潘 振，張立賀，郝江濤，朱 健，袁 松

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石化天然氣分公司山東天然氣銷售中心，山東 濟(jì)南 250101；3.撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 撫順 113001；4.撫順市技術(shù)創(chuàng)新研究院，遼寧 撫順 113001）

地球上蘊(yùn)藏十分豐富的天然氣水合物，約30%的陸地凍土地區(qū)和90%的海洋環(huán)境中都含有天然氣水合物[1]。陸地內(nèi)的天然氣水合物埋藏于距地表200～2 000 m的深處，海底天然氣水合物埋藏于距海平面500～800 m的深處，其儲(chǔ)存的天然氣水合物資源可供人類使用1 000年以上[2]。在全球范圍內(nèi)，已經(jīng)有27個(gè)國(guó)家發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。基于此，科學(xué)家評(píng)估了全球天然氣水合物的儲(chǔ)蓄量，其值約為2×1016m3[3]，占有機(jī)碳總資源的1/2以上。

21世紀(jì)解決能源問(wèn)題的主要途徑是開(kāi)發(fā)新的清潔能源。天然氣水合物是公認(rèn)的最清潔和高效的能源之一，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1 m3水合物約可儲(chǔ)存180 m3天然氣[4]，其燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境非常友好，不會(huì)因大量燃燒而造成環(huán)境污染問(wèn)題，因此在能源供應(yīng)方面其地位遠(yuǎn)超煤炭和石油，全球?qū)μ烊粴馑衔锏惹鍧嵞茉吹男枨罅匡@著增加[5]。我國(guó)南海海域儲(chǔ)藏著大量的天然氣水合物資源，其開(kāi)發(fā)價(jià)值極高。因此，合理地開(kāi)發(fā)和利用南海海域的天然氣水合物資源，可有效緩解我國(guó)環(huán)境污染和能源短缺的問(wèn)題[6‐8]。

當(dāng)水合物顆粒充分分散在液相中時(shí)，所形成的多相共存的流體被稱為水合物漿液。在石油天然氣工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，多相流管輸體系下的水合物漿液都得到了有效的應(yīng)用。多相流管道輸送工況下的水合物漿液具有以下優(yōu)點(diǎn)：水合物漿液中的主要流體是水，可大幅度降低水合物漿液的黏度，提高輸送效率，同時(shí)固體水合物的形成也可大幅度提高儲(chǔ)氣效率；多相流管道輸送下水合物漿液技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與升級(jí)，有助于大幅度降低深海區(qū)域水合物的生產(chǎn)成本；通過(guò)對(duì)多相流管輸體系下水合物漿液的研究，可以評(píng)估管道輸送過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提出合理的預(yù)防措施和解決方案，進(jìn)而有效地防止水合物在管道輸送過(guò)程中發(fā)生堵塞管路的現(xiàn)象。

水合物漿液管道輸送技術(shù)雖然大幅度提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率，但是隨著海上油氣田開(kāi)發(fā)程度和開(kāi)采深度的逐漸增加，其低溫高壓的環(huán)境使管路中的水合物更容易生成并引起管路堵塞[9]，管路中水合物堵塞問(wèn)題不僅對(duì)石油天然氣的正常生產(chǎn)造成一定的影響，而且會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，造成安全運(yùn)行上的隱患[10]。因此，了解天然氣水合物堵塞管路的過(guò)程、影響堵管的因素、預(yù)測(cè)可能發(fā)生堵塞的位置以及如何防止水合物堵管的發(fā)生，已成為當(dāng)今天然氣水合物研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置

