基于OLGA的海底管道水合物的生成和影响因素分析

王海秀 练章华 王树立

摘要：海底管道是海洋油氣输送的重要纽带。为解决海底管道面临的水合物生成和堵塞问题，文章结合海底多相流管道水合物生成的数学模型，采用O L GA对海底管道不同含水率、气油比和流量下水合物的生成情况进行数值模拟。研究结果表明：在某海底管道的工艺参数条件下，水合物生成风险随着含水率和流量的增大而降低，随着气油比的增大而增加；海底水平管路和立管都有可能生成水合物，尤其立管常是水合物最大生成量的位置；模拟结果可为海底管道水合物的防治和保障海底管道的安全运行提供参考。

关键词：海底管道；水合物；含水率；气油比；流量

中图分类号： T E 8 3 2； P 7 5 6 . 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 8 7-0 6

基金项目：国家自然科学基金面上项目（ 5 1 9 7 4 2 7 1） ；广东省非常规能源工程技术研究中心开放基金项目（ G F 2 0 1 8 B 0 0 8） ；江苏省油气储运技术重点实验室开放课题项目（ C Y 2 0 1 7 0 1）.

T h eH y d r a t eF o r m a t i o na n dI t s I n f l u e n c i n gF a c t o r s i n S u b m a r i n eP i p e l i n eb yU s i n gO L G A

WAN G H a i x i u1， 2， L I ANZ h a n g h u a1，WANGS h u l i3

（ 1 . S o u t h w e s tP e t r o l e u m U n i v e r s i t y， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO i la n dG a sR e s e r v o i rG e o l o g ya n dE x p l o i t a t i o n， C h e n g d u6 1 0 5 0 0，C h i n a；2 .G u a n g d o n g R e s e a r c h C e n t e rf o r U n c o n v e n t i o n a lE n e r g y E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y， G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y，M a o m i n g5 2 5 0 0 0，C h i n a； 3 . C h a n g z h o u U n i v e r s i t y， J i a n g s u K e yL a b o r a t o r yo fO i l - g a sS t o r a g ea n dT r a n s p o r t a t i o nT e c h n o l o g y， C h a n g z h o u2 1 3 1 6 4， C h i n a）

A b s t r a c t： S u b m a r i n ep i p e l i n ew a s a n i m p o r t a n t l i n ko f o f f s h o r eo i l a n dg a s t r a n s p o r t a t i o n .I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e mo fh y d r a t ef o r m a t i o na n db l o c k a g ef a c e db ys u b m a r i n ep i p e l i n e， t h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fh y d r a t e f o r m a t i o n i ns u b m a r i n em u l t i p h a s e f l o wp i p e -l i n e， O L GAw a su s e d t os i m u l a t e t h eh y d r a t e f o r m a t i o nu n d e rd i f f e r e n tw a t e r c u t， g a s - o i l r a t i oa n d f l o wr a t e . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r i s ko f h y d r a t e f o r m a t i o nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s eo fw a -t e r c u t a n df l o wr a t e， a n d i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f g a s - o i l r a t i ou n d e r t h e c o n d i t i o no f p r o c e s s p a r a m e t e r so f as u b m a r i n ep i p e l i n e， h y d r a t em a yb e f o r m e d i nb o t hh o r i z o n t a l p i p e l i n ea n dr i s e r， e s p e c i a l l yt h er i s e r， w h i c hw a so f t e n t h e l o c a t i o no f t h em a x i m u mh y d r a t eg e n e r a t i o n . T h e s i m u l a -t i o nr e s u l t sp r o v i d e dg u i d a n c e f o rh y d r a t ep r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f s u b m a r i n ep i p e l i n e t oe n s u r e i t ss a f eo p e r a t i o n .

