水合物堵塞的特性及分解方式.docx

1、水合物堵塞的特性及分解方式水合物堵塞的特性及分解方式摘要本文研究了水合物堵塞的特性及其分解方式。为了研究水合物的形成和分解速度和方式，从而进行了18个泵循环及16个低地形循环实验。水合物特性的研究说明，水合物堵塞是在流动回路中形成，它的性质（如密度、孔隙度和渗透率）是依照一些不同参数（如过度冷却温度、矿化度和注气率）来测量。这些参数的转变阻碍着水合物的形成。在低地形测试中，水合物的孔隙度在到之间，渗透率在2达西到15达西之间。咱们发觉，在低地形测试中形成的水合物堵塞是可再生的。水合物形成的时刻决定于上述注气率、过冷温度及矿化度等参数。在其他条件相同的情形下，过冷温度越高、矿化度越低，水合物生成

2、得越快；注气率越高，水合物生成得越快。假设气流持续时刻更长的话，气流将无法渗透过这些堵塞物。水合物分解的研究说明，水合物堵塞可通过不同的方式进行分解，包括加热、降压和加入乙二醇抑制剂。本文在分析了水合物分解实验结果后，依如实验结果来选定分解模型，同时，不同的分解模型的模拟也做出了比较。水合物的加热分解是沿水合物堵塞长度加热使堵塞物均匀分解。降压分解实验说明，降压分解沿堵塞物长度散布不是均匀的。而抑制剂分解是在抑制剂与堵塞物的接触点发生。目前已经开发了第一代抑制剂分解模型。模拟的分解进程中将实验温度与压力作为输入参数，使模拟结果与实验数据加倍的吻合。引言水合物是在高压低温环境中气体分子进入水中而

3、形成的冰状的固体混合物。图是PVT-Sim依如实验中所用天然气的组分生成出的水合物平稳曲线。图 水合物平稳曲线上图说明，在高压低温环境下，水合物的形成是稳固的。在关井的时候，温度会骤降至海底温度（3000下为40），因此，若是不进行降压的话，那么系统几乎全数处于水合物生成的区域。也确实是说，在此环境下将形成水合物堵塞。在深水采油作业中，为了幸免水合物堵塞，必需对水合物是如何沉淀和如安在水下卫星井、流管及立管中形成堵塞有所了解。当在系统中假设热力学抑制剂如盐、乙二醇或甲烷后，水合物平稳曲线向左移动（即向低温高压侧移动）。如此便抑制了水合物的形成。可是，有时流管中的水合物生成无法取得良好的抑制。在

4、此情形中，必需将已经生成的水合物堵塞分解，才能从头取得产量。从此图中看出，当温度升高、压力降低或加入更多的抑制剂时，堵塞物将被分解。这次研究的要紧目的是，通过了解水合物的生成现象及其分解方式，从而避免水合物的生成和为实际情形中的水合物堵塞分解提供指导。为了达到这次科学研究的目的，作者用到了三个科学大体方式。第一，拥有充沛的实验数据和现象的观看结果从而提出问题。第二，这些信息通过量次的检查从而排除错误的结论。第三，基于理论推导及上述信息与文献资料的关系，从而做出如下假设：1. 水合物形成的时刻决定于上述注气率、过冷温度及矿化度等参数。在其他条件相同的情形下，过冷温度越高、注气率越高，水合物生成得

5、越快；同时，矿化度越高会延缓水合物的形成。2. 在利用加热分解方式时，水合物是被均匀地分解。3. 在利用抑制剂分解方式时，水合物的分解发生在与抑制剂接触的位置。上述观点仅为假设，它们还没被证明为完全正确。但是，它们可为第三章中的实验分析做铺垫预备。这次研究能够归类为一个实验调查研究，在第二章提出的实验设计是超级重要的。第三章中讲到通过进行18个泵循环及16个低地形循环实验来模拟阀门泄漏的情形。通过计算堵塞物的渗透率、孔隙度和流动特性来描述水合物堵塞的特性。在18个泵循环实验中，水合物通过加热方式来分解。在16个低地形循环实验中，11个实验用加热分解，4个实验用降压分解，1个实验用抑制剂乙二醇（

