深水油气混输管线水合物浆液形成理论与流动规律研究

With the tendency of Chinese offshore oil industry to the South China Sea, deep-water flow assurance will confront enormous challenge. Meanwhile, the safe risk from deep-water hydrate is another problem we have to face. Hydrate slurry technology is a good choice proposed by the applicant to avoid the hydrate block problem, under the conditions with complex multiphase flow, undulating terrain in subsea and the changeable operation parameters. Based on the first high-pressure flow loop exceeding 10 MPa in China Laboratories, the applicant will carry out the preparation experiments of hydrate slurry flow in the flow loop. And, according to the research methods of multiphase flow in flow loop, lots of gas - hydrate slurry multiphase flow experiments will be carried out in the flow loop to study the multiphase flow laws. The main science problems are including the under the high pressure loop flow condition, to research the influences of hydrate nucleation, crystallization and aggregation growth to hydrate slurry preparation, to determine a quantitative method to describe the stability of hydrate slurry, to research the viscosity characteristic of hydrate slurry and the multiphase flow pattern and resistance characteristic of gas - hydrate slurry. To research the hydrate control technologies deeper, high quality academic achievements would be obtained expectably. It is considered that theoretical bases and technical supports would be provided to control hydrate plug problems to take the hydrate slurry technologies in the multiphase transportation subsea pipelines.

随着我国海洋石油走向南海，深水流动安全保障将面临着巨大挑战，同时深水水合物所带来的风险将是我们必须面对问题。申请者针对深水复杂的多相流特性、海底地势起伏条件、运行操作参数等带来的混输管线水合物问题，研究采取水合物浆液技术来避免水合物堵塞管道事故。项目研究者基于国内首个压力超过10MPa的高压管道，首先进行水合物浆液形成与制备实验研究。其次，依据多相流动环道实验方法，针对气体-水合物浆液进行多相流动规律研究。项目拟探究：在高压管输条件下，水合物成核、结晶与聚集生长机理对水合物浆液形成制备的影响规律、水合物浆液稳定性定量表征方法、水合物浆液黏度特性、气体-水合物浆液多相流动规律与阻力特性等科学问题。深化与丰富管输水合物控制技术，可望获得高质量的学术成果。为深水油气混输管线控制水合物采取水合物浆液技术，提供理论依据与技术支持。

随着我国海洋石油走向南海，深水流动安全保障将面临着巨大挑战。为实现应用水合物浆液技术，解决深水混输管线的水合物问题，项目从水合物浆液形成机理、黏度特性、阻力特性及流动机理等四方面进行系统基础研究，创新性工作如下：. 基于水合物生成过程中颗粒微观可视化数据，提出了油包水体系水合物颗粒微观生长机理；基于经典热力学，结合水合物生成微观机理和宏观表现，建立了考虑传质传热的水合物壳双向生长动力学模型，预测水合物生成与实验数据吻合度较高；考虑水合物颗粒受流动剪切、颗粒碰撞聚并所导致的浆液流动不稳定，提出了水合物浆液稳定流动临界安全流速的概念和表征方法。. 根据水合物浆液黏度数据，分析多因素影响的水合物浆液黏度规律，结合有效介质理论与颗粒聚并剪切特性，建立了水合物浆液黏度模型，模型预测具有良好精度。. 探明了水合物生成后流动阻力显著增加的原因，包括体系黏度增加及水合物颗粒的碰撞聚并及沉降；引入悬浮流速概念，作为是否需考虑水合物浆液中固相影响的判别原则；并建立两种情况下水合物浆液的摩阻系数预测计算方法。. 分析了水合物生成后对气液两相流型的影响规律，提出了天然气-水合物浆液分层流动稳定性判别准则；基于此，构建了视水合物浆液为拟单相流体时，天然气-水合物浆液分层流与段塞流准稳态机理模型及求解方法；针对水合物颗粒固相特性不可忽略的情况，借鉴经典固液三层流动模型，建立了水平管水合物浆固液流动机理模型及求解方法，模型预测结果合理。. 本项目丰富了管输水合物控制技术，对深水油气田资源开发具有重要应用价值，共发表论文33篇（包括国际期刊8篇SCI/EI，国内期刊5篇EI，国内外会议12篇等），出版专著1部，国内大会特邀报告1次，申请发明专利2项，授权实用新型专利1项，软件著作权1项，培养博士生5名和硕士生6名，与西澳大学联合培养博士生1名，培养优秀青年科学基金获得者1人，应邀多次到国际知名高校交流访问，邀请国际知名教授来校参观交流等。