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。     

二氧化碳水合物浆在圆管中的流动特性

实验研究了固相分数为8.2%～23.1%的CO₂水合物浆在内径为8 mm的圆管中的流动特性。结果发现水合物浆在管内的流动压降随着流速的增加而增大。当流速低于0.60 m·s^-1时,浆体流变指数小于1,且随着固相体积分数的增大而减小,CO₂水合物浆为H-B流体,其表观黏度随着流速的增大而减小,呈剪切变稀特性。剪切速率为600 s^-1时,CO₂水合物浆的表观黏度为8.5～10.6 mPa·s。实验得到了CO₂水合物浆的流变特征参数及其流变方程,可为CO₂水合物浆的流动及其应用研究提供理论指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

天然气水合物在管道中的流动沉积特性研究

随着天然气水合物开采及开发技术研究的不断发展,水合物的宏观流动特性研究成为保证天然气水合物顺利输送的必要条件。为此,对天然气水合物在管道中的稳定流动状态及临界堵塞条件进行了研究,以传统的固液双层流动模型为基础,结合天然气水合物在水平管道中的流动特点,提出了天然气水合物稳定流动的判定标准——临界流动速度和临界床层高度,即管道内出现固定床层的临界速度和该速度对应的床层高度;并提出了计算天然气水合物流型及流动参数的方法。在此基础上,对天然气水合物在管道中流动的沉积特性进行了研究,设计正交方案,对比了不同因素对临界沉积速度的影响因子。实验验证结果表明:该方法可以较为准确地描述天然气水合物的流动状态及其特征参数,对判断其安全流动具有一定的指导意义。     

水合物浆液黏度特性与流动阻力特性的研究进展

总结了国内外水合物浆液在黏度特性与流动阻力特性方面的研究成果,结果表明,水合物浆液多呈现剪切稀释性,但对其微观机理的研究不够深入,在水合物浆液拟单相研究方面较为成熟,在多相流动方面则有待加强。     

四氢呋喃和一氟二氯乙烷水合物颗粒聚结特性

实验研究了四氢呋喃(THF)水合物和一氟二氯乙烷(HCFC-141b)水合物颗粒聚结特性,将实验得到的水合物颗粒聚结粒度分布(PSD)与正态分布、对数正态分布、伽马分布、威布尔分布拟合曲线对比,探讨了初始四氢呋喃溶液和一氟二氯乙烷溶液浓度以及搅拌速度对水合物颗粒聚结的影响,并对四氢呋喃水合物和一氟二氯乙烷水合物颗粒特性进行了对比。结果表明,四氢呋喃水合物和一氟二氯乙烷水合物颗粒聚结粒径符合对数正态分布;初始溶液浓度越低、搅拌速度越大,水合物颗粒聚结粒径越小,可以起到防治水合物颗粒聚结的作用;四氢呋喃水合物颗粒粒径是一氟二氯乙烷水合物颗粒粒径的1.3倍左右,从成浆输送的角度来说,一氟二氯乙烷水合物颗粒更易于在管道中输送。     

四氢呋喃水合物浆液黏度影响因素敏感性分析

在深水油气开发过程中,注入水合物防聚剂可以防止水合物聚积,使其以水合物浆液的形式输送,是一种很好的防治水合物替代方法。文中以四氢呋喃、-10号柴油、渤海JZ20-2凝析油和水为工质进行水合物浆液实验,测量了不同实验条件下四氢呋喃水合物浆液的黏度。着重归纳了初始含水质量分数、剪切率、油相黏度等因素对水合物浆液黏度的影响规律,并利用多因素分析法分析了各个影响因素的敏感性大小。对今后水合物浆液混输管线的设计与安全运行具有较好的指导意义。     

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...     

Storage capacity of hydrogen in tetrahydrofuran hydrate

The storage capacity of hydrogen in tetrahydrofuran hydrate was investigated by means of pressure-volume-temperature (p-V-T) measurement and Raman spectroscopic analysis. We carried out two measurement strategies using Raman spectroscopic analysis. One was isothermal pressure-swing absorption using tetrahydrofuran hydrate at 277.15 K, and the other was the preparation of a single crystal of hydrogen+tetrahydrofuran mixed gas hydrate from compressed hydrogen and tetrahydrofuran aqueous solutions along the stability boundary. The storage amount of hydrogen at 277.15 K obtained from the p-V-T measurement is about 1.6 mol (hydrogen)/mol (tetrahydrofuran) (about 0.8 mass%) at 70 MPa, and isothermal Raman spectroscopic measurement reveals that it reaches the maximum value of 2.0 mol (hydrogen)/mol (tetrahydrofuran) at about 85 MPa. These results agree well with those for a single crystal of hydrogen+tetrahydrofuran hydrate.     