早期對(duì)氣體水合物的研究大多數(shù)是在反應(yīng)釜中進(jìn)行的，反應(yīng)釜主要用于水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑和阻聚劑等方面的研究。但是，由于通過(guò)反應(yīng)釜得到的研究成果無(wú)法在實(shí)際環(huán)路中得到有效利用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員將注意力從反應(yīng)釜轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)環(huán)路。實(shí)驗(yàn)環(huán)路能夠較好地對(duì)管路中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行模擬，可以比較清晰地觀察到多相流管輸體系下水合物生成至堵塞的過(guò)程以及水合物漿液的實(shí)時(shí)流動(dòng)情況。但是，與反應(yīng)釜相比，實(shí)驗(yàn)環(huán)路的建設(shè)成本和占地面積都較大。國(guó)內(nèi)比較著名的實(shí)驗(yàn)環(huán)路有CUPB儲(chǔ)運(yùn)環(huán)路、CUPB化工環(huán)路和GIEC水合物流動(dòng)環(huán)路；國(guó)外比較著名的實(shí)驗(yàn)環(huán)路有法國(guó)的IFP‐Lyre環(huán)路和Archimede環(huán)路、澳大利亞的Hytra環(huán)路、挪威的PetrecoA/S環(huán)路、美國(guó)的ExxonMobil環(huán)路。實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置主要是通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力和流量等一些參數(shù)及其變化情況來(lái)判斷管道是否發(fā)生堵塞；通過(guò)高壓可視窗，可從宏觀的角度觀察水合物生成到堵塞的過(guò)程；通過(guò)水合物顆粒測(cè)試儀和水合物顆粒錄影顯微儀，從微觀的角度測(cè)量和觀察水合物顆粒的大小、形狀、聚集合并和著床沉積等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外主要的水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置及其研究?jī)?nèi)容見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外主要的水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置及其研究?jī)?nèi)容

續(xù)表1

水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置實(shí)物圖如圖1所示。由圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)裝置由進(jìn)液及供氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、溫度壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。進(jìn)液系統(tǒng)通過(guò)注液泵將液體抽入反應(yīng)釜中；供氣系統(tǒng)通過(guò)控制調(diào)壓閥，將一定量的氣體充入反應(yīng)釜中；制冷系統(tǒng)由冷水機(jī)組構(gòu)成，低溫水浴的溫度范圍為－10.0～20.0℃，其精度高達(dá)±0.1℃，高壓環(huán)道外均安裝有水浴夾套，制冷機(jī)組通過(guò)水浴夾套對(duì)環(huán)路進(jìn)行降溫。

圖1 水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)環(huán)路的有效總體積為45 L，由反應(yīng)釜、磁力循環(huán)泵、高壓軟管和高壓環(huán)道組成。其中，反應(yīng)釜的最大承受壓力為15.00 MPa，為了使氣液充分混合，反應(yīng)釜內(nèi)配有機(jī)械攪拌裝置。磁力循環(huán)泵的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，用于調(diào)節(jié)環(huán)路中流體的流速。高壓軟管和高壓環(huán)道總長(zhǎng)為30 m，管道直徑為24 mm，管道的最大承受壓力為15.00 MPa。另外，該管道配有一對(duì)橢圓形高壓可視窗和在線顆粒測(cè)試儀等設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由電腦記錄水合物生成到堵塞過(guò)程中各參數(shù)的數(shù)據(jù)。水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置概念圖如圖2所示。

圖2 水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置概念圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料 去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制；白油，撫順市潤(rùn)滑油公司；天然氣，沈陽(yáng)廣泰氣體有限責(zé)任公司。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）檢測(cè)裝置的氣密性，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行清洗，以確保裝置內(nèi)無(wú)雜質(zhì)附著。

（2）利用真空泵把管道內(nèi)部壓力降至－0.05 MPa。

（3）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開(kāi)注液泵，把實(shí)驗(yàn)設(shè)定體積的油水混合液抽入水合物反應(yīng)釜中，同時(shí)開(kāi)啟低溫水浴，使管道內(nèi)油水混合液的溫度維持在10.0℃左右。

（4）打開(kāi)循環(huán)泵并調(diào)節(jié)泵速，使整個(gè)環(huán)路中的水分別以設(shè)定的200、300、400 L/h的速率循環(huán)流動(dòng)。

