宮 敬 史博會(huì) 陳玉川 宋尚飛

中國(guó)石油大學(xué)（北京）天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

深海海底低溫、高壓、強(qiáng)換熱的自然環(huán)境使得油氣管道輸送面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，油氣輸送系統(tǒng)中天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）流動(dòng)保障問題研究的重要性不可小覷[1]，隨著我國(guó)加快對(duì)海洋特別是深水水合物資源的開發(fā)和利用，水合物礦藏開發(fā)過程中的流動(dòng)安全保障問題亦至關(guān)重要[2]。水合物漿液輸送技術(shù)，作為深水油氣系統(tǒng)水合物堵塞問題風(fēng)險(xiǎn)控制的重要策略，其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵需要掌握多相流動(dòng)中水合物動(dòng)力學(xué)生成與堵塞特性的耦合機(jī)制[3]，同時(shí)，該耦合機(jī)制也是綠色固態(tài)流化開采水合物礦藏技術(shù)的關(guān)鍵問題所在。

為此，開展含水合物的多相管輸及其堵塞風(fēng)險(xiǎn)理論與技術(shù)研究，是解決上述關(guān)鍵問題的主要途徑。但是，因固相水合物顆粒的引入，使得固液流動(dòng)的多相管輸特性更加復(fù)雜[4-5]。在油水乳化體系生成的水合物顆粒表面具有強(qiáng)親水性，使其極易在流動(dòng)過程中黏附在管道表面并繼續(xù)生長(zhǎng)，水合物顆粒的聚集黏連會(huì)導(dǎo)致水合物沉積層形成，管內(nèi)流體的流通面積降低，產(chǎn)生顯著的節(jié)流效應(yīng)，這不僅影響管內(nèi)流體的輸送，更易于在該節(jié)流位置發(fā)生水合物持續(xù)沉積增厚乃至堵塞管道。而實(shí)際上，在不同體系中，誘發(fā)水合物沉積堵管的主因不同。在油基體系中，水合物顆粒間的碰撞聚并、與壁面的黏附著床等因素是水合物沉積堵管的主因[6-8]；在氣基體系中，水合物的壁面膜生長(zhǎng)、壁面黏附等因素則是水合物沉積堵管的主因[9-14]；在水基體系中，水合物著床機(jī)理是引發(fā)水合物沉積堵管的關(guān)鍵[4,15-16]；但是，在部分分散體系中，自由水層的存在對(duì)水合物沉積有著顯著的影響[17-19]。通過考慮水合物顆粒碰撞聚集、剪切分散、壁面膜生長(zhǎng)、夾帶顆粒沉積、沉積層老化、沉積物脫落及二次沉積等因素，研究學(xué)者[6-17]分別針對(duì)不同體系中（油基/氣基/水基/部分分散）水合物的沉積機(jī)理、沉積過程以及不同實(shí)驗(yàn)條件（過冷度、壁面表面特性、流速、流體特性等）對(duì)沉積過程的定性與定量表征。Wang等[10-14]揭示了氣基體系環(huán)霧流流型管壁上的水合物沉積，受水合物膜生長(zhǎng)和夾帶顆粒在管壁沉積控制，并建立了考慮多種因素的水合物沉積速率模型。而上述研究成果，很少將多相流動(dòng)的流型特性與水合物動(dòng)力學(xué)生成與堵塞耦合起來，開展系統(tǒng)的研究。

為此，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)以中國(guó)石油大學(xué)（北京）搭建的國(guó)內(nèi)首個(gè)超過10 MPa的高壓水合物流動(dòng)環(huán)道為研究平臺(tái)，借助微觀、宏觀實(shí)驗(yàn)和理論分析，系統(tǒng)而深入地研究了水合物顆粒生成后對(duì)多相管輸流型及阻力特性的影響，拓展含水合物的多相管輸?shù)幕A(chǔ)理論，將多相流型特征與水合物沉積堵塞規(guī)律相關(guān)聯(lián)，提出了含水合物多相流動(dòng)的堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，并指出了未來保障深水油氣資源開發(fā)過程安全流動(dòng)的研究方向與建議。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