弯管体系内浆液流动分析

针对弯管系统中易在弯头处出现水合物堵塞的现象,以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响弯管系统中水合物颗粒最大体积分数的2个因素(颗粒直径、管径)进行了分析。结果表明:当水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,即随着粒径的增大,水合物的最大体积分数趋近迅速增大的状态,而当浆液流速较快时,水合物最大体积分数受流速影响较大;管径的增大可以减小水合物颗粒直径对弯管系统中水合物最大体积分数的影响,到管道直径达到200 mm时,水合物颗粒直径的变化几乎不会影响水合物最大体积分数。研究结果为水合物浆液混输领域的发展提供理论依据。     

Decomposition kinetics and recycle of binary hydrogen‐tetrahydrofuran clathrate hydrate

Decomposition kinetics and recycle of hydrogen–tetrahydrofuran (H₂–THF) clathrate hydrates were investigated with a pressure decay method at temperatures from 265.1 to 273.2 K, at initial pressures from 3.1 to 8.0 MPa, and at stoichiometric THF hydrate concentrations for particle sizes between 250 and 1000 μm. The decomposition was modeled as a two‐step process consisting of H₂ diffusion in the hydrate phase and desorption from the hydrate cage. The adsorption process occurred at roughly two to three times faster than the desorption process, whereas the diffusion process during formation was slightly higher (ca. 20%) than that during decomposition. Successive formation and decomposition cycles showed that occupancy seemed to decrease only slightly with cycling and that there were no large changes in hydrate structure due to cycling. Results provide evidence that the formation and decomposition of H₂ clathrate hydrates occur reversibly and that H₂ clathrate hydrates can be recycled with pressure. © 2010 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2011     

Crystal growth inhibition of tetrahydrofuran hydrate with bis- and polyquaternary ammonium salts

Small quaternary ammonium salts, particularly with butyl or pentyl groups, have been shown previously to be good Structure II tetrahydrofuran hydrate crystal growth inhibitors. This ability has been exploited in their use as synergists for certain kinetic hydrate inhibitor polymers, and in the design of commercial gas hydrate anti-agglomerants. We have now investigated the effect of bis- and polyquaternary ammonium salts, in which all the nitrogen atoms are in the backbone of the molecule, on the crystal growth of tetrahydrofuran hydrates. The results are compared with those of monomeric quaternary compounds previously reported. The new compounds tested contain 2 to over 100 quaternary centres with various structural geometries including linear and branched polymers. The size of the alkyl groups on the nitrogen atoms was varied and contained from 2 to 6 carbon atoms. Improved performance over monoquaternary ammonium salts was obtained with both bis-quaternary and polyquaternary ammonium products. The optimal distance between the nitrogen atoms in bis-quaternary ammonium salts for best THF hydrate inhibition appears to be with a chain of 6–8 aliphatic carbon atoms.     

Microscopic morphology evolution of the crystal structure of tetrahydrofuran hydrate under flowing condition

The evolution of the hydrate particle structure during growth and agglomeration under flowing condition affects the particle as well as flow characteristic, which plays an important role in the flow assurance as well as heat transfer in refrigeration systems. Therefore, this article conducts experiments to study and observe the growth and agglomeration process in the main forming stage of hydrate. It was found that the growth of tetrahydrofuran hydrate was anisotropic and in a layered growth pattern. Single crystals generally transformed from octahedral structure to octahedral skeleton structure with growth, however some single crystals also deformed into plate type particles. The thickness of the plate type particles increased gradually during growth, and the edge part increased earlier than the middle part. During agglomeration, the hydrate particles contacted and sintered together. Sand as the impurity didn’t serve as the nucleation center but affected the agglomeration of hydrate particles by collisions. In addition, the effect increased as the sand size decreased. Finally, a microstructure model for hydrate growth and agglomeration was proposed, which showed the hydrate structure evolution in these processes and could lay a foundation for studying the flow assurance of hydrate slurry.     

水合物浆体在水平细管中的流动相变换热

实验测量了质量分数为0~19.2%的TBAB水合物浆体在恒热流条件下在小管径内流动时的流动传热特性。利用数值计算获得管内浆体的沿程温度分布,在此基础上得到水合物浆体在小管径内的强制对流传热特性。结果表明加热功率对小管径管道中的浆体传热特性有较大影响;在层流状态下,流速对传热系数的影响相比紊流时要小。在实验数据基础上总结出了TBAB水合物浆体在小管径管内的对流换热经验关联式。