水合物浆液流动压降规律研究进展

吕晓方，张 婕，赵 毅，许佳文，柳 杨，饶永超，周诗岽

（1. 常州大学 油气储运省重点实验室，江苏 常州 213164；2. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司 石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

随着油气田的开发从陆地逐步过渡到海洋，深海油气流动的安全问题成为国内外研究的热点，为预防“冰堵”现象的发生，在使用传统热力学抑制剂又存在许多弊端的状况下，允许水合物生成但是抑制其颗粒聚集的冷流技术[1,2]应运而生。 这种使水合物以浆液的形式输送的新型风险控制技术在一定程度上缓解了天然气输送效率低下的问题，又能保证管道的安全运行，降低“冰堵”的风险，引起了国内外研究者极大的关注[3]。 尽管冷流技术在理论上是切实可行的，但仍会面临如浆液流速改变，颗粒碰撞引起的流型转变，水合物在管壁生长沉积脱落等造成的流动截面的变化，颗粒聚并、沉积等引起的浆液流动压降的改变等诸多复杂多变的情况[4-6]。因此，掌握水合物浆液流动特性，研究流动压降的变化规律是合理开展冷流技术、实现浆液安全输送的关键。

本文将围绕现有研究得出的现象及结论对影响流动压降变化的因素进行总结分析，从水合物浆液宏观影响因素、水合物颗粒微观影响因素和水合物浆液数值模拟研究等方面归纳水合物浆液流动压降的变化规律，得到关键参数与流动压降变化的关系，为规避实际混输管道因浆液流动压降变化导致的运行风险提供一定的参考。

1 流动体系水合物形成理论

流动体系水合物颗粒的形成、碰撞、聚并和沉积等行为会带来管道的安全运行问题，轻则增加动力设备能耗、降低管道输送效率，重则引发管道“堵塞”造成安全运行隐患。 因此，掌握流动体系水合物颗粒的形成机理，对于深海管输送天然气水合物的安全运行就显得尤为重要[7-9]。

在油水体系下，水滴首先与油相结合并在油水界面处快速成膜，在传质和传热的影响下，水合物膜进一步生长成壳，随着壳的慢慢生长，最终小液滴完全转化成了水合物颗粒[10]，如图1所示。

图1 油水体系下水合物颗粒形成示意[10]

在液相中形成的水合物颗粒起初体积不大，可以跟随液相流动，对水合物浆液的流动影响较小，但随着水合物颗粒之间发生碰撞、聚并、沉积，水合物小颗粒转化成大的聚集体，导致管内流体流型和浆液的流动参数等因素发生改变，浆液的黏度上升，压降上升，流动性变差，最终水合物颗粒聚并并产生堵塞[11]，如图2所示。

图2 油水体系下水合物颗粒形成、聚并及堵塞示意[11]

水合物颗粒发生碰撞、聚并、沉积等行为会直接改变水合物的形状、粒径、密度等微观因素，进而影响浆液的流速、水合物体积分数、流动压降等宏观因素[12]，最终对整个水合物浆液的安全流动造成影响。由此可见，掌握流动体系下水合物的形成理论和堵管机理不仅可以帮助理解微观体系下水合物颗粒的聚并、沉积、堵塞等颗粒特征，还可为宏观体系下关键参数对浆液的流动影响奠定理论基础， 为整个水合物浆液的安全输送问题提供一定的理论依据。

2 宏观因素对水合物浆液流动压降的影响

为了探究水合物浆液宏观因素对流动压降的影响，国内外研究者借助环道和反应釜开展了相关实验，环道和反应釜的实物、示意分别如图3[13]、图4[14]所示。 其中，环道因更符合水合物浆液的实际流动状态而得到研究者的青睐[15-17]，但环道实验对于流动参数的测定存在局限性，往往辅以数值模拟的方法，既丰富实验数据，又弥补实验装置的不足。 吕晓方等[18]和宋光春等[19]提出，水合物浆液宏观流动中水合物体积分数和浆液流速对压降的影响是显著的，是探索压降规律不可忽视的重要影响因素[20]。

图3 高压水合物实验环道

图4 气体水合物实验恒压可视化反应釜

2.1 水合物体积分数的影响

国内外学者探讨了流动压降随水合物体积分数的变化规律，得到了流动压降随水合物体积分数变化呈现分段特性，且体积分数存在一个临界值的结论， 通过数值模拟和实验验证所得到的研究成果，可以获知水合物体积分数是影响浆液流动压降和建立分析压降模型不可或缺的因素之一[21-26]。

