油气混输管道水合物沉积与剥离脱落机理研究

Gas hydrates play a significant role in the flow assurance of oil and gas flowlines, posing one of the most serious problems. Study on the mechanism of gas hydrate deposition and sloughing in oil and gas mixed pipeline is very important for the understanding of gas hydrate plugging and the development of hydrate plugging control technology, but the relative mechanism remains to be addressed. In this item, by using high-pressure sapphire test system and flow loop containing PVM/FBRM, we will first study hydrate deposition dynamic mechanism, and analyze the mesoscopic morphology revolution law and particle size distribution character, with determining the control factors for the middle watercut systems (40 vol%-60 vol%). Thereafter, we will measure critical hydrate volume fractions in different systems to reveal the relation with watercut, flow rate, subcooling and size distribution. Meanwhile, a new gas hydrate deposition prediction model will be developed based on phase velocity theory and hydrate shell inward/outward growth model. At last, using thermodynamic sloughing and the injection of low dosage hydrate inhibitors, we will study the sloughing process of hydrate deposits, and reveal the sloughing mechanism of different methods, with an emphasis on the influence of hydrate anti-agglomerant on sloughing process.

由气体水合物堵塞造成的流动安全问题长期困扰着油气生产与集输部门。水合物沉积和剥离脱落机理研究对理解多相流动体系水合物堵塞形成过程及开发行之有效的解堵技术具有重要意义，但目前该领域研究尚存欠缺。本项目拟利用高压蓝宝石反应釜测试系统和安装有显微激光摄像-粒度分析仪(PVM/FBRM）的高压流动循环管路，首先研究油气混输体系水合物沉积动力学机理，分析颗粒介观形态演化与粒径分布特征，确定中等含水率体系（40 vol%～60 vol%）水合物沉积过程主控因素；其次，测定不同含水率体系的临界水合物体积分率，分析其与含水率、流速、过冷度、颗粒粒径分布等因素的关联性，基于相迁移理论、水合物壳层双向生长模型和微观力计算模型等，建立综合性的水合物沉积预测模型；最后，采用热力学和注低剂量水合物抑制剂方式对水合物沉积物进行剥离脱落实验研究，揭示各方式剥离机理，侧重研究水合物阻聚剂对剥离脱落过程的影响机制。

水合物的沉积与剥离脱落机理对有效解决多相混输管道水合物堵塞问题及基于浆态水合物储气技术的开发均具有重要意义。本项目采用定性与定量、宏观与介观相结合的方法，从油气混输体系水合物沉积动力学机理、高效水合物防聚剂、水合物沉积预测模型及沉积物剥离脱落机理等方面开展系统性研究，创新工作及成果包括：（1）对比研究了包含低、中、高含水率（水相体积占液相总体积的百分数）范围油水体系水合物的沉积行为特征与形态演化规律，阐明了不同类型添加剂和乳化剂对沉积动力学的影响机制，基于此研制了高效水合物防聚剂，同时从介观尺度解析了水合物颗粒的形成、碰撞、聚并、粘附、沉积、堵塞等行为，揭示了油气混输体系水合物沉积动力学机理。（2）对比分析了以气相为主体与以油相为主体的油水体系中水合物颗粒的生成与沉积行为特征，构建了适用于富气相和富油相体系的高精度水合物沉积速率预测模型，并通过实验数据得到验证。（3）针对水合物沉积物的热力学剥离方法，快速脱离热力学生成区域及调控热力学抑制剂甲醇加注模式可使沉积物有效剥离脱落；针对注剂剥离方法，阶段性加注水合物防聚剂可有效降低水合物颗粒间粘聚力和水合物颗粒与管壁间的粘附力，可使低含水率油水体系中沉积物剥离脱落，最终形成稳定的水合物浆液，但在高含水率体系中应用受限。凝练研究成果，发表论文10篇（其中SCI论文5篇，中文核心5篇），申请发明专利6件。