（5）打開(kāi)進(jìn)氣閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的2.50、3.00、3.50 MPa時(shí)停止進(jìn)氣；1 h后，大部分天然氣溶解到水中，系統(tǒng)壓力減?。辉俅芜M(jìn)行補(bǔ)氣至實(shí)驗(yàn)壓力，補(bǔ)氣過(guò)程需進(jìn)行2～3次（耗時(shí)約3 h）；最后一次補(bǔ)氣后，經(jīng)過(guò)1 h以上的穩(wěn)定流動(dòng)，油水混合液的壓力不再波動(dòng)，油水兩相達(dá)到溶解平衡，關(guān)閉進(jìn)氣閥，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

（6）提升管道尾端連接的氣柱，管道的傾斜角度為30°時(shí)停止；低溫水浴的溫度為－10.0℃，設(shè)置制冷機(jī)組的溫度下限，開(kāi)始降溫，同時(shí)打開(kāi)電腦端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄溫度、壓力和流量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（7）水合物環(huán)路實(shí)驗(yàn)完成后，同時(shí)開(kāi)啟排氣閥和排液閥，目的是排除天然氣和油，最后保存電腦端記錄的數(shù)據(jù)并關(guān)閉電腦和環(huán)路系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為探究初始?jí)毫?、初始流量?duì)天然氣水合物（水合物，下同）漿液流動(dòng)的影響及在水合物漿液流動(dòng)過(guò)程中水合物顆粒的變化情況，設(shè)置并進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，部分參數(shù)見(jiàn)表2。表2中，持液率指液體占管道空間的比例。

表2 水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)部分參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 水合物生成及堵塞過(guò)程分析

為了探究油基體系下水合物的生成至堵塞的過(guò)程，以管道傾斜角為30°、含水率為20%、初始?jí)毫?.00 MPa、初始流量為400 L/h、初始溫度為10.0℃、持液量為30 L的實(shí)驗(yàn)工況為例，分析了水合物生成過(guò)程中環(huán)路內(nèi)壓力、溫度、流量等因素的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 環(huán)路內(nèi)壓力、溫度和流量隨時(shí)間的變化曲線

結(jié)合圖3及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水合物生成至堵塞的變化情況可知，在油基體系下水合物從生成到堵塞過(guò)程可分為4個(gè)階段：氣液穩(wěn)定流動(dòng)階段、水合物生成階段、水合物漿液流動(dòng)階段及水合物堵塞階段。

（1）氣液穩(wěn)定流動(dòng)階段。實(shí)驗(yàn)注氣結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)壓力為3.00 MPa，溫度為10.0℃，此時(shí)氣液呈溶解平衡狀態(tài)。隨著制冷機(jī)組降溫的進(jìn)行，環(huán)路內(nèi)溫度在低溫水浴的作用下緩慢下降；隨著環(huán)路內(nèi)溫度的下降，天然氣在油和水混合液中的溶解度逐漸增大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力逐漸降低；在循環(huán)泵的作用下，管道中的流體以穩(wěn)定的狀態(tài)在管路中反復(fù)循環(huán)，流量保持400 L/h左右（見(jiàn)圖3）。

油基體系下水合物生成至堵塞的宏觀變化情況如圖4所示。由圖4（a）可以看出，管道上方的天然氣隨著油水混合液體穩(wěn)定流動(dòng)，油相均勻地分布在氣相的下方，管道下方存在自由水層和附著在管壁上的水膜，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所使用油的黏度大于水的黏度，因此自由水層中的水以水團(tuán)的形式向管壁擴(kuò)散，水膜形成的位置在管道內(nèi)壁和管道上方，水膜使管道壁面的切應(yīng)力有所降低。穩(wěn)定的油‐氣‐水三相在管道內(nèi)流動(dòng)，在該階段無(wú)水合物生成。

