【摘 要】
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在深海油气田的开发过程中,集输管道高压、低温的输送环境为蜡沉积和水合物生成提供了适宜的条件,将同时面临水合物沉积和蜡沉积问题,容易发生堵塞事故并威胁管道流动安全。现阶段相关学者针对含蜡体系水合物浆液流动、堵塞等特性进行了广泛的研究,但这些研究多是基于油包水体系,基于油水分散体系和水包油体系的研究尚不充足,亟需揭示油水分散体系和水包油体系中蜡晶析出对水合物浆液流动、流变及堵塞特性的影响。本文探究了油
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在深海油气田的开发过程中,集输管道高压、低温的输送环境为蜡沉积和水合物生成提供了适宜的条件,将同时面临水合物沉积和蜡沉积问题,容易发生堵塞事故并威胁管道流动安全。现阶段相关学者针对含蜡体系水合物浆液流动、堵塞等特性进行了广泛的研究,但这些研究多是基于油包水体系,基于油水分散体系和水包油体系的研究尚不充足,亟需揭示油水分散体系和水包油体系中蜡晶析出对水合物浆液流动、流变及堵塞特性的影响。本文探究了油水体系和水包油体系中蜡晶析出对水合物浆液流动、流变及堵塞特性的影响,主要内容如下:1.本文采用高压可视实验环路进行了含蜡油水体系(未添加乳化剂)水合物浆液流动实验。结果表明:(1)相较于无蜡油水体系,含蜡油水体系流量下降的趋势更大,压降上升的幅度更高,体积分数更小;在含蜡量0.5wt.%~2.5 wt.%范围内,蜡晶析出对水合物生成的抑制效果随含蜡量的增大而增强。(2)在含蜡量0.5 wt.%~1.75 wt.%范围内,含蜡量越高,对应体系的流量下降程度越大,发生堵塞的风险越大。(3)综合堵塞形态图像,针对本文使用的实验环路,提出了含蜡油水体系的水合物浆液堵塞机理:水合物大量生成后,水合物颗粒与蜡晶形成的聚集体悬浮于油水混合相及水相中随管流流动,导致流体黏度增大,体系流量减小,进一步导致管流的携带能力下降,生成的水合物颗粒与析出的蜡晶相互黏附并出现大尺寸聚集体着床、沉积,极大地减小了管道流通面积,体系流动性显著下降,最终发生堵塞事故。2.本文采用高压可视实验环路开展了含蜡水包油体系水合物浆液流动实验。结果表明:(1)含蜡水包油体系较含蜡油水体系流量下降幅度更小,压降上升幅度亦更小,水合物体积分数更大。(2)从堵塞形态图可以发现:管道上部出现水合物层,水合物颗粒互相黏附,管道中下部出现大量无色透明水合物层并聚集在底部,管道内底部出现大尺寸聚集体并发生沉积,但聚集体尺寸和数量与含蜡油水体系不同,出现差异的原因是由于Tween 80的阻聚效果,抑制了颗粒间的聚集,导致聚集体数量和尺寸均小于含蜡油水体系。(3)基于含蜡油水体系、含蜡水包油体系水合物体积分数和流动能力下降程度的对比分析,探究了乳化剂Tween 80对含蜡体系水合物浆液生成、流动特性的影响机制。虽然Tween 80的发泡性增强了水合物生成过程的毛细作用,导致含蜡水包油体系的最终水合物体积分数大于含蜡油水体系;但Tween 80的阻聚作用导致含蜡水包油体系的流动能力下降程度小于含蜡油水体系。3.本文基于高压环路实验系统所得到的压降、流量等数据,探究了含蜡体系水合物浆液流变及黏度特性,得到以下结论:(1)无蜡油水体系、含蜡水包油体系水合物浆液均为假塑性流体。(2)将析出的蜡晶与生成的水合物析出视为分散相,得到总固相有效体积分数,进而建立了含蜡水包油体系水合物浆液黏度模型,使用该模型计算了含蜡水包油体系水合物浆液黏度。并对模型进行了验证,发现模型能够表征体系黏度随着固相体积分数增大而上升的趋势,且误差分析结果表明,模型预测值与实验数据平均相对误差为6.67%,具有良好的预测精度。(3)基于Herschel-Bulkley经验模型,推导了无蜡油水体系、含蜡水包油体系水合物浆液的流变方程,发现随着水合物体积分数、固相有效体积分数增大,水合物浆液偏离牛顿流体的程度越大。(4)研究了无蜡/含蜡水包油体系的表观黏度,发现两个体系的表观黏度均随着水合物体积分数的增加而增大,并分析了含蜡水包油体系水合物浆液表观黏度在各水合物体积分数下始终大于无蜡水包油体系的原因。
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