天然气水合物在管道中沉积与崩塌的预测模型研究

针对海洋油气管道中发生的由于天然气水合物生成所引起的管道堵塞问题,文章以天然气水合物的 生成、沉积和崩塌机制为基础,从管道内部流体系统的能量平衡、动量平衡、气液界面的传热传质过程和壁面切应力对沉积物的冲击过程出发,建立了相应的天然气水合物生长、沉积和崩塌模型。模型能准确的预测天然气水合物在管道中的生成速率,生长速率的模型计算值与实验值相比较,偏差在 ±１５％之间;针对存在天然气水合物抑制剂（ＭＥＧ）或不存在 ＭＥＧ的条件下,该数学模型对管道内压降的分布情况均能具有较好的预测结果,与实验值相比吻合度较高;在低流速条件下发生天然气水合物沉积时,引发了管道内部的相分布不均匀,而文章的数学模型是基于管道内部各相均匀分布的假设所建立的,因此在低流速条件下模型计算的压降值偏低;该数学模型准确的预测到了当天然气水合物发生崩塌时的管道内部压降突变过程,能很好的对天然气水合物的崩塌现象进行 预测。     

管道流动体系天然气水合物生成模型研究进展

天然气水合物浆液管道输送技术可实现水合物防治的动态控制及天然气水合物的管道输送,而流动体系天然气水合物生成模型研究为水合物浆液管道输送技术的发展提供理论支持。总结了国内外流动体系天然气水合物生成模型的研究进展,重点分析了水合物生成动力学模型。发现目前适用于流动体系的天然气水合物生成模型还很少,并且多为由静态体系水合物生成模型拓展而来。基于气液两相螺旋管流流动特性及天然气水合物微观结构,建立了螺旋管流体系天然气水合物生成模型。最后,指出了流动体系天然气水合物生成模型研究的发展方向。     

管道流动体系天然气水合物分解动力学模型研究进展

天然气水合物聚集堵塞管道事故频频发生,管道解堵耗时棘手,给石油化工行业造成了巨大的经济损失和能源浪费,研究管道流动体系下天然气水合物的分解特性为解决管道水合物冰堵问题提供理论基础。综述了国内外管道天然气水合物分解动力学的研究进展,重点阐述了管道水合物的分解机理及相应天然气水合物分解模型。发现目前关于管道流动体系下水合物分解规律的研究不多,管道水合物分解模型不够完善。基于水合物微观分解机理及环道流体宏观运动规律,对建立多因素影响、适用于管道流动体系的新型管道天然气水合物分解综合模型提出了构想。最后,对管道流动体系水合物分解特性的研究方向提出了建议与展望。     

致密气水合物相平衡动态模型及其热力学特性

天然气在井筒和管道流动过程中极易形成水合物并不断聚集.为此,提出基于Van Laar混合规则PRSV2状态方程的液相和气相逸度计算方法,建立了致密天然气水合物相平衡动态模型,并依据数值模拟和试验测试分析预测致密天然气水合物生成条件,揭示不同组分及混合组分气体对致密气水合物生成的影响.研究结果表明:温度是影响水合物生成的...     

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。     

深水油气管线天然气水合物生成条件预测方法及应用

在深水油气田开发中,为了有效防止天然气水合物的生成,迫切需要对天然气水合物生成条件进行准确预测。为此,根据深水环境压力高和多温度梯度的特点,应用气液两相流理论与传热学原理建立了适用于深水油气管线的温度预测模型;在现有实验数据的基础上,对5种天然气水合物预测方法进行了对比优选,结合Beggs-Brill方法建立了预测深水油气管线天然气水合物生成条件的模型,并编制了相应的计算程序。实例研究结果表明,管线流量越大、绝热材料导热系数越小、绝热层厚度越大、停产时间越短时,天然气水合物的生成区域就越小。该模型可用于制订合理的管线流量指标、选择恰当的管线保温材料和准确计算无接触时间,对深水油气田的安全生产提供了技术支持。     

