基于HYSYS的C3/MRC天然气液化流程影响因素分析

基于悬浮气泡表面生成气体水合物的高压可视化实验装置,分析探讨了系统压力、温度、水质因素对天然气水合物的成核和生长规律的影响。研究结果表明,随着反应温度的降低和反应压力的增大,诱导时间和生长时间呈现出缩减的趋势,气泡表面水合物逐渐由粗糙变得光滑;蒸馏水形成的水合物比较规则、密实,而纯净水形成的水合物略显凌乱、松散;相同实验条件下,蒸馏水生成水合物的诱导时间和生长时间较短。     

二氧化碳水合物生成驱动力的研究

选用摩尔吉布斯自由能的变化作为水合物生成的通用驱动力,推导CO2水合物的水合反应驱动力表达式。通过雾流强化水合反应系统装置,针对CO2水合物的生成驱动力进行实验研究,揭示CO2水合物生成过程动力学特性。结果表明,水合反应系统压力越高、温度越低,CO2水合物的生成驱动力数值的绝对值越大,越有利于CO2水合物的生成;在275.15K,随着压力的增加,驱动力增强,但不呈线性,而是从快到慢渐趋于平缓,驱动力数值的绝对值为0.1820kJ/mol~1.1903kJ/mol;CO2水合物的生成量随着实验条件生成驱动力的增加而增大。     

深水油气井关井期间井筒含天然气水合物相变的气泡上升规律研究

深水油气井关井期间天然气水合物的生成会导致气泡迁移滞后,影响钻井安全作业周期,为此利用室内垂直圆筒模拟深水井筒环境,实验研究了甲烷气泡表面水合物膜生长特性,提出了考虑自然对流传热的水合物横向生长模型及水合物膜厚度预测方法;分析了水合物气泡变形率与莫顿数、拖曳力系数及雷诺数之间的相关性,据此建立了关井条件下井筒中含水合物相变的气泡上升速度综合预测模型,并对南海某井的安全作业周期进行了预测和分析。通过实验和模拟分析发现,建立的自然对流传热模型对水合物膜横向生长速率和厚度具有较高的预测精度;水合物气泡的变形率随莫顿数增大而减小,拖曳力系数随雷诺数增大先减小然后逐渐增大,并拟合得到了气泡变形率、拖曳力系数计算公式。研究表明,气泡表面水合物的生成显著降低了气泡的上升速度,延长了安全作业周期,但气体到达海底井口后水合物堵塞风险增加,现场应根据关井时间采取针对性的井控措施。      

动力学抑制剂作用下天然气水合物生成过程的实验分析

通过实验分析动力学抑制剂作用下天然气水合物的生成动力学过程,可为动力学抑制剂的作用机理研究及新型抑制剂的研制提供可靠依据。为此,利用自行研制的水合物抑制性评价装置,模拟了3 000m深水钻井的井下动态环境(2℃,30MPa),对常用类型的动力学抑制剂进行了天然气水合物抑制性能评价实验,结合实验过程中压力—温度曲线以及温度、压力随时间的变化曲线,建立了钻井动态环境中天然气水合物生成动力学研究的分析方法,分析了深水钻井中动力学抑制剂作用下天然气水合物生成的动力学过程。结果表明,通过该方法可将天然气水合物的生成过程划分为水合物成核、水合物生长和水合物大量生成3个阶段,几种常用天然气水合物动力学抑制剂对水合物成核期的影响并不明显,但可有效抑制水合物的生长;以内酰胺基为关键作用基团的水合物动力学抑制剂主要通过吸附在水合物表面延缓水合物生长来发挥抑制作用,而其中共聚物类天然气水合物动力学抑制剂的抑制效果优于均聚物类天然气水合物动力学抑制剂。     

气液界面形成气体水合物的实验研究

实验观测了静止气液界面气体水合物的形成,通过分析讨论在不同的气相压力和反应釜温度下界面处形成气体水合物的生长形态、诱导时间、生长时间以及生长速率的变化,揭示了气液界面水合物的成核以及生长规律。随着压力的增大和温度的降低,水合物膜的成核时间和生长时间都随之减小,水合物膜平均生长率呈现增长趋势;在一定的压力和温度下,当水合物膜生长到一定程度时生长形态基本无变化。     

水合物法天然气管道输送的实验研究

随着海洋油气开发向深海进军,海底油气混输管线受困于天然气水合物堵塞问题。天然气水合物浆液管道输送技术是保障深水油气田开发的新工艺,而研究天然气水合物浆液的流动特性则是实现上述管输新技术大规模工业应用的重要基础。为此,自行设计了一套模拟海底油气管道天然气水合物生成及其浆体流动的实验装置,分析了模拟海底管道工况下天然气水合物的生成特点,推断出海底管道中天然气水合物生成大致经历乳状物→粒状物→团状物→云状物4个过程;测定了不同工况下天然气水合物生成的诱导时间和生成时间,发现随着反应压力增大,天然气水合物的诱导、生成时间逐渐缩短;比较了温度对天然气水合物生成的影响,发现随着温度升高,天然气水合物的诱导、生成时间均变长;研究了不同工况下的耗气量;初步探讨了海底管道中流动体系下天然气水合物的生成机理。该成果为海底管道以水合物法输送天然气提供了技术依据。     

