深水油气管道水合物浆液微观分解/聚并机理及动力学模型研究

Hydrate slurry transport technology in deep-water pipelines has become a focal point among worldwide researches, due to its high economic efficiency. However, as the key part of the hydrate slurry transport technology research, micro mechanism of hydrate slurry (out of the physical stability area) decomposition / coalescence and the decomposition kinetics remain unclear at present, restricting the development of this technology. The purpose of this project therefore is to investigate morphological feature and size distribution for hydrate particles, the decomposition / coalescence mechanism, the hydrate decomposition kinetics and predicting model from the microscopic or macroscopic view, with the aid of an advanced high-pressure flowing experimental system. So as to illuminate the influences of the gas release, diffusion and transfer, as well as water adsorption on the particles’ inter-phase properties in the flowing system, and to characterize the micro mechanism and coalescence in the hydrate slurry decomposition tally with actual pipeline systems. Meanwhile it would be obtained the main controlling factor influencing the hydrate slurry decomposition rate. Based on this, this project is going to propose an integrated hydrate decomposition kinetics model, which would take into account factors of the crystallization affect intrinsic kinetics, heat and mass transfer, and inter-phase variation, in order to broaden the theory about the hydrate slurry decomposition kinetics, to provide the hydrate slurry transport technology in deep-water pipelines.

天然气水合物浆液深水管输技术因其具有的经济性和高效性，已成为国内外学者研究的热点。但深水管输水合物浆液偏离物化稳定区域后自身的微观分解/聚并机理和分解动力学规律目前尚不明确，仍存在技术瓶颈，这严重制约了深水流动保障技术的发展。为此，本项目拟以高压环道水合物浆液分解动力学实验为基础，从微观或宏观角度对管输体系水合物浆液的分解形态学特征、粒度分布变化特性、分解/聚并机理、分解动力学规律以及动力学理论预测模型方面进行研究。以期阐明流动条件下客体气体分子解析、扩散、传递与分解水吸附对微观颗粒相界面性质的影响，揭示深水管输体系水合物浆液的微观分解/聚并机理；查明水合物浆液分解速率的主控因素，构建耦合本征、热质传递以及微观颗粒聚并效应的综合分解动力学模型，完善深水管输体系水合物浆液分解动力学理论，为水合物浆液深水安全管输技术提供理论支持。

随着我国油气资源的开发逐渐走向深海，深水油气混输系统流动安全保障问题面临着巨大的挑战。为了满足深水油气混输系统水合物浆液安全输送的需要，解决偏离物化稳定区后水合物浆液自身分解、聚并、失稳以及堵塞的问题，项目从分解形态学特征及粒度分布特性、分解/聚并机理、分解动力学规律及模型构建等方面开展了系统性研究，创新工作及成果如下：. 针对水合物浆液在线实时分解时形态学演变认知的难点，项目从微观可视层面厘清了水合物颗粒的分解特性、形态结构演变特征以及颗粒间的碰撞/聚并情况；提出了水合物颗粒的形状与尺寸影响着颗粒发生分解的概率，解决了偏离物化稳定区后水合物分解的一致性与差异性问题。. 通过引入颗粒统计学加权方法，量化了水合物浆液分解过程中颗粒的碰撞、聚并强度，从而定量表征了分解过程中浆液堵塞管道的风险；揭示了流动剪切、水合物体积分数等宏观因素对分解过程中微观颗粒大小及粒度分布特性的影响，获得了具有理论指导意义的水合物浆液防堵措施；提出了水合物浆液分解过程中颗粒聚并/堵塞的动力学机理。. 通过高压水合物实验环道，获得了水合物浆液分解过程中气体析出特性的重要实验规律。并在此基础上，确定了水合物浆液快速分解阶段和受控分解阶段的主控因素，建立了水合物浆液分解动力学参数与主控因素间的定量关系。. 考虑到水合物浆液分解过程中相界面参数依时性变化的难题，建立了相界面参数与分解剩余水合物质量的量化关联式，并构建了考虑本征、传热、传质、颗粒聚并等因素的水合物浆液分解动力学模型。经验证，该分解动力学模型具有良好的预测精度，能够对其他实验条件下的水合物浆液分解动力学规律进行模拟预测。. 本项目丰富了水合物浆液安全输送技术，对深水油气混输系统水合物防控和海底非成岩水合物矿藏固态流化开采具有重要的参考价值。发表论文18篇（其中SCI论文11篇，EI1篇，中文核心5篇），授权发明专利2项，获得省部级科技进步三等奖2项，培养硕士研究生6名。