中國(guó)石油大學(xué)（北京）所搭建的高壓水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)道（圖1），可以開展水合物漿液生成、流動(dòng)、沉積、堵塞等實(shí)驗(yàn)。高壓水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)道主要由油、氣、水三相供給系統(tǒng)、測(cè)試管段、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加劑系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、排污以及氣體回收系統(tǒng)等組成；環(huán)道還配有聚焦光束反射測(cè)量?jī)x（FBRM）、粒子視頻顯微鏡（PVM）、JULABO溫控儀、氣相色譜儀等較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器，可以為管輸體系高壓條件下水合物的誘導(dǎo)、生長(zhǎng)、漿液多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究提供支持。實(shí)驗(yàn)環(huán)道設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，控溫范圍為－20～100 ℃，總長(zhǎng)30 m；環(huán)道包括2個(gè)發(fā)展段、2個(gè)實(shí)驗(yàn)段、1個(gè)彎管段和2個(gè)高壓觀測(cè)視窗組成，其中：第一發(fā)展段、第一實(shí)驗(yàn)段、彎管段、第二發(fā)展段和第二實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度分別為7.10 m、5.00 m、4.82 m、5.90 m和5.30 m；實(shí)驗(yàn)管徑有2.54 cm和5.08 cm兩種規(guī)格。

2 研究成果

2.1 含水合物的多相管輸基礎(chǔ)理論

水合物漿液輸送技術(shù)是深水油氣多相集輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制水合物堵管的防治策略，是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的問題。該技術(shù)應(yīng)用的核心問題是需要探究水合物顆粒對(duì)多相混輸流型的影響、水合物漿液多相混輸流體的黏度與流動(dòng)阻力特性。在前述問題解決的基礎(chǔ)上，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)建立了水合物漿液穩(wěn)定流動(dòng)的機(jī)理模型，不僅拓展了流體力學(xué)在水合物漿液輸送中的理論應(yīng)用，更是實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣管道輸運(yùn)中水合物流動(dòng)安全問題工業(yè)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)控制。

2.1.1 水合物顆粒對(duì)流型轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律

圖1 高壓水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)道示意圖

流型是多相混輸管道的關(guān)鍵流動(dòng)特性，若以水合物漿液輸送技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制多相混輸管道內(nèi)的“冰堵”問題，必須要明確水合物顆粒存在對(duì)多相混輸流型的影響規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)通過高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)道進(jìn)行了不同氣液流速下水合物生成與氣漿兩相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)視窗確認(rèn)管內(nèi)流動(dòng)形態(tài)，獲得大量水合物生成前后的氣液兩相流型數(shù)據(jù)[20]，并繪制流型數(shù)據(jù)圖。圖2展示了水合物生成前后氣液兩相與氣漿兩相流型圖及流型轉(zhuǎn)變邊界的對(duì)比，從圖2可以看出，水合物生成前后多相流型的遷移趨勢(shì)——水合物固相顆粒的存在使得流型圖整體向左下方偏移。這說明水合物顆粒使各流型轉(zhuǎn)換邊界向更小的氣液相流量發(fā)展，增強(qiáng)了各流型的不穩(wěn)定性[20]。具體而言：①水合物固相顆粒的存在，會(huì)壓縮分層流流動(dòng)區(qū)域，使分層流邊界向低氣液相流速方向偏移；②增強(qiáng)段塞流的流動(dòng)趨勢(shì)，使管內(nèi)流體更易從分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?，同時(shí)，降低了環(huán)狀流和波浪流的臨界氣速，使管內(nèi)更易形成環(huán)狀流和波浪流；③小幅降低段塞流與氣泡流的轉(zhuǎn)換邊界。但是，圖2的數(shù)據(jù)分析與結(jié)論，僅從定性的角度分析了水合物生成后氣液（漿）兩相流型轉(zhuǎn)換邊界的變化規(guī)律。只有通過修正不同流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則中的關(guān)鍵參數(shù)，才能獲得適用于含水合物體系的不同氣漿流型的定量判定準(zhǔn)則。

圖2 水合物生成前后流型邊界對(duì)比圖[20]

