PDF《天然气凝析液管道水合物堵管风险研究》

258 石油科学通报

2016 年9月第1卷第

2 期 计与评价方法[14] .基于可靠性的设计与评价方法是一 种概率设计方法,其核心思想是综合评价各个随机变 量对系统安全的影响,并使用系统在某一特定极限状 态下的失效概率将风险进行量化表征.将可靠性作为 管道安全性的衡量标准,有助于实现总体风险的一致 性,以最小的成本达到既定的安全目标.在石油天然 气管道工程可靠性研究中,针对管道结构的设计与评 价,国际标准化组织和加拿大标准协会相继发布了基 于可靠性的管道输送系统设计与评价方法[15] .国内学 者也针对大型油气管网系统可靠性、基于可靠性的设 计与评价指标等进行了相关的研究[16-22] ,将可靠性理 论引入石油天然气管道工程领域.在原油管道流动安 全保障研究中,张劲军等[22] 将可靠性理论和方法与含 蜡原油管道停输再启动安全评价模型相结合,建立原 油管道凝管问题的极限状态方程,提出基于可靠性的 输油温度确定方法. 本文针对水合物的风险控制,借鉴管道可靠性分 析方法,基于可靠性理论建立水合物堵管极限状态方 程,运用超立方拉丁(Latin Hypercube Sampling,LHS) 抽样,蒙特卡洛(Monte Carlo)算法和最佳正交分解 (Proper Orthogonal Decomposition,POD)算法生成随机变量样本空间和物理场初始样本矩阵,运用本课题 组的水合物壳双向生长模型等研究成果[23-24] ,模拟了 不同因素影响下水合物浆液流动过程中的堵管概率, 提供一种新的定量预测水合物堵管风险的方法,为改 善和优化水合物管理策略提供有力的理论支持.

1 水合物堵管风险评估模型 1.1 天然气凝析液管道水合物生长过程的物理及数学 描述 水合物形成和生长机理是进行天然气凝析液管道 水合物堵塞风险研究的基础,单纯依赖水合物热力学 相平衡闪蒸计算不足以描述水合物形成与生长过程的 多阶段性.Sloan[25] 提出可将水合物结晶生长过程分为 溶解、诱导和成长

3 个过程.根据物质平衡原理,李 明川等[26] 建立了

3 个阶段的质量数学模型与反应速率 模型.刘芙蓉[27] 提出水合物结晶生长过程分为气体溶 解、水合物骨架形成、气体扩散和气体吸附

4 个阶段. 这些研究表明,水合物的形成和生长过程是多阶段的, 会受到热力学、动力学和传质与传热等因素的共同影 响.Lee[28] 通过对水合物形成和分解的实验研究,观 测到水合物会随机地以一个点或者多个点的形式开始 结晶生长,同时水合物晶体会在短时间内形成一个水 合物层包裹住水滴表面,然后以壳体形式双向生长. 在多相管流中游离水易与油相形成油包水乳状液,当 水合物开始生成时,迅速在分散于连续油相中的水滴 表面形成壳体[29-31] ,会阻碍水滴与油相中溶解的水合 物客体分子继续接触,从而成为水合物连续生长的阻 力.水合物的连续生长依赖于水合物客体分子从连续 油相向水合物壳体与水滴接触内表面的连续扩散,以 及水分子受到毛细吸力从分散水相向水合物壳体与连 续油相接触面的连续渗透[32-33] .同时,水合物实现连 续生长还有赖于水合物生成热能够快速释放.因此, 当外界环境满足水合物的形成条件时,水合物的连续 生长还需同时具备以下要素:足够的结晶动力学驱动 力、连续的气体分子和水分子的传质以及水合物生成 热的快速传导. 本课题组针对油包水乳状液条件下的水合物生长 问题展开了一系列系统的研究,建立了如图