李文慶 呂曉方 孫憲航

摘 ?????要： 水合物漿液輸送作為流動(dòng)安全保障主要措施和天然氣新型運(yùn)輸方法之一，其復(fù)雜的流動(dòng)特性引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。以國(guó)內(nèi)首套水合物高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)路為依托，基于水合物生成后管路壓降明顯增加的現(xiàn)象，分析了4.5 MPa壓力下，0.4、0.5、0.9、1.1 m/s四個(gè)流速下壓降變化幅度，對(duì)比水合物生成前后體系摩阻系數(shù)的變化，定量表示了各個(gè)流速下顆粒存在對(duì)摩阻系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流速越大，顆粒存在對(duì)于體系摩阻系數(shù)的影響越小;并且通過對(duì)比0.4和0.5 m/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在水合物漿液流動(dòng)過程中，不同的流速對(duì)應(yīng)著不同的液固流型，存在臨界懸浮流速的概念。

關(guān) ?鍵 ?詞：水合物;乳液;壓降;摩阻系數(shù);臨界流速

中圖分類號(hào)：TE832 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0029-04

Abstract： Hydrate slurry transportation has brought the attention of many researchers as an important flow safety assurance method and a new way of gas transmission. Based on the theory that the pressure drops significantly when hydrates are generated， a series of experiments （at the velocity of 0.4， 0.5， 0.9 and 1.1 m/s under 4.5 MPa） were conducted on the first set of domestic high-pressure experiment loop to analyze the pressure drop， frictional resistance factor and particle influence of hydrate slurry. The results showed that the influence of existed particles to frictional resistance factor was getting weaker as the velocity got faster. Comparing the results of 0.4 and 0.5 m/s indicated that for hydrate slurry transportation， different velocities corresponded to different liquid-solid flow patterns， and critical suspension velocity existed.

Key words： Hydrate;Emulsion; Pressure drop; Frictional resistance factor; Critical velocity

多相混輸海底管道的高壓低溫環(huán)境為水合物的生成創(chuàng)造了條件[1]，因此水合物堵塞管道將是海底管道輸送過程中必須面對(duì)的問題。水合物的生成和聚集不僅使得流體的流動(dòng)性變差，當(dāng)其沉積過多時(shí)還會(huì)影響管道、閥門等設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致停產(chǎn)維修及管線報(bào)廢[2]。目前，針對(duì)多相混輸管線中水合物的堵塞問題，常從熱力學(xué)角度出發(fā)，采用一定的措施來抑制或防止水合物的生成，主要包括熱力學(xué)抑制劑法[3，4]、保溫[5]、降壓[6]等。但是在深海油氣田的開發(fā)中，由于傳統(tǒng)抑制方法受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素的限制，因此就需要尋求一種新的經(jīng)濟(jì)有效的替代方式[2]。20世紀(jì)90年代，隨著低劑量抑制劑[7，8]進(jìn)入人們的視野，水合物的防治從傳統(tǒng)的抑制生成變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)控制，通過添加動(dòng)力學(xué)抑制劑、阻聚劑或采用冷流技術(shù)[9，10]來實(shí)現(xiàn)含水合物固體顆粒的油氣水多相混輸流動(dòng)技術(shù)（即所謂的水合物漿液風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)）。

水合物漿液風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)的研究主要針對(duì)深海油氣田的開發(fā)和利用。利用深水高壓低溫的環(huán)境條件，將油氣水混輸管道中分散的水滴以水合物顆粒的形式分布于流體中進(jìn)行輸送。當(dāng)前，盡管水合物漿液輸送技術(shù)還不成熟，正處于試驗(yàn)與理論研究的初始階段，但其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制所節(jié)約的成本和運(yùn)行花費(fèi)將是十分巨大的，這使得該研究備受推崇。然而，由于油氣水多相混輸過程中引入了水合物固體顆粒，這會(huì)在一定程度上影響多相混輸流體的物性，改變流體的黏度和流動(dòng)形態(tài)、影響多相流動(dòng)的壓降規(guī)律。因此，為了探究水合物固體顆粒的存在對(duì)多相流動(dòng)規(guī)律的影響，本文從水合物固體顆粒的生成過程中入手，主要研究水合物漿液形成過程中固體顆粒的存在對(duì)漿液流動(dòng)規(guī)律及摩阻的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 ?高壓環(huán)道

該實(shí)驗(yàn)環(huán)路是我國(guó)首套高壓水合物實(shí)驗(yàn)環(huán)路[11]（如圖1所示）。該環(huán)路配有FBRM、PVM、溫控儀以及質(zhì)量流量計(jì)等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備[12]。環(huán)道的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為[13]：壓力：0～15 MPa;溫度：-20～80 ℃;實(shí)驗(yàn)環(huán)道長(zhǎng)30 m，管徑1寸。液相由磁力離心泵驅(qū)動(dòng);氣體則由柱塞式天然氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng);全實(shí)驗(yàn)環(huán)道利用套管控溫[14]。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)使用的介質(zhì)為：0#柴油，去離子水，民用天然氣（組分見表1）。

