海底油氣管道流動保障技術研究進展

1、    海底油氣管道流動保障技術研究進展    朱夢影 程濤 孔冰 李少芳 郭奕杉 摘      要： 面對深海低溫高壓的特殊環(huán)境，在深海油氣田的不斷開發(fā)過程中，流動保障成為了深海油氣資源輸送過程中亟待解決的問題之一。在深海油氣田的流動保障中所要解決的主要問題是流動堵塞，即水合物、蠟、水垢、瀝青質(zhì)等固相的沉積。主要從蠟沉積、水合物生成以及二者之間的相互影響等三個方面進行論述，介紹了國內(nèi)外深海管道流動保障技術研究的最新進展，為我國在深海油氣田流動保障技術的進一步研究提供了參考。關  鍵  

2、;詞：深海油氣田;流動保障;水合物;蠟沉積：te 832       ： a       ： 1671-0460（2019）08-1755-05abstract： faced with the special environment of deep-sea low temperature and high pressure， in the process of continuous development of deep-sea oil and gas fields， flo

3、w assurance has become one of the urgent problems to be solved in the process of deep-sea oil & gas resources transportation. the main problem that need be solved in the flow assurance of deep-sea oil & gas fields is the flow blockage， i.e. the deposition of solid phases such as hydrate， wax

4、， scale and asphaltene. in this paper， wax deposition， hydrate formation and the interaction between them were mainly discussed. the latest development of deep-sea pipeline flow assurance technology at home and abroad was introduced， which could provide some reference for the further study of deep-s

5、ea oil and gas field flow assurance technology in china.key words： deep-sea oil and gas fields; flow assurance; hydrate; wax deposition隨著海洋油氣田的不斷開發(fā)，海底管道作為海洋油氣田開發(fā)中不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)，管道流動保障技術的深入研究越來越重要。中深海具有高壓低溫的環(huán)境特點，在深海海底輸油管道周圍環(huán)境溫度可以低至4 ，并且從2007年至2012年，深度大于500 m的油田比例已經(jīng)由55%增加至67%，隨著中深海油氣田的進一步開發(fā)，該比例仍在不斷增加1。在中深海

6、海底集輸管道工藝設計中，油氣多相混輸技術取得了廣泛的應用，該技術在簡化集輸設施、降低相應的輔助建設投資方面體現(xiàn)出很大優(yōu)勢，其中蠟沉積和水合物生成是該技術所面臨的新難題。海底管道一旦堵管，采油平臺必須停產(chǎn)并更換被堵塞管段，在400 m水深的海底，更換1英里的堵塞管道所需費用達到100萬美元，在大幅度增加投資費用的同時也會引發(fā)停輸再啟動等一系列難題，嚴重威脅安全生產(chǎn)1-3。1  多相混輸蠟沉積對于蠟沉積機理的研究，國內(nèi)外多數(shù)學者的研究重點集中在單相原油和油氣兩相中，并且利用冷板、環(huán)道等實驗設備在機理研究、模型預測等方面取得了很多成果。但是，在海底油氣田開采過程中必然要伴隨著水和雜質(zhì)的產(chǎn)生

7、，這種多相流動蠟沉積過程的研究較少，同時，對油水兩相蠟沉積機理的認識也沒有取得統(tǒng)一的認識4-11，主要的原因是影響多相流動狀況的因素更為復雜、流型多變、難于測量和觀察等12，13。1.1  蠟沉積實驗研究1.1.1  研究方法在蠟沉積研究中，主要是通過控制發(fā)生蠟沉積的實驗條件來研究蠟沉積過程，研究方法主要分為靜態(tài)與動態(tài)兩大類。目前，在研究蠟沉積方面的靜態(tài)實驗裝置主要有冷板和冷指兩種，這兩類裝置因具有結(jié)構(gòu)簡單、實驗溫度容易控制等優(yōu)點，在研究溫度、時間、沉積表面性質(zhì)、含水率等因素對結(jié)蠟規(guī)律影響方面具有一定優(yōu)勢14。雖然靜態(tài)實驗裝置在蠟沉積研究中有一定的優(yōu)點，但無法研究實際生產(chǎn)中

