来源:Frontiers in Energy 发布时间:2022/7/13 13:57:34
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FIE | 前沿综述:多相富液管输流动系统水合物堵塞机理及控制因素

论文标题:Mechanism and control factors of hydrate plugging in multiphase liquid-rich pipeline flow systems: a review(多相富液管输流动系统水合物堵塞机理及控制因素)

期刊:Frontiers in Energy

作者:Shuwei ZHANG, Liyan SHANG, Zhen PAN, Li ZHOU, You GUO

发表时间:04 Jul 2022

DOI:10.1007/s11708-022-0830-z

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中文摘要

虽然需要特定的流速、含水率、气液比等具体因素条件,但油气管道中由于低温高压环境极易形成水合物。因此,水合物堵塞是水合物浆液管道输送技术的一大关注点。为了进一步考察这些过程背后的潜在机理,本文列举并分析了集输管道中主的富液体系,包括油基、水基和部分分散体系(PD体系)中水合物堵塞机理的重要研究工作。此外,总结了流体流量和含水率对水合物堵塞风险的影响,并进行了讨论。一般来说,流速通过影响沉积趋势和流态的特性,参与堵塞风险的调节。增加含水率可以促进水合物的生长,改变油水的分散程度,从而导致从完全分散的体系过渡到堵塞风险较高的PD体系。应结合含水差异和水合物颗粒微观特征,深入研究油基体系水合物堵塞机理多样性的原因。目前,越来越需要扩大水合物堵塞形成预测模型的应用,以确保水合物浆液混合输送技术能够更成熟地应用于天然气工业输送领域。

研究背景及意义

天然气水合物是天然气由油藏安全稳定地输送到各气体加工场过程中的严重流动阻碍,一旦水合物堵塞管道造成停运,会造成大量的经济损失和其他严重后果。因此,使天然气能够安全地在油气管道中流动,不受天然气水合物的影响而发生堵管是天然气工业界乃至整个科研领域的重要研究课题,通过探究流动环路状态下气体水合物生成的动力学特性和流动特征用以模拟海底环境下输送天然气管流具有可行性和重要的现实意义。

水合物流动体系按主要输送介质分为富液系统和富气系统。根据液相含水率和气液流速,富液系统可进一步分为油基、水基和部分分散系统(PD系统)。富液系统的管道堵塞受温度、压力、含水率、油相类型、气液比、添加剂等多种因素的影响,这些因素会影响水相或油水乳状液中水合物的聚集和沉积、浆液的粘度、诱导时间和最终产量,从而导致不同的管道堵塞机理和堵塞风险。深入了解各种因素对水合物浆液流动和堵塞特性的影响,可以提高实际管道输送领域的堵塞防治水平。

本文结合各个国家和机构的水合物环路实验装置的研究成果,根据富液系统中水合物堵塞过程的研究和各种因素对水合物浆液流动和堵塞特性影响的研究结论,总结了富液系统中水合物管道堵塞的机理,深入探讨了含水率和流量对水合物浆管堵塞风险的影响趋势,以期为天然气工业安全输送领域和水合物堵塞风险控制体系提供一定的理论支持。

研究内容及主要结论

油基体系中水合物的聚集、着床沉积和壁面黏附都是水合物堵管的重要原因。水基体系中水合物生长速率较低, 堵管风险最低.其堵管机理取决于乳化状态和油水分散,主要为水合物颗粒的着床沉积。部分分散体系中的水合物堵塞机理为水合物的膜生长和黏壁机理,具体主要取决于流体与壁面间的温差和体相内的气体溶解度,而且油水两相体系中的水相会影响体系的分散状态,从而影响水合物堵塞机理。前人的研究普遍表明,增大管道内的流体流速可以延长水合物堵塞管道时间,降低水合物堵管风险,但关于流速对水合物诱导时间的影响的研究,众多学者的研究结果不尽相同,因此需要进一步实验探究。油水两相体系中的含水率会对水合物浆液的油水分散状态、流量参数、摩擦系数、压降、流体流型和水合物浆液粘度产生一定的影响。含水率对于水合物微观生成的影响暂时还处于理论猜测阶段。因此,还应更加系统的进行油水两相体系中含水率在微观上对水合物成核动力学特性和生长的定性分析。

图1 油基体系中水合物堵塞机理示意图

图2 纯水体系水合物堵塞机理示意图

图3 部分分散体系水合物堵塞机理示意图

展望

继续加强研究管输体系下影响水合物成核、生长、聚集和堵塞等微观及宏观的动力学特性的研究,建立和完善有关含水率和流速对管路中水合物的诱导时间或水合物浆液的堵管时间影响的动力学模型,模拟各因素对管路安全流动和堵塞风险的影响;部分分散体系中的水合物生成产生界面扰动从而影响水相在油相中的分散效果的现象,目前并无合理的解释,而且对于溶液中的水相会影响部分分散体系水合物的分散状态从而影响水合物堵塞机理也没有相应的微观实验证实,缺乏说服力,需要进一步研究;缺少对弯管、阀件、以及阀门处等特殊环境下水合物形成研究的实际实验研究;应深入量化研究动力学抑制剂以及防聚剂或二者联合使用对管路中水合物的聚集、沉积和堵塞的具体影响,并得出具有最佳防聚效果时的最优浓度,这对集输管道中水合物堵塞防控有着重要的现实意义。

原文信息

Mechanism and control factors of hydrate plugging in multiphase liquid-rich pipeline flow systems: a review

Shuwei ZHANG1, Liyan SHANG2*, Zhen PAN1, Li ZHOU3, You GUO4

Keywords:

hydrate, flow rate, water content, mechanism of pipeline blockage, rich liquid phase system

Cite this article

Shuwei ZHANG, Liyan SHANG, Zhen PAN, Li ZHOU, You GUO. Mechanism and control factors of hydrate plugging in multiphase liquid-rich pipeline flow systems: a review. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-022-0830-z

摘要

There is nothing illogical in the concept that hydrates are easily formed in oil and gas pipelines owing to the low-temperature and high-pressure environment, although requiring the cooperation of flow rate, water content, gas-liquid ratio, and other specific factors. Therefore, hydrate plugging is a major concern for the hydrate slurry pipeline transportation technology. In order to further examine potential mechanisms underlying these processes, the present paper listed and analyzed the significant research efforts specializing in the mechanisms of hydrate blockages in the liquid-rich system, including oil-based, water-based, and partially dispersed systems (PD systems), in gathering and transportation pipelines. In addition, it summarized the influences of fluid flow and water content on the risk of hydrate blockage and discussed. In general, flow rate was implicated in the regulation of blockage risk through its characteristic to affect sedimentation tendencies and flow patterns. Increasing water content can potentiate the growth of hydrates and change the oil-water dispersion degree, which causes a transition from completely dispersed systems to PD systems with a higher risk of clogging. Reasons of diversity of hydrate plugging mechanism in oil-based system ought to be studied in-depth by combining the discrepancy of water content and the microscopic characteristics of hydrate particles. At present, it is increasingly necessary to expand the application of the hydrate blockage formation prediction model in order to ensure that hydrate slurry mixed transportation technology can be more maturely applied to the natural gas industry transportation field.

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