1.3 ?實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 利用真空泵將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽成相對(duì)真空度為0.09 MPa，然后采用自吸方式向分離器中加入實(shí)驗(yàn)流體。

（2） 打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及水浴，設(shè)置水浴溫度為30 ℃，然后開啟泵并設(shè)定泵頻率為40 Hz（根據(jù)實(shí)驗(yàn)流量需要設(shè)定），對(duì)油水進(jìn)行攪拌約3 h，使其形成較為穩(wěn)定的油包水乳狀液。

（3） 利用高壓氣瓶將系統(tǒng)壓力提高至實(shí)驗(yàn)壓力后，設(shè)定水浴溫度為4 ℃（根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要和環(huán)境溫度的不同略有差異）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，此時(shí)水合物生成實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行。若要進(jìn)行加劑實(shí)驗(yàn)，可以在降溫前利用計(jì)量泵向系統(tǒng)內(nèi)注入一定量的阻聚劑，并持續(xù)流動(dòng)一段時(shí)間（約5 h），使阻聚劑能夠較好地分散在油包水乳狀液中。

（4） 當(dāng)水合物生成完成，整個(gè)系統(tǒng)中的壓力和溫度保持恒定時(shí)，進(jìn)行水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

（5） 實(shí)驗(yàn)完成后，設(shè)置水浴溫度為30 ℃，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升溫使得水合物全部分解，并直至體系相關(guān)參數(shù)都達(dá)到穩(wěn)定值，停止各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行。

（6） 回收實(shí)驗(yàn)氣體后，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行排液和清洗，然后利用壓縮空氣吹掃整個(gè)環(huán)路，最后利用氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)內(nèi)的空氣進(jìn)行置換。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?水合物生成過程中壓力、溫度和壓降變化

伴隨著水合物的生成，實(shí)驗(yàn)體系中壓力、溫度和壓降等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。其中，在水合物生成實(shí)驗(yàn)過程中以溫度的突升來表征水合物的大量生成，由圖2中的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可知，在水合物大量生成后體系的壓力會(huì)迅速降低，而管路壓降則會(huì)快速波動(dòng)式增加。這種環(huán)道摩阻壓降的震蕩式升高正是由于水合物顆粒的存在所致。

2.2 ?水合物生成過程中摩阻系數(shù)的變化趨勢(shì)

圖3則展示了水合物生成過程中，管路摩阻系數(shù)變化的變化情況。由圖3所表現(xiàn)出的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可知：確實(shí)在水合物開始大量生成后，整個(gè)體系內(nèi)的水合物漿液摩阻系數(shù)會(huì)急劇增加，之后呈現(xiàn)波動(dòng)式上升的趨勢(shì)。這同樣說明了在水合物的生成過程中，固體顆粒的存在確實(shí)影響了整個(gè)水合物漿液的流動(dòng)特性，是顆粒與流體耦合的結(jié)果。

2.3 ?流速對(duì)水合物漿液摩阻系數(shù)的影響

在本實(shí)驗(yàn)過程中，為了表征水合物生成后顆粒對(duì)于體系摩阻系數(shù)的影響，將摩阻系數(shù)f分為f1與f2兩項(xiàng)，其中f1為水合物生成前油水乳狀液體系的摩阻系數(shù)，f2則為生成水合物之后顆粒引起的摩阻系數(shù)增量。用f2/f1的大小來表征體系摩阻系數(shù)增加的程度，即顆粒存在對(duì)于體系的影響程度。通過進(jìn)行不同流速下的漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到不同流速下f2/f1的變化情況，其具體情況如圖4、圖5所示。

3 ?結(jié) 論

針對(duì)水合物漿液流動(dòng)過程中水合物生成后體系摩阻系數(shù)增加的現(xiàn)象，分析了體系在整個(gè)流動(dòng)過程中的摩阻系數(shù)變化趨勢(shì)，得到了不同流速下顆粒的存在對(duì)于摩阻系數(shù)影響程度，主要結(jié)論如下：

（1）水合物漿液流動(dòng)過程中，水合物生成之后體系的壓降先是迅速增加，隨后呈波動(dòng)式上升;

（2）水合物固體顆粒存在對(duì)于體系摩阻系數(shù)的影響會(huì)隨著體系流速的增加逐漸減小，達(dá)到臨界懸浮流速后，流速對(duì)水合物固體顆粒的影響也逐漸減?。ㄈ缌魉龠_(dá)到1 m/s以后流速的影響并不明顯）;

（3）層流條件下，顆粒存在對(duì)于摩阻系數(shù)的影響主要是由于顆粒的沉積和碰撞引起的。根據(jù)不同流速下摩阻系數(shù)的變化趨勢(shì)可獲得水合物漿液流動(dòng)的存在臨界懸浮流速。

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