混输管道水合物的防治及冰塞预测模型

高峰，郭锦佳，王泽鑫，田野

1.中国石油集团海洋工程有限公司海工事业部，山东青岛266555

2.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

3.中国石油北京油气调控中心，北京100007

混输管道水合物的防治及冰塞预测模型

高峰1，郭锦佳2，王泽鑫3，田野1

1.中国石油集团海洋工程有限公司海工事业部，山东青岛266555

2.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

3.中国石油北京油气调控中心，北京100007

随着油气田开发向着深海发展，因水合物造成的流动安全保障问题愈发凸显。文章针对水合物生成所造成的危害及对应的常用工程防治方法进行简单描述，并就水合物降压解堵过程中，可能由于水合物的分解而产生高速的水合物冰塞运动造成的损害进行分析。与此同时，还提出了简化的堵塞位置预测和冰塞运动模型，据此可用于工程施工中粗略估计冰塞位置和运动速度，为减轻高速冰塞对整个管道设备的危害提供依据，并对模型的局限性提出改进建议。

混输管道；水合物冰塞；位置预测；速度预测

0 引言

天然气水合物是在低温高压的热力条件下天然气与水作用形成的一种非化学计量型的笼型结晶化合物。截至目前，已发现的天然气水合物结构有三种，即Ⅰ型、Ⅱ型和H型。对于海洋管道，由于海洋环境的低温、高压，造成管内的流体常处于水合物生成区，正常生产条件下就可能形成水合物，造成管道堵塞，即通常所说的“冰堵现象”[1-3]。

而在管道日常运行中，一些误操作或者工况发生变化，如管道不正当节流、输量下降、含水量增高、环境温度下降、注入系统事故等，也可能导致水合物的生成。

1 水合物冰塞的危害

水合物冰塞会对管道造成破坏：其一是水合物冰塞会沿着管道向下游运动使管道中流体的压力快速地增加，可能导致管道超压甚至破裂，如图1所示；其二是高速运动的水合物冰塞遇上阻碍，如弯管、凹坑或孔口等，造成管道损毁，如图2所示。

图1 管道中阀件处发生破裂

图2 管道弯头处发生破裂

管道越长，发生水合物堵塞的风险就越大，对于比较严重的水合物堵塞事故，有时只能停产维修甚至放弃整条管道，会给油田生产带来巨大的经济损失。

2 水合物的防治

目前，抑制水合物生成的费用约占油气生产成本的5%～8%，为了能够有效控制水合物，需对其生成机理、分解机理进行深入了解和掌握，还要根据管道的实际情况，选择合理、安全的水合物解堵方法和事故处理方案。

传统抑制水合物生成的方法包括：添加热力学抑制剂（甲醇或乙二醇）、加热或对管道进行绝热保护。目前最常用的方法是添加热力学抑制剂，通过降低水的活度将水合物平衡曲线向着更高压力或者更低温度方向移动，从而保证运行条件处在水合物生成区域以外，以此来抑制水合物的生成。

经多年的研究和开发，低剂量的动力学抑制剂（LDHIs）[4-5]，包括动力学抑制剂（KHIs）和防聚剂（AAs），作为一种新型的控制水合物方法逐渐为人们所了解。KHIs是一种水溶性的聚合物，其自身携带的官能团能够进入到水合物笼形结构内。不同于热力学抑制剂，他们能够推迟水合物的成核，以保证流体在管道停留时间内不会形成水合物，从而保证安全输送。但是，动力学抑制剂会受到过冷度的限制，当过冷度超过一定值时，KHIs就会失效。AAs分子通常有一个亲水基和一个疏水基，他们允许水合物的生成，但使水合物以小颗粒的分散状态悬浮在液态烃里，水合物晶体就以水合物浆液的状态存在，不影响管道输送。AAs和KHIs的用量相对较小，约为水相质量的0.1%～3.3%。在较高的过冷度下，AAs的作用效果比KHIs要好，因此对于中深海石油勘探开发来说，AAs可能是唯一的选择。

关于解堵，一般采取降压的方法。降压操作应在水合物堵塞管段的两端同时进行，以维持两侧的压力平衡。若降压不慎，会导致水合物两侧产生较大压差，进而造成管道破裂。另外，对管道进行降压操作，分解的水合物会吸收大量的热量，造成管道的局部温度降低，水合物分解产生的水易转化为冰，而冰对压力不敏感并且更难融解，只能采用加热的方法补救。