圖4 油基體系下水合物生成至堵塞的宏觀變化情況

（2）水合物生成階段。經(jīng)過(guò)991 s，當(dāng)環(huán)路內(nèi)溫度降到5.3℃時(shí)，水合物開(kāi)始生成，之后溫度明顯上升（見(jiàn)圖3），這是由于生成水合物時(shí)釋放大量熱量所致；管道內(nèi)壓力明顯下降，這是由于開(kāi)始生成水合物時(shí)消耗管道內(nèi)的天然氣，從而導(dǎo)致壓力下降；在油基體系中水合物生成不久，管道內(nèi)流量呈由平緩波動(dòng)到明顯下降趨勢(shì)，這是由于水合物在生成后會(huì)聚集合并到一起形成水合物顆粒，造成管道內(nèi)流體黏度的增加，從而降低流體的流動(dòng)性，導(dǎo)致流量明顯下降。

由圖4（b）可以看出，流體內(nèi)部會(huì)形成水合物顆粒并在管道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)，此時(shí)管道上方和管壁處水膜開(kāi)始轉(zhuǎn)化為水合物膜。

（3）水合物漿液流動(dòng)階段。當(dāng)環(huán)路內(nèi)溫度不斷降低時(shí)，壓力平緩下降，說(shuō)明水合物在流體的流動(dòng)過(guò)程中不斷生成，在毛細(xì)液橋力的作用下流體內(nèi)部生成的水合物顆粒之間產(chǎn)生聚集合并，在誘導(dǎo)機(jī)理作用下水合物與水滴之間發(fā)生聚集合并，這兩種機(jī)理的相互作用使水合物顆粒不斷地聚集合并，最終形成大塊的水合物聚并體。在水合物漿液流動(dòng)的過(guò)程中，壓力下降到一定值后相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)很短時(shí)間后再次下降（見(jiàn)圖3），這是因?yàn)樗衔锷伤俣炔环€(wěn)定所致，在水合物生成速率快的一段時(shí)間內(nèi)壓力下降，在水合物生成速率慢的一段時(shí)間內(nèi)壓力波動(dòng)平緩；環(huán)路內(nèi)溫度呈波浪式下降態(tài)勢(shì)，這是由于水合物生成速率不穩(wěn)定導(dǎo)致釋放的熱量不穩(wěn)定；流量呈大幅度波動(dòng)態(tài)勢(shì)，這是由于水合物不斷生成聚集合并導(dǎo)致流量下降，同時(shí)水合物漿液又受到循環(huán)泵對(duì)流體產(chǎn)生的切應(yīng)力作用所致。

由圖4（c）可以看出，在水合物漿液流動(dòng)階段，管道下方的自由水層消失，水相完全分散到油相中，水合物幾乎充滿整個(gè)管道，壁面處水合物膜呈現(xiàn)不斷擴(kuò)張狀態(tài)。

（4）水合物堵塞階段。在水合物堵塞階段，流量在幾秒內(nèi)突然從120 L/h下降到0（見(jiàn)圖3），說(shuō)明管道發(fā)生堵塞。由圖4（d）可以看出，管道內(nèi)流體不再流動(dòng)，管道底部的自由水消耗殆盡，管壁處水合物膜的不斷生長(zhǎng)導(dǎo)致管道流通面積的減小和管壁摩擦系數(shù)及流體黏度逐漸增大，水合物膜從管壁上脫落到管道底部形成水合物床，最終因水合物沉積層的增厚引發(fā)管道堵塞。

綜上可知，管道堵塞的主要原因是水合物膜的生長(zhǎng)和水合物沉積層的形成共同導(dǎo)致的。

2.2 初始?jí)毫?duì)水合物堵管時(shí)間的影響

在管道傾斜角為30°、含水率為20%、持液量為35 L、初始溫度為10.0℃、初始流量為400 L/h的條件下，改變初始?jí)毫?，探究了初始?jí)毫?duì)水合物漿液流動(dòng)的影響，得到了不同初始?jí)毫ο聹囟入S時(shí)間的變化曲線。當(dāng)開(kāi)始生成水合物時(shí)會(huì)釋放熱量，使環(huán)路內(nèi)溫度突然上升，因此可以判斷當(dāng)溫度突然上升時(shí)水合物開(kāi)始生成；流量下降到0，說(shuō)明水合物已堵塞管路。因此，定義水合物漿液流動(dòng)的時(shí)間為水合物開(kāi)始生成到管道堵塞的這一段時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)均通過(guò)制冷機(jī)組在環(huán)路內(nèi)溫度為10.0℃時(shí)開(kāi)始降溫操作。流量為400 L/h時(shí)不同初始?jí)毫ο滤衔锷杉岸氯麜r(shí)的溫度及流量變化見(jiàn)圖5。