6、MEG）分解。第三章讨论了实验分析和上述假设的有效性。而且对实验数据和模拟数据做了比较。第四章总结这次调查研究的结论，并提出了后续的工作。第二章 实验设置 实验装置这次实验是在Tulsa大学进行的，流动回路由总厂160英尺内径为2.9英寸的不锈钢管组成。Douglas Estanga 博士论文中研究水合物堵塞机理时和Colorado School of Mine 的水合物研究中心研究水合物形成时也用到了这套实验装置。流动循环是靠多相泵的吸入端和排放端来连接。流动线路由5英寸熟钢管号为10号的不锈钢钢管组成，流体进入且密封在内形成回路。管线上安装了4个伽马光密度计，其中三个是固定的，另外一个能够

7、在39英尺长度内扫描。固定的那几个光密度计能够提供固定点密度随时刻的转变，移动的那个光密度计能够扫描39英尺长度上的密度。将油、气、水和各类添加剂注入到流动循环中所需的所有设备都放在流动循环左侧的处置建筑中，如下图。流动循环对面的操纵拖车包括了所有数据搜集模块和运算机操作的接口。锅炉系统和锅炉房都是最初的大体设备。图 流动回路设备图图是流动回路的详细图解。整个流动回路安装在一个长80英尺而且能够前后摇动的平台上。利用摇动模式时，平台摇动的最大幅度为8度，最小摇动时刻达30秒。Leistritz双螺杆多相泵能够将流体输送至8度的坡度（在流体下坡运动时，泵不工作）。在12的最大流体粘度下，泵能够提

8、供250GPM的最大流速。泵的吸入和排放压力都是通过测量的，每根管柱间的压力降和全程的压力降也都是通过测量的。内管的内管壁和外管壁都安装了温度传感器。图 流动回路详细图解乙二醇作为冷却剂在环空中流动，依照处置的液体的情形，能够将其设为顺时针流动或逆时针流动。测量冷却剂的入口温度和出口温度，平均乙二醇的温度用来操纵冷却等变率。一个20吨的制冷机用来冷却乙二醇。乙二醇的流速也通过测试，而且在每一个测试中都维持匀速。在每根管柱的开端和终止端4个观测点用来观看水合物的形成。观测点由管壁上的三个蓝宝石窗口组成，每一个窗口之间相隔120度。视频系统能够记录水合物的形成和分解。实验中，三个固定的伽马光密度计

9、搜集密度数据，用以定量描述以水合物形成与时刻相关的流体密度剖面；一个移动的伽马光密度计搜集密度数据提供以扫描距离（39英尺）相关的流体密度剖面。2.1.1 流体注入系统注入处置建筑中的设备能够将盐水、油、溶剂和添加剂注入到系统中去。通常，油、盐水和溶剂是通过低压齿轮泵注入进流动循环。各相注入的质量是通过一个Micro Motion质量流量计测量并通过电脑系统记录。同时，水和添加剂是通过一个Milton-Roy高压活塞泵以低速注入进流动循环。盐水预备系统是事前利用自来水来预备盐水，然后注入进流动循环中。为了保证原油中没有如石蜡类的沉淀，原油是事前通过循环和加热，然后注入进流动循环中。整个注入管线

10、是热记录描线而且隔热的，如此来避免冻结、胶凝或结蜡。2.1.2 气体注入系统气体是以体积流量的方式，通太高压气缸和一个高压活塞泵注入进流动循环。双气缸交替利用，一个气缸在充气的时候另一个气缸就往流动循环中注气。和注入油时一样，气体离开气缸时的温度和压力也是测量了的；注入气体的质量也通过状态方程和输入组分进行了计算。此系统中的气体质量能够通过Peng-Robinson（PR）、Redlich-Kwong（RK）或Benedict-Webb-Rubin（BWR）等状态方程进行计算。进气系统能够为流动循环提供定质量的气体注入，或为流动循环维持一个固定的压力。关于定压实验，注入气体的多少能够用来测量水

11、合物的形成。此系统在后文中被称作“注气系统”。“注气系统”能够以的最大注气速度向流动循环中注入气体。两个气缸交替的循环时刻大约为10分钟。在2020年，流动循环直接连上了一个紧缩天然气（CNG）系统。后文中将那个系统称为“CNG系统”。“CNG系统”在维持渗透性测量的温度下能提供更高的达2的注气速度；可是注气脉冲循环时刻需要45分钟。注入系统中的气体流动都是通过微运动测量仪进行测量的。2.1.3 油密封系统为了维持多相泵密封处的背压和提供冷却和润滑作用，咱们利用了一个John Crane油密封系统。此密封系统不断地调整密封处的背压来记录流动压力。咱们利用一个蓄电池来保证密封处的压力，一旦停电，