Andersson等[21]在高含油体系进行了水合物的宏观流动特性实验， 发现当水合物体积分数较小时，不会对流动压降产生太大的影响；当水合物体积分数较大时，流动压降波动剧烈，湍流程度明显加强。 Joshi等[22]借助环道开展了高含水体系下水合物流动实验，发现体系压降在水合物体积分数较小时保持平稳，当体积分数达到某一个临界值时，体系压降迅速增加，随后持续波动，直到管路堵塞。

王武昌等[23-26]借助实验环路分别开展了一氟二氯乙烷（HCFC-141b）、四氢呋喃（THF）和四丁基溴化铵（TBAB）水合物浆液的流动特性实验，发现压降随着水合物体积分数的增大呈现先缓慢增加而后急剧增加的分段趋势，证实了体积分数确实存在一个临界值。杨蕊等[27]运用FLUENT对弯管段水合物浆液进行了模拟，发现当水合物体积分数超过临界值时，会导致颗粒的不断聚集，水合物浆液的黏度也会不断增加，最终造成压降的急剧增大。

江国业等[28]通过正交试验得出当水合物体积分数在30%～50%时，弯管段的压降随着水合物体积分数的增加而减小，这与Wang等[29]进行的一氟二氯乙烷（CH3CCl2F）水合物浆液流动实验的结论一致，此现象的原理在文献[30]中也有论述：在该体积分数范围内， 水合物浆液处于由浆状向泥状过渡的转折区，水合物紊乱程度减小，从而造成了压降的减小。然而，与江国业等[28]提出的水合物体积分数对压降变化影响最小的结论截然不同，姚淑鹏等[31]在立管内水合物浆液的模拟研究中，提出了除连续相黏度外，水合物体积分数对压降变化的影响最大。 对于两者结论不一致的情况，分析原因为：前者的实验在弯管内进行，较立管来说，水合物浆液流经弯管会加剧水合物的碰撞和粘附，使水合物浆液的流动更加复杂，压降变化则受到更多因素的影响；其次，前者只选取了30%～50%范围内的体积分数，后者则考虑了10%～60%范围内的体积分数，而经文献[32]调研可知，水合物浆液的临界体积分数大致在39.4%～50.6%，就探究所选的参数范围来说，后者的更加全面，所以其探究的结果相对而言更加具有代表性。

虽然上述已有多位学者对弯管段的浆液流动特性进行了研究，但关于不同因素（水合物体积分数、流速、流型等）对弯管内流动压降的影响情况的实验和模拟研究并不完善。 而弯管、阀门、接头、泵体等局部组件又是水合物浆液在实际流动中多流经的结构。 因此，对于浆液流经该局部组件的流动特性研究还应结合实验模拟等方法进行补充完善。

2.2 流速的影响

流速是水合物浆液保持良好流动状态的重要因素之一，Peysson[33]提出，保证水合物浆液不发生堵管风险，流体的流速要大于水合物颗粒沉降速度十倍以上。 经Chen等[34]、史博会等[35]和赵建奎[36]的研究得出结论：流动压降受流速影响显著，为保证管路的正常运行，输送流速要大于最小安全流速。

李文庆[37]在实验环路上进行了水合物浆液的流动规律实验，指出压降受流速影响最大，并随着流速的增大而增大，要使压降损失减小，单从流速这一角度来说，则要求输送流速越低越好。但是，Lv等[38]在含阻聚剂体系下的浆液流动实验中指出，油水乳状液的初始流速存在一个临界值，浆液流速低于此临界值，管路极易发生堵塞，并提出了保证水合物浆液安全输送的 “临界流速” 的概念。 近年来，Thomas[39]、Durand[40]和Doron等[41]对“临界流速”进行了大量研究，但由于实验条件、流体介质的差异以及浆液流动特性的复杂性，对“临界流速”尚缺乏一个统一的定义和计算方法。

宫敬等[42]将浆液以非沉积形式存在的临界流速定义为“临界悬浮流速”，并提出了在较高流速时，可以将浆液看成拟单相流处理； 在较低流速时，水合物浆液则表现出非牛顿流体特性，关于压降的计算也将复杂多变。 其理论结果与姚淑鹏等[43]基于群体平衡模型对水合物浆液在竖直管内的流动特性进行的模拟结果相吻合，并且还发现压降增大的原因与流速增大导致的流动摩擦阻力增大有关。

