水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动特性

研究含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动特性,对于在深水含蜡油气田实施水合物浆液输送技术、解决海底管道多相混输流动保障问题具有重要意义。本文基于高压水合物环路开展的蜡晶存在与否,对含防聚剂天然气水合物浆液生成及流动影响进行实验,对比分析所获得的实验温度、压力、水合物生成体积分数、流量和压降等宏观参数变化,同时结合颗粒录影显微仪(PVM)、颗粒粒度分析仪(FBRM)等微观数据分析,研究了蜡晶对含防聚剂的天然气水合物浆液生成及流动特性的影响规律。结果表明:相比于无蜡体系,含蜡体系中蜡晶会在防聚剂的作用下吸附在油水界面,减小气水成核反应表面积,增大水合物生成传质阻力,从而抑制水合物生成成核,延长水合物生成诱导期,并使水合物生成量降低;蜡晶与水滴之间团聚物的形成,促进了其与水合物颗粒间的聚并,浆液体系黏度增加,流动性显著下降。含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动涉及学科复杂,未来仍需基于已获得的蜡与水合物相关独立研究成果,进一步探讨蜡与水合物之间的耦合作用机理。     

四氢呋喃水合物浆流动特性

利用实验环道进行了水合物颗粒体积分数为0～65.2%的四氢呋喃(THF)水合物浆的流动实验。管道生成四氢呋喃水合物后,水合物浆的压降梯度随着流速的增加而增加;随水合物体积分数的变化存在一个临界体积分数,当管道中的水合物体积分数小于临界值时,压降随体积分数的增加而出现很小的增加,管道中水合物呈稀浆状,浆体为牛顿流体;当管道中体积分数大于临界值时,压降梯度随体积分数的增加急剧增加,管道中水合物呈泥状,浆体为Bingham流体。临界体积分数随着浆体流速的增加而增大,在0.5～3.5m/s的范围内,临界体积分数为39.4%～50.4%,文中回归了泥状水合物的屈服应力及表观黏度。并根据水合物浆的流动特性分段回归了水合物浆在管道中流动的压降计算公式,实验验证表明回归的计算公式可以比较准确地计算管道中水合物浆流动的压降,可以为THF水合物的流动及其它水合物浆的流动提供指导。     

天然气水合物的生成对浆液流动稳定性影响综述

目前在海底混输管道的水合物风险控制策略中,允许水合物在管道内的生成,以液固浆液流动的形式对海底油气产物进行输送。其中主要通过控制浆液中水合物的生成量和聚集程度,来实现对海底集输管线的流动安全保障。液固浆液流动具有相当复杂的流动特性,固相颗粒的引入对于流体的流动特性影响很大。本文分别综述了拟单相流动体系和气液多相流动体系中水合物颗粒对于管输体系流动稳定性的影响以及水合物对混输管道堵管特性的影响。着重讨论了水合物在管道壁面的生长和沉积特性、水合物与气液流型的耦合关系以及不同体系中水合物的堵管机理。此外,对软件模拟在水合物生成及浆液流动特性研究中的应用做了简单介绍。最后,根据对相关研究结果的总结,指出水合物在壁面生长沉积的微观特性和定量表述、颗粒不同分散形式的临界流速、不同气液流型条件下的水合物生成特性和颗粒行为等是今后水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

周期惯性力影响下矩形通道泡状流阻力特性

泡状流广泛存在于各种化工反应设备中,研究周期惯性力影响下矩形通道泡状流的阻力特性,可以为研究非稳态条件下的流动特性提供实验支持。本实验在常温常压条件下进行,摇摆工况选定为5°-8 s、10°-8 s、15°-8 s、15°-12 s和15°-16 s,实验结果表明摇摆条件下瞬态摩擦压降的变化具有明显的周期性,两相平均阻力系数是稳态摩阻系数的几倍到十几倍,随着两相Reynolds数的变大,瞬态摩阻系数的波动幅度和平均水平均变小;摇摆周期越小,摇摆振幅越大,即摇摆运动越剧烈,摩擦压降的波动幅度也越大;定义了周期惯性力的影响系数(摇摆条件与竖直条件下摩阻系数的比值),利用量纲分析和多元拟合方式得到关于影响系数的经验关系式,预测值与实验值符合程度较好。     