K e y w o r d s： S u b m a r i n ep i p e l i n e， H y d r a t e，W a t e r c u t， G a s - o i l r a t i o， F l o w

0 引言

海底管道是海洋油气的主要输送方式，也是海洋石油的“生命线”。随着海洋油气开发加速向深水和超深水延伸，海底管道发挥的重要作用越来越凸显，海底管道的流动安全保障问题也备受关注。

海底管道低温、高压的集输环境为水合物的生成提供极为便利的条件，而水合物一旦生成将对多相流动和传热特性产生显著影响，可使管道流通面积缩小、表面粗糙度增加和压降增大，导致管道和设备堵塞，降低油气产量，影响正常生产，甚至引起管道停输事故[ 1]，带来巨大的经济损失。

在海底油藏的不同开采时期，管输体系的流量、气油比和含水率均会发生变化。开采初期的含水率较低，并有伴生天然气；开采中后期的含水率逐渐升高，油以乳化油滴的形式分散在连续水相中[ 2]，不同多相体系的堵塞机理不尽相同[ 3]。C a -m a r g o等[ 4]研究油包水型乳状液体系，提出水合物颗粒因黏聚力的作用而形成水合物聚集体，由于体系黏度增大和流动性降低而堵管；吕晓方等[ 5-6]发现低流速下的水合物颗粒易聚并，并观察到一临界流速。然而现有研究未考虑体系中量变化对水合物生成的影响，因此本研究针对海底管道不同时期量发生的变化，对不同含水率、气油比和流量下管道中水合物的生成情况进行模拟分析并得出影响规律，为海底管道水合物的防治以及保障海底管道的安全运行提供参考。

1 多相流管道水合物的生成机理

多相流管输体系水合物的生成已引起学者的广泛关注，其中以含油气水三相的油主导体系研究最为成熟（图1和图2）。

由图1可以看出，水合物的生成与堵塞过程分为4个阶段。（ 1）油水乳化：大部分水在流动剪切作用下以水滴形式完全分散于连续油相中，形成油包水型乳状液。②水合物生长：当体系的温度和压力满足水合物生成条件后，水合物在水滴与油相的界面处生成，并逐渐形成壳状将水滴包裹住；水合物壳的厚度随着被裹住的水滴不断转化成水合物而增大，直至水滴消耗完毕，或因传热和传质限制仍有部分水滴未完全转化而停止[ 7]，水合物颗粒粒径与水滴初始粒径基本一致，未发生明显变化。③聚集：水合物颗粒凝聚成大的水合物聚集体，使得水合物浆液体系的黏度增大和流动特性降低[ 8]；目前关于管输中水合物的聚集原理尚无明确定论，许多学者认为水合物聚集体因水合物颗粒间黏聚力的作用而形成[ 9-1 1]。④堵塞：聚集持续进行，水合物聚集体不断增大，水合物浆黏度也进一步增大，当水合物体积分数大于3 0 %以及体系黏度大于10 0 0c P时[ 1 2]，管道堵塞。

目前较成熟的水合物生成与堵塞预测模型是基于上述机理的O L GA - C S MH y K动力学模型，其已成功应用于工业生产中水合物堵塞的预测，在流动安全保障行业具有一定的认可度[ 1 3]。

2 数学模型

2 . 1 多相流管道温度压力

3 數值模拟

3 . 1 基础数据

某海底水平输送管道长为5 60 0 0 m，立管长为2 1 0 . 0 8 6m，二者的内径为3 0 4 . 8 mm、外径为3 2 3 . 8mm，管道粗糙度为4 6μm，外壁传热系数为5 0 0 W/ （m2·K） ，整个水平输送管道处于4℃海水中，立管出口环境温度为2 5℃。

管道所输送的流体组分为： N 2为0 . 6 8%， C O2为0 . 5 5%， CH4为5 4 . 8 7%， C 2H6为4 . 8 4%， C 3H8为2 . 2 5%， i C 4为2 . 1 6%，n C 4为2 . 5 4%， i C 5为2 . 4 7 %， n C 5为5 . 2 5 %， C 6为5 . 5 8 %， C 7+为1 8 . 8 1 %； C 7+分子量为3 5 0k g/k m o l，密度为8 7 0k g/m3；水密度为11 0 8k g/m3。基于O L GA建立海管模型（图3）。

