董 釗，刁玉乾 ，李 中，蔣東雷，張攀鋒

1.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057

2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 朝陽(yáng) 100028

3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580

引言

深水氣田在測(cè)試和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于高壓和海底低溫，泥線附近井筒和海底管線內(nèi)有可能形成水合物，造成堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成重大安全事故[1-2]。目前，主要采用注入大量熱力學(xué)抑制劑的方法防止水合物的形成[3-7]，同時(shí)，由于對(duì)水合物形成和堵塞動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)不足，對(duì)水合物防治沒(méi)有得到有效運(yùn)用。Dorstewitz 等[8]進(jìn)行了環(huán)霧流的環(huán)路模擬實(shí)驗(yàn)，觀察到了水合物首先在水-氣界面處形成的現(xiàn)象。Joshi 等[9]采用環(huán)路流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，探究了水合物形成和堵塞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水合物顆粒在氣液界面處形成后分散于液膜內(nèi)，部分滯留于液膜內(nèi)，部分向管壁運(yùn)移沉附，沉積層逐漸增加。Camargo 等[10]在建立的水合物沉積模型中，考慮了液膜內(nèi)水合物沉積的臨界濃度（packing 濃度）。Wang 等[11]提出了環(huán)霧流中水合物沉積的模型，認(rèn)為液膜界面生成的水合物即時(shí)沉積，沒(méi)有考慮水合物顆粒的運(yùn)移和臨界沉積。Rao等[12]基于實(shí)驗(yàn)證明了在飽含水的氣相中水合物形成和沉積機(jī)理，認(rèn)為與霜和冰的形成機(jī)理類(lèi)似。

環(huán)霧流是深水氣田井筒兩相流最常見(jiàn)的流態(tài)，包含氣芯和近管壁液膜兩部分，液相以液膜和液滴兩種形式存在，氣相攜帶液滴形成在管道中部流動(dòng)的氣芯，水合物顆?？稍跉庑緝?nèi)和氣液界面上形成。本文基于環(huán)霧流流動(dòng)模式，綜合考慮水合物顆粒在氣芯和液膜內(nèi)的形成、運(yùn)移和管壁黏附特性，建立井筒水合物沉積和堵塞的動(dòng)力學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)不同工況下的井筒水合物的管壁沉附厚度及堵塞時(shí)間。

1 模型建立

1.1 液膜內(nèi)水合物形成、運(yùn)移和沉積動(dòng)力學(xué)模型

井筒環(huán)霧流水合物沉積和堵塞動(dòng)力學(xué)模型概念如圖1 所示，模型考慮了水合物在液膜形成、擴(kuò)散運(yùn)移及在井壁上動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程和水合物在氣芯形成、聚并、破碎和沉降過(guò)程。

圖1 井筒環(huán)霧流水合物沉積和堵塞動(dòng)力學(xué)模型概念圖Fig.1 Conceptual diagram of kinetics model for hydrate deposition and blockage in wellbore annular-mist flow

Lingelem 等[13]認(rèn)為，當(dāng)液相充足時(shí)，水合物會(huì)在氣液界面處形成，而當(dāng)液相不充足時(shí)水合物會(huì)在管壁上直接形成。Englezos 等[14]提出的水合物結(jié)晶理論認(rèn)為，水合物主要在氣液界面處很窄的薄層內(nèi)形成，薄層厚度表達(dá)式為在管壁處形成，即液膜內(nèi)形成的水合物全部沉積；而當(dāng)液膜厚度大于δGhyd時(shí)，水合物在氣液液面處形成，隨著濃度增加和顆粒生長(zhǎng)，水合物顆粒將向管壁發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)移。水合物顆粒接觸到管壁后，當(dāng)黏附力大于移除力和黏附力偶大于移除力偶時(shí)，水合物顆粒沉積在管壁上，否則繼續(xù)滯留于液膜內(nèi)。當(dāng)液膜內(nèi)的水合物濃度大于臨界濃度時(shí)，液膜單元整體失去流動(dòng)性發(fā)生沉積，即移動(dòng)床層流變?yōu)楣潭ù矊覽6-7]。

可將液膜劃分為3 個(gè)層：水合物形成層、水合物顆粒運(yùn)移層和水合物顆粒沉積層，如圖1b 所示。假設(shè)水合物顆粒的成核和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)行為只發(fā)生在水合物形成層內(nèi)，然后在水合物運(yùn)移層內(nèi)運(yùn)移，當(dāng)水合物顆粒運(yùn)移至管壁沉積層時(shí)，發(fā)生沉積動(dòng)力學(xué)行為。