從氣漿分層流動(dòng)穩(wěn)定性研究入手，研究團(tuán)隊(duì)基于一維雙流體模型與小擾動(dòng)法，考慮了剪切應(yīng)力、重力、表面張力及其他不穩(wěn)定因素對(duì)分層流動(dòng)穩(wěn)定性的影響，提出了氣漿分層流動(dòng)的穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則[21]及相關(guān)計(jì)算參數(shù)。圖3展示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、Mandhane流型圖、Taitel-Dukler模型以及根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)所建穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則計(jì)算的流型分界，表明研究團(tuán)隊(duì)所提出的氣漿分層流判別準(zhǔn)則，能較為合理地劃分實(shí)驗(yàn)中所觀察的分層流與非分層流。關(guān)于其他流型的定量轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，因涉及液塞、液膜、液滴夾帶、顆粒聚集等復(fù)雜的微觀問題，尚處于初步研究階段。

圖3 天然氣—水合物漿液流動(dòng)流型邊界判定圖[21]

2.1.2 水合物漿液流動(dòng)黏度與阻力特性計(jì)算方法

為了解決油氣管道中水合物漿體輸送顆粒在多相流動(dòng)中復(fù)雜的微觀聚并與剪切特征難于識(shí)別與跟蹤的問題，研究團(tuán)隊(duì)基于顆粒弦長(zhǎng)在線捕捉及實(shí)時(shí)錄影技術(shù)，揭示了水合物漿體生成過程中水滴、顆粒的變化規(guī)律，基于有效介質(zhì)理論建立了體現(xiàn)水合物漿體非牛頓特性的漿體黏度預(yù)測(cè)模型（式1、2）[22]，耦合微觀顆粒聚并特性實(shí)現(xiàn)了水合物漿體流阻的定量表征[23]，即

式中μs表示水合物漿液黏度，mPa·s；μo表示連續(xù)油相黏度，mPa·s；φ表示水合物體積分?jǐn)?shù)；φ表示含水率；NNum表示無量綱聚集體數(shù)密度；NRe表示無量綱聚集體雷諾數(shù)；NWe表示無量綱聚集體韋伯?dāng)?shù)；VL表示液相總體積，m3；ρo表示連續(xù)油相密度，kg/m3；dA表示聚集體直徑，m；表示剪切率，1/s；σ表示油水界面張力，N/m ；a、b、c、d、e、f、m、n、k表示模型回歸系數(shù)，分別為380.1、2 234.8、4 102.3、?13.1、74.7、137.1、3.6、1.4、1.1；f2表示水合物引起的額外摩阻系數(shù)；K(U)表示取決于流速的系數(shù)；ρs表示水合物顆粒密度，kg/m3；φ′表示未轉(zhuǎn)化水體積分?jǐn)?shù)；d0表示初始水滴的直徑，m；dp表示水合物顆粒的直徑，m；fr表示水合物顆粒的分形維數(shù)；D表示管道直徑，m。

由式（1）和式（2）所建立的水合物漿液黏度預(yù)測(cè)模型，不僅考慮了水合物顆粒生成的液滴體積增加，還考慮了基礎(chǔ)水合物顆粒間聚集包裹的未反應(yīng)連續(xù)相[22]。圖4為應(yīng)用該黏度模型預(yù)測(cè)的漿液相對(duì)黏度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差對(duì)比。數(shù)據(jù)表明，該黏度預(yù)測(cè)模型能夠較好地預(yù)測(cè)水合物漿液黏度值（誤差在±20%），體現(xiàn)了漿液的剪切稀釋性及水合物顆粒的聚并剪切特性。未來，需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量的擴(kuò)充，來進(jìn)一步驗(yàn)證該漿液黏度模型的可靠性。

由式（3）所建立水合物引起的額外摩阻系數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)入了因碰撞黏附在一起的水合物聚集體中包裹的未轉(zhuǎn)化水的體積量[23]，并耦合了水合物顆粒微觀弦長(zhǎng)特性。圖5列出了應(yīng)用該摩阻系數(shù)計(jì)算方法所預(yù)測(cè)的f2與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。數(shù)據(jù)表明，該摩阻系數(shù)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)偏差也在±20%以內(nèi)，表現(xiàn)出較好的趨勢(shì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。為了提高其預(yù)測(cè)精度，后續(xù)應(yīng)需綜合考慮液相、水合物顆粒相以及水合物顆粒與液相間耦合作用的復(fù)雜行為，從而建立更好地服務(wù)于工程實(shí)際的壓降計(jì)算模型。

