2. 常州大学石油工程学院, 江苏 常州 213147
2. Petroleum Engineering Institute, Changzhou University, Changzhou, Jiangsu 213147, China
随着海上油气田开发深度的不断增加,低温高压环境使得管路中更容易生成水合物并引起堵塞[1-2]。水合物的堵塞问题会严重地妨碍油气生产,并存在重大安全隐患[3],然而,传统的水合物防治技术存在诸多局限性而无法满足需求,因此提出水合物以浆液形式输送[4-6]。
国内外学者对于水合物浆液流动特性的研究较多。Peng等主要研究阻聚剂对水合物浆液流变性的影响,研究结果表明,阻聚剂能有效阻止水合物颗粒聚集,随着阻聚剂量的增加,作用效果更加明显[7]。Joshi等研究了在高含水体系下水合物的堵塞过程,研究表明,含盐量对于水合物堵塞过程不会产生影响,水合物浆液在堵塞时存在临界速度;且在水合物从流动到堵塞过程中,水合物颗粒由均相悬浮液向非均相悬浮液转变[8]。Darbouret等研究流速和压降对TBAB水合物浆液流变性的影响[9]。Delahaye等利用一套内径为8 mm的小型环路开展对CO
在管输的过程中,由于水合物的生成使得原来的单相流动变得更加复杂[13-16]。CO
实验装置主要包括一套高压环道系统,如图 1所示,环道系统主要有进气系统、进液系统、制冷系统、可视反应釜、管路测试段及数据采集系统等组成。管路总长15 m,由水平管段以及半圆形管段组成,管道内径为2.54 cm,回路温度由制冷机通过夹套冷却,制冷范围为
实验中选用的试剂为工业级CO
(1) 在实验开始之前,检查实验装置的气密性,并用真空泵将管路内气体抽吸干净,使得管路内真空度达到0.02 MPa。(2)打开数据采集系统;启动双柱塞泵对液体驱动,向管路中注入一定量的水,同时启动低温水浴,设置实验温度。(3)打开循环泵,调整泵速,使管路中的水以一定的流速循环。打开进气阀,使系统压力达到实验压力后停止进气,使气液混合物稳定流动至少半小时以达到溶解平衡。(4)对管路进行降温,通过视窗观察水合物的生成情况,同时压力、温度、流量、压差等数据被数据采集系统采集和储存。当管路流速降低至零时,水合物生成到堵塞实验结束,停止实验。
由于本实验的起始流速是通过调节变频器而获得的,因此,为了更为直观地表述起始阶段液相流速的快慢,文中采用起始泵速来代替起始流速值,不同的起始泵速对应的起始流速值如下:20 Hz(1 041 kg/h),25 Hz(1 375 kg/h),30 Hz(1 657 kg/h)及35 Hz(1 962 kg/h)。
2 实验结果与分析 2.1 管道中水合物形成过程形态变化以及堵塞分析 2.1.1 管道水合物的形成实验开始时,管道中CO
水合物生成时,发现透明管路内壁上附着薄薄的冰状物,管内无大量水合物流动,在管壁底部并无大量水合物聚集,因此引起管道堵塞主要因为水合物在管壁处生成,水合物颗粒发生聚集,进而堵塞管路。当重启泵后,气液交界面发生变化,观察到管路中有水合物聚集物流过。通过分析认为堵管原因是:在高压条件下,冷却流体沿低温管壁流动时经历了一段诱导期后,当流经某壁面温度较低或者壁面有可以降低流速的凹陷处时,水合物开始迅速生成并附着在这部分的管壁上,水合物不断聚集并最终堵塞整个流道。综合上述现象分析,给出堵塞过程的4个阶段,如图 3所示。
(1) 在低温高压的条件下,管路中某一段管壁附近的水会首先与溶解的CO
在实验温度为1 ℃,系统压力为2.4 MPa,含水量为5 L(实验装置的总体积为7.5 L)的条件下开展泵速为(20,25,30,35 Hz)下水合物堵管实验,探讨系统流速对水合物管路堵塞的影响。