12、能够给操作人员足够的时刻来降压，使流动循环系统处于平安的条件。2.1.4 冷却系统咱们利用了一个20吨的制冷机来冷却环空中流动的乙二醇。乙二醇用来冷却油和视频设备。温度等变率能够调至40。咱们利用一个离心泵使乙二醇循环流动，乙二醇的流速通过一个磁流量计来计算。带有蒸汽盘管和其他离心泵的第二个贮存罐中贮存和循环着温度高于85的乙二醇。在水合物分解时期，咱们利用了一个壳管式蒸汽热互换机来加热环空中循环流动的乙二醇。2.1.5 锅炉系统蒸汽是操纵流动循环温度的一个热源（专门是在水合物分解时期），同时也提供注液管线的热量以避免冬季管线堵塞或结冰。锅炉房中安装了一个450000的锅炉。锅炉房中还有一个2

13、5马力（HP）的空气紧缩机，用来开动操纵阀、污水泵和气体紧缩机。2.1.6 仪器装置流动循环上要紧安装了Roseman压力压差传感器和温度传感器（RTDs）。注入流动循环的液体的多少由一个Micro Motion Coriolis流量计来记录。表列出的是这套系统利用的要紧仪器。表 仪器列表（续表）（续表）22 修正和测试方式水合物的形成可发生在泵循环或低地形的情形下；可是，那个结论要完全正确的话，需要做出一些修正。下文即是讨论这些改变。2.2.1 水合物形成实验修正：泵循环实验：为了在泵循环实验中更好地操纵水合物形成，在现有的流动循环设备上做了如下的修正，如下图：图 泵循环中生成段塞的流动循环

14、结构图（1）从观看窗内向循环管道中加入了一块限流板，假设它的作用是在移动的伽马光密度计下形成一个段塞。限流板有2.8英寸长，1英寸宽。（2）安装了“CNG系统”，此系统在维持渗透性测量的温度下能提供高达2的气体循环速度。（3）安装阀门的作用是排出段塞形成后的自由液体和在渗透性测试进程中搜集段塞释放出的液体。低地形实验：为了模拟阀门泄露的情形，在此整个实验中都没有效到泵。如下图，气体呈气泡状进入流动循环而不是靠多相泵。图 低地形实验中的流动循环结构图2.2.2 水合物形成机理：在此低地形实验结构图中，没有利用到泵，而且有一根管柱内充满了水。如下图，水合物形成的进程分为四步。第一步，将一根管柱内充

15、满水，现在密封的乙二醇温度为70。然后将流动循环加压到需要的压力（多数情形为1500）。然后系统降温到水合物堵塞形成的温度（多数情形为40）。第二步是“进气”时期。在水合物形成的条件下，气体呈泡状由管的一端进入，注汽速度为。第三步水合物形成时期当气体在适合的压力和温度进入水中时，水合物在管中聚集而且开始慢慢地驱替水。第四步，整个管中都充满了水合物，当系统稳固后，水合物生成的进程就完成了。然后通过水合物堵塞向管柱中注气，同时测量压降。那个数据的作用是利用达西公式来计算堵塞物的渗透性。图 低地形实验机理图2.2.3 水合物分解实验修正泵循环实验：在泵循环实验中，要紧的研究对象是水合物的特性，因此咱

16、们加热乙二醇全力使水合物迅速（小于4小时）分解。在低地形实验中，对分解进程进行了研究。低地形实验：在处置完所有低地形实验中的数据后，对水合物的分解进程进行了研究。为了排水和幸免在分解时堵塞物的坍塌，咱们利用了一个2度的倾角。每隔10到15分钟做一次密度描线，来记录质量的转变。在温度（加热）或压力（降压）步骤终止后，等伽马光质量仪稳固后下个步骤才开始。水从低处的观看窗口排除，幸免在密度扫描仪下聚集。图展现的是一个热分解的例子。图 热分解实验结构图2.2.4 水合物生成模式：所有水合物生成实验中，18个实验是在泵循环模式下完成的，其他16个是在低地形模式下完成的。表和表中别离列出了实验模式。泵循环