湿气混输管道瞬态输送数值模拟研究

湿天然气在混输过程中管道内会产生凝析液和水,由此带来水合物和腐蚀等一系列安全隐患问题,而现有的多相流模型对湿天然气管道低含液率输送工况的计算适用性较差。为准确预测湿天然气管道的低含液率瞬态流动特性,基于双流体模型和特征线算法提出了一个新的低含液率气液混输瞬态水力计算模型,通过实验验证了模型的计算精度,并针对湿天然气管道长距离输送的供气和储气瞬态过程进行了模拟分析。研究结果表明,建立的瞬态水力计算模型能够较准确地预测湿天然气管道的集液量、集气量、起终点压力变化等瞬态输送过程,模型所采用的差分特征线算法具有较好的稳定性和收敛性。     

深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞定量预测北大核心CSCD

天然气水合物堵塞预测是进行水合物防治方案设计的重要依据,目前针对深水气井测试实践作业中所采用的水合物生成热力学预测理论仅能初步判断测试管柱中水合物的生成位置。基于气、液两相接触关系及气、液相间传质传热特征,考虑天然气水合物生成和沉积速率,建立了深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞定量预测模型,并以南海西部深水气井X井为例对测试管柱内水合物堵塞高风险区和沉积堵塞程度进行了定量预测。研究结果表明,本文建立的深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞预测模型计算结果具有较高的计算精度,可满足测试作业工况要求;深水气井测试管柱内水合物堵塞多发生在最大过冷度附近;产出气体内存在自由水测试工况下,水合物堵塞发生的风险远高于无自由水工况,产气量减小将增大水合物堵塞风险区域;初始无自由水测试工况下,产气量增加将增大水合物堵塞风险;在测试初期较短时间内,水合物沉积对气体产出影响不大,当测试时间超过安全作业窗口,水合物堵塞风险剧增。本文的研究成果对于深水气井测试管柱内天然气水合物的防治具有一定指导意义。     

深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞定量预测

天然气水合物堵塞预测是进行水合物防治方案设计的重要依据,目前针对深水气井测试实践作业中所采用的水合物生成热力学预测理论仅能初步判断测试管柱中水合物的生成位置。基于气、液两相接触关系及气、液相间传质传热特征,考虑天然气水合物生成和沉积速率,建立了深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞定量预测模型,并以南海西部深水气井X井为例对测试管柱内水合物堵塞高风险区和沉积堵塞程度进行了定量预测。研究结果表明,本文建立的深水气井测试管柱内天然气水合物沉积堵塞预测模型计算结果具有较高的计算精度,可满足测试作业工况要求;深水气井测试管柱内水合物堵塞多发生在最大过冷度附近;产出气体内存在自由水测试工况下,水合物堵塞发生的风险远高于无自由水工况,产气量减小将增大水合物堵塞风险区域;初始无自由水测试工况下,产气量增加将增大水合物堵塞风险;在测试初期较短时间内,水合物沉积对气体产出影响不大,当测试时间超过安全作业窗口,水合物堵塞风险剧增。本文的研究成果对于深水气井测试管柱内天然气水合物的防治具有一定指导意义。     

气田采气管线天然气水合物生成条件预测

延长气田地面集气工程采用高压集气工艺,天然气在井口未经任何处理,经高压采气管线输送至集气站内进行集中处理。在一定温度和压力条件下,极易在采气管线中形成天然气水合物堵塞管道,影响采气管线的正常运行,因此,对采气管线水合物的生成条件进行预测是非常必要的。结合天然气管道动力学与天然气水合物统计热力学模型,利用VB编制了计算软件,以延长气田采气管线为例,对管线中天然气水合物的生成条件进行预测和分析,从计算结果可以看出,该水合物生成条件的计算方法在实际工程应用中具有一定的实用价值。     

