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 文獻標志碼： 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

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（ 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目（ G F 2 0 1 8 B 0 0 8） ；江蘇省油氣儲運技術(shù)重點實驗室開放課題項目（ 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行提供參考。

1 多相流管道水合物的生成機理

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??；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)進行，水合物聚集體不斷增大，水合物漿黏度也進一步增大，當(dāng)水合物體積分數(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。基于O 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

假定管道終點壓力為5 0b a r，起點溫度為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的距離隨含水率的增大而變遠，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數(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。水合物體積分數(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越近，水合物生成范圍越擴大。水合物體積分數(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)險增加；這是因為立管處的截面持氣率增大，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的距離變遠，水合物生成范圍縮小。水合物體積分數(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；這是因為隨著流量的增大，流體對水合物的沖刷和攜帶作用增強，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，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預(yù)防。

由于海底油藏采出物處于動態(tài)變化中，須嚴密監(jiān)測各項指標，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。

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