CO2水合物在管道中的生成及堵塞特性

为明确CO₂水合物在管道中的流动及堵塞特性,通过高压可视水合物环路研究了不同持液量下的水合物生成及堵塞特性,研究结果表明：水合物生成诱导时间随着持液量的增大出现非线性变化,呈V形,先减小后增大;管道持液量越大,水合物生成量越少,水合物发生堵塞时的临界体积分数降低,如在持液率86.6%下,堵塞时水合物体积分数为4.32%,持液率为66.7%时,堵塞时水合物体积分数为7.45%。通过可视管路发现当CO₂水合物大量生成后,管道中压降将突然增大,颗粒之间快速聚集生长,流速迅速降低,CO₂水合物快速充满管道使管道发生堵塞,水合物颗粒不断生长及在聚集层处的聚集导致流动阻力的增加是其产生堵塞的根本原因。研究结果可为CO₂水合物浆液流动保障提供技术支撑。     

玉米棒+四氢呋喃对IGCC合成气水合物生成动力学的影响

为了明确玉米棒颗粒与四氢呋喃（THF）对整体煤气化联合循环（IGCC）合成气气体水合物生成的协同作用,在温度276.15K、初始压力为6.0MPa的静态反应条件下,通过实验研究了玉米棒颗粒+THF溶液体系中气体水合物的生成动力学过程,并确定了不同THF浓度溶液条件下水合物的生成诱导时间、气体消耗量、CO₂分离效率及水合物的晶体结构。实验结果表明：玉米棒的存在会延长实验的稳定时间,且其压降幅度相较于不含玉米棒颗粒的体系更高;无论是否含玉米棒颗粒,诱导时间均在180s以内,且随着THF浓度上升到摩尔分数4.0%和5.6%,二者的诱导时间变得非常接近;玉米棒颗粒存在时,THF溶液的浓度越大,气体消耗量达到最终气体消耗量90%的时间则越短,且在相同THF浓度下,其所获得的气体消耗量和CO₂分离效率普遍比纯THF溶液体系高,这意味着玉米棒颗粒的存在提高了THF溶液对CO₂的分离效果。同时,微观结构分析表明无论是否含有玉米棒颗粒,THF溶液体系中所生成的IGCC合成气气体水合物的结构均为sⅡ型,纯水体系中生成的IGCC合成气气体水合物结构均为sⅠ型和sⅡ型的混合结构。     

加入防聚剂后水合物浆液流动压降规律研究

围绕新型水合物化学抑制剂在海上油气田现场应用过程中将遇到的管道输送工艺设计技术方面的问题开展实验研究。在内径为25.4mm,长20m的水平透明实验环道上,首次以海上凝析油气田现场采集的油、水和按天然气组分配置的气体为实验介质,加入国内自主研制的水合物防聚剂,进行了水合物浆液流动压降实验。实验初始含水质量分数分别为5%,10%,15%,20%,25%,30%,得到了不同实验条件下水合物浆液流动压降参数的变化规律。通过分析实验结果并借助液固二相流有关理论,初步建立了水合物浆液管输压降计算方法。基于实验数据,该方法可用于计算实际管线中水合物浆液流动的压降。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

液相介质对水平气液间歇流动的压降影响

研究了水平管内不同液相介质(水、油和不同浓度的CMC溶液)对气液两相间歇流动压降的影响. 实验管道为内径50 mm的透明有机玻璃管,从入口到分离器长约30 m,实验段由2个长3 m的水平管组成. 共记录了320组不同表观流速下的压降信号：油相0.17~1.85 m/s,水相0.17~2.48 m/s,CMC溶液0.17~1.42 m/s,气相0.06~3.40 m/s. 结果表明,液相为牛顿流体(油或水)的气液流动,随着表观气相流速的增大,压降呈增加趋势;非牛顿幂率流体(不同浓度的CMC溶液)的管道流动,当流动指数低于一定值时,压降随气相流量的增加呈降低趋势,并且低于单液相流动的压降. Lockhart-Martinelli模型过高地预测了气-非牛顿幂率流体两相的压降.     

