余丹*，檀朝東，胡雄翼，宋文容，李靜嘉

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海底可燃冰開發(fā)流動保障技術(shù)研究進(jìn)展

余丹1*，檀朝東1，胡雄翼2，宋文容3，李靜嘉3

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京昌平，102249；2.中國石油華北油田公司，河北任丘，062500；3.北京雅丹石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京昌平，102200）

由于深水環(huán)境復(fù)雜，為確保海底可燃冰安全可靠的開發(fā)，對于海底可燃冰的流動保障研究必不可少。本文綜述了海底可燃冰的開發(fā)模式，總結(jié)了可燃冰開發(fā)過程中的流動保障問題，對可燃冰開采過程中水合物再生成、流體攜帶可燃冰顆粒以及段塞流等預(yù)測模型研究進(jìn)展進(jìn)行了討論，探討了可燃冰流動保障研究的發(fā)展方向，為可燃冰的流動保障設(shè)計提供了參考思路。

可燃冰；開發(fā)現(xiàn)狀；流動保障；存在問題；數(shù)字孿生技術(shù)

引言

可燃冰被各國視為未來石油、天然氣的戰(zhàn)略性替代能源，是世界矚目的戰(zhàn)略資源以及未來全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，對我國能源安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有著重要意義。經(jīng)過近20年不懈努力，我國取得了天然氣水合物勘查開發(fā)理論、技術(shù)、工程、裝備的自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了歷史突破，對推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命具有重要而深遠(yuǎn)的影響[1]。為積極響應(yīng)“十三五”能源規(guī)劃，未來可燃冰的開發(fā)正逐漸被重視。

深水中的環(huán)境是十分惡劣和復(fù)雜的，高壓低溫的環(huán)境給井筒、設(shè)備、海底管道的流動安全增加了一定的難度[2]。綜合考慮深海復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境，為了確保深海可燃冰安全可靠的開發(fā)，對于海上可燃冰的流動保障的研究是必不可少的[3]。油氣流動保障中一般包括管道安全設(shè)計與安全操作風(fēng)險評估、段塞追蹤、結(jié)蠟風(fēng)險、水合物風(fēng)險、腐蝕、清管作業(yè)、泄漏分析等，從而保證井筒和管道的完整性。對于可燃冰而言，流動保障關(guān)注的重點(diǎn)是井筒中水合物的再生成、流體攜帶可燃冰顆粒流動以及井筒段塞流的影響。

1 海底可燃冰的開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 可燃冰性質(zhì)

可燃冰的全稱為甲烷氣水合物，也稱為甲烷水合物、甲烷冰、天然氣水合物?？扇急且环N無色透明冰狀晶體，是甲烷和水所形成的一種籠型氣體水合物，水分子通過氫鍵相互吸引構(gòu)成籠，甲烷分子就存在與這種籠中[4]。可燃冰的主要成分是甲烷（80%~90%）。

生產(chǎn)天然氣水合物的四種地質(zhì)條件：1）存在自由水2）存在游離氣3）高壓4）低溫。壓力越大，形成的可燃冰越不容易分解，在足夠大的壓力下，可燃冰在18℃時仍能維持穩(wěn)定，但這種依靠壓力維持穩(wěn)定狀態(tài)也是有極限的，一旦溫度高于20℃則壓力再大也無法形成天然氣水合物[5]。1m3的天然氣水合物分解后可以得到大概0.8m3的水和70~220m3的天然氣，天然氣水合物如“絡(luò)合物”一般，其氣體分子大小不超過0.83nm[6]。

1.2 可燃冰開發(fā)方式

目前開采海底可燃冰的方法主要有四種：熱激發(fā)開發(fā)法、降壓開采法、化學(xué)試劑注入開采法、CO2置換開采法[7]。

（1）熱激發(fā)開采法：采用直接對可燃冰層進(jìn)行加熱，使得可燃冰層的溫度超過其平衡溫度，從而促使可燃冰分解。

（2）降壓開采法：采用低密度泥漿鉆井達(dá)到減壓的目的；或當(dāng)可燃冰層下方存在其他流體時通過泵抽出其流體來降低該層位壓力。

（3）化學(xué)試劑注入開采法：通過向可燃冰層中注入化學(xué)試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等破壞可燃冰層的相平衡，促使可燃冰分解。

（4）CO2置換開采法：在一定溫度條件下，可燃冰保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2更高，因此在某一特定壓力范圍內(nèi)可燃冰將分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度、壓力的調(diào)節(jié)是可控的，對于井筒以及地層而言，從海上平臺上井口向井筒中注熱的可靠性低且耗能大[5]，對于化學(xué)試劑注入法和CO2置換開采法而言，開發(fā)成本極高且其速度較慢，故目前可燃冰的開采方式主要是采用降壓開采。