深水气井测试期间不同产量条件下水合物形成区域预测方法

水合物问题是深水测试必须考虑的问题,其关键影响因素是温度与压力。基于水力学与热力学理论,针对深水测试的特殊工况,建立了压力与温度计算模型。通过数值求解,得到了不同产量条件下测试管柱内的压力与温度分布。将计算结果与水合物形成条件相结合,对深水气井测试条件时不同产量条件下水合物生成区域进行了预测。结果表明,产量越低,管柱内压力越高,最低温度值越小,导致水合物生成区域越大。对于水深1500 m、测试管柱为114.3 mm条件下,产量低于20×104m3/d时,管柱内将出现水合物。因此,在低产量条件下,深水测试时必须采取措施抑制水合物生成。     

A Study on the Formation and Removing Mechanisms of a Gas Hydrate Slug in Gas Pipelines

Most of the existing hydrate prediction models cannot describe the formation process of hydrate slug in gas pipelines. The authors developed the physical model of hydrate formation state in gas pipelines, and the corresponding mathematical model is proposed by utilizing the theories of heat transfer, multiphase flow, and phase equilibrium. The formation process of hydrate slug is described by simulation, and the removing mechanism of hydrate slug using depressurization is analyzed. The change of related parameters is obtained. which can effectively provide theoretical guidance for preventing and removing the hydrate slug.     

输气管道天然气水合物段塞形成机理

针对现有的多数水合物预测模型无法描述输气管道水合物段塞形成过程这一问题,依据管道中气液分布特点,构建了描述输气管道中水合物生成状态的物理模型。以此为基础,借用传热学、多相流和相平衡理论建立了预测水合物段塞形成的数学模型。给出了定解条件,继而采用数值模拟方法对水合物段塞的形成过程进行了研究。结果表明,模型可以成功预测段塞的形成位置、形态及变化过程;气流量、绝热层的厚度和导热系数对初始状态下水合物生成区域会产生明显的影响,而且随着气流量的增加,气芯的携液能力增强,液膜厚度减小;水合物段塞形成过程中引起管线压降增大、温度降低、气芯携液能力增强、液膜厚度减小等一系列参数的变化,这些变化又可以作用于段塞使其进一步生成。     

我国台西南附近构造沉降与沉积作用对气水合物成藏的可能控制

南中国海东北部大陆斜坡带上的海相沉积有适当的沉积厚度,处于适宜形成气水合物的温―压域内,有一定的甲烷生成潜力。从台西南盆地的地震反射记录中,可以观察到气水合物存在的证据――似海底反射(BSR),暗示了气水合物的广泛分布。台西南盆地的构造沉积格架与甲烷的生成和大量气水合物沉积可能存在直接联系;各种快速堆积的沉积体系(如滑塌块体、等深流沉积、浊积扇及三角洲)前缘,是天然气水合物富集的有利沉积相带,其中等深流沉积和滑塌块体推测为最有利气水合物聚集的沉积体。     

Predicting the conditions for gas hydrate formation

Gas hydrate is a crystalline mixture obtained from gas molecules trapped in the cavity of hydrogen bonding water. To date, an essential step in the development of natural gas industry has been the acquisition of knowledge in the operation and handling of gas under high pressure without hydrate formation. Since there are several ways to predict hydrate formation, this study investigates predicting hydrate formation using the Katz method. In addition, several new models for accurate estimation of gas hydrate formation conditions will be provided. These models are based on artificial neural network (ANN) requirements. To create the model, predictive experimental data published in books and journals, as well as data extracted from Katz graph (Katz chart), estimate the formation conditions of gas hydrate. We validate the model created with the use of various statistical parameters such as mean squared error (MSE) and R²-value. The result of these parameters in models created to predict the formation of hydrates accurately and efficiently is evaluated. In this study, our goals are to use an artificial intelligence neural network to predict the formation of gas hydrates.     