圖5 流量為400 L/h時(shí)不同初始?jí)毫ο滤衔锷杉岸氯麜r(shí)的溫度及流量變化

由圖5可以看出，當(dāng)初始流量為400 L/h時(shí)，在初始?jí)毫Ψ謩e為2.50、3.00、3.50 MPa的條件下，水合物達(dá)到相平衡點(diǎn)的時(shí)間分別為302、188、119 s，水合物相平衡點(diǎn)的溫度分別為8.1、8.9、9.9℃，水合物生成的時(shí)間分別為920、742、593 s，水合物生成時(shí)的溫度分別為4.9、5.5、6.2℃，水合物開(kāi)始堵塞管道的時(shí)間分別為1 925、1 550、1 280 s；當(dāng)初始?jí)毫?.50、3.00、3.50 MPa時(shí)，水合物誘導(dǎo)時(shí)間（水合物誘導(dǎo)時(shí)間為水合物相平衡點(diǎn)的時(shí)間到水合物生成的時(shí)間）分別為618、554、474 s，水合物的過(guò)冷度（水合物的過(guò)冷度為水合物相平衡點(diǎn)的溫度與水合物生成時(shí)溫度的差值）分別為3.2、3.4、3.7℃。

綜上可知，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，水合物達(dá)到相平衡的時(shí)間、水合物生成的時(shí)間、水合物誘導(dǎo)時(shí)間縮短，表明水合物在初始?jí)毫υ龃髸r(shí)會(huì)更快地生成；隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅衔锵嗥胶鉁囟?、水合物生成時(shí)的溫度、水合物的過(guò)冷度增大，表明水合物在初始?jí)毫υ龃髸r(shí)具有較強(qiáng)的成核驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)流量為400 L/h，初始?jí)毫Ψ謩e為2.50、3.00、3.50 MPa時(shí)，水合物漿液流動(dòng)時(shí)間分別為1 005、808、687 s，說(shuō)明隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，水合物漿液流動(dòng)的時(shí)間變短。綜合上述分析可知，初始?jí)毫?duì)油基體系下水合物漿液的流動(dòng)起至關(guān)重要的作用。

2.3 初始流量對(duì)水合物堵管時(shí)間的影響

在管道傾斜角為30°、含水率為20%、持液量為35 L、初始溫度為10.0℃、初始?jí)毫?.00 MPa的條件下，改變初始流量，探究了初始流量對(duì)水合物漿液流動(dòng)的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓力為3.00 MPa時(shí)不同初始流量下水合物生成及堵塞時(shí)的溫度及流量變化

實(shí)驗(yàn)均通過(guò)制冷機(jī)組在環(huán)路內(nèi)溫度為10.0℃時(shí)開(kāi)始降溫。從圖6可以看出，當(dāng)初始?jí)毫?.00 MPa時(shí)，在初始流量分別為200、300、400 L/h的條件下，水合物相平衡時(shí)間分別為181、193、208 s，水合物相平衡溫度均為8.9℃，說(shuō)明水合物相平衡溫度不受流量的影響，水合物生成時(shí)間分別為684、777、991 s，水合物生成時(shí)的溫度分別為6.6、5.8、5.3℃，水合物堵塞時(shí)間分別為1 445、1 692、2 140 s，水合物誘導(dǎo)時(shí)間分別為503、584、783 s，水合物過(guò)冷度分別為2.3、3.1、3.6℃。

