油包水乳液体系水合物的形成对多相流动摩阻的影响

李文庆 吕晓方 孙宪航

摘      要： 水合物浆液输送作为流动安全保障主要措施和天然气新型运输方法之一，其复杂的流动特性引起了学者的广泛关注。以国内首套水合物高压实验环路为依托，基于水合物生成后管路压降明显增加的现象，分析了4.5 MPa压力下，0.4、0.5、0.9、1.1 m/s四个流速下压降变化幅度，对比水合物生成前后体系摩阻系数的变化，定量表示了各个流速下颗粒存在对摩阻系数的影响。实验结果表明，流速越大，颗粒存在对于体系摩阻系数的影响越小;并且通过对比0.4和0.5 m/s的实验结果可知，在水合物浆液流动过程中，不同的流速对应着不同的液固流型，存在临界悬浮流速的概念。

关  键  词：水合物;乳液;压降;摩阻系数;临界流速

中图分类号：TE832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）01-0029-04

Abstract： Hydrate slurry transportation has brought the attention of many researchers as an important flow safety assurance method and a new way of gas transmission. Based on the theory that the pressure drops significantly when hydrates are generated， a series of experiments （at the velocity of 0.4， 0.5， 0.9 and 1.1 m/s under 4.5 MPa） were conducted on the first set of domestic high-pressure experiment loop to analyze the pressure drop， frictional resistance factor and particle influence of hydrate slurry. The results showed that the influence of existed particles to frictional resistance factor was getting weaker as the velocity got faster. Comparing the results of 0.4 and 0.5 m/s indicated that for hydrate slurry transportation， different velocities corresponded to different liquid-solid flow patterns， and critical suspension velocity existed.

Key words： Hydrate;Emulsion; Pressure drop; Frictional resistance factor; Critical velocity

多相混输海底管道的高压低温环境为水合物的生成创造了条件[1]，因此水合物堵塞管道将是海底管道输送过程中必须面对的问题。水合物的生成和聚集不仅使得流体的流动性变差，当其沉积过多时还会影响管道、阀门等设备的安全运行，甚至可能导致停产维修及管线报废[2]。目前，针对多相混输管线中水合物的堵塞问题，常从热力学角度出发，采用一定的措施来抑制或防止水合物的生成，主要包括热力学抑制剂法[3，4]、保温[5]、降压[6]等。但是在深海油气田的开发中，由于传统抑制方法受到经济和技术因素的限制，因此就需要寻求一种新的经济有效的替代方式[2]。20世纪90年代，随着低剂量抑制剂[7，8]进入人们的视野，水合物的防治从传统的抑制生成变为风险控制，通过添加动力学抑制剂、阻聚剂或采用冷流技术[9，10]来实现含水合物固体颗粒的油气水多相混输流动技术（即所谓的水合物浆液风险控制技术）。

水合物浆液风险控制技术的研究主要针对深海油气田的开发和利用。利用深水高压低温的环境条件，将油气水混输管道中分散的水滴以水合物颗粒的形式分布于流体中进行输送。当前，尽管水合物浆液输送技术还不成熟，正处于试验与理论研究的初始阶段，但其进行风险控制所节约的成本和运行花费将是十分巨大的，这使得该研究备受推崇。然而，由于油气水多相混输过程中引入了水合物固体颗粒，这会在一定程度上影响多相混输流体的物性，改变流体的黏度和流动形态、影响多相流动的压降规律。因此，为了探究水合物固体颗粒的存在对多相流动规律的影响，本文从水合物固体颗粒的生成过程中入手，主要研究水合物浆液形成过程中固体颗粒的存在对浆液流动规律及摩阻的影响。

1  实验设备简介

1.1  高压环道

该实验环路是我国首套高压水合物實验环路[11]（如图1所示）。该环路配有FBRM、PVM、温控仪以及质量流量计等先进实验设备[12]。环道的主要设计参数为[13]：压力：0～15 MPa;温度：-20～80 ℃;实验环道长30 m，管径1寸。液相由磁力离心泵驱动;气体则由柱塞式天然气压缩机驱动;全实验环道利用套管控温[14]。