1.1.1 水合物顆粒形成動(dòng)力學(xué)模型

水合物顆粒成核后進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，消耗傳遞進(jìn)液相的氣體，采用Turner 模型[15]計(jì)算總水合物形成速率，見(jiàn)式（2）。采用Englezos 模型[14]計(jì)算單個(gè)顆粒的生長(zhǎng)速率，見(jiàn)式（3），將所有顆粒的生長(zhǎng)速率累加可得總水合物形成速率，見(jiàn)式（4）。

雖然Turner 模型和Englezos 模型都能計(jì)算水合物形成速率，由于商業(yè)軟件OLGA 中采用Turner模型計(jì)算水合物形成速率，所以本文采用Turner模型計(jì)算水合物形成速率。若，認(rèn)為此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)水合物形成量為，水合物形成層的每個(gè)顆粒都發(fā)生了動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)行為，同時(shí)形成個(gè)臨界晶核（臨界晶核尺寸，m3）。若，認(rèn)為此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)水合物形成量為，不是所有顆粒都發(fā)生生長(zhǎng)行為，大尺寸的顆粒由于表面自由能低會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)。綜上可得單位時(shí)間內(nèi)，液膜內(nèi)水合物形成量和每個(gè)顆粒的生長(zhǎng)情況。

1.1.2 水合物顆粒運(yùn)移動(dòng)力學(xué)模型和特征

初始時(shí)，水合物顆粒尺寸和濃度較小，顆粒遵循菲克擴(kuò)散定律向管壁緩慢擴(kuò)散。隨著水合物顆粒的生長(zhǎng)，顆粒尺度達(dá)到湍流渦旋尺度，湍流擴(kuò)散成為主要驅(qū)動(dòng)作用，顆粒開(kāi)始加快向管壁運(yùn)移[16]，此時(shí)水合物形成層內(nèi)的顆粒數(shù)量迅速減少，假設(shè)水合物顆粒離開(kāi)形成層后，水合物顆粒停止生長(zhǎng)，同時(shí)忽略水合物顆粒在液膜內(nèi)的聚并和破碎行為，顆粒則以恒定尺寸向管壁運(yùn)移。

水合物顆粒生長(zhǎng)為湍流渦旋尺度le的表達(dá)式為[17]

隨著水合物顆粒尺寸的生長(zhǎng)，渦旋擴(kuò)散作用逐漸增大，極大提高了顆粒的沉降通量，綜合考慮對(duì)流作用和擴(kuò)散作用，得到單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的沉降通量Jdep[18]，見(jiàn)式（6）。

當(dāng)水合物顆粒尺寸小于le時(shí)，水合物的沉降通量大約10-7m3/(m2·s)，而當(dāng)顆粒尺寸達(dá)到渦旋尺寸時(shí)，沉降通量達(dá)到10-3m3/(m2·s)數(shù)量級(jí)?？梢约俣ó?dāng)顆粒尺寸達(dá)到渦旋尺度后，顆粒瞬時(shí)移出水合物形成層，所以液膜內(nèi)水合物顆粒的最大尺寸就是湍流渦旋尺寸le。

為了計(jì)算顆粒在液膜內(nèi)的沉降通量，需要得到顆粒的徑向運(yùn)移速度upy、渦旋擴(kuò)散系數(shù)εpt和液膜內(nèi)水合物濃度分布。

通過(guò)分析顆粒在水合物形成層內(nèi)的受力，得到顆粒徑向運(yùn)移速度upy。

根據(jù)湍流邊界層理論[18]，渦旋擴(kuò)散系數(shù)可表示為

由于顆粒尺寸大小不均一，而擴(kuò)散運(yùn)移過(guò)程會(huì)隨著顆粒尺寸不同而有差異，所以對(duì)于液膜內(nèi)顆粒采用多尺寸顆粒擴(kuò)散理論。尺寸相同或相近的顆粒遵循相同擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律，針對(duì)不同尺寸的顆粒分別建立對(duì)流擴(kuò)散方程，由于縱向無(wú)滑脫，徑向速度較小，可以忽略顆粒間的碰撞和聚并等影響，所以可以近似認(rèn)為不同尺寸的顆粒相互解耦。通過(guò)求解每一種尺寸顆粒的濃度分布，得到液膜內(nèi)顆粒總的濃度分布。