水下采油树节流阀中天然气水合物生成分析

采用数值模拟的方法,结合天然气水合物生成的温度-压力曲线,对水下采油树系统中套筒式节流阀内的天然气水合物生成情况进行分析。将节流阀内实际压力与天然气水合物生成的临界压力的最大差值定义为最大等效压力,在此基础上,研究了进口温度、出口压力及相对开度对最大等效压力的影响,并提出了一种新的天然气水合物预测方法——最大等效压力法。根据此方法,得到了在特定进口温度和出口压力条件下的水合物生成的临界相对开度区间。相对开度在此区间内,节流阀内不会生成水合物;在此区间外则有水合物生成。研究结果对天然气生产及输送过程中的流动保障具有重要意义。     

管道流动体系下天然气水合物生成模型的研究进展

管道流动体系下天然气水合物生成模型的建立对天然气水合物浆液的输送、管输天然气水合物防治以及天然气水合物技术的应用都具有重要意义。为此,查阅了大量的国内外相关文献并进行了总结与分析,认识到目前对该类模型的研究较少,现有的模型也是在静态釜式反应器天然气水合物生成理论基础上拓展而来的,主要包括驱动力、成核速率、诱导时间、水合物生长等方面的模型,上述模型被广大研究者用于计算管道单个截面处天然气水合物的生成速率预测,具有较好的计算精度。但现有模型用于管道流动体系下天然气水合物生成特性的预测还不成熟,需要进一步开展管道流动体系下天然气水合物的生成机理、管道沿线温度变化、添加剂及其流动界面对气液传质的影响等研究,建立动力学、传热、传质三者相结合的管道流动体系下天然气水合物生成模型,以此来解决管道流动体系下天然气水合物生成预测的技术难题。     

表面活性剂对天然气水合物合成影响的实验研究

为研究钻井液化学成分对天然气水合物的影响作用,利用天然气水合物人工合成实验系统进行了天然气水合物的人工合成实验.在天然气水合物的合成过程中,分别对天然气-水溶液体系中加入表面活性剂(Sodium Dodccyl Sulfate)与未加入表面活性剂时水合物的生成时间、生成温度、生成压力及表面活性剂的浓度等对生成过程的影响进行了实验.在加入表面活性剂的天然气-水溶液体系中,由于表面活性剂的存在加速了气体和水溶液体系的接触面,从而加速了水合物的生成、降低了水合物的生成压力、提高了相同条件下的生成温度,即表面活性剂的存在改变了天然气水合物的生成条件,而且增加了水合物中的含气率.因此,表面活性剂用于配置钻井液有利于保持天然气水合物井的井壁稳定.     

天然气管线水合物生成影响因素研究

介绍了天然气管线中水合物生成条件、以及水合物的生成对管线正常输送和安全运行的影响;提出了天然气管线水合物生成影响因素比较框图,对不同输送工况下管道中水合物的生成进行了分析,得出天然气管线中水合物生成影响因素有输量、起点压力、起点温度和管径,其中输量影响最大,起点压力影响最小,适当增大输量、提高起点温度、降低起点压力和减小管径,可以缩小水合物生成范围甚至避免水合物生成。     

天然气水合物生成的影响因素及敏感性分析

天然气水合物是由某些气体或它们的混合物与水在一定温度、压力条件下生成的一种冰状笼型化合物。进行水合物生成条件的敏感性研究对预防天然气水合物的生成有着重要意义。分析了温度、压力两个主导因素的影响,提出了临界温度的概念;验证了盐类对水合物生成的抑制作用;剖析了天然气各组分对水合物生成的敏感程度。得出:水合物生成温度随着压力的增加而升高,但是存在一个临界温度,当环境温度达到该值时,压力对水合物生成的影响很小;甲烷虽然是生成水合物的主要组分,但当其含量趋近100%时,却不易形成水合物;乙烷不是敏感组分;丙烷对水合物生成的影响较乙烷大;异丁烷这类重烃组分,由于其分子大小和Ⅱ型结构中的大洞穴尺寸相匹配,所以对Ⅱ型结构的稳定能力远大于其它分子,当其含量较小时,就易生成Ⅱ型结构水合物;CO2和HS这类酸性气体,易溶水从而能促进水合物的生成。     

冰点以下天然气水合物的生成动力学研究

通过实验研究了冰点以下天然气水合物的生成反应中压力、温度及冰粒大小等的影响,并研究了过冷和过压在水合物生成中的作用。研究结果表明,压力越高,温度越低,冰粒越小越有利于水合物的生成,并且过冷及过压程度和过压时间均促进水合物的生成。文中还得出衡量反应进行程度的天然气水合物含气率随反应进行时间的关系曲线。     

冰点以下天然气水合物的生成动力学研究

通过实验研究了冰点以下天然气水合物的生成反应中压力、温度及冰粒大小等的影响,并研究了过冷和过压在水合物生成中的作用.研究结果表明,压力越高,温度越低,冰粒越小越有利于水合物的生成,并且过冷及过压程度和过压时间均促进水合物的生成.文中还得出衡量反应进行程度的天然气水合物含气率随反应进行时间的关系曲线.     