圖4 水合物漿液相對(duì)黏度模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差分析圖[22]

圖5 水合物引起的額外摩阻系數(shù)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差分析圖[23]

總之，研究團(tuán)隊(duì)所建立的水合物漿體黏度及流阻計(jì)算方法，揭示了水合物漿體流動(dòng)過程中微觀顆粒隨時(shí)間變化特性對(duì)流動(dòng)的影響規(guī)律，明確了水合物漿體黏度及流動(dòng)阻力相比油包水乳狀液體系顯著增加的微觀機(jī)制和宏觀作用，為準(zhǔn)確模擬預(yù)測(cè)水合物漿液流動(dòng)特性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。但是，模型的適應(yīng)性和精度有待依托大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量和微觀顆粒間相互作用認(rèn)知的提升而改進(jìn)完善。

2.1.3 水合物漿液多相流動(dòng)機(jī)理模型

水合物在油氣多相混輸管道中的流動(dòng)涉及復(fù)雜的微觀顆粒作用和流動(dòng)剪切等因素，在掌握水合物顆粒存在對(duì)多相流型不穩(wěn)定的影響、流體黏度及流動(dòng)阻力增加規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能更好地探析水合物漿液的流動(dòng)機(jī)理。根據(jù)高壓環(huán)路水合物生成流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀察到隨著水合物漿液流速由小到大，水合物顆粒的分布形式依次為沉積床、移動(dòng)床和懸浮分散狀態(tài)（圖6）。這表明在水合物漿液流動(dòng)過程中，必然存在一個(gè)臨界流速，可以保證漿液以非沉積形式存在，可將該流速定義其為臨界懸浮流速[24]。當(dāng)水合物漿液流速高于臨界懸浮流速時(shí)，可視水合物漿液為擬單相處理，反之則須引入固液流動(dòng)模型，描述水合物顆粒所引起的阻力增加。

圖6 水合物漿液在不同流速下的固液流動(dòng)形態(tài)圖[24]

當(dāng)水合物漿液流速高于臨界懸浮流速時(shí)，可認(rèn)為水合物漿液穩(wěn)定將其以擬單相處理[25]。借鑒氣液雙流體模型，結(jié)合熱力學(xué)相平衡計(jì)算，耦合水合物殼體雙向生長(zhǎng)模型[26]，引入水合物漿液黏度[22]及其阻力特性[23]，構(gòu)建氣漿流動(dòng)機(jī)理模型及其求解方法[25]。在已知入流組成、管道參數(shù)與管道入口壓力和溫度，以及入口總質(zhì)量流量的情況下，應(yīng)用該模型可模擬天然氣—凝析液管道多相流動(dòng)中各相的摩阻壓降、溫度及持液率沿管道的分布。圖7展示了研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該氣漿模型所編制的模擬軟件（HyFlow）計(jì)算結(jié)果與商用軟件OLGA模擬結(jié)果的對(duì)比。其中，研究團(tuán)隊(duì)在預(yù)測(cè)水合物生長(zhǎng)過程中的水量消耗和水合物生成等方面的模擬結(jié)果更加合理。但是，作為一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的預(yù)測(cè)模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化仍需校核修正，以提高所建模型的計(jì)算精度與適用范圍。

圖7 研究模擬軟件HyFlow與商業(yè)軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖[25]

當(dāng)水合物漿液流速低于臨界懸浮流速時(shí)，水合物顆粒壁面沉積引起的阻力增加不可忽視。為此，借鑒經(jīng)典固液三層流動(dòng)模型[27]，引入水合物固體顆粒親水特性所引起的聚并和剪切的作用，耦合水合物漿液黏度及阻力特性顯著增加的影響，假擬水合物在油氣管道內(nèi)生成后，呈現(xiàn)非均質(zhì)層、移動(dòng)層及靜止層3種流動(dòng)形式，建立了水平管內(nèi)水合物漿液固液流動(dòng)機(jī)理模型[28]。將固漿流動(dòng)模擬結(jié)果與高壓水合物環(huán)道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)照，結(jié)果如圖8所示，驗(yàn)證了所建模型的可行性，模型預(yù)測(cè)誤差在±20%以內(nèi)。未來只有深入理解水合物聚集體的微觀聚并剪切特性，及固液流動(dòng)與壁面的干摩擦、濕摩擦特性，才能更加準(zhǔn)確理解固漿液流動(dòng)機(jī)理，從而建立和完善更加貼合工程實(shí)際的含水合物多相流動(dòng)機(jī)理模型。

