呂曉方， 史博會(huì)， 王 瑩， 于 達(dá)， 唐一萱， 宮 敬

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 中國(guó)石油管道公司，河北 廊坊 065000； 3. 中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引 言

隨著海洋石油的發(fā)展，尤其是鉆井、采油以及油氣輸送等領(lǐng)域向深海延伸。由于溫度壓力環(huán)境比陸上管道更加惡劣，在鉆井、采油和輸送的過(guò)程中，天然氣水合物在井內(nèi)、海底管道和海底設(shè)備中生成的潛在威脅越來(lái)越受到重視[1]。目前，解決管道輸送和油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的水合物形成問(wèn)題的主要方法是添加熱力學(xué)抑制劑抑制水合物的生成[2-5]，但其應(yīng)用在深水領(lǐng)域時(shí)，存在局限性。研究者們提出水合物漿液混輸(即多相混輸技術(shù))的方法[6]，采用低劑量抑制劑-阻聚劑[7]，允許水合物形成，但是維持其在管道中呈現(xiàn)可流動(dòng)狀態(tài)。為了將水合物漿液混輸技術(shù)更好地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)水合物的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行研究。目前，人們對(duì)水合物形成和生長(zhǎng)的研究多從宏觀角度出發(fā)，即通過(guò)不同的對(duì)比測(cè)試，找到合適的抑制劑和阻聚劑的種類、使用量等。這種方法歷時(shí)長(zhǎng)，效果差。本實(shí)驗(yàn)則是從微觀角度出發(fā)， 利用粒子視頻顯微鏡(Particle Video Microscope，PVM)探究水合物的生成過(guò)程，對(duì)水合物顆粒的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照，提供清晰的圖像資料，從而找出水合物的生長(zhǎng)規(guī)律，力求從源頭上了解水合物堵塞管道的原因，實(shí)現(xiàn)從抑制水合物到控制并應(yīng)用水合物的突破。

國(guó)內(nèi)外已將PVM運(yùn)用于油水乳狀液體系和水合物晶體的形成、生長(zhǎng)和分解過(guò)程研究。Boxall等[8]利用兩種不同的原油進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，利用PVM對(duì)黑色油狀物進(jìn)行激光照射，得到了一系列的數(shù)字圖像，提供了定性的視覺(jué)信息，從而對(duì)水合物的分解過(guò)程進(jìn)行了較好描述；Greaves等[9]利用PVM觀察并測(cè)量了水合物分解過(guò)程開(kāi)始之前、分解過(guò)程中水合物顆粒的粒徑，以及分解完成后水滴的粒徑。

本文利用PVM設(shè)備，對(duì)水合物高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)路中的乳狀液混合過(guò)程和水合物聚結(jié)過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，得到上述過(guò)程的形態(tài)學(xué)圖像以及該過(guò)程中的顆粒粒徑變化，并對(duì)產(chǎn)生上述結(jié)果的原因進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)路

水合物高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)路[10]如圖1所示，用以模擬深?；燧敼芫€的情況，進(jìn)而研究水合物漿液在管道中的流動(dòng)及堵塞特性[11-12]。環(huán)路控溫范圍：-20～80 ℃；設(shè)計(jì)壓力15 MPa。液體由磁力離心泵驅(qū)動(dòng)(流速達(dá)12 m3/h)，氣體則由柱塞式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)(2 200 m3/h)。液體從氣液混合器液相入口處注入，氣相則從氣液混合器氣相入口處注入。在水平段管路的出口，流體被回收到一個(gè)220 L的保溫氣液混合器中。為了保證系統(tǒng)內(nèi)壓力恒定，尤其在水合物生成時(shí)，本實(shí)驗(yàn)利用了一組高壓氣瓶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。高壓氣瓶組經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)，通過(guò)一個(gè)減壓閥與分離器連接。整個(gè)管道為不銹鋼材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)部分長(zhǎng)30 m，測(cè)試段上設(shè)有高壓視窗，用于觀察水合物漿液的生成過(guò)程，實(shí)驗(yàn)管路外部設(shè)有夾套，可使溫控流體在夾套內(nèi)與實(shí)驗(yàn)流體逆向流動(dòng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)管路都進(jìn)行了保溫處理。PVM設(shè)備裝于環(huán)道入口處，用于觀測(cè)乳狀液混合過(guò)程和水合物聚結(jié)過(guò)程。

1.2 PVM

PVM粒子視頻顯微鏡是一種探頭式的觀測(cè)工具，能提供瞬間的豐富信息，深入了解顆粒變化過(guò)程。輕便、小巧，以及安裝便捷的特性使PVM能夠方便地從一個(gè)反應(yīng)釜搬到另一個(gè)。在采集圖像時(shí)不需要額外的照明裝置，其探頭由耐化學(xué)腐蝕的材料制成(哈氏合金Alloy C22及藍(lán)寶石窗口)，緊密的焦平面可以獲得高精度的圖片，將背景顆粒的影響減到最少，即使在快速移動(dòng)的流體中，也能獲得清晰的圖片而不會(huì)產(chǎn)生模糊，此外，PVM具有無(wú)需取樣、制樣、稀釋、校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[13]。

圖2 PVM結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

本實(shí)驗(yàn)在密閉環(huán)境中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)來(lái)源于視窗觀測(cè)和PVM拍照顯示。主要是利用PVM研究加劑前后油包水乳狀液的混合過(guò)程以及水合物生成過(guò)程中水合物顆粒粒徑的變化情況。