3 堵塞位置预测

在水合物解堵的过程中，确定水合物堵塞点的位置是整个解堵过程中的重中之重，也是能否安全移除水合物的关键。

根据管道出口泄压和再憋压的升压速率，按天然气管道储气的过程可以估算出天然气管道的堵塞位置。其原理如图3所示。

图3 天然气管道堵塞点示意

输气管道水力计算基本公式：

式中P1——管道堵塞点压力（流量不大时可用起点压力代替），绝对压力/Pa；

P2——管道出口压力，绝对压力/Pa；

Q——天然气标准状况下体积流量/（Nm3/s）；

L——管道堵塞点位置（距下游出口）/km。

输气管的平均压力公式：

因此，可得输气管储气开始和结束时的平均压力Pa1和Pa2：

式中P12——储气开始时管道出口压力；

P22——储气结束时管道出口压力。

根据Pa1和Pa2可求得储气开始和结束时管道中的存气量V始和V末：

然后依据上述储气开始和结束时的存气量即可获得充气过程中的充气量Vs：

式中B——单位长度管道的积液量；

P0——标准工况下体系压力；

T0——标准工况下体系温度；

T——实际工况下体系温度；

V——管道实际体积。

对方程（5）进行替换变形可得：

依据上述堵塞位置预测的思路，并根据实际现场几次泄压的记录数据，可算得堵塞位置位于距离管道末端L=1.286～1.496 km处，这与现场实际堵塞情况相符。同时，考虑到管道中积液量因素对堵塞位置预测的影响，还可以根据现场实际管道中积液量的不同数据对其预测的堵塞位置进行修正，具体结果如表1所示。

表1 管道堵塞点位置预测结果

由于堵塞位置的确定受到管道中积液量的影响，因此，如何准确计算堵塞点至管道末端的管段中所残留的积液量成为预测堵塞位置的关键。所以，在进行堵塞位置预测时应充分考虑实际运行管道的滞液情况。

4 解堵过程中冰塞速度预测

在水合物解堵过程中，高速运动的水合物冰塞，在遇到阀门、弯头、设备等时会造成较大损害。所以，对水合物冰塞在管道中的运动进行研究具有重要的意义。冰塞在管道中的运动如图4所示。

图4 压差作用下冰塞在管道中的运动

从图4可以看出冰塞两端作用力之差为［（Pu-Pd）Acs］，其中Pu和Pd分别为上、下游的压力，Acs为管道的横截面积。在分解过程中，如果作用在冰塞两端的作用力之差大于冰塞与管壁的粘结力，冰塞就会变成管道中的水合物“炮弹”。

一个简单的水合物冰塞在管道中的运动模型如图5所示。其中，Pi是水合物冰塞两端的压力（i=1时代表下游，i=2时代表上游，下同）；Vi是冰塞上下游的体积；Li是冰塞距上下游的距离；M为冰塞的质量；χ为冰塞在压差下的移动距离。在该简化模型中做了如下假设：

（1）冰塞在管道中运行时，冰塞和管壁之间是无摩擦、光滑的。

（2）在冰塞的运动过程中，气体的压缩因子是常量。

（3）冰塞的密封效果良好，没有气体从高压部分向低压部分串通。

图5 水合物冰塞基本模型

依据上面的简化可建立如式（7）的冰塞运动方程：

其中：

式中A——管道横截面积；

mi——冰塞上、下游储存气体的质量；

Ti——冰塞上、下游气体的温度。

然后对式（7）进行变形、积分运算后可得：

再根据初始条件：

最后可得方程式：

当水合物冰塞由于最初的压力梯度开始向下游运动时，下游最大压力可能会影响此初始推动力。理想情况下，冰塞在管道中压差作用下的运行情况如图6所示。

图6 冰塞在管道中的运行情况

上述运行情况的得出是基于较为理想的情况，并没有考虑管道中的积液量、局部摩阻以及管道配套设备对冰塞速度的影响。因此，冰塞在管道中的运行速度表现出一定的对称性，呈现出先增加后减小而后反向的情况，冰塞的运行表现出一定的震荡性，较为符合实际的运行模型。