由此看来，水合物浆液的安全输送既要保证流速大于最小安全流速，又要确保流速不应过大造成压降的急增，因此，如何权衡好输送流速的大小，找到既能保障浆液安全输送、又能提高输送效率的流速是今后研究的重点。 基于实验和模拟的数据，研究者将水合物浆液流动压降与水合物体积分数、流速等参数相关联，提出了用于表征水合物浆液流动压降的预测模型，但因考虑的因素不全面会导致模型的适用性存在一定的局限性，因此，在今后建立相关模型时应综合多方面因素，更准确地描述水合物浆液流动特性，以期提高模型精度与适用范围。

2.3 其他宏观因素的影响

在宏观影响因素中，除水合物体积分数和流速等关键参数外，浆液的流动压降还受到其他重要因素的影响。 表1列举了部分国内外的研究成果。

表1 国内外浆液宏观因素对流动压降的影响研究补充

3 微观颗粒参数对水合物浆液流动压降的影响

在水合物浆液的实际流动过程中，水合物颗粒会发生碰撞、聚并、破碎，使颗粒间、颗粒与流体间发生能量损耗，造成压降的震荡式波动。 因此，微观颗粒参数的研究对流动压降的变化规律也是至关重要的。 借助先进的实验设备和测量技术以及数值模拟软件是开展水合物微观颗粒参数研究常用的方法。 总结近几年学者的研究成果，发现水合物浆液微观颗粒关键参数对流动压降的影响主要集中在水合物颗粒粒径、颗粒密度、颗粒浓度、颗粒黏度等方面[53-56]。

3.1 水合物颗粒粒径的影响

水合物颗粒粒径是体现浆液聚集堆积情况的主要特性，借助粒子视频显微镜（PVM）和聚集光束反射测量仪（FBRM）测得水合物颗粒初始粒径在20～40 μm范围内， 而聚集粒径在100～300 μm范围内。 因此，粒径大小的研究对水合物浆液安全输送具有重要意义。 王继红等[57]和饶永超等[58]通过实验环道和数值模拟方法获得的微观数据，验证了在浆液输送过程中，水合物以更小、更均匀的颗粒输送最有利。

孙雪晴[59]利用FLUENT软件对水平管段水合物浆液的流动进行了模拟，发现随着水合物颗粒粒径的逐渐增大，水合物浆液的压降也逐渐增大；刘宝玉等[60]在垂直管内进行了浆液流动的模拟研究，发现压降变化梯度与粒径大小成正比，粒径在100～200 μm时，压降变化梯度较小，当颗粒粒径大于300 μm时，水合物压降变化梯度较大。 结合现有研究成果可以作出如下解释：当水合物颗粒粒径较小时，其跟随液相的能力比较好， 随着水合物颗粒粒径的增大，浆液对颗粒的携带性变差，其所受的重力逐渐大于浮力和曳力，颗粒沉降速度加快，使得浆液中水合物颗粒浓度降低，进而导致浆液黏度降低，流速增大，最终压降增大。

江国业等[61]利用CFD模拟了90°弯管压降的变化，得到了相反的结论：浆液压降随着水合物颗粒粒径的增大整体上呈下降趋势，在100～250 μm粒径区间，压降下降明显；在250～300 μm区间，压降下降缓慢。 Gudmundsson等[62]给出了另一种解释：当颗粒粒径较小时，颗粒与颗粒间不易附着，颗粒与流体间耦合增强， 颗粒对平均动量和涡旋的消耗加剧，最终导致压降急剧减小。

陈鹏等[50]将THF水合物在水平管道中的流动状态作为模拟对象，发现将粒径分布考虑在内的模型，压降有了大幅度的改变。 虽然暂时还没有实验数据来验证该模型的准确性，但是将粒径分布考虑在内会更加符合浆液在管道中的实际流动状态。 关于粒径模型，Muhle[63]选取Muhle模型对颗粒粒径进行了描述，水合物颗粒在流体的剪切力和粘附力作用下破碎，最终达到平衡时的粒径公式如式(1)。 但是该公式忽略了水合物颗粒间的作用力，不能准确地反映颗粒间的作用特点。后来，Camargo[64]对Muhle模型进行了修正，虽然将水合物颗粒间的粘附力影响考虑在内，精度有了提高，但对粘附力取常数，仍不能准确地描述颗粒的粒径分布。 因此对于粒径模型的修正还需结合水合物颗粒间的受力情况对粘附力做深入优化。

