40]和Doron等[41]對“臨界流速”進行了大量研究，但由于實驗條件、流體介質(zhì)的差異以及漿液流動特性的復雜性，對“臨界流速”尚缺乏一個統(tǒng)一的定義和計算方法。

宮敬等[42]將漿液以非沉積形式存在的臨界流速定義為“臨界懸浮流速”，并提出了在較高流速時，可以將漿液看成擬單相流處理； 在較低流速時，水合物漿液則表現(xiàn)出非牛頓流體特性，關(guān)于壓降的計算也將復雜多變。 其理論結(jié)果與姚淑鵬等[43]基于群體平衡模型對水合物漿液在豎直管內(nèi)的流動特性進行的模擬結(jié)果相吻合，并且還發(fā)現(xiàn)壓降增大的原因與流速增大導致的流動摩擦阻力增大有關(guān)。

由此看來，水合物漿液的安全輸送既要保證流速大于最小安全流速，又要確保流速不應過大造成壓降的急增，因此，如何權(quán)衡好輸送流速的大小，找到既能保障漿液安全輸送、又能提高輸送效率的流速是今后研究的重點。 基于實驗和模擬的數(shù)據(jù)，研究者將水合物漿液流動壓降與水合物體積分數(shù)、流速等參數(shù)相關(guān)聯(lián)，提出了用于表征水合物漿液流動壓降的預測模型，但因考慮的因素不全面會導致模型的適用性存在一定的局限性，因此，在今后建立相關(guān)模型時應綜合多方面因素，更準確地描述水合物漿液流動特性，以期提高模型精度與適用范圍。

2.3 其他宏觀因素的影響

在宏觀影響因素中，除水合物體積分數(shù)和流速等關(guān)鍵參數(shù)外，漿液的流動壓降還受到其他重要因素的影響。 表1列舉了部分國內(nèi)外的研究成果。

表1 國內(nèi)外漿液宏觀因素對流動壓降的影響研究補充

3 微觀顆粒參數(shù)對水合物漿液流動壓降的影響

在水合物漿液的實際流動過程中，水合物顆粒會發(fā)生碰撞、聚并、破碎，使顆粒間、顆粒與流體間發(fā)生能量損耗，造成壓降的震蕩式波動。 因此，微觀顆粒參數(shù)的研究對流動壓降的變化規(guī)律也是至關(guān)重要的。 借助先進的實驗設(shè)備和測量技術(shù)以及數(shù)值模擬軟件是開展水合物微觀顆粒參數(shù)研究常用的方法。 總結(jié)近幾年學者的研究成果，發(fā)現(xiàn)水合物漿液微觀顆粒關(guān)鍵參數(shù)對流動壓降的影響主要集中在水合物顆粒粒徑、顆粒密度、顆粒濃度、顆粒黏度等方面[53-56]。

3.1 水合物顆粒粒徑的影響

水合物顆粒粒徑是體現(xiàn)漿液聚集堆積情況的主要特性，借助粒子視頻顯微鏡（PVM）和聚集光束反射測量儀（FBRM）測得水合物顆粒初始粒徑在20～40 μm范圍內(nèi)， 而聚集粒徑在100～300 μm范圍內(nèi)。 因此，粒徑大小的研究對水合物漿液安全輸送具有重要意義。 王繼紅等[57]和饒永超等[58]通過實驗環(huán)道和數(shù)值模擬方法獲得的微觀數(shù)據(jù)，驗證了在漿液輸送過程中，水合物以更小、更均勻的顆粒輸送最有利。

孫雪晴[59]利用FLUENT軟件對水平管段水合物漿液的流動進行了模擬，發(fā)現(xiàn)隨著水合物顆粒粒徑的逐漸增大，水合物漿液的壓降也逐漸增大；劉寶玉等[60]在垂直管內(nèi)進行了漿液流動的模擬研究，發(fā)現(xiàn)壓降變化梯度與粒徑大小成正比，粒徑在100～200 μm時，壓降變化梯度較小，當顆粒粒徑大于300 μm時，水合物壓降變化梯度較大。 結(jié)合現(xiàn)有研究成果可以作出如下解釋：當水合物顆粒粒徑較小時，其跟隨液相的能力比較好， 隨著水合物顆粒粒徑的增大，漿液對顆粒的攜帶性變差，其所受的重力逐漸大于浮力和曳力，顆粒沉降速度加快，使得漿液中水合物顆粒濃度降低，進而導致漿液黏度降低，流速增大，最終壓降增大。

江國業(yè)等[61]利用CFD模擬了90°彎管壓降的變化，得到了相反的結(jié)論：漿液壓降隨著水合物顆粒粒徑的增大整體上呈下降趨勢，在100～250 μm粒徑區(qū)間，壓降下降明顯；在250～300 μm區(qū)間，壓降下降緩慢。 Gudmundsson等[62]給出了另一種解釋：當顆粒粒徑較小時，顆粒與顆粒間不易附著，顆粒與流體間耦合增強， 顆粒對平均動量和渦旋的消耗加劇，最終導致壓降急劇減小。

陳鵬等[50]將THF水合物在水平管道中的流動狀態(tài)作為模擬對象，發(fā)現(xiàn)將粒徑分布考慮在內(nèi)的模型，壓降有了大幅度的改變。 雖然暫時還沒有實驗數(shù)據(jù)來驗證該模型的準確性，但是將粒徑分布考慮在內(nèi)會更加符合漿液在管道中的實際流動狀態(tài)。 關(guān)于粒徑模型，Muhle[63]選取Muhle模型對顆粒粒徑進行了描述，水合物顆粒在流體的剪切力和粘附力作用下破碎，最終達到平衡時的粒徑公式如式(1)。 但是該公式忽略了水合物顆粒間的作用力，不能準確地反映顆粒間的作用特點。后來，Camargo[64]對Muhle模型進行了修正，雖然將水合物顆粒間的粘附力影響考慮在內(nèi)，精度有了提高，但對粘附力取常數(shù)，仍不能準確地描述顆粒的粒徑分布。 因此對于粒徑模型的修正還需結(jié)合水合物顆粒間的受力情況對粘附力做深入優(yōu)化。