8、流動狀態(tài)下的蠟沉積機理卻成為其最大缺陷。因此，動態(tài)實驗裝置的應用，在研究實際生產(chǎn)狀態(tài)下的結(jié)蠟過程方面起到了重要作用，常用的動態(tài)實驗裝置主要有環(huán)道實驗與旋轉(zhuǎn)圓盤實驗，其中，環(huán)道實驗的應用更為廣泛。1.1.2  研究成果在油水兩相流動蠟沉積的研究過程中，很多研究指出蠟沉積量與水組分的含量有關。couto等人6，15利用冷指實驗裝置對油包水型乳狀液的蠟沉積規(guī)律進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，隨著乳狀液含水率的增加，蠟沉積量呈指數(shù)型減少;同時，改變?nèi)闋钜褐苽溥^程中的剪切速率時，蠟沉積結(jié)果不發(fā)生變化。但是該實驗也有缺陷之處，由于只改變?nèi)闋钜壕C合含水率，無法確定蠟沉積量減小的主要原因是綜合含水增加還是

9、原油相體積較小。張宇等人4利用冷指實驗裝置對油包水乳狀液蠟沉積規(guī)律研究的過程中，分別研究了乳狀液總體積不變和油相總體積不變兩種情況下冷指溫度、乳狀液含水率以及液滴大小等各類因素對蠟沉積規(guī)律的影響;并運用f檢驗法分析實驗結(jié)果，提出各個影響因素對實驗結(jié)果的影響情況。研究指出，相同含水率情況下，隨著液滴直徑的減小，蠟沉積速率減小;各個影響因素的作用從大到小依次為冷指溫度，含水率和液滴大小及分布;乳狀液總體積不變與油相總體積不變兩種情況下蠟沉積規(guī)律基本一致。ahn15在研究中提出在油水兩相流動中，蠟沉積量不僅會隨著含水率的增大而減小，也會隨著非離子型表面活性劑的增加而減小;bruno等7通過環(huán)道實驗得

10、出了相似規(guī)律，指出含水率的增加提高了水滴的分布濃度，從而減少了溶解蠟分子的流動路徑。hsu16-18利用環(huán)路實驗驗證了油水混輸紊流狀態(tài)下的結(jié)蠟量隨含水量的增加而減少;張宇8及kasumu等19的研究認為隨著含水量的增加，蠟沉積的厚度增加，但含水量達到一定量時蠟沉積厚度開始減小。bordalo等20通過觀察油水混輸環(huán)路發(fā)現(xiàn)管壁處結(jié)蠟位置的分布隨著流型的變化具有不同規(guī)律，在油水分層流中結(jié)蠟位置處于管壁上側(cè)，對于水環(huán)油核的環(huán)狀流，在油相與管壁接觸的情況下，仍然有蠟沉積在管壁處。sergio21利用環(huán)道實驗裝置研究了模擬油中油水兩相分層流與環(huán)狀流條件下的蠟沉積規(guī)律，實驗中分層流條件下的上層油相與管壁不

11、能直接接觸，環(huán)狀流中油相被水環(huán)阻隔也不能與管壁直接接觸，但實驗結(jié)果表明管壁仍有蠟沉積現(xiàn)象的發(fā)生，研究認為由于水膜較薄且不連續(xù)，故其對蠟顆粒與管壁接觸的阻礙作用有限。1.2  蠟沉積模型couto等6利用冷指實驗裝置研究油水兩相蠟沉積規(guī)律時，在單相蠟沉積模型的基礎上，將油水混合物視作單相流體，依據(jù)單相蠟沉積模型預測油水兩相蠟沉積規(guī)律，依此提出油水兩相蠟沉積動力學模型。該模型主要的假設條件有油水兩相充分混合乳化后，混合物視作單相介質(zhì);蠟只溶解在油相中，且含水率的變化不改變蠟在油相中的溶解度。該模型的主要缺陷是將油水混合物作為單相，沒有考慮乳化液反相問題。bruno等7在couto建立的油

12、水兩相蠟沉積模型的基礎上，分別對混合物粘度的計算、沉積物含水率的大小和蠟分子擴散系數(shù)的計算等三個方面進行了改進，改進后所建立的模型雖然精度依舊不高，但可以較好地預測水包油和油包水型乳狀液的蠟沉積速率。huang等22在利用數(shù)值計算法研究油水分層流動狀態(tài)下的蠟沉積過程時，假設溫度與濃度分布相互獨立，使用singh 等的蠟沉積模型來計算傳熱與傳質(zhì)過程，將蠟晶尺寸比作為建模時的擬合參數(shù)，并認為水相主要改變了傳熱與傳質(zhì)的特征。2  多相混輸水合物生成2.1  水合物生成理論水合物生成是熱力學條件、動力學條件以及傳熱傳質(zhì)過程等多種因素綜合影響下的復雜過程23。水合物生產(chǎn)有壓力和溫度條