由图 4可知,当起始泵速设置为20 Hz时,管道发生堵塞的时刻为2 680 s;当起始泵速设置为25 Hz时,管道发生堵塞的时刻为4 140 s;当起始泵速设置为30 Hz时,管道发生堵塞的时刻为5 865 s。由图 5可知,在泵速分别为30,25和20 Hz时,对应水合物发生堵塞的温度分别为4.5,3.9和3.4 ℃。因此,在20~30 Hz泵速内,随着泵速的提高,水合物发生堵塞的时间延长,且堵塞时的温度也逐渐升高。主要是因为外界冷却速率保持不变,随着管内流速增大,反应液的温降速率逐渐减小,进而水合物生成时的过冷度降低,阻碍水合物生成,降低水合物颗粒的聚集作用,从而延长水合物堵塞时间。当初始泵速调整为35 Hz时,管内流体的流速上下波动,基本趋于稳定。主要是因为当流速增大到一定程度时,流体对水合物颗粒的剪切作用加强,此时剪切力大于颗粒间的聚合力,破坏水合物聚集,使得水合物颗粒随液相一起流动,使得浆液安全流动,不发生堵塞现象。通过以上实验现象可得:当初始泵速低于或等于30 Hz时,泵速增加会减弱水合物生成驱动力;而提高泵速至35 Hz或更高时,会加强对管壁处聚集的水合物和水合物聚集体的剪切剥离作用,增强了流体对颗粒的携带能力,阻止水合物的沉积与聚集,延长水合物在管路堵塞的时间。实验表明,35 Hz为临界泵速,泵速提高到35 Hz以上,流体剪切作用加强,水合物在管输过程中不发生堵塞。泵速小于35 Hz时,水合物在管道流动过程中会发生堵塞现象,且随着泵速的增加,水合物发生堵塞的时间延长。该实验结果与Boxall等研究油水乳状液中水合物堵塞结果一致[18-19]。
在初始温度为11.4 ℃,水浴温度为1.0 ℃,泵转速为20 Hz,加液量为5 L的条件下开展压力为3.4,3.0及2.4 MPa的水合物堵塞实验研究,分析初始压力对水合物管路堵塞的影响。
水合物在低温管壁处生成,水合物层长大、变厚形成水合物颗粒,水合物颗粒随之在管路不断聚集、沉积,继而发生堵塞。此时管路压差增大,流体流速立刻下降为0;增大泵的功率重启泵,流体重新获得新的流速。图 6、图 7表示差压和流量随时间的变化情况。由图可知,在3.4 MPa下系统堵塞发生时刻为2 100 s;在3.0 MPa下系统堵塞发生时刻为3 285 s;在2.4 MPa下系统堵塞发生时刻为6 225 s。在泵速相同的情况下,系统压力越高,水合物在管路发生堵塞的时间越短。这是因为压力越高,体系气体溶解量越大,水合物生成速率增大。因此,在换热速率不变的条件下,压力越大,水合物生成的越快。当水合物颗粒较少时,固相颗粒在液相中呈均相分布,颗粒随着液相流动,不堵塞管道。当水合物颗粒较多时,固相颗粒在液相中呈异相分布,且颗粒不断聚集、沉积,最终堵塞管道。该实验结果和吕晓方等[20]在水基水合物试验中得到的结论一致。
(1) 在纯水体系中,水合物呈现浆状水合物和泥状水合物两种形态,水合物堵塞过程包括水合物生成、均匀流动、聚集及堵管等4个阶段。
(2) 管输过程中,临界泵速为35 Hz;泵速大于35 Hz时,流体剪切作用加强,水合物在管输过程中不发生堵塞。泵速小于35 Hz时,水合物在管道流动过程中会发生堵塞现象,且随着泵速的增加,水合物发生堵塞的时间延长。
(3) 在泵速相同的情况下,随着系统压力升高,水合物在管路发生堵塞的时间缩短;系统压力为3.4 MPa时的水合物堵塞时间较压力为2.4 MPa时缩短了4 125 s。
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