不同尺寸顆粒擴(kuò)散系數(shù)和沉降速度隨時(shí)間和空間改變而改變，沉降通量Jdep是與時(shí)間和空間有關(guān)的物理量。將液膜沿徑向方向劃分為Ny個(gè)控制微元，（δlf—液膜厚度，m），e控制微元內(nèi)某一尺寸顆粒濃度隨時(shí)間變化可以表示為

1.1.3 水合物顆粒沉積動(dòng)力學(xué)模型和特性

水合物顆粒運(yùn)移至管壁不一定發(fā)生沉積，因?yàn)樗衔镱w粒受到的力（力偶）可能不足以使其黏附在管壁上。水合物顆粒運(yùn)移至管壁處，受到范德華力Fvaw、液橋FaB等吸引力，同時(shí)也會(huì)受到Saffman 升力Fs、相間曳力Fd、凈重力G等移除力，所以顆粒在管壁是否能夠成功黏附需要分析黏附力（黏附力偶）與移除力（移除力偶）大小關(guān)系[19]，如圖2 所示。

圖2 顆粒在管壁黏附示意圖Fig.2 Schematic diagram of particle adhesion on tube wall

（1）水合物顆粒與黏附層所有分子或原子吸引力總和為范德華力

（2）水合物顆粒具有強(qiáng)親水性，顆粒與管壁或者顆粒與顆粒之間很容易形成液橋，毛細(xì)液橋力的表達(dá)式為

毛細(xì)液橋力使水合物顆粒變形，即便液橋蒸發(fā)掉，變形仍然存在，變形后的顆粒與表面接觸面積增大，黏附力增大。

（3）黏性流體流經(jīng)靜止的顆粒時(shí)，由于相間摩擦作用，對(duì)顆粒施加曳力和附加力偶影響，使顆粒具有移除的潛能，O′N(xiāo)eill[20]推導(dǎo)出了黏性流體流經(jīng)與固定平面接觸的固定球體時(shí)產(chǎn)生的相間曳力和附加力偶

（4）Saffman 升力

（5）凈重力

結(jié)合顆粒在管壁附近的受力分析，豎直管中顆粒在壁面處的移除機(jī)制包括徑向拉升、軸向運(yùn)移和滾動(dòng)移除3 種。

（1）徑向拉升FS≥(Fvaw+FaB)

當(dāng)顆粒所受的Saffman 升力大于黏附力時(shí)，顆粒沿徑向遠(yuǎn)離壁面。

（2）軸向運(yùn)移Fd≥G+fs(Fvaw+FaB-FS)

當(dāng)顆粒所受的曳力大于重力和與壁面之間的靜摩擦力之和時(shí)，顆粒發(fā)生軸向運(yùn)移（fs—靜摩擦阻力系數(shù)，無(wú)因次，fs=0.2）。

（3）滾動(dòng)移除Md+Fdl1+Fsl2≥Gl1+Fvawl2

當(dāng)顆粒受到的移除力偶大于黏附力偶時(shí)，顆粒發(fā)生滾動(dòng)移除。

根據(jù)3 種移除機(jī)制得到顆粒在壁面的臨界移除粒徑，即大于此粒徑的顆粒不發(fā)生黏附，而是滯留在液膜內(nèi)，從而導(dǎo)致液膜內(nèi)水合物顆粒濃度持續(xù)增大。

圖3 是產(chǎn)氣量20×104m3/d，產(chǎn)液量5 m3/d 時(shí)不同粒徑的顆粒受到的力和力矩對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)水合物顆粒被移除的主要原因是滾動(dòng)移除，臨界移除粒徑為30μm。

圖3 不同粒徑顆粒受力和力矩圖Fig.3 Diagram of force and torque of different particle sizes

1.2 氣芯內(nèi)水合物形成、聚并、破碎和沉降動(dòng)力學(xué)模型

氣芯中液滴被氣相包裹，未形成水合物前，液滴尺寸滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正太分布，假設(shè)液滴一旦進(jìn)入水合物風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域便瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔镱w粒，則初始尺寸為dp的水合物顆粒的數(shù)量密度函數(shù)為

水合物顆粒尺寸分布的對(duì)數(shù)期望

當(dāng)液滴進(jìn)入水合物風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域后即刻形成水合物顆粒，所以初始控制單元內(nèi)的水合物體積為：VChyd=（Qld—?dú)庑緝?nèi)液滴體積流量，m3/s；uc—?dú)庑舅俣?，m/s）。

