油水体系水合物浆液流动保障研究进展

海洋油气田的高效、安全开采是践行国家深海战略、探索未来战略能源的必要手段。在深海低温、高压环境下运行的多相混输管道的堵塞已成为能源行业安全生产和流动保障的棘手问题，而天然气水合物的快速形成是造成这一问题的主要诱因。明晰油水体系水合物浆液的堵塞机理，开发设计绿色、环保的低剂量水合物抑制剂，掌握浆液的流动特征，将为深水油田多相混输管道的流动保障提供理论基础和技术指导。为此，本文从水合物堵塞过程、化学法防治以及水合物浆液的流动特性等方面总结概括了油水体系水合物浆液的流动保障研究进展。油水体系水合物堵塞主要由水合物的生长、聚集、管壁黏附和着床沉积造成，文章提出：应量化水合物生长、聚集、管壁黏附和着床沉积等因素对流动阻力和管道堵塞的影响，建立科学的工业管道水合物堵塞风险评估理论体系；借助微观尺度实验和分子动力学模拟，厘清不同类型的动力学抑制剂（KHIs）抑制机理和防聚剂（AAs）防聚机理；将实验探索、理论分析和数值模拟相结合，解耦颗粒微观行为与流场宏观物理参数间的关系，定量表征浆液流变性和流动阻力。     

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。     

基于OpenFoam水合物浆液流动沉积研究

为了保障深海水合物工业化开采输运管道的安全运行,文中通过耦合双流体模型、界面面积输运方程及管内对流换热方程,综合考虑水合物相变和沉积保温,研究多种因素对水合物浆液输运过程造成的堵塞风险。基于实际生产工况探究不同倾角和流速对管道内水合物浆液流动沉积特性的影响。结果表明：随着管道倾角的增大水合物沉积风险先增大而后减小,随着流速增加,水合物沉积开始区域不断发生变化,最大堵塞风险区域不断向出口处移动,管段中后部是堵塞的主要区域。数值模拟与相关实验结果吻合良好,可为水合物浆液流动安全保障提供理论支持。     

水合物浆液流动与流变特性分析

近年来,深海油气田的不断开发,使得油气混输过程中水合物浆技术逐渐成为了重点关注的内容。而在水合物浆技术进一步使用的过程中,水合物浆液流动与流变是最基础的内容。成核——长大——稳定是水合物形成所必须经历的过程,而在这一系列的过程中,其宏观形态都会发生明显的改变。     

胶凝黏附作用对含蜡油包水乳状液蜡沉积的影响

油水两相掺混乳化输送中的蜡沉积问题已经成为了保障集输管道安全运行的研究新热点。目前,含蜡油水乳化体系的蜡沉积问题研究仍处于起步阶段。有别于单相蜡沉积的分子扩散、剪切剥离和老化等蜡沉积机理,含水乳化产生的胶凝黏附效果对蜡沉积厚度变化以及沉积生长规律产生了显著影响。基于对微观层面上的蜡晶和水滴的相互作用的分析,介绍了沉积过程中蜡晶-水滴凝油团的形成和黏附过程,给出了胶凝黏附的作用机理,并结合流动过程中的油壁面温度以及流动过程的剪切剥离作用系统地分析了不同含水率条件下的胶凝黏附作用对蜡沉积的影响,为管道的安全运行提供相关的理论支持。     

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。     

多相流管输体系中水合物沉积机理研究进展

国内外对多相流管输体系中水合物沉积的研究虽然很多，但水合物沉积机理仍有待进一步研究。本文根据水合物沉积实验开展条件的不同，将多相流管输体系分为气体主导体系、油基体系、部分分散体系、水主导体系，总结了各体系的水合物沉积的主要机理，并提出了未来的发展方向。管输体系中水合物沉积机理包括水润湿沉积表面、水合物颗粒聚并、水合物的管壁膜生长、水合物颗粒的管壁粘附和水合物的颗粒着床沉积等。大多数学者认为：水合物的管壁膜生长是气体主导体系水合物沉积的主要机理；油基体系水合物沉积的主要机理是水合物颗粒的着床沉积；而部分分散体系和水主导体系的水合物沉积机理尚无统一定论，需进一步研究。多相流管输体系中水合物沉积研究未来的发展方向如下。①搭建全透明的流动环路，观测水合物在管路内实际的形成过程及沉积过程，对水合物沉积机理进行深入研究。②量化研究油水分层、油包水(或水包油)乳状液、自由水层对水合物沉积、堵塞的影响。③对于气体主导体系，除环状流和分层流外，有必要对段塞流、气泡流等其他常见的流型下沉积机理进行研究，重点在于开发一个综合模型来描述水合物沉积过程。④对于水主导体系，水合物形成过程出现的油水破乳的具体机理应是未来水合物沉积过程进行定量研究的方向。⑤国内外对垂直管、弯管及管阀件处水合物沉积堵塞理论研究较少，未来应着重这方面。     