1.3 可燃冰開發(fā)現(xiàn)狀

1934年，前蘇聯(lián)首次發(fā)現(xiàn)輸氣管道中的天然氣水合物，引起世界對水合物的關(guān)注。隨后的幾十年中，可燃冰逐漸成為能源開發(fā)的新方向，日本、美國、前蘇聯(lián)、中國等國家開始對可燃冰的開發(fā)進(jìn)行研究[8]。

2002年加拿大和日本建立合作，在北極Mallik地區(qū)進(jìn)行了首次可燃冰現(xiàn)代化生產(chǎn)測試[9]。

2012年美國阿拉斯加北部大陸坡利用二氧化碳置換甲烷進(jìn)行可燃冰試采取得成功。試采因設(shè)備問題而被迫停止[10]。

2013年3月12日，日本首次通過在深海海底分解可燃冰開采天然氣[11]。日本向可燃冰層中注入二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行減壓，隨后開采減壓后分離出來的甲烷天然氣。但是僅進(jìn)行開采試驗(yàn)6天，就因?yàn)楹５咨傲魅腴_采井而堵塞井筒以及抽水泵故障，使得試驗(yàn)被迫中斷[12]。

2017年5月，日本再次從近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷，但試驗(yàn)持續(xù)12天后再次因?yàn)槌錾皢栴}中斷[13]。

2017年5月，我國在南海開采可燃冰實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣60天，累計產(chǎn)氣超30萬立方米，最高產(chǎn)量達(dá)3.5萬立方米/天，甲烷含量最高達(dá)99.5%[14]。

2 海底可燃冰流動保障問題

在海洋開發(fā)中，常以水深300m為界線，低于300m的海洋開發(fā)區(qū)域?yàn)闇\海開發(fā)，高于300m的海洋開發(fā)區(qū)域?yàn)樯詈ｉ_發(fā)[15]。由于深水是一個高壓低溫的環(huán)境，高壓會使油氣產(chǎn)品在運(yùn)送過程中存在較大的阻力，低溫容易造成天然氣水合物堵塞海底管道[16]，并且高靜水壓力的存在會產(chǎn)生焦耳湯姆遜效應(yīng)，使深水的環(huán)境溫度進(jìn)一步降低[17]。這些現(xiàn)象使得海底可燃冰的愈發(fā)嚴(yán)峻，其中幾個主要的挑戰(zhàn)包括：

（1）可燃冰海底管線防凍堵及解堵問題

目前中國對于可燃冰的開采均是采用降壓采氣的方式，隨著井底壓力的降低，井底溫度同時降低，氣體在井筒中流動時溫度再次降低，尤其是到達(dá)海水段時，深海海底的環(huán)境溫度可能只有2~4℃，甚至更低，加之海水流動致使海管散熱，采出的氣體和部分霧化的水可能再次形成水合物[18]。

（2）可燃冰顆粒進(jìn)入井筒

可燃冰開采過程中，存在一部分可燃冰未分解，以固體顆粒形式進(jìn)入井筒。水合物消融與再生交替進(jìn)行。無法完全避免生產(chǎn)水合物，需找出水合物生成但依然可以安全輸送的生產(chǎn)邊界，而不是完全避免水合物形成風(fēng)險[19]。

（3）管道腐蝕問題

可燃冰中的氣體成分除了甲烷外，還存在少量的二氧化碳。當(dāng)流體中二氧化碳的分壓達(dá)到一定值時，就可能對生產(chǎn)管材造成腐蝕[19]。油管以及海底管線的腐蝕都可能造成泄漏，對生產(chǎn)以及環(huán)境危害都是極大的。

（4）井筒中段塞流

由于積液現(xiàn)象的存在，一旦氣流力量足以舉升該段積液，就極有可能在井筒中形成段塞流，導(dǎo)致流動阻力增大，也會造成油氣輸送的不穩(wěn)定[20]。

3 可燃冰流動保障研究進(jìn)展

管道的流動保障意味著在一個可能的范圍內(nèi)設(shè)計和操作一個管道系統(tǒng)，而不是僅僅在問題出現(xiàn)時采取對其進(jìn)行干預(yù)，故了解各種可能存在風(fēng)險的機(jī)理模型是進(jìn)行預(yù)測、預(yù)防和治理的重要前提。下面將針對井筒中水合物的再生成、流體攜帶可燃冰顆粒流動以及井筒段塞流三種場景研究進(jìn)展進(jìn)行討論。

3.1 水合物生成研究

目前預(yù)測水合物生成的模型分為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约袄碚擃A(yù)測模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂杏嬎惴奖?、簡單等?yōu)點(diǎn)，適用于某一研究的特定區(qū)塊，計算精度不高，只能進(jìn)行初步估算；理論預(yù)測模型由于建立在機(jī)理的基礎(chǔ)上，因此計算精度較高，但計算復(fù)雜[21]。