綜上可知，隨著初始流量的增大，水合物達(dá)到相平衡的時(shí)間、水合物生成的時(shí)間、水合物誘導(dǎo)時(shí)間變長(zhǎng)，表明初始流量增大時(shí)水合物生成速度變慢；初始流量增大時(shí)，水合物相平衡的溫度不變，水合物生成時(shí)的溫度變小，水合物的過(guò)冷度增大；過(guò)冷度的增加雖然加大水合物的成核驅(qū)動(dòng)力，但是在大流量流體的剪切力作用下，整體上不利于水合物的生成；當(dāng)初始流量為200、300、400 L/h時(shí)，水合物漿液流動(dòng)時(shí)間分別為761、915、1 149 s，說(shuō)明隨著初始流量的增大，水合物漿液的流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。由此可以看出，管道內(nèi)初始流量對(duì)油基體系下水合物漿液的流動(dòng)也起至關(guān)重要的作用。

2.4 水合物堵管過(guò)程中顆粒粒徑的變化

油基體系下水合物生成至堵管過(guò)程中顆粒的微觀變化如圖7所示。

圖7 油基體系下水合物生成至堵管過(guò)程中顆粒的微觀變化

由圖7可以看出，在氣液穩(wěn)定流動(dòng)階段，管道中沒(méi)有生成水合物顆粒，管內(nèi)流體在循環(huán)泵的作用下穩(wěn)定地流動(dòng)；在水合物生成階段的初期，管道內(nèi)流體中出現(xiàn)了形狀不規(guī)則的小型水合物顆粒，這些小型水合物顆粒在隨著流體流動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生了輕微的聚集合并；在水合物生成階段的后期，水合物顆粒的數(shù)量增多，粒徑增大，說(shuō)明水合物發(fā)生了大量的聚集合并現(xiàn)象；在水合物漿液流動(dòng)階段的初期，水合物漿液在管道中成束地流動(dòng)，此時(shí)水合物顆粒的顏色明顯變深，這是由于隨著環(huán)路內(nèi)溫度的進(jìn)一步降低，水合物的生成速率進(jìn)一步增大，水合物顆粒形成了體積較大的水合物聚集體，水合物膜的厚度因水合物顆粒的大規(guī)模聚集不斷增大，導(dǎo)致管道內(nèi)光照度下降；在水合物漿液流動(dòng)階段的后期，水合物顆粒比水合物漿液流動(dòng)階段的初期小，這是由于水合物聚集體形成的體積較大的水合物聚集體數(shù)量越來(lái)越多，流體的黏度也會(huì)持續(xù)增大，進(jìn)而對(duì)水合物顆粒的剪切力增強(qiáng)，導(dǎo)致因聚集合并形成的大塊的水合物顆粒在流體剪切力的作用下發(fā)生分解，水合物顆粒發(fā)生破碎；在水合物堵塞階段，水合物發(fā)生床沉積和沿管壁黏附現(xiàn)象，此時(shí)管道內(nèi)部供流體流動(dòng)的面積越來(lái)越小，最終導(dǎo)致管路堵塞。

2.5 水合物堵管機(jī)理分析

根據(jù)對(duì)水合物生成至堵塞過(guò)程中壓力、溫度和流量等參數(shù)的變化情況和水合物生成至堵塞過(guò)程中各個(gè)階段宏觀圖像的分析，研究了油基體系下水合物堵管機(jī)理，如圖8所示。

圖8 油基體系下水合物堵塞機(jī)理示意圖

在較低的含水率和流速下，管內(nèi)流體在水合物生成前以油‐氣‐水三相平穩(wěn)地在管道中流動(dòng)，管道下方存在未乳化的自由水層，部分氣體溶解在油中，同時(shí)未乳化自由水層中的一部分水以水滴的形式分散到油相和氣相中，在管道流動(dòng)的過(guò)程中由于黏度差異使自由水層中的部分水以水團(tuán)的形式向管道上方和管壁擴(kuò)散，隨著流體的流動(dòng)，管道上方和管壁最終被水團(tuán)浸濕形成水膜（見(jiàn)圖8（a））。