3 . 2 模拟结果

在不同含水率、不同气油比和不同流量下，分别模拟海底管道水合物的生成情况。

3 . 2 . 1 含水率

假定管道终点压力为5 0b a r，起点温度为5 0℃，产油量为40 0 0m3/d，气油比为1 0 0，流体含水率的变化对海底管道沿程水合物生成的影响如图4所示。

水合物初始生成位置与起点的距离随含水率的增大而变远，且水合物生成范围变小；这是由于水的比热容大于油和气，管段温降减小。水平管路的水合物体积分数变化平缓，而立管段则急剧上升到峰值后又逐渐下降，最后趋于0，缘于水平管路压力缓慢降低，而立管压力快速下降。水合物体积分数的峰值随含水率的增大而增大，当含水率由1 5%增至4 0%时，峰值由0 . 0 3 88增至0 . 1 0 30；但当含水率进一步增大时，截面持液率和摩阻增大，须消耗更多的压能举升流体，使压降增大，加之高含水率下气相在水中的溶解度较低，水合物难以成核，因此当含水率达到4 5 %时，整个管道已无水合物生成。

3 . 2 . 2 气油比

设定管输流体含水率为4 0%，其他条件保持不变，模拟流体气油比的变化对海底管道沿程水合物生成的影响（图5）。

当气油比为5 0时，管道中无水合物生成；这是由于此时流体中的气体含量低，没有足够的气体与水接触而生成水合物。随着气油比进一步增大，气体含量升高，管道中开始出现水合物；气油比越大，气体的低比热容和焦汤效应的影响越显著，管段温降越大，水合物初始生成位置距起点越近，水合物生成范围越扩大。水合物体积分数的峰值均出现在立管段，且随气油比的增大而增大，当气油比由7 0增至1 2 5时，峰值由0 . 0 6 27增至0 . 1 1 62，管道堵塞风险增加；这是因为立管处的截面持气率增大，摩阻降低，举升流体所须压能减小，流体压力增大，更有利于水合物的生成。

3 . 2 . 3 流量

设定管输流体含水率为4 0%，气油比为1 0 0，其他条件保持不变，模拟流量变化时海底管道沿程水合物的生成情况（图6）。

随着流量的增大，管段温降减小，水合物初始生成位置与起点的距离变远，水合物生成范围缩小。水合物体积分数的峰值随流量的增大而增大，当流量由20 0 0m3/d增至40 0 0m3/d时，峰值由0 . 0 7 86增至0 . 1 0 29，且峰值位置从水平管后移到立管段；这是因为随着流量的增大，流体对水合物的冲刷和携带作用增强，水合物颗粒在立管段重新聚集。当流量继续增大时，流体流速增大，气体扰动加强，抑制水合物的聚集，加之高流速可维持高的流体温度，不利于水合物的生成，因此当流量达到45 0 0m3/d时，管道中无水合物生成。

4 结语

本研究基于O L GA对不同含水率、不同气油比和不同流量下海底多相流管道的水合物生成情况进行模拟分析。研究结果表明：含水率、气油比和流量对水合物生成的影响不一，水合物生成风险随含水率增大而降低、随流量增大而降低、随气油比增大而增加；海底水平管路和立管都有可能生成水合物，尤其立管段常是水合物生成量最大的位置，须对这些部位开展重点预防。

由于海底油藏采出物处于动态变化中，须严密监测各项指标，掌握不同因素对水合物生成的影响规律，有助于采取有效措施防止水合物生成，保障管道流动安全。海底多相流管道水合物生成和堵塞机理较复杂且影响因素众多，不同主导体系水合物生成机理的确定和模型的建立是未来管道流动安全保障领域的研究重点。

参考文献

[ 1] 雷云，余建星，吴朝晖，等.基于模糊AN P的海底管道失效风险综合评价[ J].中国安全科学学报， 2 0 1 9， 2 9（ 5） ： 1 7 8-1 8 4.

[ 2] 宋光春，李玉星，王武昌，等.油气管道水合物堵塞机理研究进展[ J].化工进展， 2 0 1 8， 3 7（ 7） ： 2 4 7 3-2 4 8 1.