水合物浆液流动与流变特性研究进展

水合物浆液技术作为一门新型水合物防治途径和油-气-水多相安全混输的方式逐渐受到油气生产和运输部门的重视。系统综述了国内外水合物浆液流动特征和流变特性的最新研究进展, 主要从研究装置、宏观形态演化、流率/压阻等其他流动参数变化规律及水合物浆液流变性方面进行了详细讨论。介绍了高压流变仪、高压黏度计及水合物流动循环管路等实验装置, 着重分析了水合物循环管路的优缺点;阐述了水相中水合物浆液和油水体系内天然气水合物浆液宏观形态演化的异同;系统研究了水合物形成过程中体系流量/压阻等其他流动参数变化规律;归纳总结了水合物浆液流变性实验和理论模型的研究成果。     

流动体系下水合物生成及其影响的CFD-PBM数值模拟

海底油气混输管线因水合物生成引起堵塞问题备受关注。基于CFD-PBM模拟海底管道实际工况下水合物的生成过程,分析水合物生成对气泡的聚并和破碎行为及各相流速的影响,结果表明:当管道的运行环境达到水合物形成条件时,在气液界面逐渐有水合物生成,并在管壁上方堆积。水合物生成消耗一定量气体,导致压降降幅增大,同时产生的水合热导致局部温度升高,但传热受阻使得流体温度提升较小。没有水合物生成时,气泡以聚并为主,气泡直径分布较窄且相对均匀。水合物生成后,气泡大小分布范围变宽,但主要集中在较小直径范围。水合物在气液界面生成并在管壁上方堆积,导致流速局部分布不均,相间滑脱加剧。研究管道流动体系下水合物生成及其影响为管输水合物浆液的稳定安全流动提供理论参考。     

管道表面润湿性对层流流动阻力的影响

基于建立的小型循环管路实验平台,实验研究了自来水、乙二醇和26#白油分别在304不锈钢管、有机玻璃管、聚丙烯管(PP管)和聚四氟乙烯管(PTFE管)内层流流动的阻力特性。通过测量不同流量下的压降,计算得到了摩阻系数和泊肃叶数随雷诺数的变化关系以及相同雷诺数下摩阻系数随接触角的变化关系,同时采用接触角测定仪分别测量了3种液体在4种管道表面的接触角,讨论了管道表面润湿性对流动阻力的影响规律。实验结果均表明,管道表面润湿性对流动阻力产生了一定的影响:在相同雷诺数下,随着液体在管道表面接触角的增大,液体的泊肃叶数和摩阻系数均呈现减小的趋势;疏液管道表面润湿性对摩阻系数的影响大于亲液管道,并且在雷诺数较小时这种现象表现得更加明显。     

水合物浆在管道中的流动安全

摘要：搭建了环境温度控制室,将直径为42mm,长为30m的不锈钢环道安置在其中。借助于实验环道分别进行了固相体积浓度为0～70％、平均流速为0.5～3.6m.s^-1的四氢呋喃水合物浆和HCFC-141b水合物浆的流动实验。发现管道中两种水合物浆的压降梯度随流速的增加而增加;而与水合物体积浓度的关系都存在一个临界值,分别为50.6％和37.5％,当体积浓度小于临界值时,水合物浆压降梯度随体积浓度的增加而很缓慢的增大;当体积浓度大于临界值时,压降梯度随体积浓度的增加而急剧增大。通过与其他研究的比较,以临界水合物体积浓度为判断标准定义了一个流动安全区,当管道中的水合物体积浓度小于临界值,可以认为是安全的,相反则认为管道存在水合物堵塞的威胁。     

二氧化硅与SDS复配对甲烷水合物生成过程的影响

天然气水合物大多赋存于海底沉积层或永久冻土带的沉积层孔隙中。用0.5～1 mm和2～4 mm 2种粒径的二氧化硅(SiO2)颗粒模拟真实环境,并量取不同体积SiO2分别与300 mg/L的十二烷基硫酸钠(SDS)进行复配,考察了不同体积的二氧化硅颗粒与SDS的复配体系对水合物生成过程的影响;探究不同初始压力对该体系的影响。结果表明,加入二氧化硅颗粒后能够缩短水合物的诱导时间;同体积2～4 mm二氧化硅颗粒生成水合物的剩余压力均要低于0.5～1 mm粒径; 2种粒径中都是50 m L的颗粒中剩余压力最低、储气效果更好;此外,水合物在较高的初始压力下生成效果最好。     