當(dāng)壓力和溫度達(dá)到水合物生成條件后，管道內(nèi)流體在水合物生成后轉(zhuǎn)變?yōu)闅猢\液‐固三相流動(dòng)，管道上方的水膜轉(zhuǎn)化為水合物膜，同時(shí)在油相中的水滴表面以及油水兩相界面處形成水合物顆粒（見(jiàn)圖8（b））。

在水合物開(kāi)始形成后的一段時(shí)間，初始生成的水合物擾動(dòng)油水界面，導(dǎo)致管道底部未乳化的自由水層消失，水相完全分散到油相中，此時(shí)系統(tǒng)從部分分散體系轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆稚Ⅲw系，加速水合物的生成（見(jiàn)圖8（c））。

在系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆稚Ⅲw系后，水合物生成速率加快導(dǎo)致水合物膜的厚度不斷增長(zhǎng)，當(dāng)水合物膜厚度達(dá)到一定程度后氣體擴(kuò)散受到阻力，導(dǎo)致水合物生成速率降低，同時(shí)在油相中的水滴表面不斷形成水合物，生成的水合物顆粒通過(guò)毛細(xì)液橋力發(fā)生聚并，水合物與水滴在接觸誘導(dǎo)機(jī)理下發(fā)生聚并，在兩種機(jī)理的共同作用下形成水合物聚集體。另外，附著在管壁上的水合物膜可能包含一些未轉(zhuǎn)化的水，這些被包含的水增加水合物顆粒的密度，往往會(huì)在管路底部凝固，形成移動(dòng)的水合物床。隨著時(shí)間的推移，由于水合物顆粒的生成導(dǎo)致管內(nèi)自由水含量不斷減少，同時(shí)水合物顆粒不斷聚并和水合物層厚度的增加導(dǎo)致管道流通面積減小，管壁摩擦系數(shù)和流體黏度增大，最終在管道底部形成水合物沉積層，導(dǎo)致管道堵塞（見(jiàn)圖8（d））。

3 結(jié)論及建議

（1）在管道傾斜角為30°、含水率為20%、持液量為35 L、初始溫度為10.0℃、流量為400 L/h的條件下，初始?jí)毫υ酱?，水合物誘導(dǎo)時(shí)間、水合物生成時(shí)間越短，水合物生成溫度、過(guò)冷度越高，水合物漿液流動(dòng)時(shí)間越短，水合物容易堵塞管道。因此，在油基體系下多相流管輸?shù)倪^(guò)程中，可以通過(guò)降低管道中的初始?jí)毫?lái)減小水合物堵管趨勢(shì)。

（2）在管道傾斜角為30°、含水率為20%、持液量為35 L、初始溫度為10.0℃、初始?jí)毫?.00 MPa的條件下，初始流量越大，水合物生成溫度越低，過(guò)冷度越高，水合物誘導(dǎo)時(shí)間越長(zhǎng)，水合物生成時(shí)間越長(zhǎng)，水合物漿液流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，水合物不容易堵塞管道。因此，在油基體系下多相流管輸?shù)倪^(guò)程中，可以通過(guò)增大初始流量來(lái)減小水合物堵管趨勢(shì)。

（3）在油基體系中，通過(guò)實(shí)時(shí)顆粒測(cè)試儀對(duì)水合物顆粒的微觀變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在氣液穩(wěn)定流動(dòng)階段，沒(méi)有生成水合物顆粒；在水合物生成階段的初期，生成小型水合物顆粒；在水合物生成階段的后期，水合物發(fā)生大量的聚集合并現(xiàn)象；在水合物漿液流動(dòng)階段，形成了水合物聚集體以及水合物膜；在水合物堵塞階段，發(fā)生了床沉積和沿管壁黏附現(xiàn)象。

（4）總結(jié)了油基體系中水合物堵管機(jī)理。隨著環(huán)路溫度的降低，管道上方水膜會(huì)轉(zhuǎn)化為水合物膜；隨著水合物生成速率加快，水合物膜的厚度不斷增厚，導(dǎo)致管道內(nèi)流體的流動(dòng)面積減小，管壁的摩擦系數(shù)和流體黏度增加，最終形成水合物沉積層，進(jìn)而堵塞水合物管道。