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是-20#柴油、天然氣、去離子水和阻聚劑[14]。其中天然氣的組分(體積分?jǐn)?shù))分別為：CO20，N20.088 226 3，C10.865 632 3，C20.029 814 4，C30.003 143 7，IC40.000 405 6，IC50.000 101 4，C60.012 676 2。根據(jù)上述組分得到水合物生成曲線圖[15-16](見(jiàn)圖3)。

具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：①檢查環(huán)道氣密性；②抽取環(huán)道內(nèi)氣體，使其真空度為0.09 MPa；向分離器內(nèi)加入不同比例的柴油和去離子水，使其含水量滿足實(shí)驗(yàn)要求；③打開(kāi)控溫設(shè)備，設(shè)置溫度為20 ℃,打開(kāi)泵循環(huán)，設(shè)置頻率40 Hz，對(duì)油水進(jìn)行攪拌使其形成乳狀液。打開(kāi)空氣過(guò)濾器，預(yù)熱20 min。啟動(dòng)壓縮機(jī)并打開(kāi)過(guò)濾器的閥門(mén)，給粒度儀氣源動(dòng)力，啟動(dòng)粒度儀；④等待流體溫度穩(wěn)定到20 ℃左右并且粒度儀顯示粒徑分布基本穩(wěn)定后，打開(kāi)補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣至環(huán)道壓力穩(wěn)定在4 MPa(如果做加劑組實(shí)驗(yàn)，則在此步驟中進(jìn)行加劑操作)；⑤開(kāi)始進(jìn)行降溫操作并設(shè)置控溫儀設(shè)備使環(huán)道內(nèi)的流體溫度最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行水合物實(shí)驗(yàn)。待水合物生成完畢后(系統(tǒng)壓力不再變化，流量穩(wěn)定)，停止本組實(shí)驗(yàn)，升溫，融化，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 視窗觀測(cè)

由于阻聚劑的存在使得整個(gè)體系內(nèi)的流體呈現(xiàn)乳白色且不透明，在進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中，視窗只能觀測(cè)到不加劑的條件下水合物的生成情況。圖4展示的是水合物在融化過(guò)程中的形態(tài)，原本水合物顆粒是類似于雪花狀的晶體粉末，但是在升溫過(guò)程中，水合物融化、聚集，形成小水珠。

圖4 視窗口觀測(cè)到的水合物結(jié)晶

2.2 PVM觀測(cè)

2.2.1乳狀液混合過(guò)程

圖5展示PVM設(shè)備所拍攝的乳狀液液滴分布圖。不加劑的情況下，乳狀液分散的不均勻，可以明顯看到乳狀液中水滴的形態(tài)，并且PVM可以測(cè)量出其粒徑；而油包水乳狀液在加劑情況下，乳化較為良好，液滴粒徑也趨于減小，乳液呈現(xiàn)均一、穩(wěn)定的狀態(tài)。

(a) 不加劑

(b) 初始加劑

(c) 加劑充分混合

2.2.2水合物聚結(jié)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用PVM觀測(cè)到了水合物形成過(guò)程中顆粒的聚結(jié)過(guò)程，其具體情況如下：圖6(a) 為水合物開(kāi)始生成的階段，隨著水合物的進(jìn)一步生成，水合物顆粒粒徑會(huì)變大(圖6(b))，體現(xiàn)了水合物生成過(guò)程中的顆粒、液滴間的碰撞、聚集現(xiàn)象，在進(jìn)一步反應(yīng)過(guò)程中，水合物顆粒、液滴粒徑趨于變小(圖6(c))，導(dǎo)致上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主要原因在于：①隨著水合物顆粒的生成和聚并，其乳液體系的黏度也逐漸增大，顆粒所受的剪切強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致聚集的水合物顆粒因剪切作用而破碎；②隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，水合物顆粒表面的潤(rùn)濕性減小，弱化了水合物顆粒間的黏滯力。

(a)初始

(b)進(jìn)一步

(c)穩(wěn)定階段

圖7為PVM設(shè)備所拍攝的當(dāng)前體系中水合物顆粒的粒徑分布圖。由圖7(a)可以看出，體系中水合物顆粒粒徑基本上處在20 μm以下；而由圖7(b)可見(jiàn)，在此種情況下，水合物漿液中約83%的水合物顆粒粒徑小于10 μm(不易堵塞管道)。因此，依據(jù)PVM設(shè)備所監(jiān)測(cè)到的水合物顆粒粒徑的分布情況即可對(duì)其以后的堵塞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

(a) 粒徑分布圖

(b) 粒徑百分比累計(jì)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

借助PVM探究了油包水乳狀液體系的混合以及水合物生成過(guò)程。①通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻聚劑不僅具有較好的乳化作用，而且有助于抑制水合物生成過(guò)程中顆粒間的聚并。②在水合物形成過(guò)程中生成的水合物顆粒會(huì)發(fā)生聚結(jié)，形成較大的水合物顆粒；并且隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，水合物顆粒粒徑會(huì)表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，主要是由于水合物生成過(guò)程中的顆粒、液滴間的碰撞、聚集使得粒徑增大，同時(shí)體系中增強(qiáng)的剪切作用和水合物顆粒表面潤(rùn)濕性的減小致使聚集的水合物顆粒破碎。

綜上，PVM設(shè)備可以探測(cè)到水合物生成過(guò)程中顆粒的變化情況，并且提供視覺(jué)化、定量化的信息，從微觀上表征水合物生成過(guò)程中顆粒/液滴的形態(tài)特性。

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