2.2 含水合物的多相流動(dòng)堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

多相集輸管道中的水合物沉積堵塞過程涉及復(fù)雜的相變、聚并和流動(dòng)剪切，具有顯著時(shí)變性及規(guī)律性不強(qiáng)等特點(diǎn)。探析水合物在油氣管道中的沉積黏壁、聚并堵塞機(jī)制，對(duì)有效防控油氣管道輸運(yùn)中水合物堵塞的形成具有重要意義，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)安全、快速移除管道內(nèi)凍堵的重要理論基礎(chǔ)，更是實(shí)現(xiàn)管道水合物堵塞的狀態(tài)的定量表征，基于可靠性理論預(yù)測(cè)水合物堵塞概率評(píng)價(jià)“冰堵”風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

圖8 水合物漿液三層流動(dòng)模型壓降因子預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的偏差對(duì)比圖[28]

2.2.1 水合物壁面沉積實(shí)驗(yàn)規(guī)律

研究團(tuán)隊(duì)借助高壓水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)道宏觀視窗觀測(cè)、漿液密度測(cè)量與PVM獲取的微觀顆粒聚集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了在多相管流的流動(dòng)剪切相互作用下，水合物壁面沉積存在4階段歷程，分別為：①水合物顆粒形成初始沉積；②水合物沉積層脫落；③液相中水合物顆粒再沉積；④水合物沉積層老化。攝像機(jī)捕捉到的水合物沉積過程不同階段的圖像如圖9所示。研究團(tuán)隊(duì)首次提出了以漿液密度變化反應(yīng)水合物沉積率的定量分析方法，指出水合物沉積受系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力、含水量、流動(dòng)剪切率以及管壁表面特性和加劑量所控制[29]。在較低溫度、較高壓力、較低流速（流動(dòng)剪切率小于600/s）、較低含水、較高加劑的情況下，水合物沉積率更低。其中，流速對(duì)沉積的影響，還表現(xiàn)在當(dāng)流動(dòng)剪切高于650/s時(shí)，水合物沉積量隨流速增加而減小[29]。通過對(duì)各影響因素的分析，總結(jié)得出水合物沉積過程的影響因素主要有[29]：水合物生成驅(qū)動(dòng)力、體系中黏連水的量、水合物顆粒以及壁面的表面性質(zhì)（或阻聚劑濃度）、管壁表面的傳質(zhì)系數(shù)以及流動(dòng)剪切率。各因素的作用機(jī)理，如圖10所示。盡管本研究對(duì)水合物的沉積過程進(jìn)行了劃分并提出了沉積量的定量計(jì)算方法，但并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)水合物沉積量的前期預(yù)測(cè)，因此探究水合物沉積本征機(jī)理，建立精確的水合物沉積預(yù)測(cè)模型是未來的研究方向。

2.2.2 不同流型下水合物堵塞機(jī)理

圖9 攝像機(jī)捕捉到的水合物沉積過程不同階段的圖像[29]

圖10 不同影響因素對(duì)水合物沉積過程作用機(jī)理示意圖[29]

研究團(tuán)隊(duì)通過水合物高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)路開展了一系列氣液多相流動(dòng)條件下的水合物生成和流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過在不同初始流型條件下的水合物生成和漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合漿液密度監(jiān)測(cè)及在線顆粒測(cè)量技術(shù)（FBRM）獲取的顆粒粒徑變化，探究了不同流型中水合物顆粒的聚并和沉積的定量狀態(tài)（圖11），明確了各流型中水合物的堵塞機(jī)理和堵塞風(fēng)險(xiǎn)（圖12 ～ 15）[30]。

圖11 各流型條件下水合物聚并系數(shù)和沉積系數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比圖[30]

圖12 分層流水合物漿液流動(dòng)形態(tài)和管道堵塞機(jī)理示意圖[30]

圖13 氣泡流水合物漿液流動(dòng)形態(tài)和管道堵塞機(jī)理示意圖[30]

