水合物毕业设计英语翻译.docx

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水合物毕业设计英语翻译

管道中水合物浆的层流与紊流特性

——法国国际石油研究所

摘要

在本研究中，利用原油所固有的与水形成稳定油包水乳状液的能力和以水合物颗粒为分散浆料来对水合物的输送进行研究。

在HYSIFLO联合工业项目中利用法国国际石油研究所的琴式膨胀器对水合物的输送特性进行的实验性测试显示，当水合物形成和以层流或紊流状态输送时压力降会发生改变。

该系统中在水合物的集聚/破碎过程中产生的剪切应力被认为是影响水合物浆粘度的主要参数。

在层流状态时，观察发现压力下降到谷底时相应的水合物聚集达到最大值。

然后，与水合物浆的粘度相关的压力降随着壁面切应力的改变而趋于减小。

在紊流中，水合物浆的流变特性已经表明水合物浆的粘度也与水合物浆在形成时的壁面切应力有关，并且在柯尔莫戈洛夫微尺度下不影响聚集体的形成。

一个聚焦光束反射测量探头已经被使用来测量弦长分布的演化最终确定对压力降的观测。

本文旨在提供给读者一个对水合物浆输送机制的更好的理解，并提供一种实验性的方法来估计原油在形成油包水乳状液流时的聚集特性。

关键词：

天然气水合物，流动保障，聚集，管道

专业名词：

CLD弦长分布

琴环直径D，m

聚集体的分形维数，-

可见聚集体颗粒直径Da，m

水合物基础颗粒直径Dp，m

摩阻系数f，-

聚焦光束反射率的测量FBRM

琴环长度L，m

柯尔莫戈洛夫微尺度长度Lk，m

体积流率Q，m3/h

平均悬浮速度U，m/s

琴环回路压降∆P，Pa/m

水的体积分数（含水率）Φ，-

有效的流体力学体积分数Φeffφ

最大包裹率Φmax，-

能量损耗ε，m2/s3

乳状液粘度μemulsion，Pa.s

石油的粘度μoil，Pa.s

泥浆的粘度μslurry，Pa.s

乳状液的动力粘度ν，m2/s

剪切应力τ，Pa

粘附应力τ0，Pa

壁面切应力τw，Pa

乳状液的密度ρ，kg/m3

介绍

水合物的形成造成的危害在于对生产线的堵塞，这在今天仍是阻碍我们向更深领域发展的主要问题。

因此，控制水合物生成的策略可能是设计的一个重要组成部分，这也导致了这项工作会产生较高的资本和运营成本。

一项很有发展前景的替代技术是在可控的范围内允许水合物的生成，这是为了能够在运输线中输送分散水合物浆。

这可以通过利用原油固有的能够形成稳定油包水乳状液的能力或加入抗粘结剂产生分散水合物浆以便输送来达到目的。

这种集聚机制对压力降有着巨大的影响，因此决定着长距离管道输送水合物浆的能力。

在原油的内在属性对水合物浆输送影响的理解上我们已经取得了显著地进步[1]，并且我们已经提出了一些水合物形成和聚集的物理模型[2,3].然而，我们仍然需要作出更多的工作来准确的预测水合物浆在层流和紊流状态时的情况并估计造成堵塞的几率大小。

