水合物颗粒聚集动力学及流动安全研究

随着低剂量抑制剂的投入使用，油气管道中水合物的防治策略正在向风险管理转变，其对应的冷流技术日益得到石油行业的认可，该技术的关键是保证水合物在管道中安全流动，然而管道中水合物颗粒可能发生聚集甚至堵塞管道，这一点成为制约冷流技术广泛应用的瓶颈。本项目以管道中水合物的聚集特性为研究对象，对水合物颗粒的聚集动力学和机理进行系统科学研究。具体的内容包括：水合物颗粒的受力分析；水合物颗粒的聚集动力学模型；水合物颗粒聚集过程颗粒变化；水合物体系宏观参数的实验研究；水合物浆稳定性判断标准的建立；水合物安全流动判断模型的建立。本项目旨在揭示管道中水合物颗粒聚集的机理，建立水合物安全流动的判断模型，为有效控制水合物颗粒聚集和推动冷流技术的发展奠定理论和技术基础。

油气管道中水合物的风险管理及其对应的冷流技术日益得到石油行业的认可，该技术的关键是水合物在管道中安全流动，然而水合物颗粒的聚集甚至堵塞管道成为制约该技术广泛应用的瓶颈。本项目以管道中水合物的聚集特性为研究对象，旨在揭示管道中水合物颗粒聚集的机理，建立水合物安全流动的判断模型。项目基于水合物颗粒的物性进行了颗粒受力的量级分析，确定了水合物颗粒聚集起主导作用的是毛细液桥力和剪切力；研究结果表明减小接触角及水合物颗粒粒径等可以有效地降低颗粒间的液桥力从而抑制颗粒的聚集。以毛细液桥力作为主要聚集力，剪切力作为分散力，改进了水合物临界聚集粒径计算模型，d_Amax=6Dxsγcosθ/(ρ_l w^2/2) ，实验验证表明改进的模型能够比较准确的计算水合物颗粒聚集体的临界粒径，同时发现不同因素对聚集的影响效果为：水合物体积分数>剪切速率>接触角>油相粘度>油水界面张力。研制了一套高压带视窗反应釜，能够有效的进行水合物颗粒聚集及浆液特性的测试和观察实验。实验研究了防聚剂、油水比等对水合物颗粒聚结特性，结果表明水合物颗粒聚结粒径符合对数正态分布；颗粒粒径主要受初始溶液浓度和搅拌速度的影响；防聚剂提高了初始乳状液及水合物浆的稳定性，其具备的润湿反转特性是降低水合物颗粒间毛细力和促使稳定水合物浆形成的主要原因；水合物颗粒在流动或者搅拌停止后会发生聚集效应，而且此种聚集效应是不可逆的。在改进传统双层流动模型的基础上，提出了水合物浆稳定流动的判定标准：临界流动速度和临界床层高度，改进的模型在预测移动床流动状态以及临界速度方面具有明显的优势。利用Fluent软件，通过UDF将水合物颗粒粒径分布融入传统固液两相流模型中，模拟研究了水合物体积分数、流速对水合物相分布和速度的影响，结果表明水合物体积分数和流速对水平方向的固相浓度分布影响不大，垂直方向的浓度梯度随着体积分数的增加和流速的降低逐渐增大，各流速下水合物相有可能呈现悬浮、移动层和静止层三种存在形态；随着水合物体积分数的增加，浆液粘度变大，水合物浆由湍流进入层流流动，固液两相在垂直和水平方向上的速度分布由柱状变为抛物线形，并验证了实验中出现的水合物浆形态发生突变变化的现象。项目通过对水合物颗粒聚集特性系统的研究，明确了颗粒聚集的影响因素及浆体稳定的流动的判断依据，能够为有效控制水合物颗粒聚集推动冷流技术的发展奠定理论和技术基础。