圖14 段塞流水合物漿液流動(dòng)形態(tài)和管道堵塞機(jī)理示意圖[30]

圖15 環(huán)狀流水合物漿液流動(dòng)形態(tài)和管道堵塞機(jī)理示意圖[30]

根據(jù)圖11所示各流型中水合物顆粒的聚并和沉積系數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不論是基于聚并過程中水合物臨界弦長(zhǎng)得到的聚并程度系數(shù)，還是基于顆粒平均加權(quán)弦長(zhǎng)確定聚并程度系數(shù)，均具有相同的變化趨勢(shì)，數(shù)值上基于加權(quán)弦長(zhǎng)計(jì)算的聚并程度系數(shù)是基于臨界弦長(zhǎng)計(jì)算的聚并程度系數(shù)的3倍。這說明兩種方法在預(yù)測(cè)水合物顆粒聚并程度方面的結(jié)果具有一致性，驗(yàn)證了兩種方法的預(yù)測(cè)可靠性。根據(jù)圖11可知：各流型中水合物顆粒聚并的嚴(yán)重程度從高到低依次為：段塞流＞分層流＞氣泡流＞環(huán)狀流。段塞流中水合物聚并情況最為嚴(yán)重，這是因?yàn)槎稳髯陨砹鲃?dòng)的強(qiáng)擾動(dòng)性，段塞的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致水合物顆粒間高頻率的碰撞，因此具有較高的聚并概率。環(huán)狀流中水合物傾向于直接在壁面處生成，因而液相中的聚并過程并不明顯。而各流型中水合物的沉積趨勢(shì)從高到低依次為：環(huán)狀流＞段塞流＞氣泡流＞分層流。環(huán)狀流中由于壁面處水合物層的形成，導(dǎo)致其具有最高的沉積系數(shù)。而分層流中由于顆粒傾向于在體相中聚并和堆積，所以其沉積系數(shù)最低。

對(duì)于分層流（圖12），水相以水滴形式分散在油相中，水合物顆粒趨于持續(xù)的聚并和生長(zhǎng)，沉積程度很小，聚集體的堆積最終造成管道的堵塞；對(duì)于氣泡流，水相以水滴形式分散在油相中，水合物在油水界面生成，水滴與水合物不斷在液相中聚并成較大的團(tuán)塊并持續(xù)增多，最終在管道壁面形成沉積，并保持穩(wěn)定流動(dòng)，不存在明顯堵塞趨勢(shì)；對(duì)于段塞流（圖14），水相以水滴形式分散在油相中形成穩(wěn)定段塞流，水合物在油水界面成核生長(zhǎng)，并在液相中與水滴形成聚結(jié)體同時(shí)也在管道壁面形成沉積，水合物聚并和沉積趨勢(shì)都很明顯，但由于顆粒大部分沉積在管道壁面，液相中顆粒濃度較低，且由于流動(dòng)的不穩(wěn)定性與強(qiáng)烈剪切，造成水合物聚集體的破碎，管道不易堵塞；對(duì)于環(huán)狀流，水相分別以水滴和水膜形式分布在油相和管道壁面，水合物在油水界面或管道壁面生成，由于氣液兩相這種獨(dú)特的分布形式，可在管道壁面形成水合物覆蓋層并不斷增厚，導(dǎo)致水合物最先在管道壁面形成水合物覆蓋層，隨后由于壁面的強(qiáng)剪切作用，水合物層在不均勻分布段易發(fā)生脫落并在管道內(nèi)部堆積，最終形成管內(nèi)堵塞。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)水合物在不同流型條件下的聚并和沉積特點(diǎn)進(jìn)行了初步研究，但未來仍需結(jié)合不同流型中流動(dòng)參數(shù)的特點(diǎn)，深入分析各流參數(shù)對(duì)聚并和沉積過程的影響規(guī)律。

2.2.3 含水合物多相流動(dòng)堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

通過對(duì)水合物堵管機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，不論是油基、水基或是氣基體系，水合物的體積分?jǐn)?shù)都是引起水合物堵管所要考慮的主要因素。因此，首次將可靠性理論引入管道水合物“冰堵”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，建立了以水合物體積分?jǐn)?shù)為判定條件的極限狀態(tài)方程，見公式（4），考慮水合物結(jié)晶誘導(dǎo)期影響和管道運(yùn)行參數(shù)的不確定性、耦合氣漿、固漿流動(dòng)機(jī)理模型，應(yīng)用LHS、POD方法快速求解算法，實(shí)現(xiàn)了水合物