控制單元內(nèi)初始水合物顆粒的總數(shù)量：NChyd=，所以，尺寸為dp的水合物顆粒數(shù)量為Ndp=fn(dp)NChyd。

水合物顆粒在氣芯中運(yùn)移時(shí)會(huì)發(fā)生多種動(dòng)力學(xué)行為，如聚并、破碎、形成和沉降等，如圖1c 所示。每種動(dòng)力學(xué)行為均服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，控制單元內(nèi)的各個(gè)動(dòng)力學(xué)事件發(fā)生的概率都有一個(gè)定量描述模型（核模型），水合物顆粒在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)流動(dòng)時(shí)，尺寸為dp的顆粒的數(shù)量滿(mǎn)足群平衡方程，見(jiàn)式（20），研究重點(diǎn)是明確顆粒尺寸分布函數(shù)隨時(shí)空的演變規(guī)律。本文研究的水合物顆粒形態(tài)均為球形，顆粒聚并后形成的聚集體為球形，顆粒破碎后形成的子顆粒也為球形。

由于氣芯速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速度，所以擴(kuò)散項(xiàng)可以忽略。對(duì)流項(xiàng)表征井筒不同深度處氣芯流速差異的影響。聚并項(xiàng)包含兩部分，尺寸的兩種顆粒聚并形成dp尺寸顆粒，尺寸dp的顆粒與其他尺寸的顆粒聚并消耗dp尺寸的顆粒數(shù)量。破碎項(xiàng)包括dp尺寸的顆粒破碎消耗其數(shù)量和（大于dp）尺寸顆粒破碎形成dp顆粒。沉降項(xiàng)是水合物顆粒沉降入液膜，形成項(xiàng)是液膜霧化的小液滴轉(zhuǎn)化為水合物顆粒。求解群平衡模型的關(guān)鍵是得到描述水合物顆粒動(dòng)力學(xué)行為的核模型，包括形成核Ge、聚并核，破碎核和沉降核DEP。

1.2.1 水合物顆粒形成

氣液接觸面呈波浪狀，較高的氣芯流速對(duì)液膜有較強(qiáng)的剪切力，使液團(tuán)從液膜處剝離，在氣芯中進(jìn)一步被分散，從而使液膜發(fā)生霧化。由于液膜霧化是氣芯中液滴的來(lái)源，所以可根據(jù)液膜霧化率得到氣芯中水合物顆粒的形成核模型，同時(shí)液膜霧化形成的液滴尺寸應(yīng)該與氣芯中液滴尺寸滿(mǎn)足同樣的對(duì)數(shù)正太分布規(guī)律，則霧化形成的液滴的數(shù)量密度函數(shù)可用初始液滴的數(shù)量密度函數(shù)，且認(rèn)為在水合物風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)液滴瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為水合物顆粒。

水合物形成核模型為

液膜霧化率[22]為

1.2.2 水合物顆粒聚并

聚并事件是涉及兩個(gè)顆粒的動(dòng)力學(xué)事件，兩個(gè)顆粒發(fā)生碰撞的概率用碰撞核模型βij表示，碰撞使顆?？赡馨l(fā)生聚并也可能不發(fā)生聚并，發(fā)生聚并的概率用聚并效率aij表示。所以顆粒i和j的聚并核模型為{aijβij}（βij— 碰撞核，m3/s）。

根據(jù)碰撞的驅(qū)動(dòng)力不同，顆粒碰撞機(jī)理主要分為兩種：表征布朗擴(kuò)散作用的布朗碰撞核和表征湍流作用的湍流碰撞核。根據(jù)文獻(xiàn)[23]中整理的模型可得βij。

由于顆粒的布朗作用和氣流的湍動(dòng)作用使控制單元內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞的兩個(gè)顆粒能否聚并成一個(gè)整體取決于受到的黏附力和剪切力大小關(guān)系。當(dāng)液滴剛進(jìn)入水合物風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，液滴外圍迅速形成水合物殼，具有顆粒性質(zhì)，此時(shí)水合物顆粒之間的黏附力為液橋力FaB[24]。黏附力使顆粒聚并為整體，而氣流對(duì)顆粒的流動(dòng)剪切使顆粒碰撞后分離，顆粒所受的剪切力為

