co乳状液置换开采天然气水合物实验模拟研究

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1、分类号TE密级UDC621.6编号中国科学院研究生院博士学位论文管道中水合物浆安全流动研究王武昌指导教师樊栓狮研究员申请学位级别博士学科专业名称热能工程论文提交日期2008年4月论文答辩日期2008年5月培养单位中国科学院广州能源研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席陈勇研究员ThedissertationofPh.D.FlowassuranceofhydrateslurriesinpipelineWangWuchangDirectedby:Prof.FanShuanshiGuangzhouInstitu

2、teofEnergyConversionChineseAcademyofSciencesGuangzhou,Guangdong,P.R.ChinaApril2008摘要摘要为了确保油气输送的安全，石油工业一直在寻求各种方法来防止水合物可能带来的危害，然而随着一些环境恶劣的油田以及一些深海油田投入开发，传统的水合物抑制方法逐渐难以经济有效地应用。因此新型的低剂量抑制剂及其伴随产生的风险管理逐渐得到重视和应用。作为风险管理的基础，如何保证水合物在管道中的安全流动已经成为了全世界水合物研究的一个焦点。目前对于不同形态水合物

3、的流动特性，国内外的研究都不系统，缺乏可靠的水合物流动数据，而且对于水合物在管道中流动时会不会形成堵塞及能否安全流动目前还没有一个明确的判断方法，而这恰恰正是工业应用最需要的。与此同时，管道中水合物堵塞的形成过程和机理仍然不明确，水合物堵塞的过程会影响堵塞体的结构和特性，是事故出现后堵塞定位和解堵等补救措施有效实施的基础。因此本文通过研究三种低压水合物在管道中的流动，提出了判断管道中水合物流动安全性的模型，可以为油气管道中水合物的安全流动判断提供有效地指导。本研究设计并建造了一套环道系统，管道为不锈钢管，内径42mm

4、、长30m。整个环道系统置于环境控制室中，系统可以模拟水平管道、地形低凹段以及立管内的正常流动、停输及停输后再启动等不同工况下的水合物流动情况。利用此环道进行了HCFC-141b、THF及TBAB三种水合物在管道中的生成以及水合物浆的流动实验，并以实验数据为基础分析了管道中水合物的安全流动，得到了一些重要的结论：HCFC-141b和THF在管道中流动时，水合物的生成几乎不存在诱导时间，都存在一个临界体积分数，分别为37.5％和50.6％，当体积分数大于临界体积分数时，水合物颗粒聚集加剧，管道中形成泥状水合物，压降梯度

5、会急剧增加，并最终造成管道堵塞。二者的泥状水合物都为Bingham流体，通过分析两种水合物的物性数据提出了两种水合物浆流动的压降计算模型。与HCFC-141b和THF水合物颗粒几乎不黏附在管壁上不同，TBAB水合物，尤其是其Ⅱ型水合物颗粒很容易黏附在管壁上，造成管道截面积逐渐减小，最终堵塞管道。106摘要而阻聚剂Span80可以有效的减缓TBAB水合物颗粒在管壁上的黏附。初步分析，TBAB水合物的黏附过程中分子扩散起主要作用。通过三种水合物实验发现水合物浆在管道中流动时，造成管道处于不安全状态甚至堵塞主要有两种机理：

6、即形成泥状水合物或者在管壁上严重黏附，这两种现象都会使管道处于危险状态，而这两种情况都是由管道中水合物颗粒的聚集造成的。因此提出并推导了一个反映水合物颗粒聚积能力的无因次数Ch，指出可以用Ch来判断管道中水合物浆流动的安全性，从而建立了水合物在管道中安全流动的判断模型。并利用实验数据对THF和HCFC-141b两种水合物浆的安全流动进行判断，结果表明提出的安全流动判断模型是有效的。本研究得到的THF、HCFC-141b及TBAB三种水合物浆的流动特性可以为实际工程中水合物浆的流动提供有效的数据，而且提出的水合物在管道

7、中形成及堵塞的机理及管道中水合物浆流动安全性的判断模型，可以为制冷系统的安全运行提供判断标准，同时可以为油气混输管道水合物流动安全的判断提供指导，具有一定的工程意义。关键词：水合物浆；安全流动；堵塞；管道106管道中水合物浆安全流动研究106管道中水合物浆安全流动研究FlowassuranceofhydrateslurriesinpipelineWuWuchang(ThermalEngineering)DirectedbyProf.FanShuanshiAbstractHydratesareice-likecryst

8、allinecompoundsandarelikelytoforminoffshorecondensatepipelinerunningathighpressureandrelativelowtemperature,whichhasresultedingreateffectsonthepetroleumindustry.Inordertokee