基于螺旋流的天然气管道水合物堵塞风险边界拓展机制研究

Prevention of hydrate blockage is the important problem to ensure the safety operation of water-bearing natural gas pipeline, particularly submarine pipelines and surface gathering pipelines. Spiral flow can improve concentration of hydrate transportation, and expand security boundary, which is expected to solve the problem. The goal of project is control technology about hydrate blockage risk in the natural gas pipeline. Many key scientific problems will be solved, which include the hydrate formation form and condition of hydrate particles critical suspension in spiral flow, establishment of safety flow boundary criterion, and so on. The theoretical basis will be provided for natural gas hydrate risk control and numerical simulation. The gas phase-water-gas hydrate particles spiral flow suspension mechanism will be researched in the high-pressure hydrate experimental loop and visualization multiphase flow experimental device, using particle image velocimetry(PIV) and high-speed digital camera and numerical simulation. The rheological characteristics under the spiral shear will be explored. The generation, propagation and attenuation law of spiral vortex also will be explored. The radial/axial distribution of particle concentration will be revealed. The hydrate security flow discriminant model will be established, which is involved with interaction of multiphase spiral flow and crystallization kinetics. The characteristics and innovations of this project are the solution of gas hydrate spiral flow generation/start/suspending/settlement/blocking mechanism, establishment of mathematic model combining macro with micro, and the confirmation of the safety flow boundary criterion.

防止水合物堵塞是保障含水天然气管道安全运营的重要问题，在海底管道和地面集输管道尤为突出，螺旋流动可提高水合物输送浓度、拓展安全边界，有望解决这一问题。本项目以天然气输送管道水合物堵塞安全边界拓展技术为目标，研究解决管道螺旋流动水合物生成形态和水合物颗粒在螺旋流中的临界悬浮条件、建立安全流动边界判据等关键科学问题。通过在高压水合物环道实验装置上，利用PIV、PAT和高速数码摄像仪以及数值模拟方法，研究管道螺旋流动水合物生成、悬浮、沉降的宏观和微观过程；阐明水合物诱导、成核、生长等动力学特性；揭示水转化率、水合物生成量与流动参数、物性参数、体系组分内在关系；探讨螺旋流动输送水合物的力学机制，拓展安全流动边界，建立考虑多相螺旋流相间作用和水合物动力学的安全流动判别模型。本项目的特色和创新点是解决螺旋流动天然气水合物生成/启动/悬浮/沉降/堵塞机制，建立安全流动边界判别数学模型。

随着油气资源的开发逐渐向深海延伸，气体水合物的堵塞问题越来越受到石油行业的重视。如何高效、经济地抑制油气集输管道中的水合物堵塞进而保障油气管道的安全运行，已成为油气集输研究领域的热点和难点。目前，气体水合物安全流动问题的研究仍处在探索阶段，而将螺旋流应用于水合物风险控制技术，更是鲜有报道。对于螺旋流体系下的气体水合物生成及安全流动进行了较为系统的研究，主要工作及取得的研究成果如下：（1）从管道内气体水合物生成与安全流动的理论分析入手，阐述了流动体系下气体水合物的生长过程以及流动特性，温度和压力是直接影响因素，螺旋流的特殊流动形式也对水合物的生成及流动存在较大影响。探讨了管道内固体颗粒流动的受力特点及悬浮机理，并分析了管道内固体颗粒的流动轨迹。（2）开展了螺旋流流型和流动特性实验研究，绘制了气液两相螺旋流流型图，并与Mandhane流型图进行了对比分析。进行了螺旋流气体水合物生成及安全流动实验研究，揭示了温度、压力、扭率等对水合物生成的影响规律。随后研究了螺旋流体系下气体水合物流动、携带、沉积以及堵管规律。研究获得了管道内螺旋流体系下的水合物安全流动区域，螺旋流较普通管流提高水合物输送能力33.3%，拓展了水合物的安全流动边界。（3）为探索管道内水合物安全流动机理，对螺旋流流型及水合物颗粒的流动沉积规律进行了数值模拟研究。获得了扭带扭率、雷诺数及水合物体积分数对旋流强度的影响规律。提出了表征螺旋流衰减的定量参数——保持率，并研究了雷诺数、水合物体积分数以及流动距离对螺旋流保持率的影响。（4）对分离流和分散流为两类主流状态体系下螺旋流水合物的生长、聚并机理进行了探索和研究。确定了以对水合物颗粒起携带作用的切向临界流速作为水合物颗粒安全流动的判据。结合该判据，以临界切向流速为判定标准，推导并建立了管道螺旋流动体系下水合物颗粒安全流动距离计算模型，对工程中油气集输管道内水合物安全输送提供理论支撑。