天然气水合物浆体流变性与安全流动边界研究进展

水合物安全流动技术作为一种新型的天然气运输管理方法具有广阔的发展前景,本文在综述国内外天然气水合物安全流动研究的基础上,分析了管道流动天然气水合物生成机理、特点和对油气管道的不利影响以及现有水合物安全流动研究存在的问题,包括实验管道长度较短、着重流动规律的研究而缺乏对流动边界的拓展等。进而对国内外天然气水合物低剂量抑制剂(low dosage hydrate inhibitor,LDHI)在保障天然气水合物安全流动、拓展天然气水合物安全流动边界以及螺旋流携带研究进行了总结评述;随后提出了利用螺旋流悬浮输送技术保障天然气水合物安全流动、拓展流动边界的新型方法。结合实验结果分析表明:螺旋流动从宏观上改变水合物浆体流动特点、有效提高水合物浆液的输送浓度并可拓展水合物安全流动边界。     

油气输送管线水合物沉积研究进展

水合物在油气输送管线内的沉积是导致管线堵塞的重要原因。本文调研了国内外水合物沉积研究常用的实验装置,主要包括微机械力测量装置、摇晃式反应釜和不同规模的实验环路。利用上述装置的实验研究及相关计算流体力学模拟研究共同表明,水合物颗粒的管线着床、水合物的管壁膜生长和水合物颗粒的管壁黏附是油气输送管线内水合物沉积的3种主要机理。水合物浓度过高、水合物颗粒粒径过大及管内流速过低是水合物颗粒着床沉积的主要原因。管壁和流体间存在温度梯度且管壁处过冷度较大时,水分子或气体分子由流体内部向管壁处的扩散是引发水合物膜生长沉积的根本原因。水合物颗粒与管壁间的毛细液桥力和范德华力是粘附沉积产生的主要原因。针对3类沉积机理,分别介绍了其沉积特性及相关沉积模型。过冷度与水合物的沉积机理密切相关,因此可根据流体过冷度的大小对管线不同位置处的水合物沉积机理进行区分。沉积模型的完善及水合物沉积特性与流体流动特性间的耦合对油气流动安全保障具有非常重大的意义,是未来研究的重点。     

天然气水合物的防治方法综述

随着油气田开发的不断深入和深海油气田的不断发展,天然气水合物的生成对油气田开发和管道运输均有很大危害。介绍了天然气水合物的形成机理和基本过程,概述了四种抑制天然气水合物生成的方法,分为干燥法,如干空气干燥法;压力控制法,如逐级节流法;加热法,如水套炉加热法、热水管加热法、电磁加热法;注入化学抑制剂法,如热力学抑制剂法、动力学抑制剂法和几种新型抑制剂法,并分析了各自的适用范围和作用机理,提出了国内今后的水合物抑止技术的发展方向。     

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。     

气体水合物阻聚剂研究进展

由水合物生成与聚集引起的堵塞一直是深水油气流动安全保障领域面临的棘手问题。水合物阻聚剂（AAs）因可防止水合物颗粒聚集而成为降低水合物风险的有效方法之一。本文基于作者课题组在水合物抑制技术方面的研究工作，分别梳理表面活性剂型和固体颗粒型水合物阻聚剂的构效关系。同时，调研国内外宏观-微观-分子不同尺度的阻聚性能测试手段，包括高压搅拌反应釜、摇摆槽、流动轮和流动环路，以及微观力测试仪和分子动力学模拟。基于上述实验装置和分子模拟研究结果，总结了不同类型阻聚剂对水合物的作用机理，特别是乳化和吸附机理。最后分析现有水合物阻聚剂存在的问题，并展望了水合物阻聚剂的未来发展方向。这为将来适用于南海深水油气田的高效、绿色和经济水合物AAs的开发提供重要的技术支持。     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