[ 3] 柳扬，史博会，吕晓方，等.油基水基及部分分散体系水合物堵管机理[ J].科学通报， 2 0 1 7， 6 2（ 1 3） ： 1 3 6 5-1 3 7 6.

[ 4] C AMA R GO R，P A L E RMO T. R h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f h y d r a t e s u s p e n s i o n s i na na s p h a l t e n i c c r u d eo i l[ C]. Y o k o h a m a： T h e4 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nG a sH y d r a t e s， 2 0 0 2.

[ 5] 吕晓方，王莹，李文庆，等.天然气油基水合物浆液流动实验[ J].天然气工业， 2 0 1 4， 3 4（ 1 1） ： 1 0 8-1 1 4.

[ 6] 吕晓方，胡善炜，于达，等.基于在线颗粒分析仪的水合物生成特性實验研究[ J].实验技术与管理， 2 0 1 4（ 3 1） ： 8 4-8 8.

[ 7] TUR N E RDJ，M I L L E R K T， S L OANED. M e t h a n eh y d r a t e f o r m a t i o na n da ni n w a r dg r o w i n gs h e l m o d e l i nw a t e r - i n - o i l d i s p e r s i o n s[ J]. C h e mE n gS c i， 2 0 0 9， 6 4： 3 9 9 6-4 0 0 4.

[ 8] TUR N E R DJ，K L E EHAMME R D M，M I L L E R K T， e ta l . F o r m a t i o no f h y d r a t eo b s t r u c t i o n s i np i p e l i n e s： h y d r a t ep a r t i c l e d e v e l o p m e n t a n ds l u r r yf l o w[ C]. T r o n d h e i m： T h e5 t hI n t e r n a -t i o n a lC o n f e r e n c eo nG a sH y d r a t e s， 2 0 0 5.

[ 9] AU S T V I KT， X I AOYUNLI， G J E R T S E NLH. H y d r a t ep l u g p r o p e r t i e s： f o r m a t i o na n dr e m o v a lo fp l u g s[ J]. A n n a l so ft h e N e wY o r kA c a d e m yo fS c i e n c e s， 2 0 0 6， 9 1 2（ 1） ： 2 9 4-3 0 3.

[ 1 0] P A L E RMO T，F I D E L - D U F OUR A，MAUR E L P，e ta l . M o d e l o fh y d r a t e sa g g l o m e r a t i o n - a p p l i c a t i o nt oh y d r a t e sf o r -m a t i o n i na na c i d i cc r u d eo i l[ C]. B a r c e l o n a： T h e1 2 t hI n t e r n a -t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s eP r o d u c t i o nT e c h n o l o g y， 2 0 0 5 .

[ 1 1] P AU C HA R DV， D A R B OUR E T M， P A L E RMA T， e ta l . G a s h y d r a t es l u r r yf l o wi nab l a c ko i lp r e d i c t i o no fg a sh y d r a t e p a r t i c l e s a g g l o m e r a t i o n a n d l i n e r p r e s s u r e d r o p[C]. E d i n b u r g h： T h e1 3 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s e P r o d u c t i o nT e c h n o l o g y， 2 0 0 7.

[ 1 2] Z E R P ALE， AMANZ M， J O S H IS， e ta l . P r e d i c t i n gh y d r a t e b l o c k a g e s i no i l， g a sa n dw a t e r - d o m i n a t e ds y s t e m s[ C]. H o u s -t o n： O f f s h o r eT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e， 2 0 1 2.

[ 1 3] L I UC W， L IM Z， Z HANG GD， e ta l . D i r e c tm e a s u r e m e n t s o ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nc l a t h r a t eh y d r a t ep a r t i c l e sa n d w a t e rd r o p l e t s[ J]. P h y sC h e m C h e m P h y s， 2 0 1 5， 1 7（ 3 0） ： 2 0 0 2 1-2 0 0 2 9.

[ 1 4] V A N D E R W A A L SJH， P L A T T E E UW JC. C l a t h r a t e s o l u t i o n s[ J]. A d v a n c e s i nC h e m i c a lP h y s i c s， 1 9 5 9， 2（ 1） ： 1 - 5 7 .