式中，dA为水合物颗粒聚集直径，μm；Fa为颗粒间聚结力，N; dp为颗粒初始直径， 取1.5 μm；fr为聚结系数；μ1为浆液黏度，Pa·s；γ为颗粒间剪切力，Pa。

3.2 水合物颗粒密度的影响

对操泽[13]、宫敬等[65]学者的文献调研发现，颗粒密度与颗粒粒径对流动压降的影响基本一致，压降随水合物颗粒密度的增大而增大，当密度较小时，浆液输送越安全[66]。

Razzak等[67]研究了不同颗粒密度对水合物浆液流动的影响，发现密度越小的颗粒越有利于体系的稳定；白晓宁等[68]提出固体颗粒的密度越小，越容易形成悬浮液，浆液分布越均匀，管道的阻力损失也就越小。

刘宝玉等[60]对水合物垂直管内流动特性进行了数值模拟，发现改变水合物浆液颗粒的密度，对管道的稳定流动影响较大，并提出管路压降增大的原因是水合物颗粒随着浆液密度的逐渐增大，形成胶团聚集的趋势逐渐增强导致黏度逐渐增大。 针对系统的安全性和经济性，提出300 mm直径的水力提升管，颗粒密度最好控制在1020～1190 kg/m3范围内。

姚淑鹏等[69]借助模拟软件分别在天然气和CO2水合物浆液中得出结论，水合物颗粒密度相较于连续相密度对整个管道的流动特性的影响较小。 这与魏丁等[70]在水平管中模拟的R11水合物浆液流动特性结论一致，认为水合物颗粒密度对管道安全运行的影响较小。

3.3 其他微观因素的影响

目前关于微观颗粒影响因素的探索，多以模型研究为主，缺乏详细的实验验证分析。 借助数值模拟软件虽起到了较好的辅助作用， 但在粒径特征、阻力特征等领域的研究还不够完善。 颗粒的聚并、沉积如何影响不同流型的相互转换，以及不同流型对浆液微观颗粒参数的影响等许多关键问题有待深入研究和讨论。 想要准确预测水合物浆液的流动压降，从微观角度需要综合水合物颗粒生成沉积特性、水合物颗粒聚并剪切的微观机理以及水合物颗粒的粒径分布特征等以提高模型的适用性。 对于微观颗粒参数对压降的影响，国内外学者还从其他方面进行了探索，部分研究成果汇总于表2。

表2 国内外浆液微观颗粒参数对压降的影响研究补充

表2 国内外浆液微观颗粒参数对压降的影响研究补充（续）

4 结语

流动压降作为管道安全运行的重要参数，对于风险控制技术的合理设计与运用尤其关键。 本文分别从宏观影响因素和微观颗粒影响因素两方面对水合物浆液的压降变化规律进行了分析总结，获得了如下结论：（1）较小的水合物体积分数和较大的浆液流速更有利于浆液的安全输送，但两者均存在一个临界值。 因此，在低于临界体积分数的情况下，选择一个既能保障浆液安全流动，又能提高管道输送效率的流速是关键。 （2）水合物的颗粒粒径和密度越小，管路流动压降的变化越小，管路运行越稳定，水合物浆液的输送也就越安全。 （3）水合物体积分数、流速等宏观参数是研究者建立相关的用于表征水合物浆液流动特性的压降预测模型不可忽视的重要因素，在考虑了微观方面颗粒间的作用关系与耦合影响后， 模型的精度虽有了一定的提高，但所建模型的适用性问题仍有待解决。

基于国内外相关研究成果的总结，认为该方向有待进一步深入解决的三个关键问题如下：（1）压降模型的建立可以从综合考虑不同体系、水合物颗粒聚并剪切的微观机理、水合物与多相流动的耦合关系以及水合物颗粒的粒径分布特征等方面继续优化和探索，实现模型对水合物浆液的实际流动特性更准确的描述，提高模型的精度和适用性。 （2）在管路的实际运行中，水合物浆液的流动更加复杂多变，在判断其流动的安全稳定性时，不能单一地考虑某个因素的影响，需要综合考虑多个因素的共同作用。 因此，综合分析多个因素对水合物浆液压降变化的影响程度以及确定浆液安全输送情况下的最优参数组合将是今后重点的研究方向。 （3）后续关于流动压降的研究可将宏观影响因素与微观颗粒特征相结合、 数值模拟技术与实验验证相结合、数据分析与理论建模相结合，在流动传递机理方面深入探索， 进一步研究水合物浆液的流动特性，为实际混输管道的安全运行提供更多的技术方案。