（1）經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1942年的Karson&Katz對于多組分氣體混合物的水合物生成條件進(jìn)行研究，確定了經(jīng)驗(yàn)公式[22]：

式中c——總組分?jǐn)?shù)；i——組分的氣相分率；i——組分的液相分率；i——組分的化學(xué)平衡常數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定組分的化學(xué)平衡常數(shù)，擬合得到不同天然氣相對密度下天然氣水合物的形成條件。

（2）熱力學(xué)相態(tài)平衡理論模型[23]

根據(jù)熱力學(xué)相態(tài)平衡理論，每種水合物結(jié)構(gòu)都存在如下化學(xué)式：

式中H——水在水合物相態(tài)時的化學(xué)勢；α——水在（冰或液態(tài)水、水蒸氣）相態(tài)時的化學(xué)勢；

以空水合物晶格的化學(xué)式β為參考態(tài)，則平衡條件如下：

即

式中β——空水合物晶態(tài)的化學(xué)勢。

根據(jù)△W和△H計算值的不同，可以分成不同的熱力學(xué)相態(tài)平衡理論模型。

目前主要根據(jù)管道的溫度與壓力實(shí)時計算生成風(fēng)險。通過考慮水合物生成與溶解的動力學(xué)過程，對水合物生成量進(jìn)行計算。根據(jù)全管網(wǎng)監(jiān)測水合物的溫度與壓力的生成區(qū)間，預(yù)測管堵的風(fēng)險。

3.2 可燃冰顆粒流動研究

目前可燃冰開采過程中主要是垂直流固兩相流動過程，流體攜帶可燃冰顆粒流動，這種流動方式目前主要是基于靜水條件下的固體顆粒沉降模型[24]和任意流體流速及固液密度差條件下牛頓流體中的固體顆粒運(yùn)動末速計算模型[25]。

由于井筒中的流固流動一般屬于稀疏固體流動，因此附加質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman力等忽略不計，只考慮重力、浮力和表面阻力。在顆粒速度末速模型中，變速運(yùn)動過程中的慣性力也不予考慮。

在流體中考慮浮力后球形顆粒的重力為：

式中w——固體顆粒浮重，N；s——固體顆粒粒徑，mm；s——固體顆粒密度，kg/m3；ρ——流體密度，kg/m3。

表面阻力為流體作用于固體表面的力，它與流體和固體顆粒的相對運(yùn)動有關(guān)，關(guān)系式為：

式中R——固體顆粒所受表面阻力，N；D——阻力系數(shù)；s——固體顆粒運(yùn)動速度，m/s； v——流體流速，m/s。

顆粒在運(yùn)動中受到流體阻力和重力的作用，顆粒沉降運(yùn)動方程為：

式中s——固體顆粒運(yùn)動加速度，m/s2；——時間，s。

將式（5）、（6）帶入式（7）后得到：

當(dāng)固體顆粒密度小于流體密度，即s<ρ時，必然有v-s<0，則有：

當(dāng)固體顆粒密度大于流體密度，即s>ρ時，必然有v-s>0，則有：

該模型可以計算任意流速和流固密度條件下牛頓流體中固體顆粒運(yùn)動末速，具有較為普遍的意義，適用范圍更廣泛。

3.3 段塞流研究

段塞流會造成大量的高能量，高速流動的液體流入分離器或段塞流捕集器。段塞會損壞設(shè)施設(shè)備，使分離器溢出，去除腐蝕抑制劑使之失效，產(chǎn)生高回壓降低產(chǎn)量。

由于海洋地形因素，海底管線通常會出現(xiàn)下傾現(xiàn)象，當(dāng)開采處于早晚期時，氣液流量通常較低，液體容易在立管底部積聚，阻止氣體進(jìn)入立管，在管線系統(tǒng)中形成超過立管高度的長液塞，致發(fā)生嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。嚴(yán)重段塞流是指管道系統(tǒng)中出現(xiàn)超過立管高度的長液塞的特殊流型，具有較強(qiáng)的周期特性，且一個周期又可以分為液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)和液體回流四個流動階段。當(dāng)該流型發(fā)生時，氣體被液塞封閉在臥底管線中，當(dāng)壓力聚集到一定程度時，會將液塞高速推出管外，引起管道內(nèi)壓力、速度、流量和含氣率出現(xiàn)大幅波動，還會引發(fā)立管的劇烈震動。尤其是對深海油氣開發(fā)，管內(nèi)壓力及氣液流量波動十分劇烈，這會給深海氣液混輸管線系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計及工業(yè)生產(chǎn)等帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[26]。

一般嚴(yán)重段塞流要控制在發(fā)生的前兩個階段內(nèi)。

液塞形成階段長液塞在立管底部生成后，會在立管和下傾管內(nèi)同時生長，而臥底管內(nèi)未被液塞占據(jù)的部分保持為分層流不發(fā)生變化。在該階段，只需要用p的值對管道系統(tǒng)內(nèi)的流型進(jìn)行判定，其公式如下[26]：

