西南石油大学学报(自然科学版)  2019, Vol. 41 Issue (4): 152-158
纯水体系下水合物的生成及堵塞实验研究    [PDF全文]
李乐1 , 朱倩谊1, 陈小康2    
1. 江苏城乡建设职业学院公用事业学院, 江苏 常州 213147;
2. 常州大学石油工程学院, 江苏 常州 213147
摘要: 为了保障水合物浆液在管路中安全流动,开展了CO2水合物生成及堵塞实验,探究纯水体系下CO2水合物生成到堵塞管路的形态变化以及系统压力、泵速等因素对水合物浆液流动形态的影响。实验结果表明,(1)在纯水体系下,管道中水合物呈浆状和泥状两种形态,且CO2水合物从生成到堵塞管路时间较短。(2)实验过程中,临界泵速为35 Hz;当泵速大于35 Hz时,水合物在管输过程中不会发生堵塞现象;当泵速小于35 Hz时,在系统压力相同的条件下,随着泵速的增加,水合物发生堵塞的时间延长。(3)同一泵速条件下,随着系统压力升高,水合物发生堵塞时间缩短;且系统压力为3.4 MPa时,水合物发生堵塞的时间为2 100 s;系统压力为2.4 MPa时,水合物发生堵塞的时间为6 225 s。
关键词: CO2水合物     生成     堵塞     泵速     压力    
An Experimental Study on Hydrate Formation and Blockage in a Pure Water System
LI Le1 , ZHU Qianyi1, CHEN Xiaokang2    
1. Utilities Department, Jiangsu Urban and Rural Construction Vocational College, Changzhou, Jiangsu 213147, China;
2. Petroleum Engineering Institute, Changzhou University, Changzhou, Jiangsu 213147, China
Abstract: To ensure the safety of hydrate slurry flow in pipelines, an experiment on CO2 hydrate synthesis and blockage was performed to investigate the morphological changes to CO2 hydrates from the point of synthesis to pipeline blockage in a pure water system as well as the influences of system pressure and pump speed on the flow patterns of the hydrate slurry. The experimental results of this study are as follows:(1) In a pure water system, hydrates exist in the form of slurries or slush within pipelines, and the time interval between CO2 hydrate synthesis and pipeline blockage is relatively short. (2) The critical pump speed during the experiment is 35 Hz. When the pump speed exceeds 35 Hz, the hydrates do not result in blockage during pipeline transportation; when the pump speed is below 35 Hz, an increase in pump speed delays the occurrence of hydrate blockage under conditions of identical system pressure. (3) Under conditions of identical pump speed, an increase in system pressure shortens the time interval between hydrate synthesis and blockage. At system pressures of 3.4 MPa and 2.4 MPa, hydrate blockages respectively occur at 2 100 s and 6 225 s after hydrate synthesis.
Keywords: CO2 hydrates     synthesis     blockage     pump speed     pressure    
引言

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$_{{\rm 2}}$水合物浆液流变性研究,认为其符合HB模型,但是由于其使用环路内径较小,无法进行水合物堵管的研究[10]。Song等通过高压流动环路研究了天然气+柴油+水系统中水合物堵塞特性,研究表明,管路堵塞主要是由水合物沉积层的形成和生长引起的[11]。Aman等通过差示扫描量热仪(DSC)和核磁共振(NMR)测量了不同缓蚀剂对油—水合物界面的实验研究[12]。研究表明,添加缓蚀剂能够改变油—水合物界面的分散参数,不仅可以降低乳化液滴的大小,还可以提高油包水悬浮液的稳定性。

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$_2$水合物的形成条件温和,且很多性质与天然气水合物具有相似性。因此,选择CO$_2$作为实验介质,探究水合物在管道中生成以及流动特性具有较强的现实意义。

1 实验研究 1.1 实验装置和材料

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$-$15~20 ℃,控温精度为±0.1 ℃。整套装置配有压差传感器、压力变送器、液体涡轮流量计、气体质量流量计、质量流量计,所有的温度、压力、差压、流量等数据由电脑采集并记录。管路全段配有两个观察视窗以及两个透明管路,用以观察管道内不同位置体系的反应情况。

图1 水合物高压循环管路装置图 Fig. 1 Hydrate high pressure recirculation pipeline installation

实验中选用的试剂为工业级CO$_{{\rm 2}}$,纯度(质量分数)为99.9%,实验用水为自来水。

1.2 实验过程

(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$_2$与水充分溶解,随着流体温度的降低,管道内流体工况进入水合物生成区,水合物颗粒逐渐形成。图 2给出了通过透明管路观察到水合物形态变化情况,起初,管道中开始形成水合物颗粒,随后颗粒发生附着聚集,逐渐形成浆状、泥状水合物,最终堵塞管路。观察透明管路可以看到,当实验温度小于CO$_2$水合物相平衡温度时,管道中逐渐出现小的水合物颗粒,如图 2a所示,颗粒类似于雪花。随后水合物颗粒伴随流体流动,逐渐形成浆状水合物,如图 2b所示。随着水合物颗粒逐渐增多,此时由浆状水合物向泥状水合物转变。图 2c表示泥状水合物,此时水合物以湿雪状分布在管道中。随着水合物颗粒增加,聚集程度加剧,流体受到的阻力逐渐变大,管道中浆液混合物逐渐失去液体性质,形成柱塞状固体,最终造成管道堵塞,如图 2d所示。与Wang等研究HCFC-141b水合物流动特性的研究成果一致[17]

图2 水合物在管道形成到堵塞过程 Fig. 2 Hydrate formation in the pipeline to the clogging process
2.1.2 水合物堵塞管道机理分析

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。

图3 水合物颗粒堵塞管道示意图 Fig. 3 Schematic diagram of hydrated particles clogging pipes

(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$_{{\rm 2}}$气体反应,并形成一层薄薄的水合物层附着在管壁上。(2)水合物层附近的水与溶解的CO$_{{\rm 2}}$气体继续反应生成大量的水合物,水合物颗粒发生聚集,致使水合物层的厚度迅速增加,形成水合物聚集体,进而堵塞流道。(3)管路中间部位的水合物结合面积较小,强度较弱,增大离心泵的频率,获得更大转速,流体会冲开水合物聚集体的中间部位重新流动。通过流体的剪切作用,部分水合物被流体携带,剩下部分会堆积到水合物聚集体的后部,增大了水合物的结合面积。(4)水合物在结合面附近继续生成并附着,最终再次堵塞流道。此时,再增大泵速,也无法克服黏合界面处的结合力,流道被彻底堵塞。

2.2 不同因素对水合物堵塞管道的影响 2.2.1 泵速对堵管的影响

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。

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]

图4 不同泵速下管输流速随时间的变化 Fig. 4 Change of pipe flow velocity with time at different pump speeds
图5 不同泵速下温度随时间的变化 Fig. 5 Temperature change with time at different pump speeds
2.2.2 系统压力对堵管的影响

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。

图6 不同压力下压差随时间的变化 Fig. 6 Variation of differential pressure with relative time at different pressures
图7 不同系统压力下质量流量随时间的变化 Fig. 7 Change of flow rate with relative time at different pressures
3 结论

(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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