复配型水合物阻聚剂在模拟循环管路内阻聚性能研究

利用1套近中试规模的模拟水合物循环管路,系统考察了自行开发的复配型水合物阻聚剂在油水体系内的阻聚性能。评价结果表明,复配型水合物阻聚剂在初始含水率为5%~15%的(柴油+水+天然气)体系中具有良好的阻聚性能,可有效阻止水合物颗粒间的聚积,最终形成均匀稳定的水合物浆液。另外,由不同时间的停输/重启实验可知(2、4、8 h),水合物浆液表现出触变性流体特征,重启过程中未发现水合物颗粒的沉积现象。     

气水体系甲烷水合物生成和分解动力学

为进一步探明搅拌对甲烷水合物生成和分解动力学特性的影响，借助容积约为522mL，最高操作压力21MPa的高压全透明反应釜装置，开展了不同搅拌条件下甲烷水合物的生成、分解和浆液流动实验，得到了搅拌对水合物生成量、生长速率和分解速率的影响规律，基于搅拌电机扭矩值分析了不同搅拌速率下水合物浆液的流动特性。搅拌电机型号ViscoPakt Rheo-57，带有扭矩测量功能，测量最大范围57N·cm，精度±0.04N·cm。结果表明：在水合物开始快速生成的前期，水合物的最大生成量、最大生长速率及平稳生长速率都随搅拌速率的增大而增大，进一步验证了传质是控制水合物生成过程的首要因素；在水合物分解阶段，搅拌能提高水合物颗粒的分散性，促进分解气的运移产出；此外，不同搅拌速率下，水合物浆液的电机扭矩随着水合物体积分数的增大都呈现先保持平稳再逐渐增大最后剧烈波动的规律，由此得到了水合物浆液携带固相颗粒的临界体积分数。研究结论在一定程度上揭示了水合物的生长和分解机理，为动力学预测模型研究提供了参考。     

含砂搅拌体系甲烷水合物生成与分解实验研究

利用高压反应釜装置,在不同初始压力、砂粒粒径等条件下进行甲烷水合物的生成与分解实验,研究细质砂粒固相颗粒对甲烷水合物成核诱导时间、生成和分解等的影响规律。结果表明:砂粒能够促进甲烷水合物生长,体系初始压力越高,水合物生成速率越高;体系初始压力为7.2 MPa、砂粒粒径为2 000目(6.5μm)时,水合物生成过程最稳定,且水合物生成量最多;在分解过程中,纯水体系和含砂体系的分解速率相当,只存在气体释放量的差异。进而得出结论:砂粒固体颗粒的存在会促进水合物生成,所以在水合物开采过程中,若工况满足水合物生成条件,水合物二次生成会更易发生,使得矿藏砂粒、水合物、天然气、海水在管道内的多相混输堵塞风险增加;含砂条件对水合物分解的影响作用不大,矿砂在水合物分解过程中对流动安全的影响有待深入研究。该研究成果为解决深水浅层水合物开采过程中的流动安全保障问题,提供了重要的理论基础和技术支撑。     

气液两相流在卧式螺旋管内摩阻特性实验研究与计算模型的建立

为了研究气液两相流在卧式螺旋管内的摩阻特性及其影响因素,得到一个适用范围大、准确性更高的摩阻计算公式。采用室内实验的方式,测量出不同压力、流量、干度条件下气液两相流在螺旋管内摩阻压降,幵采用两相摩擦乘子ф2LO来处理实验数据,描述不同条件下的摩阻压降。实验结果表明质量流量对螺旋管内摩阻的影响较小,螺旋管内摩阻随着压力的增大而减小,在干度小于0.35时,螺旋管内摩阻随着干度的增大而增大,当干度大于0.35时,螺旋管内摩阻随干度增大而变化不大。幵且通过量纲分析以及线性回归的方法推导出气液两相流在螺旋管内的摩阻计算公式,幵与实验数据进行对比分析,拟合效果较好。     

纯水体系二氧化碳水合物浆液流动特性的研究

为研究纯水体系下二氧化碳水合物浆液流动的特性,在高压环路中进行水合物的生成实验.分析二氧化碳水合物在气泡流、段塞流条件下的堵塞过程及机理;在环路堵塞后仍保持水浴降温,分析了堵塞后水合物的温度及生成速率的变化.结果表明:气泡流生成水合物的位置主要在管道顶部,以小气泡为核生长出的水合物层拦截液相中的絮状水合物逐步降低流通面...