1.2  实验介质

本实验使用的介质为：0#柴油，去离子水，民用天然气（组分见表1）。

1.3  实验步骤

（1） 利用真空泵将整个实验系统抽成相对真空度为0.09 MPa，然后采用自吸方式向分离器中加入实验流体。

（2） 打开数据采集系统及水浴，设置水浴温度为30 ℃，然后开启泵并设定泵频率为40 Hz（根据实验流量需要设定），对油水进行搅拌约3 h，使其形成较为稳定的油包水乳状液。

（3） 利用高压气瓶将系统压力提高至实验压力后，设定水浴温度为4 ℃（根据实验需要和环境温度的不同略有差异）对系统进行降温，同时记录数据采集系统采集的数据，此时水合物生成实验开始进行。若要进行加剂实验，可以在降温前利用计量泵向系统内注入一定量的阻聚剂，并持续流动一段时间（约5 h），使阻聚剂能够较好地分散在油包水乳状液中。

（4） 当水合物生成完成，整个系统中的压力和温度保持恒定时，进行水合物浆液流动实验。

（5） 实验完成后，设置水浴温度为30 ℃，对系统进行升温使得水合物全部分解，并直至体系相关参数都达到稳定值，停止各实验设备的运行。

（6） 回收实验气体后，对实验系统进行排液和清洗，然后利用压缩空气吹扫整个环路，最后利用氮气对系统内的空气进行置换。

2  结果与讨论

2.1  水合物生成过程中压力、温度和压降变化

伴随着水合物的生成，实验体系中压力、温度和压降等参数随时间的变化情况如图2所示。其中，在水合物生成实验过程中以温度的突升来表征水合物的大量生成，由图2中的实验规律可知，在水合物大量生成后体系的压力会迅速降低，而管路压降则会快速波动式增加。这种环道摩阻压降的震荡式升高正是由于水合物颗粒的存在所致。

2.2  水合物生成过程中摩阻系数的变化趋势

图3则展示了水合物生成过程中，管路摩阻系数变化的变化情况。由图3所表现出的实验规律可知：确实在水合物开始大量生成后，整个体系内的水合物浆液摩阻系数会急剧增加，之后呈现波动式上升的趋势。这同样说明了在水合物的生成过程中，固体颗粒的存在确实影响了整个水合物浆液的流动特性，是颗粒与流体耦合的结果。

2.3  流速对水合物浆液摩阻系数的影响

在本实验过程中，为了表征水合物生成后颗粒对于体系摩阻系数的影响，将摩阻系数f分为f1与f2两项，其中f1为水合物生成前油水乳状液体系的摩阻系数，f2则为生成水合物之后颗粒引起的摩阻系数增量。用f2/f1的大小来表征体系摩阻系数增加的程度，即颗粒存在对于体系的影响程度。通过进行不同流速下的浆液流动实验，得到不同流速下f2/f1的变化情况，其具体情况如图4、图5所示。

3  结 论

针对水合物浆液流动过程中水合物生成后体系摩阻系数增加的现象，分析了体系在整个流动过程中的摩阻系数变化趋势，得到了不同流速下颗粒的存在对于摩阻系数影响程度，主要结论如下：

（1）水合物浆液流动过程中，水合物生成之后体系的压降先是迅速增加，随后呈波动式上升;

（2）水合物固体颗粒存在对于体系摩阻系数的影响会随着体系流速的增加逐渐减小，达到临界悬浮流速后，流速对水合物固体颗粒的影响也逐渐减小（如流速达到1 m/s以后流速的影响并不明显）;

（3）层流条件下，颗粒存在对于摩阻系数的影响主要是由于颗粒的沉积和碰撞引起的。根据不同流速下摩阻系数的变化趋势可获得水合物浆液流动的存在临界悬浮流速。

参考文献：

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