悬垂水滴表面形成天然气水合物的特性研究

基于静止悬垂水滴合成气体水合物高压可视化实验装置,分析探讨了系统压力、温度、水源等因素对形成气体水合物的生长特性的影响与作用机理。研究结果表明：气相压力越高,水合驱动力越大,水滴表面水合物颗粒成核时间越短;气相温度越低,反应过冷度越大,水合物颗粒成核时间越短,利于水合反应;与纯净水、蒸馏水相比,冰融化后的蒸馏水生成水合物时间较短,作为水合反应的客体水源较好。本实验基于水合物的喷雾法制备,实现了水合物研究从宏观领域到微观领域的迈进。     

冰点以下天然气水合物的生成动力学研究

通过实验研究了冰点以下天然气水合物的生成反应中压力,温度及冰粒大小等的影响,并研究了过冷和过压在水合物生成中的作用,研究结果表明,压力越高,温度越低,冰粒越小越有利于水合物的生成,并且过冷及过压程度和过压时间均促进水合物的生成,文中还得出衡量反应进行程度的天然气水合物含气率随反应时间时间的关系曲线。     

天然气长输管道中水合物生成的预测

天然气管道运行过程中,随着管道内压力、温度和天然气组分的变化会生成水合物。水合物的生成会降低管道的输送能力,从而提高输送成本,严重时更会堵塞管道甚至发生管道爆裂,造成重大的生产事故和巨大的经济损失。通过天然气管道内水合物生成条件预测模型的建立,确立天然气水合物形成时的温压关系,再结合天然气输送管道中温度和压力分布的仿真模拟,就可以预测天然气输送管道中水合物生成的大体位置和水合物生成的类型。这可以为防止天然气输送管道中水合物生成和堵塞提供技术依据,也为管道的设计和运行提供指导性建议。     

气井井筒水合物预测研究

天然气中的各种组分分子在一定温度和压力下,与游离水结合,形成结晶笼状固体,在生产的过程中会堵塞油管,严重的时候甚至造成停产.考虑井筒中天然气温度和压力的耦合,从井底逐点迭代计算出井筒中天然气温度、压力的分布,再用判别水合物的热力学模型逐点判别是否形成水合物和找出水合物生成的具体位置,为防止水合物的生成提供指导作用.可以通过降低井筒压力和提高井筒温度或降低天然气体系的形成温度2个方面着手预防水合物的生成,防止水合物生成可作为开发前期选择油管考虑的一个因素.     

喷射反应器中天然气水合物生成实验

基于实验室自行研制的一套喷射循环反应器进行水合物快速生成的实验。系统核心部件为由射流器和静态混合器组成的气泡发生器,通过控制气体循环速度的变化可控制气泡流流型。水合物生成实验始终保持喷射器处于自由抽吸状态,流态为高速向上的喷射型。采用静态混合器的情况下,喷射装置产生的微气泡可以极大地缩短水合物生成的诱导时间,但会降低水合物的生成速度,由于采用静态混合器增加系统背压,造成气体循环速度减小。经过对实验数据的进一步分析得出：喷射反应器中水合物的生成速度主要依赖于过冷度、气体循环流量、压力等因素;射流反应器生成水合物的方法与其他方法相比具有明显的优越性。     

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天然气水合物是一种类似冰的笼型晶体水合物。它的生成与压力，温度，气水接触面积以及添加剂等因素有关。利用天然气水合物储气实验台，实验研究了不同类型的表面活性剂（包括阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂）对天然气水合物生成的影响，主要研究了它们对天然气水合物生成速度，储气密度，诱导时间以及虚拟水合数的影响。结果表明：不同类型的表面活性都不同程度提高了水合物生长速度和储气密度，缩短了水合物形成的诱导时间，并使虚拟水合数接近于理论值。     

孔板气泡法缩短天然气水合物形成诱导期

为缩短天然气水合物形成诱导期，基于气液两相流原理和天然气水合物形成条件，提出从高压反应釜底部进气，利用孔板鼓泡来增大气液接触面积，增强气体对液体的扰动，从而缩短天然气水合物形成诱导期的动态方法。据此，建立带有机玻璃视窗的高压反应釜实验系统，在浓度为280 ppm十二烷基硫酸钠（SDS）促进剂水溶液中进行天然气水合物生成动态实验（反应釜底部进气）和静态实验（反应釜顶部进气）。结果表明，使用此法，一定压力（P=4.15 MPa）和温度（T=274.05 K）下，相比于静态实验（P=4.30 MPa，T=273.95 K），天然气水合物形成诱导期可缩短约2/3，尽管其它条件相同时，理论上后者的温度和压力更有利于天然气水合物的形成；此外，实验结果还表明，一定反应条件下，天然气水合物形成诱导期受通气状况的影响，实验中，通过控制气流速率，一方面可控制气泡直径（气泡直径越小，气液接触面积越大）；另一方面可延长通气时间（增加了气体对液体的持续扰动）。这二者都有助于缩短天然气水合物形成诱导期。