17、实验：在泵循环的18个水合物生成实验中，含水量（体积）的区间为25%至65%，积液量（体积）为50%至75%。盐度（质量）转变为0%至7%。具体的实验模式如表所示：表 泵循环实验模式低地形实验：在低地形的16个水合物生成实验中，含水量为100%。注气速度为至2。盐度转变为0%至14%。过冷温度范围为5至21。具体的实验模式如表.表 低地形实验模式图 实验流体在泵循环实验中，为了模拟生产环境，西铁古（Citgo）19号油、天然气和水被选作为水合物生成的实验流体。在低地形实验中，为了模拟阀门泄露的情形，不同盐度的水喝天然气被选作为水合物生成实验流体。2.3.1 西铁古（Citgo）19号油在泵循环

18、实验中，西铁古（Citgo）19号油被选作水合物生成实验中的油相。它是一种无粘着力的矿物油，通经常使用以润滑。因为其敞亮、清澈度高，因此超级适用于这次实验的观看。因为它的美国石油协会燃油比重度数只有度，它被归纳为轻油一类。在标况下，西铁古19号油的密度是860。表列出的是此款油的化学组分的重量百分比。表 西铁古19号油的化学组分2.3.2 天然气注入气选择的是Tulsa City的天然气。实验条件（1500和40）下，此天然气的密度为96。表列出的是此款天然气的化学组分的摩尔百分比。表 Tulsa City天然气的组分2.3.3 水/盐水注入的水相选择的是自来水和盐度为%、7%和14%的盐水。

19、盐水溶液配制时，利用的是溶解了%氯化钠片的自来水。3 实验结果文章此部份为水合物性质和分解研究的详细信息。分析的要紧依据是密度记录器的密度描线、压力测试、温度测试、压降、肉眼观看和模拟对照。由于此调研包括了水合物性质研究和其分解的研究，因此是研究结果分为了两部份。第一讨论的是水合物堵塞的形成及其性质。在不同的盐度、过冷温度和注气率下形成了不同的水合物堵塞。紧接着是水合物堵塞分解的研究讨论。依如实验数据选择了不同的模型，并将模拟结果与实验数据做了比较。 水合物性质研究在此部份将具体讨论水合物特性的研究结果。为了研究水合物堵塞的类型和不同参数对其渗透性和形成时刻的阻碍，咱们进行了两组实验：泵循环实

20、验和低地形实验。在两组实验中都用到了伽马光密度计来测量移动区域内水合物堵塞的密度。此数据关于计算水合物渗透性和管中水合物的质量来讲是超级重要的。每隔半英寸就记录一次管中的密度，即，在39英尺的长度内记录了925个点的密度来形成记录器的密度描线。图伽马光密度仪的照片和其在水合物形成后做密度扫描记录描线的实例。图 移动密度仪的记录描线图3.1.1 水合物的类型咱们将水合物归为浆状、多孔状和浓稠状三类，它们的浓稠度别离类似于玛格丽特浆、一堆玻璃珠子和被压实的雪。TU流动循环内产生的浆状水合物类似于Fang和Wang（2020）做出的泥浆状的水合物。产生的多孔状的水合物和任何以往文献中记载的都不类似。

21、图中展现的是咱们的流动循环中产生的水合物。图 TU流动循环中的水合物3.1.2 泵循环实验在18个泵循环实验中，水合物形成的位置与假设的位置（限流板位置）不一致。一些水合物在限流板后和U型区域形成。在泵循环实验中，水合物堵塞不是通过假设那样聚集而形成的，实验中咱们取得的多为浆状水合物。实验中的积液体积百分比为50%到75%，含水量体积百分比为25%到65%。可是实验中并未回收到水，这说明水被“困”在水合物中，或是转化为了水合物。表中记录了水合物堵塞形成的位置和计算后的渗透率。表 泵循环实验中的渗透性数据上表中，第一列是实验编号。第二列是通过达西定律计算出的渗透率。第一个子列记录的是形成在伽马光