13、件，在游離水存在的情況下，在一定壓力和溫度情況下會生產(chǎn)水合物，一定溫度下，壓力高于水合物生成壓力才能生產(chǎn)水合物，同樣在一定壓力下，溫度低于水合物生成溫度才能產(chǎn)生水合物，反之水合物不會生產(chǎn)，已經(jīng)存在的水合物也會分解。在多相混輸管道中易形成油包水乳狀液，生成的水合物殼體會阻礙乳狀液中的游離水滴與油相中的水合物分子繼續(xù)形成水合物，因此，對于多相混輸管道，應綜合考慮影響水合物生成生長的多種因素，從而建立多相混輸水合物生成模型。2.1.1  生成條件（1） 熱力學條件從熱力學角度講，要形成水合物，首先管道中應含有水分和小分子烴類;其次，管道中壓力、溫度條件滿足水合物生成條件;第三，管輸物中有形

14、成水合物的結(jié)晶中心。（2） 動力學條件在動力學上，水合物生成包括晶體形成和生產(chǎn)聚集兩個階段。當壓力不變時，溫度需要降至水合物理論平衡溫度以下若干度，并且經(jīng)過一段時間誘導才能形成晶體晶核。其中將實際溫度與水合物理論平和溫度的差值成為過冷度，將形成水合物晶核的時間成為誘導時間。水合物生成過程中，晶核形成比較困難，經(jīng)過一個誘導期，當晶核達到某一臨界尺寸后，水合物將快速生產(chǎn)。所以水合物生產(chǎn)可以分成三步：形成晶核;晶核增大至臨界值;水合物快速增長。根據(jù)上述描述，水合物生成需要三個必要條件：足夠的水分;壓力和溫度滿足要求;壓力波動等擾動狀態(tài)以及結(jié)晶中心誘導生成等。2.1.2  生成機理與模型su

15、m等24將以液相為主的混輸管道的水合物生成過程分為如下幾個過程：多相混輸體系內(nèi)形成油水乳狀液，形成水合物生成的表面區(qū)域;體系溫度與壓力達到水合物生成條件，在氣液兩相界面處開始形成水合物，并生成水合物殼層;被潤濕的管壁處形成水合物;水合物顆粒的生長;水合物分子的聚集;水合物在管壁處沉積。chen等 24利用水合物循環(huán)模擬管路研究了添加不同水合物抑制劑時水合物在管道中的形成，拍攝記錄了水合物形態(tài)的變化過程;yan等25采用高壓水合物循環(huán)管路，研究了在添加水合物阻聚劑情況下，水合物漿液的流動特點與流變性質(zhì)，而且拍攝了水合物漿液形態(tài)的變化過程。sum等26認為以氣相為主的混輸管道與以液相為主的混輸管道

16、在水合物生成并堵塞管道的整個過程并不相同，在氣相為主的混輸管道中，水合物初始形成位置在管壁處，并不斷生長直至堵塞管道，整個過程中存在已經(jīng)沉積的水合物的剝落與再沉積現(xiàn)象。在研究多相混輸管路的水合物生成理論中，宮敬等27提出在熱力學相平衡、水分子滲透理論、熱量傳遞模型等理論基礎上，將熱力學條件、動力學條件以及傳熱傳質(zhì)過程等多種因素綜合起來，提出水合物殼雙向生長模型。該模型可以模擬水合物生成速率、氣體消耗以及水合物漿液流動過程等。2.2  水合物控制在中深水油氣田的混輸管線中水合物的控制包括水合物抑制和風險控制，其中水合物抑制包括傳統(tǒng)的抑制方法與新型的抑制方法，而風險控制則是允許管道中的水

17、合物呈漿液流動狀態(tài)存在28-34。對于中深海油氣田混輸管道，前者存在高成本、技術局限等因素的限制，后者仍然處于實驗室研究階段。（1）脫水脫水是抑制水合物生成應用最廣泛，也是最徹底、經(jīng)濟的方法。常用的天然氣脫水方法有溶劑吸收法、固體干燥法、冷凍分離法和膜分離法等，其中三甘醇溶劑吸收法是目前應用最廣泛的方法;固體干燥法使用的干燥劑很多，常用的有鋁礬土、活性氧化鋁、分子篩和有機硅等，使用時根據(jù)天然氣組分進行選擇;冷凍分離器一般作為其他脫水方法的輔助脫水措施使用;膜分離法（2）降低管道運行壓力理想狀態(tài)下的降低管道運行壓力分為方法有三種：緩慢減壓的等溫降壓、不與外界發(fā)生熱傳遞的等焓降壓、使用膨脹機對外做