式中，dA為水合物顆粒聚集直徑，μm；Fa為顆粒間聚結(jié)力，N; dp為顆粒初始直徑， 取1.5 μm；fr為聚結(jié)系數(shù)；μ1為漿液黏度，Pa·s；γ為顆粒間剪切力，Pa。

3.2 水合物顆粒密度的影響

對操澤[13]、宮敬等[65]學者的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，顆粒密度與顆粒粒徑對流動壓降的影響基本一致，壓降隨水合物顆粒密度的增大而增大，當密度較小時，漿液輸送越安全[66]。

Razzak等[67]研究了不同顆粒密度對水合物漿液流動的影響，發(fā)現(xiàn)密度越小的顆粒越有利于體系的穩(wěn)定；白曉寧等[68]提出固體顆粒的密度越小，越容易形成懸浮液，漿液分布越均勻，管道的阻力損失也就越小。

劉寶玉等[60]對水合物垂直管內(nèi)流動特性進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)改變水合物漿液顆粒的密度，對管道的穩(wěn)定流動影響較大，并提出管路壓降增大的原因是水合物顆粒隨著漿液密度的逐漸增大，形成膠團聚集的趨勢逐漸增強導致黏度逐漸增大。 針對系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性，提出300 mm直徑的水力提升管，顆粒密度最好控制在1020～1190 kg/m3范圍內(nèi)。

姚淑鵬等[69]借助模擬軟件分別在天然氣和CO2水合物漿液中得出結(jié)論，水合物顆粒密度相較于連續(xù)相密度對整個管道的流動特性的影響較小。 這與魏丁等[70]在水平管中模擬的R11水合物漿液流動特性結(jié)論一致，認為水合物顆粒密度對管道安全運行的影響較小。

3.3 其他微觀因素的影響

目前關(guān)于微觀顆粒影響因素的探索，多以模型研究為主，缺乏詳細的實驗驗證分析。 借助數(shù)值模擬軟件雖起到了較好的輔助作用， 但在粒徑特征、阻力特征等領(lǐng)域的研究還不夠完善。 顆粒的聚并、沉積如何影響不同流型的相互轉(zhuǎn)換，以及不同流型對漿液微觀顆粒參數(shù)的影響等許多關(guān)鍵問題有待深入研究和討論。 想要準確預測水合物漿液的流動壓降，從微觀角度需要綜合水合物顆粒生成沉積特性、水合物顆粒聚并剪切的微觀機理以及水合物顆粒的粒徑分布特征等以提高模型的適用性。 對于微觀顆粒參數(shù)對壓降的影響，國內(nèi)外學者還從其他方面進行了探索，部分研究成果匯總于表2。

表2 國內(nèi)外漿液微觀顆粒參數(shù)對壓降的影響研究補充

表2 國內(nèi)外漿液微觀顆粒參數(shù)對壓降的影響研究補充（續(xù)）

4 結(jié)語

流動壓降作為管道安全運行的重要參數(shù)，對于風險控制技術(shù)的合理設(shè)計與運用尤其關(guān)鍵。 本文分別從宏觀影響因素和微觀顆粒影響因素兩方面對水合物漿液的壓降變化規(guī)律進行了分析總結(jié)，獲得了如下結(jié)論：（1）較小的水合物體積分數(shù)和較大的漿液流速更有利于漿液的安全輸送，但兩者均存在一個臨界值。 因此，在低于臨界體積分數(shù)的情況下，選擇一個既能保障漿液安全流動，又能提高管道輸送效率的流速是關(guān)鍵。 （2）水合物的顆粒粒徑和密度越小，管路流動壓降的變化越小，管路運行越穩(wěn)定，水合物漿液的輸送也就越安全。 （3）水合物體積分數(shù)、流速等宏觀參數(shù)是研究者建立相關(guān)的用于表征水合物漿液流動特性的壓降預測模型不可忽視的重要因素，在考慮了微觀方面顆粒間的作用關(guān)系與耦合影響后， 模型的精度雖有了一定的提高，但所建模型的適用性問題仍有待解決。

基于國內(nèi)外相關(guān)研究成果的總結(jié)，認為該方向有待進一步深入解決的三個關(guān)鍵問題如下：（1）壓降模型的建立可以從綜合考慮不同體系、水合物顆粒聚并剪切的微觀機理、水合物與多相流動的耦合關(guān)系以及水合物顆粒的粒徑分布特征等方面繼續(xù)優(yōu)化和探索，實現(xiàn)模型對水合物漿液的實際流動特性更準確的描述，提高模型的精度和適用性。 （2）在管路的實際運行中，水合物漿液的流動更加復雜多變，在判斷其流動的安全穩(wěn)定性時，不能單一地考慮某個因素的影響，需要綜合考慮多個因素的共同作用。 因此，綜合分析多個因素對水合物漿液壓降變化的影響程度以及確定漿液安全輸送情況下的最優(yōu)參數(shù)組合將是今后重點的研究方向。 （3）后續(xù)關(guān)于流動壓降的研究可將宏觀影響因素與微觀顆粒特征相結(jié)合、 數(shù)值模擬技術(shù)與實驗驗證相結(jié)合、數(shù)據(jù)分析與理論建模相結(jié)合，在流動傳遞機理方面深入探索， 進一步研究水合物漿液的流動特性，為實際混輸管道的安全運行提供更多的技術(shù)方案。