22、密度仪移动区域内的水合物堵塞的渗透率，第二子列记录的是形成在U型区域或其他管内的水合物堵塞的渗透率。第三列是用来计算水合物堵塞渗透率的水合物堵塞段长度。其中第一个子列记录的是形成在伽马光密度仪移动区域内的水合物堵塞的长度，第二子列记录的是形成在U型区域或其他管内的水合物堵塞的长度。伽马光密度仪移动区域内的水合物堵塞长度是依照密度扫描描线数据得来。第四列是各实验的备注。实验中未表现出水合物堵塞的区域，尽管的确有水合物沉淀的形成，可是他们没有对流动循环造成堵塞。渗透性计算：在堵塞物形成后，测量压力降来计算其渗透率。气体循环通过堵塞物，并对不同压差和气流速度下的情形都做了测量。渗透率是通过达西定律计

23、算出来的，测试原理如图，方程3-1。图5 达西定律测试原理图 （3-1）泵循环实验中测量的渗透率存在不确信性，是由于：（1）渗透率随堵塞物长度发生转变；（2）水合物沉淀是不是完全堵塞；（3）堵塞物上方或中间是不是存在气体通道；（4）对堵塞物长度/位置的未知。情形1：渗透率随堵塞物长度发生转变：图是水合物形成期间排水前后的密度扫描描线图。图 HYD2020-025实验密度扫描描线图此图中，纵轴是密度，单位是。横轴是距离，单位是。绿线表示排水前的密度，红线表示排水后的密度。排水后，管中最高的密度在左右，最低的密度在左右。的密度表示管中几乎充满了水合物，而的密度表示此区域管中几乎只存在气体。以此看出

24、，水合物堵塞并非均匀。因此咱们能够将一块堵塞物看做由一系列不同渗透率的堵塞物组成，如下图。图 沿堵塞物长度的渗透率散布图每一部份的渗透率计算由方程3-2计算，总的渗透率由方程3-3计算。计算结果和方程3-1 的计算出的渗透率相同。 （3-2） （3-3）关于这些水合物堵塞来讲，最低的渗透率决定了总的渗透率。例如，假设一个水合物堵塞长65，前2长度的压差为50；由于存在一个气体通道，剩余63长度的压差仅为。在流体流速为的情形下，总渗透率。但是，由于实验设备的限制，咱们不能测量到每一个小部份的压降。咱们所能取得的是整个65英尺长度上的压差或U型长度上的压差和整段的渗透率。情形2：水合物沉淀未完全堵

25、塞：图描述的是水合物形成进程中未完全堵塞管道的情形。在密度描线图中可知，管中的密度仅有约，说明管中仅有一半是水合物。图 HYD2020-014实验密度扫描描线图如下图，管中只有一半的空间被水合物堵塞。此情形下的渗透率测量结果高达16000达西，大小和全通管道差不多。在此种情形下，咱们认定水合物沉淀生成可是并未堵塞管道。图 泵循环实验中水合物未堵塞管道情形图情形3：堵塞物中间存在气体通道：如下图，堵塞物孔隙中间存在气体通道。此情形中，堵塞物不能完全限制气体的流过，气体由通道直接流过。因此，压降会变得很小，所测得渗透率就会专门大。图 泵循环实验中水合物堵塞中间存在气体通道情形图情形4：对堵塞物长度

26、/位置的未知：水合物堵塞可不能都在预期的位置生成，因此很难估算水合物堵塞的长度。图描述了此情形下水合物沉淀可能形成的位置。在泵循环实验中，有两个位置可能形成非渗透性的水合物堵塞：第一个是在伽马光密度仪移动区域，另一个是在U型区域或其他管道。另一个问题是，压差的测量是在两个观看窗之间进行的，距离是65英尺，而不是伽马光密度仪移动区域的39英尺。因此，在伽马光密度仪前面的20英尺和后面的5英尺内水合物的密度是无法监测到的。表已经列出了渗透率从0达西到65达西的实验。图 泵循环实验中可能生成水合物的位置图孔隙度计算：孔隙度是水合物最重要的特性之一，也是水合物分解模型一个重要的输入参数。在假设堵塞物形