18、功不發(fā)生熱傳遞的降壓，實際狀態(tài)下的降壓處于等溫降壓與絕熱降壓兩者之間，通常清除管道內(nèi)已有的水合物可采用降壓法。降壓后必須要停滯一段時間來分解水合物，值得注意的是，如果采用放空法來處理管道內(nèi)水合物時，需要保證環(huán)境溫度大于0 ，否則會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，分解后水合物會轉(zhuǎn)化為冰塞。（3）管線加熱加熱法的原理是通過加熱管道時流體問題高于水合物生產(chǎn)溫度，從而抑制水合物生成，已成生成是水合物也可分解。（4）添加抑制劑常用的水合物抑制劑有熱力學抑制劑、動力學抑制劑和防聚劑三類。在海底管道中，熱力學抑制劑常選用甲醇和乙二醇，通過添加熱力學抑制劑來提高水合物的生成壓力，并降低其生成溫度，但這種類抑制劑的加入量大、成本

19、高、毒性大且難以回收，會造成嚴重的環(huán)境污染。動力學抑制劑并不改變水合物的熱力學特性，當時它可以抑制水合結(jié)晶，抑制水合物生長，動力學抑制劑屬于新型抑制劑，相對于熱力學抑制劑，價格更為廉價，效果更優(yōu)。防聚劑是某些聚合物和表面活性劑，需要在油水共存條件下使用。在向體系中加入防聚劑后，可使油水乳化，使油相中的水分散成水滴，這樣防聚劑與油相混合，可防止乳化液滴的聚集，從而起到抑制水合物生成的作用。對比以上幾種水合物抑制方法，脫水方法的使用局限于自由水的存在，而不存在自由水相的條件下水合物也有生成的可能;對于中深?；燧敼艿溃档瓦\行壓力方法的使用主要在海上平臺一端進行操作，一般不易控制油氣源一端，這樣會在

20、降壓過程產(chǎn)生較大壓差，存在安全隱患，同時，若管線內(nèi)已經(jīng)生成水合物，水合物降壓分解過程會造成管線溫度的降低，造成冰堵;管線加熱法的困難之處在于難以確定水合物生成的位置，當采用電加熱的方法時會因電流變化引起腐蝕等問題。3  多相混輸蠟沉積與水合物間的相互影響對于中深?；燧敼艿?，高壓低溫環(huán)境下會出現(xiàn)蠟和水合物同時析出的情況，一種固體顆粒的生成會對另一固相的動力學以及熱力學行為都會產(chǎn)生影響35。目前，在油-氣-水混輸系統(tǒng)中水合物與蠟之間相互影響的研究還很少，尤其是對兩種固相顆粒沉積聚集過程的影響情況的研究很少，因此仍需要通過實驗探究的方法研究二者之間的影響。王巍36和張凱37采用相平衡模擬軟

21、件分析了二者析出溫度間的影響。在固定壓力下，由于水合物的析出會帶走油相中的輕組分，導致重組分的溶解度降低，影響蠟的相平衡，析蠟點升高;原油中的蠟晶析出后，輕組分含量相對增加，水合物生成曲線相比無蠟晶析出時右移，水合物生成溫度升高，促進水合物的生成。4  結(jié) 論（1）對于單相原油蠟沉積問題研究已經(jīng)較為成熟，然而油水兩相等多相混輸管路蠟沉積研究還有待進一步深入，對多相混輸蠟沉積規(guī)律的認識尚未取得一致的認可?？梢栽趯嶒炑芯拷嵌忍剿鞲咝实难芯糠椒ǎ瑫r，與數(shù)值方法結(jié)合以及探索新的實驗思路也不可或缺，進而建立和完善適用于中深海多相混輸管路的蠟沉積模型，獲得更高的預測精度。（2）在多相混輸條

22、件下的水合物研究中，應考慮混輸狀態(tài)下多種因素對水合物生成生長的影響，從而建立多相混輸水合物生成模型;在水合物控制方面，應考慮中深海的特殊條件，傳統(tǒng)的水合物抑制技術在應用中受到了技術的局限和高成本的制約，因此，研究水合物的風險控制，即以水合物漿液輸送技術為基礎的水合物控制，對中深海混輸管道的流動保障具有重要意義。（3）目前，分別對于管道蠟沉積、水合物生成問題已經(jīng)進行了多方面的研究，但基本是將蠟沉積和水合物的問題分開研究，而將兩者結(jié)合起來進行研究的情況尚不多見，因此，對于中深?；燧斢蜌夤艿溃枰獙Χ吖泊鏁r的蠟沉積過程和水合物聚集過程進行深入地探索。參考文獻：1marilyn radler. gl

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