磁处理技术在石油储运中的研究进展

磁处理技术可以显著增强原油的流动性,提高原油的输送效率,在石油行业中有较多应用,目前其深层次改性机理研究仌受国内外学者关注。总结了国内外磁处理技术在降低原油黏度、防止原油结蜡以及油水乳状液处理方面的研究迚展,仍宏观和微观迚一步阐述了磁处理技术对原油的改性机理及影响因素,提出了磁处理在原油流动改性方面的后续研究建议,旨在为扩展其在石油行业的应用提供迚一步的理论依据。     

基于流动安全保障的南海某测试井水合物风险研究及治理新思路

天然气水合物是流动安全保障最重要的问题，主要靠热力或化学的手段加以预防。南海某测试井在清井求产工况中疑似出现水合物问题。本文概述如何利用流动安全保障技术评估该井现有安全阀下入深度是否满足水合物风险治理需求，以及下入井下束流阀治理水合物风险的可行性分析，进而为将来的水下井口测试井流动安全保障设计提供参考，以及在满足井筒完整性要求的前提下提供一种治理水合物风险的新思路。     

蜡晶析出对CO2水合物相平衡及诱导特性的影响

为了探明蜡晶析出对水合物生成相平衡特性及成核特性的影响,本文选用2^#工业白油与60^#昆仑石蜡的混合溶液来模拟含蜡体系,利用高压可视化搅拌釜开展含蜡体系水合物生成实验,结合水合物生成过程中的可视化图像,研究不同蜡晶浓度对水合物生成相平衡曲线、水合物成核诱导时间、诱导时间变化率的影响规律及蜡晶析出对水合物生成机理的影响。结果表明：①随着蜡晶浓度的增加,水合物生成相平衡条件逐渐降低,相平衡曲线较无蜡体系向右偏移,且蜡晶浓度越大,偏移趋势越明显,在温度281.5K时,3.5%（质量分数）的蜡含量比无蜡体系的相平衡压力降低6.5%;②通过分析不同蜡晶浓度对水合物成核诱导时间的影响发现,蜡晶析出加快了水合物结晶,缩短了水合物成核诱导时间,且蜡晶浓度越大,诱导时间缩短越明显;③通过探究不同蜡晶浓度对水合物成核诱导能力的影响发现,随着蜡晶浓度的增加,蜡晶析出对水合物诱导成核的促进能力总体呈现先增大后减小的趋势,即蜡晶对水合物的促进能力不是无限增大的,会随蜡晶浓度的增加逐渐减弱;④通过分析蜡晶析出对水合物生成速率及生成位置的影响发现,当体系达到水合物生成条件时,反应釜中心部分的水合物会先于气液表面及釜壁生成。本文研究成果有助于深海油气开采的应用发展,同时为更好研究蜡晶与水合物耦合特性提供可靠的pVT数据。     

天然气水合物形成与生长影响因素综述

天然气水合物(NGH)是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体,其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值,但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程,不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说;详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响,并对其作了简要分析。同时指出,原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

天然气水合物生成与流动特性研究进展

随着石油天然气工业不断向深海、极地等极端开采环境发展,天然气水合物已经成为油气开采和输送安全的主要威胁之一。在水合物生成和分解机理、浆液流变特性以及流动压降特性三个方面分别综述了目前的相关研究进展,同时对天然气水合物今后的研究方向提出了几条建议。     

A&S油田井筒清防蜡新技术研究

针对PDVSA AS油田在开发过程中存在油井井筒结蜡,蜡沉积在油管内壁上,致使井筒变窄、油井产量降低、堵塞油管,造成油井停产,而传统的井口液体加热与投加改性剂技术在实际应用中存在投资大、管理不便等问题,本文提出了热气举这一新的清防蜡工艺。通过使用HYSYS和Pipephase软件对热气举过程中节流嘴前后温度、井筒环空气体温度进行计算,验证热气举法的可行性。结果表明:注入气体温度为80℃时,节流后无水合物生成且能维持油套环空温度高于60℃,能有效做到井筒清防蜡。本研究为油田解决井筒结蜡问题提供了新思路,具有广阔的应用前景。     

多相管流蜡沉积预测模型研究进展

蜡沉积是含蜡原油及其乳状液管输过程中的常见问题,深入研究蜡沉积问题对保障管道安全经济运行具有重要意义。综述了国内外关于多相流蜡沉积预测模型方面的研究成果,提出了多相管流蜡沉积预测模型研究存在的问题及建议。