通過(guò)比較發(fā)生碰撞的兩個(gè)顆粒所受到的黏附力和流動(dòng)剪切力大小得到聚并效率

1.2.3 水合物顆粒破碎

破碎核模型包括尺寸為dpi的顆粒i發(fā)生破碎的概率為Bi、破碎產(chǎn)生的子顆粒數(shù)目bi和子顆粒群中尺寸為dpj水合物顆粒數(shù)量比例γij。顆粒發(fā)生破碎的機(jī)理主要有兩種，剪切破碎和碰撞破碎。根據(jù)Serra 等[25]研究，顆粒i的破碎概率可表示為

假設(shè)顆粒破碎后子顆粒尺寸呈等分二元分布，即

1.2.4 水合物顆粒沉降

假設(shè)顆粒沉降過(guò)程是隨機(jī)的，顆粒尺寸對(duì)沉降事件無(wú)影響，則沉降顆粒的尺度分布與氣芯中顆粒的尺度分布相同。沉降率[22]為

氣芯中液滴轉(zhuǎn)化為水合物顆粒后，水合物顆粒的沉降核模型為DEP=2.5πrcDepΔz/ρl。水合物顆粒沉降入液膜后，采用液膜內(nèi)水合物顆粒運(yùn)移和沉降規(guī)律分析。

2 模型求解及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

2.1 模型求解方法和計(jì)算流程

首先，利用商業(yè)軟件（如Pipesim）及相關(guān)成熟模型計(jì)算環(huán)霧流井筒溫壓場(chǎng)、液膜和氣芯的基礎(chǔ)參數(shù)，與水合物相態(tài)曲線耦合，得到水合物形成的過(guò)冷度沿泥線井口以下井深變化規(guī)律。然后，根據(jù)1.1 所述的模型和公式計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)液膜內(nèi)水合物形成量、每個(gè)顆粒生長(zhǎng)、運(yùn)移和沉積參數(shù)；根據(jù)1.2 所述的模型和公式計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)氣芯內(nèi)每個(gè)水合物顆粒形成、聚并、破碎和沉降參數(shù)。依次得到當(dāng)前時(shí)刻（步驟n）液膜內(nèi)水合物濃度、氣芯內(nèi)水合物顆粒尺寸分布、水合物管壁沉積量（水合物層厚度），然后開(kāi)始下一時(shí)刻（步驟n+1）的計(jì)算。具體計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 環(huán)霧流水合物沉積和堵塞動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算流程圖Fig.4 Flow chart for calculation of kinetic model of annular-mist flow hydrate deposition and blockage

由于液膜和氣芯內(nèi)水合物顆粒數(shù)量龐大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用虛擬顆粒理念，即將尺寸相同或相近的多個(gè)實(shí)際顆粒整合為一個(gè)或一組虛擬顆粒，減少實(shí)際顆粒的計(jì)算數(shù)量。

2.2 模型預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證

Lorenzo[26]利用環(huán)路流動(dòng)裝置進(jìn)行了環(huán)霧流下水合物沉積堵塞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 環(huán)路流動(dòng)裝置進(jìn)行的環(huán)霧流水合物沉積堵塞實(shí)驗(yàn)參數(shù)表[20]Tab.1 Experimental parameter table of annular-mist flow hydrate deposition and blockage of flow loop device

水合物在管壁上沉積，造成管壁縮徑，增大流動(dòng)壓降。通過(guò)對(duì)比管路壓降隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本文所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖5 為模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，二者的相對(duì)誤差小于10%。

圖5 模型模擬結(jié)果與環(huán)路水合物沉積堵塞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison between the simulation results of the model and the experimental results of the hydrate deposits in the loop

3 模型應(yīng)用案例分析

利用本文建立的水合物沉積和堵塞動(dòng)力學(xué)模型，可以模擬深水氣井開(kāi)發(fā)過(guò)程中低產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)水合物在井筒管壁的沉積堵塞情況，由此可以明確水合物沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)程度，若是可以保證在井筒未被水合物完全堵塞時(shí)，產(chǎn)量恢復(fù)高產(chǎn)，隨后使沉積的水合物熱融解，則整個(gè)過(guò)程就可以少注甚至不注熱力學(xué)抑制劑。

目標(biāo)氣田為南海LS17–2 深水氣田，水深為1 336 m，泥線溫度為3°C，氣藏埋深為2 073 m、氣藏壓力為36 MPa。目標(biāo)氣田氣體組分C1=93.33%，C2=4.33%，C3=0.98%，其他組分1.36%。