27、成后液体能够被排出的情形下，孔隙度能够用伽马光密度仪测出的密度通过方程3-4计算出：（3-4）在方程3-4中，XX是通过伽马光密度仪测得；XX是在必然压力和温度下给定气体组分通过PVT-Sim软件计算得出；XX是在相同压力和温度（一样为XX）下气体的密度。在许多实例中，伽马光密度仪的数据不是很靠得住，因为通常液体不能从浆状水合物中完全排出。因此，孔隙度是从水合物和“被困”液体的密度中计算出来的，而不是单从水合物的密度中计算得来。水合物堵塞也不是总在密度仪移动区域下形成，它们也可能在管道的其他地址形成，也就说密度扫描描线的结果不能代表整个水合物堵塞。泵循环实验中的这些测量数据不能完全代表水合物堵

28、塞的特性，因此文章下部份将用模拟阀门泄露的情形来生成水合物堵塞。 低地形实验在先前的18个泵循环测试中，孔隙度测试未能成功，而且渗透率测试存在许多不确信性。为了更好的取得水合物的孔隙性和渗透性数据，咱们利用了能在伽马光密度仪移动区域内形成已知长度水合物堵塞的低地形实验。在此实验中，孔隙度测量时液体能很容易地被排出；渗透率测量时最大的不确信性来自于存在气体通道。由于低地形实验能够取得更好的数据，咱们调查了流动特性并依照注气速度来研究水合物的形成。渗透率计算：低地形实验中的渗透率测量方式与泵循环实验中利用的方式相同。只是唯一的不确信因素来源于气体通道。在低地形实验中，水合物生成后就开始测量密度。气

29、体通过堵塞物进入循环中；测量不同压差和注气率的情形。在此实验中利用了两种不同的注气率，别离为和2XX。部份中的“注气系统”选用的是的注气率。在那个系统中，两个气缸每隔10分钟互换一次，互换进程会引发压力波动。如下图，随着气体的注入，渗透率在降低，最低时为10达西。图 HYD2020-007实验中的压差与渗透率图当注气率为2XX时，选用的是“CNG”系统。此系统45分钟卸载一次，同时引发压力脉冲。由于那个压力脉冲，水合物被紧缩，变得加倍浓密。由于压差是阶梯状上升的，因此渗透率也是阶梯状下降的。如图图 HYD2020-005实验中的压差与渗透率图整个注气时刻即为水合物生成时刻。在多数实验中，当达到

30、最大的平安压差时和水合物堵塞坍塌时，注气便停止。测量到的最小渗透率转变范围在2达西到15达西之间。如下图，渗透率与形成时刻相关。当水饱和的气体流过堵塞物时，渗透率会随着时刻增加而降低。咱们假设，如图，若是继续注气的话，气体将无法再渗透这些堵塞物。表中总结了渗透率的数据。但是，在少数实验中，当堵塞物坍塌后仍然继续注气，括号内的时刻是从注气到达到最小渗透率所历时刻。实验HYD2020-006和-019的数据并未列出，由于存在气体通道的缘故，这两组数据的渗透率过大，不具有代表性。图 水合物变成非渗透性表 低地形实验中渗透率数据表按比例放大数据：在堵塞物长度为39英尺和注气率为的情形下，低地形实验得出

31、的最小渗透率为2达西至10达西；在注气率为2XX的情形下，最小渗透率为6达西至15达西。考虑油田中的情形，堵塞物长度为1英里，注气率为，渗透率为2达西至10达西，那么堵塞物两头的压差达到1255XX至6273XX。如此庞大的压差，气体是无法通过的。水合物形成：水合物形成时刻即为注气达到最大压降或水合物堵塞坍塌的时刻为止。如表所示，水合物形成时刻与冷却温度、盐度和注气速度相关。当注汽速度和冷却温度相同时，盐度越大水合物生成的时刻越长。以实验HYD2020-015和-012为例，它们的冷却温度和注气速度相同，盐度别离为%和0%。实验HYD2020-015用了约7小时形成水合物堵塞，而实验HYD2020-012花了大约4小时形成水合物堵塞。实验HYD2020-007、-008和-003有相同的注气速度和相似的冷却温度，而实验HYD2020-003却比实验HYD2020-007和-008花了更长的时刻来形成水合物。因此，此组数据是不确信的。当盐度和冷却温度相同时，注汽速度越快水合物生成的时刻越短。以实验HYD2020-003和-004为例，它们的冷却温度和盐度相同，实验HYD2020-004用了小时形成水合物，而实验HYD2020-003用了4小时形成水合物堵塞。但是，从实验HYD2020-016和实验HYD20