堵塞風(fēng)險(xiǎn)的概率表征。

式中xi表示管道沿線該節(jié)點(diǎn)的位置參數(shù)，m；φ表示管道沿線該節(jié)點(diǎn)的水合物體積分?jǐn)?shù)；φmax表示臨界水合物體積分?jǐn)?shù)；W(xi)表示基準(zhǔn)參數(shù)，若W(xi)＞0則表示該點(diǎn)處在水合物的堵管區(qū)域，若W(xi)≤0則表示該點(diǎn)不在水合物堵管區(qū)域。

圖16為水合物漿液管道堵管概率及穩(wěn)定運(yùn)行等級(jí)劃分圖，給出了水合物堵管風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間和里程的變化數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在初始時(shí)刻水合物堵塞概率較低，隨著時(shí)間的增加，管道同一位置的水合物堵塞概率也逐漸增加。

圖16 水合物漿液管道堵管概率及穩(wěn)定運(yùn)行等級(jí)劃分圖[31]

結(jié)合圖16所示的水合物堵管概率計(jì)算結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)給出了水合物漿液管道穩(wěn)定運(yùn)行安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分（表1），從水合物堵塞概率的角度評(píng)價(jià)水合物管道穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。圖16中以不同顏色區(qū)分了該管道的安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)定。數(shù)據(jù)表明：隨著時(shí)間的推移，在管道末端發(fā)生水合物堵管的概率更大。實(shí)際上，以水合物堵塞概率為指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，比以水合物生成概率為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛，可接受的概率更小。初步提出的能夠定量評(píng)估準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)水合物漿液流動(dòng)過程中水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)的模型，但是未來仍需建立以瞬態(tài)流動(dòng)模擬為基礎(chǔ)，開展停輸再啟動(dòng)等非正常工作工況下的水合物堵管風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)研究，從而對(duì)更加貼近工程實(shí)際對(duì)易于發(fā)生水合物堵塞的瞬態(tài)工況，進(jìn)行安全等級(jí)分類。

表1 水合物漿液管道穩(wěn)定運(yùn)行安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分表

3 結(jié)論

針對(duì)水合物漿液多相管輸特性及水合物管道沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)展開了深入系統(tǒng)研究，拓展了流體力學(xué)在水合物漿液輸送中的理論應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制油氣管道輸運(yùn)中水合物流動(dòng)安全問題工業(yè)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)；此外，構(gòu)建的含水合物的多相流動(dòng)堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)體系，既填補(bǔ)了水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)控制理論的空白，亦是定量分析油氣管道輸運(yùn)中水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)的可靠依據(jù)。建議未來的研究方向如下：

1）修正不同流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則中的相關(guān)參數(shù)，耦合液塞、液膜、液滴夾帶、顆粒聚集等復(fù)雜的微觀問題，開展適用于含水合物體系的不同氣漿流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則的研究。

2）綜合考慮液相、水合物顆粒相以及水合物顆粒與液間耦合作用的復(fù)雜行為，依托可靠的大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善水合物漿液黏度和阻力特性預(yù)測(cè)模型，綜合相關(guān)計(jì)算參數(shù)的時(shí)空變化特性，深入理解固液流動(dòng)與壁面的干摩擦、濕摩擦特性，進(jìn)而開展更好地服務(wù)于工程實(shí)際的含水合物多相流動(dòng)機(jī)理模型研究。

3）探究水合物沉積本征機(jī)理，結(jié)合不同流型中流動(dòng)參數(shù)的特點(diǎn)，建立精確的水合物沉積預(yù)測(cè)模型、深入分析各流參數(shù)對(duì)聚并和沉積過程的影響規(guī)律是未來的研究方向。

4）以瞬態(tài)流動(dòng)模擬為基礎(chǔ)，開展停輸再啟動(dòng)等非正常工作工況下的水合物堵管風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)研究，從而對(duì)更加貼近工程實(shí)際對(duì)易于發(fā)生水合物堵塞的瞬態(tài)工況，開展安全等級(jí)分類研究。