圖6 是產(chǎn)氣量5×104m3/d、水氣比0.010%（產(chǎn)水量5 m3/d）時(shí)，不同時(shí)間水合物層厚度沿井筒分布曲線。由于液膜內(nèi)部分水合物會(huì)隨液膜流動(dòng)，當(dāng)水合物顆粒濃度大于臨界沉積濃度時(shí)，該控制單元內(nèi)液膜整段沉積；同時(shí)氣芯內(nèi)水合物運(yùn)移和管壁黏附是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，導(dǎo)致水合物層厚度沿井筒分布的曲線不是光滑的。水合物層最大生長(zhǎng)速率為8.28 mm/h，最大沉積厚度發(fā)生在1 524 m 處（海底井口下190 m），以此計(jì)算大約需要5.82 h 會(huì)造成井筒完全堵塞。

圖6 不同時(shí)刻水合物層厚度隨深度變化曲線Fig.6 Curve of hydrate layer thickness with depth at different times

表2 和圖7 為水氣比一定（0.010%）時(shí)，不同產(chǎn)氣量下水合物沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同產(chǎn)氣量下水合物沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)Tab.2 Hydrate blockage risk under different gas production rates

圖7 不同產(chǎn)氣量下40 min 時(shí)水合物層厚度隨深度變化曲線Fig.7 The variation curve of hydrate layer thickness with depth under different gas production at 40 min

隨著產(chǎn)氣量的增大，堵塞井筒的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生完全堵塞的位置越靠近海底井口。因?yàn)楫a(chǎn)氣量越大，水合物風(fēng)險(xiǎn)范圍減小，在水合物穩(wěn)定區(qū)內(nèi)過(guò)冷度小，生成的水合物量少，同時(shí)部分水合物容易被帶出井筒，所以水合物沉積的少，堵塞井筒的風(fēng)險(xiǎn)較小。當(dāng)產(chǎn)氣量為12×104m3/d 時(shí)，水合物在井筒內(nèi)的沉積厚度為0，堵塞風(fēng)險(xiǎn)消失。

產(chǎn)氣量一定（Qg=5×104m3·d-1）時(shí)，水氣比對(duì)水合物層沉積厚度影響的模擬結(jié)果如表3 和圖8所示。

表3 不同水氣比下水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)Tab.3 Hydrate blockage risk under different WGR

圖8 不同水氣比下40 min 時(shí)水合物層厚度隨深度變化曲線Fig.8 The variation curve of hydrate layer thickness with depth under different WGR at 40 min

水氣比增加，水合物層增長(zhǎng)速率有所增加，但由于產(chǎn)水量越大（攜帶熱量越大），井筒內(nèi)水合物形成的范圍越小。模擬結(jié)果表明，當(dāng)產(chǎn)水量較?。ㄋ畾獗葹?.001%）或者較大（水氣比為0.100%）時(shí)，堵塞位置靠近泥線井口。水氣比為0.001%時(shí)，水合物層生長(zhǎng)速率較小，大于12.30 h 可堵塞井筒，水氣比為0.010%和0.100%時(shí)，堵塞時(shí)間大約為5.85 h。

4 結(jié)論

（1）基于深水氣田井筒環(huán)霧流模式，在液膜內(nèi)考慮了水合物顆粒的生長(zhǎng)、運(yùn)移和管壁黏附現(xiàn)象，同時(shí)在氣芯內(nèi)考慮了水合物顆粒的形成、聚并、破碎、沉降行為，建立了環(huán)霧流水合物動(dòng)態(tài)沉積和堵塞的動(dòng)力學(xué)模型，可用于模擬計(jì)算不同工況下的井筒內(nèi)水合物層增長(zhǎng)速率、水合物沉積厚度分布和堵塞時(shí)間，模型模擬結(jié)果與環(huán)路實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于10%，驗(yàn)證了模型的可靠性。

（2）典型深水氣田（水深1 336 m、泥線溫度3°C、氣藏埋深2 073 m、壓力36 MPa）案例分析表明，在產(chǎn)氣量5×104m3/d、水氣比0.010% 工況下，水合物沉積層生長(zhǎng)速率高達(dá)8.28 mm/h，泥線井口下190 m 處水合物層最厚，井筒完全堵塞所需時(shí)間為5.82 h。水氣比降至0.001%時(shí)，堵塞時(shí)間增加到12.30 h。產(chǎn)氣量增加，海底井口下水合物形成的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域范圍減小，水合物沉積厚度降低，堵塞位置向海底井口處靠近。當(dāng)產(chǎn)氣量為12×104m3/d 時(shí)，水合物沉積厚度降為0，堵塞風(fēng)險(xiǎn)消除。