油包水乳状液水合物浆

在水合物浆的形成过程中从最初的管道中的油包水乳状液可以确定两种机制。

第一种是由最初的水滴生成水合物颗粒，这通常被称作“水合物壳式生长”[3,4]。

第二种是聚集体的形成，它结合了粒子聚集机理和基于剪切力的破坏机理。

颗粒的聚集趋向于增加乳状液的粘度并导致压力降低，然而剪切力却趋向于通过逐渐破坏聚集体或使聚集体断裂成更小的颗粒来降低粘度。

多种类型的聚集体目前已经被发现，它们的分类主要与水合物颗粒间的粘附力的类型有关。

卡马乔和巴勒莫[5],已经指出一些油品因为聚集成水合物悬浮液而表现出一种非牛顿行为。

这被归因于颗粒表面的沥青质的吸附作用。

这些相互之间的作用很弱因此可以通过流量的增加而轻松的破坏。

这也导致出现了一个随时间变化的限制剪切行为。

另一方面，粘附力也会存在于湿的水合物悬浮液中，这些湿的水合物悬浮液中的自由水能在已存在的水合物颗粒间生成毛细桥连接。

当水转换不能完全实现时就会遇到这种情况并形成非稳定悬浮[6]。

第三种被称作“接触聚集”的聚集机制已经在一些油品中被发现。

在这种机制中，水合物的形成是通过水合物颗粒和水滴的接触。

两者接触后立刻发生水滴的结晶化和固态晶体桥的形成。

由于剪切力的作用导致水合物聚集体数量的增加和固态聚集体形成的减少。

这一机制已被巴勒莫，阿拉等人[4]的报告所证实。

这种聚集可以被称为“不可逆的”，因为它与那些顺应剪切力的恰恰相反。

在层流条件下，水合物的形成与聚集一起有增加系统粘度的倾向，而破坏和腐蚀则会造成降低系统粘度的倾向。

这两种相互之间存在竞争的机制会导致一个短暂的最大聚集状态，这可以通过在实验测试[2]中仪表显示的压力降达到峰值而被检测到。

在真实的管线状态中，上述的所有机制都会发生。

它们各自发生的程度取决于油的性质，水的含量，气体的转化，流量和水合物浆的生成状态。

当前的研究

当前我们的研究是基于雪佛龙公司提供的针对原油的实验回路平台上进行的。

而实验的进行是为了测试在不同水含量和不同流量的流动状态时水合物浆的特性。

测试的模型包含了层流和紊流两种流动状态。

一种对这种油品的聚集特性进行测试的实验方法已经被提出来了。

实验设备

在法国能源新城里昂的法国石油研究院已经利用琴环进行了多次实验。

这是一个2"x140m的多相流环，此流环的作用是对真实流体（figure1）进行流保障研究。

气体和液体被分别注入进一个由水平管和奇特地形组成的测试部件。

由于流动是由一个能够产生更低剪切率的改良螺杆泵推进的，因此可以避免水合物颗粒在泵内被压碎。

图1琴环实验仪

监测温度，绝对压力，流量和压力降。

这个测试部件的温度被完全控制在0℃至50℃之间，并且压力可加至100bar。

在水合物生成测试中，气体被从储罐缓慢的注入以抵消气体的耗散，保持压力稳定。

这个测试部件是由FBRM探头，几个温度探针，压力差探针和一个可以测量质量流量和混合物密度的科里奥利流量计组成的。

聚焦光束反射测量探针

FBRM探针现在通常用于研究水合物浆[7]。

它可以测量弦长分布并给出聚集体的形状，尽管不能直接提供明显的直径分布趋势也不能提供聚集体的分形维数。

事实上，同时测量聚集体的直径和聚集体的各部分非常困难并且很难解释。

在乐巴等人[8,9]研究的弦长分布实验中一套新的方法被提出用来重新获取聚集体的真实形状。

然而，弦长分布测量提供了一种测量聚集体动态的好方法，并清楚的展示了更大的结构体从最初的水滴状分布到形成不同的特性。

实验项目

流体的特性

实验原油由雪佛龙公司提供（29°API,viscosity@4°C=56cP）。

基础实验测试允许确定一个降低油品黏度的稀释浓度，而黏度要降低至允许在琴环上进行紊流测试操作的水平。

这同时也证实了稀释不会导致沥青质絮凝，稀释的油品保持了它良好的乳化特性。

30g/L的NaCl水溶液在乳状液的形成过程中被用到。

乳状液粘度的测量要在不同压力，温度和含水率的情况下。

米尔斯定律（公式1）[10]也在水合物浆的粘度建模中被应用到。

首先，这证实了米尔斯定律对于预测明显的乳状液粘度μemusion乳化m作为含水率Φ（figure2）.的功能也是有效的。

图2油包水乳状液粘度和米尔斯定律

稀释后的原油在70bar时被气体饱和（表1），此时约有一个14℃的水合物相平衡温度。

表1天然气平均组成

测试协议

水合物生成测试包括在恒定流量和恒定静态压力下降低乳状液温度至水合物相平衡温度以下。

每个水合物测试实验都由以下步骤组成：

（1）此回路是基于被稀释的油品和为此实验而定义含水率的水，然后将混合物在70bar压力和30℃条件下用天然气饱和；

（2）油水混合物以恒定流量循环形成均匀稳定的乳状液。

（3）在恒定压力和恒定流量情况下，温度以-20°C/h的速率由30℃降低至4℃，然后保持24小时。

气体的耗散由从储气罐注入分离器的气体补充；

（4）在水合物的形成过程中，所有以下的数据必须不间断测量：

温度，压力，压力降，流量，密度，弦长；

（5）在形成过程的末尾阶段，当所有测量数据稳定时，乳状液的流变特性在层流状态下得到。