长输管线气体泄漏率的计算方法研究

应用计算流体力学理论,给出了长输管线气体泄漏率新的计算方法.当管线破坏的孔径较小(属于小孔泄漏)时,采用孔模型计算气体泄漏率;当管线发生全截面断裂时,利用管线模型计算;孔径介于两者之间时则利用新推荐的方法.由计算实例可知,管内起始压力大于1.5MPa时,临界流阶段泄漏的气体质量占总泄漏质量的90%以上,可用临界流阶段的平均泄漏率代替总平均泄漏率;也可用起始泄漏率的30%近似代替总平均泄漏率.随管内起始压力的增加,这种近似效果更好.利用文中的数学模型可以较好地估算不同孔径的气体泄漏率,可为定量评价长输管线失效后对环境的影响提供依据.     

深水气井测试管柱内天然气水合物堵塞特征与防治新方法

目前对于深水气井测试过程中井筒管柱内天然气水合物(以下简称水合物)堵塞的形成机制尚不清楚,因而存在着过度使用水合物抑制剂以及抑制剂利用效率较低等问题。为此,针对多相流,在水合物生成动力学、水合物颗粒运移沉积动力学等方面开展了研究:构建形成水合物堵塞的定量预测模型,预测水合物在管柱内何时何处形成堵塞并评估堵塞严重程度,确定易发生堵塞的高风险区。进而提出了基于拓展安全作业时间窗口的水合物堵塞防治新方法——依据安全作业时间窗口优选抑制剂浓度、优化抑制剂注入速率。研究结果表明:(1)井筒内所生成的水合物在管柱内壁上沉积附着,形成不断增厚的水合物层,造成管径变小,液膜处生成的水合物在管壁上沉积是造成管柱堵塞的主要原因;(2)随着水深增大或产气量降低,不发生水合物堵塞的安全作业时间窗口变窄,形成堵塞所需时间变短;(3)注入水合物抑制剂可以延缓堵塞的发生,拓宽安全作业时间窗口;(4)水合物防治新方法可显著降低所需水合物抑制剂用量和注入速率(在算例条件下可降低50%)。结论认为,新方法有效克服了传统方法过度使用水合物抑制剂的不足,可为深水气井测试中水合物的防治提供指导。     

气体水合物增长动力学的研究现状

对由小分子的烃类及非烃类的N2,CO2等气体和水形成的非计量笼形化合物即气体水合物进行了介绍。从冰点以上和冰点以下两个温区对国内外水合物增长动力学的研究现状进行了分类与评述。对于冰点以上晶体增长的动力学,从半经验模型、传质模型和界面生成的模型3个角度进行了讨论;对冰点以下的增长动力学,讨论了冰熔融模型、冰核收缩反应模型和水合物原位偏离模型。对水合物生成动力学的进一步研究进行了展望。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的多相非平衡管流特征

由密闭管线将破碎的海洋天然气水合物(以下简称水合物)颗粒向上输送至海面平台,是固态流化采掘水合物藏工艺流程的核心环节,但水合物固相颗粒在上升过程中受到温度升高、压力降低的影响,至某一临界位置将会分解产生大量气体,使井筒中的流动变为复杂多相非平衡管流,进一步加剧了井控、固相输送等安全风险。为了研究水合物在上述过程中的动态分解规律,通过建立井筒温度和压力场、水合物相平衡、多相上升管流中的水合物动态分解、耦合水合物动态分解的井筒多相流动数学模型,提出了数值计算方法并予以验证。研究结果表明:(1)应用数值模型分析,得到了不同施工参数条件下的液相排量、固相输送量(日产气量)、井口回压对多相非平衡管流的影响规律;(2)提出了基于多相非平衡管流特征的现场施工措施,适当提高固相输送量可以提高天然气产量,应同时增大液相排量、施加井口回压来保障井控安全。结论认为,该项研究成果为施工参数优化和井控安全提供了技术支撑,也为其他海区水合物藏固态流化采掘多相非平衡管流预测提供了手段。