但由于实际运行过程中冰塞速度会受管壁摩擦、弯道及管道中的液相等因素的影响。因此，冰塞在管道中的实际运行速度会较理想情况下有所减小，并且其在管道中的运行趋势有可能表现出一定的非对称性。

综上可知，该冰塞速度预测模型的建立是在一定程度的简化基础上建立起来的，其预测结果较实际情况会有一定的偏差（适合于直管段、管道中积液量小的情况预测）；今后应依据实际管道运行情况对其模型进行深化，考虑积液量、局部摩阻等因素的影响。

当水合物冰塞由于最初的压力梯度开始向下游运动时，下游最大压力可能会影响此初始推动力。速度会由于摩擦、弯道及管道中的液相等因素而减慢。如果水合物冰塞在最初的轨道中并没有充分减速，则其速度会随时间震荡，直至压力平衡，水合物冰塞的速度降至零。

5 结束语

对于水合物堵塞管道，双向降压是较为安全的分解和消除水合物冰塞的方法。首先应根据管道的实际情况，分析管道中水合物堵塞成因，寻找可能发生堵塞的位置，再确定适宜的解堵方式。依据本文论述，利用输气管道水力计算相关公式提出了一个堵塞位置预测模型，据此找到可能发生堵塞的位置，然后根据管道实际情况采取解堵的方法，保证在解堵的过程中能维持热力和水力可控。与此同时，在解堵过程中还应注意冰塞高速运动的可能性，其在运动到阀门、弯头处时会产生巨大冲击力而破坏管道设备，利用本文建立的冰塞速度预测模型，掌握其运动速度，判别其是否会给管道运行带来危害，以便采取措施来减轻或防止事故的发生。

需要指出的是，对于建立的水合物堵塞位置预测模型及解堵过程中冰塞运动模型，由于进行了不同程度的简化，假设条件与现场实际存在一定的偏差，因此上述模型有待进一步的完善与改进。

[1]Sloan E D.A Changing Hydrate Paradigm—from Apprehension to Avoidance to Risk Management[J].Fluid Phase Equilib.2005，228（1）：67-74.

[2]Sloan E D.Clathrate Hydrates of NaturalGases（2nd edition）[M]. 2nd.New York:MarcelDekker,1998.27-64.

[3]Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].New York: MarcelDekker Inc,1998.

[4]Kelland M A.History of the development of low dosage hydrate inhibitors[J].Energy Fuels，2006，20（3）：825-847.

[5]Arjmandi M，Tohidi B，Danesh A，et al.Is subcooling the right driving force for testing low-dosage hydrate inhibitors[J].Chem. Eng.Sci.2005，60（5）：1 313-1 321.

[6]Huo Z，Freer E，Lamar M.，et al.Hydrate plug prevention by antiagglomeration[J].Chem.Eng.Sci.2001，56（17）：4 979-4 991.

[7]Kelland M A，Svartaas T M,∅vsthusJ.，et al.Studies on some zwitterionic surfactant gas hydrate anti-agglomerants[J].Chem. Eng.Sci.，2006，61（2）：4 048-4 059.

Prevention of Hydrate and Prediction Models of Ice Plugging in Multiphase Pipeline

Gao Feng1，Guo Jinjia2，Wang Zexin3，Tian Ye1
1.CPOE Offshore Engineering Fabrication&Construction Division，Qingdao 266555，China
2.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
3.PetroChina Beijing Oil&Gas Pipeline ControlCenter，Beijing 100007，China

With the oil-gas field development towards deep sea，flow security problems caused by hydrate have increasingly become prominent.This paper gives a brief description of harms caused by hydrate formation and the corresponding common prevention methods，analyzes the damage caused by high-speed movement of hydrate ice due to hydrate decomposition in the course of decreasing pressure for eliminating plugging.Meanwhile，the paper also proposes a simplified prediction models about plug position and ice motion，which can be used in construction to obtain a rough estimation of the plug position and ice velocity，providing the basis for mitigating high-speed ice damage to whole pipeline equipment.Finally，the paper puts forward suggestions to improve the limitation of the models.

multiphase pipeline；hydrate plugging；position prediction；velocity prediction

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.018

高峰（1985-），男，吉林松原人，助理工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，现从事海洋工程相关工作。

2014-03-04