而此层流状态是由逐渐增加和减小流量达到的。

水合物浆的粘度与压力降和粘度有关。

在此特性中，压力和温度分别保持在70bar和4℃；

（6）解离的进行是通过以20°C/h的速度将温度由4℃升至30℃，并保持此状态12小时。

然后，以大流量再制造一个良好的乳状液。

测试矩阵和结果

此实验活动的目的是描述水合物颗粒在层流和紊流（3-16m3/h）及不同含水率（5-30%）条件下的聚集现象。

随着水合物形成时黏度的变化，由以下注意事项限制流型：

（1）层流实验测试的是乳状液与水合物浆的层流流型。

（2）紊流实验测试的是乳状液与水合物浆的紊流流型。

（3）过渡实验测试的是乳状液的紊流流型，但在生成水合物后转变为层流。

表2给出了所有测试的概述和每个测试的实验性流体条件：

表2动态测试矩阵

表3初始乳状液粘度和最终水合物浆粘度

紊流状态下只达到5%,10%和15%的含水率。

当含水率上升，水合物形成后流型变为系统的层流状态。

4℃时测量的水合物浆粘度与初始乳状液粘度的对比见表3.我们可以观察到水合物浆的粘度急剧增加。

由于一些实验性问题，实验7重做两次。

此外，实验的条件有时很难控制，这或许可以解释一些小的误差，如实验5中水合物浆的粘度为18m3/h与实验6中15m3/h的粘度相当，而实验预期应该是更低的。

水合物实验中的普通观察

在每个实验中，三种相态都被观察记录如下：

在温度降低的过程中，水合物结晶前，气体的耗散是由于气体溶解到油品中。

在此期间溶解的气体的量取决于气相与液相之间的传质动力（在分离器内发生）。

油品可以在水合物结晶的初期就被饱和，这是由实验条件决定的。

水合物的结晶是通过回路中众多的传感器（温度探针）检测的，由于结晶过程的发热效果使得检测更有说服力，也证实了气体储罐中气体的平衡和分离器中气体耗散的增长。

聚焦光束反射率的测量也表明水合物颗粒的结构尺寸有增加，而诱导时间取决于实验的条件。

（表3）

在层流中水合物颗粒的强烈集聚会影响层流状态时压力降的测量：

我们观察到摩擦因子急剧增长相应的水合物浆的粘度也有增长。

而在紊流中集聚效应对摩擦因子的影响却微乎其微。

相反的是，在层流测试中集聚效应对水合物浆粘度的影响不大。

因此，一旦所有的传感器的测量值达到稳定，就可宜测得低流速下的流变特性。

对不同水含量范围内流变特性的研究揭示在多数实验中乳状液存在牛顿行为。

这意味着在水合物形成和聚集阶段之后，聚集体会形成一个稳定的尺寸而不会被剪切力影响。

这种聚集体可以被认为是“不可逆的”。

在水合物形成以后，温度趋于设定值4℃，随着储气罐压力逐渐稳定气体的耗散减小最终趋于零。

解释与建模

聚集体模型

聚集体模型已经由卡玛格和巴勒莫[4]最初的的报告中的方法建立了。

最初，这个模型的提出是为了解释一些特殊油品在形成水合物乳状液时的非牛顿行为。

在这种方法中，乳状液与水合物浆都由等效均相的有效特性（粘度，密度）来表示。

结论

实验测试操作使用了琴环回路来研究流动状态的影响，水含量对油包水乳状液中水合物形成的影响从低水含量（<35%）时就开始了。

两个重要的观察结果非常突出。

第一个是在一些层流测试中压力急剧下降的存在，这很肯能是因为水合物颗粒聚集与剪切力破坏的竞争作用造成的。

第二个是乳状液的最终状态表现出了牛顿行为，导致的集聚状态的特性只取决于两个参数（τ0,X），而与流态无关（层流，过渡，紊流）。

这两个参数可以由回路中实验测试的壁面切应力（τw）和聚集体有效体积分数（Φeff）来确定。

在HYSIFLOJIP的油品研究中，为了高含水率（Wc=5%）两个拟合参数是,τ0=250，X=0.35。

对于这种在低含水率时特殊的现象是基于可供水直接转化为水合物的溶解气的量解释的。

HYDRATESLURRYCHARACTERISATIONFORLAMINARANDTURBULENTFLOWSINPIPELINES

MartinGainville*,AnneSinquin

IFPEnergiesnouvelles,

ABSTRACT

Inthiswork,thehydratetransportationhasbeenstudiedbytakingadvantageoftheintrinsiccapabilityofsomecrudeoilstoformstablewaterinoilemulsionsandtoallowthetransportationofhydrateparticlesasadisperseslurry.ExperimentaltestsonhydratestransportabilityperformedduringHYSIFLOJointIndustrialProjectinIFPEnergiesnouvelles'Lyreloophavegivenindicationsofpressuredropmodificationswhenhydratesareformedandtransportedinlaminarandturbulentflows.