此外，在液塞形成階段，氣體沒有進(jìn)入立管，液體在立管內(nèi)以液筑形式存在，因而有：

根據(jù)以上七個微分方程可以求解p，根據(jù)p與時間的單調(diào)關(guān)系確定管道系統(tǒng)內(nèi)是否形成嚴(yán)重段塞流。

4 可燃冰流動保障研究發(fā)展方向探討

由于海況復(fù)雜，海底可燃冰的開發(fā)很難直接對其進(jìn)行管理，故對其進(jìn)行數(shù)字化管理是開發(fā)海底可燃冰的必然趨勢。目前油氣田的數(shù)字化，局限于數(shù)據(jù)的管理工作，無法直接指導(dǎo)與解決生產(chǎn)問題。多數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分類、整理、展示，整體表現(xiàn)為對數(shù)據(jù)的利用不足。由于對數(shù)據(jù)的利用不足，現(xiàn)階段油田對于采集的數(shù)據(jù)一般僅展示其變化趨勢，無法得到數(shù)據(jù)背后的操作指導(dǎo)意義，亦不能基于歷史數(shù)據(jù)對未來進(jìn)行預(yù)測[27]。

目前可燃冰開發(fā)過程中主要存在的流動保障問題就是水合物再生成、管道積液以及、管道段塞流等問題，且可燃冰開發(fā)屬于初期階段，各種模型的適應(yīng)性亦不確定，亟需建立一套能根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行“自適應(yīng)”調(diào)節(jié)的模型。數(shù)字孿生技術(shù)在多個工業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)開始研究或開始使用，而在油氣開采行業(yè)仍然屬于空白，該技術(shù)主要是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多科學(xué)、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[28]。

根據(jù)目前我國對可燃冰開發(fā)過程中對流動保障的需求，需研究一套切實(shí)可行的可燃冰流動保障模擬優(yōu)化體系，該體系將可燃冰開發(fā)的整體水下系統(tǒng)的物理模型進(jìn)行1:1的數(shù)字化仿真，其中仿真模型可以根據(jù)該過程的主要機(jī)理以及采集數(shù)據(jù)進(jìn)行“定制”模型，使其模型的仿真結(jié)果可以準(zhǔn)確的反應(yīng)可燃冰開發(fā)水下系統(tǒng)的真實(shí)工作情況，同時通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以對井下的工作情況進(jìn)行持續(xù)地預(yù)測系統(tǒng)的健康狀況、剩余使用壽命以及任務(wù)執(zhí)行成功的概率，也可以預(yù)見關(guān)鍵安全事件的系統(tǒng)響應(yīng)，通過與實(shí)體的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行對比，揭示可燃冰在開采過程中存在的未知問題。

通過搭建海底可燃冰流動保障的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)從開采、井筒流動到管線集輸?shù)娜^程數(shù)字化，將產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率和有效性水平提升至一個新的高度。這將很大程度上使得海上可燃冰生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)控優(yōu)化，減少不必要的作業(yè)內(nèi)容，增加整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)壽命，實(shí)現(xiàn)海上可燃冰的安全可靠的開采。

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The Development Progress of Flow Assurance of Natural Gas Hydrate

YU Dan1*, TAN Chaodong1, HU Xiongyi2, SONG Wenrong3, LI Jingjia3

（1.China University of Petroleum(Beijing), Beijing Changping, 102249, China; 2. PetroChina Huabei Oilfield Company, Hebei Renqiu, 062500, China; 3.Beijing Yadan Petroleum Technology Company, Beijing Changping, 102200, China）

In order to ensure the safe and reliable production of the subsea natural gas hydrate, it is necessary to study its flow assurance due to the complicated deep water environment. In this paper, the production patterns of subsea natural gas hydrate and the flow assurance problems in its production process are summarized. It also discusses on the development of the prediction model, which contains hydrates regeneration, hydrate particles migration and slug flow. At the same time, the development direction of the research on the flow assurance of the natural gas hydrate is also put forward. The article will provide a reference for the design of flow assurance of subsea natural gas hydrate.

natural gas hydrate; development status; flow assurance; existing problems; digital twin technology

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.032

TE38

A

1672-9129(2018)01-0081-04

余丹, 檀朝東, 胡雄翼, 等. 海底可燃冰開發(fā)流動保障技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2018, 7(1): 81-84.

YU Dan, TAN Chaodong, HU Xiongyi, et al. The Development Progress of Flow Assurance of Natural Gas Hydrate[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 81-84.

2017-12-15；

2018-01-07。

余丹（1995-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向：采油工程、數(shù)據(jù)挖掘。E-mail:343204061@qq.com