Theshearstressappliedtothesystemsduringtheagglomeration/breakageprocesshasbeenidentifiedasthepreponderantparameterforthecharacterizationoftheslurryviscosity.Inlaminarconditions,apeakonthepressuredrophasbeenobservedanditcorrespondstoamaximumstateofhydrateaggregation.Then,thepressuredroprelatedtotheslurryviscositytendstodecreasewiththemagnitudeofthewallshearstress.Inturbulentflow,rheologycharacterizationoftheslurryhasshownthattheslurryviscosityisalsorelatedtothewallshearstressappliedduringtheformationandthatKolmogorovmicro-scalesdonotimpactthesizeoftheaggregates.AnFocusedBeamReflectanceMeasurementprobehasbeenusedandtheevolutionofChordLengthDistributionsconfirmtheobservationsonthepressuredrop.Thisworktriestogiveabetterunderstandingofthehydratetransportabilitymechanismandprovidesanexperimentalapproachtoestimatetheintrinsicagglomerationpropertyofacrudeoilforwaterinoilemulsionflows.

Keywords:

gashydrates,flowassurance,agglomeration,pipeline

NOMENCLATURE

CLDChordLengthDistribution

DLyreloopdiameter[m]

dfFractaldimensionofaggregates[-]

DAApparentaggregatediameter[m]

DPElementaryhydrateparticlediameter[m]

fFrictionfactor[-]

FBRMFocusedBeamReflectanceMeasurement

LLyrelooplength[m]

LKKolmogorovmicro-scalelength[m]

QVolumeflowrate[m3/h]

UMeansuspensionvelocity[m/s]

∆PPressuredropovertheLyreloop[Pa/m]

ΦWatervolumefraction（water-cut）[-]

ΦeffEffectivehydrodynamicvolumefraction[-]

ΦmaxMaximumpacking[-]

Proceedingsofthe7thInternationalConferenceonGasHydrates（ICGH2011）,

Edinburgh,Scotland,UnitedKingdom,July17-21,2011.

εEnergydissipation[m2/s3]

μemulsionEmulsionviscosity[Pa.s]

μoilOilviscosity[Pa.s]

μslurryOilviscosity[Pa.s]

νDynamicviscosityofthesuspension[m2/s]

τShearstress[Pa]

τ0Adhesivestress[Pa]

τwWallshearstress[Pa]

ρDensityofthesuspension[kg/m3]

INTRODUCTION

Thehazardofhydrateformationcausingblockagesinproductionlinesremainstodayoneofthemainconcernstodeepwaterfielddevelopments.Consequently,hydratecontrolstrategymayrepresentamajorpartofthedesign,resultinginhighcapitalandoperationalexpenditures.

Apromisingalternativetechniquewouldbetoallowhydratestoform,butinacontrolledway,inordertotransportadispersedslurryintheflowline.Thatcouldbeachievedeitherbytakingadvantageoftheintrinsiccapabilityofsomecrudeoilstoformstablewaterinoilemulsionsand/orbyaddinganti-agglomerantadditivesinordertotransporthydrateparticlesasadisperseslurry.Theagglomerationmechanismhasahugeimpactonthepressuredropandconsequentlyontheabilitytotransportslurriesinpipelinesoverlongdistance.Significantprogresshavebeenmadefortheunderstandingofthecrudeoilsintrinsiccapabilitiestotransporthydrate,[1],andsomephysicalmodelingofhydrateformationandagglomerationhavebeenproposed,[2,3].Nevertheless,someworkisstillneededtopredictcorrectlytheslurrybehaviorsinturbulentandmultiphaseflowsandtoestimatetheriskofblockage.

Hydrateslurryformationinawaterinoilemulsion

Twomainmechanismscanbeidentifiedduringtheformationofaslurryfromaninitialwaterinoilemulsionsysteminapipeline.

Thefirstoneisthehydrateparticleformationfrom

aninitialwaterdropletanditiscommonlydescribedby"hydrateshellgrowth",[3,4].

Thesecondoneistheformationofaggregateswhichcombinesaparticleagglomerationmechanismandabreakagemechanismdependingontheshearstress.Theagglomerationofparticlestendstoincreasethesuspensionviscosityandconsequentlythepressuredropwhereastheshearstresstendstodecreasetheviscositybyerodingand/orbreakingaggregatesintosmallersizeaggregates.

Differenttypesofagglomerationhavebeenidentifiedandtheyaremainlylinkedtothetypeofadhesiveforcesinvolvedbetweenhydrateparticles.

CamargoandPalermo,[5],haveshownthatsomeoilsexhibitanon-Newtonianbehaviorforconcentratedhydratesuspension.Ithasbeenattributedtotheadsorptionoftheasphaltenesattheparticlesurface.Theseinteractionsareweakandtheycaneasilybede