Experimental Study on Natural Gas Hydrate Slurry Flow in Oil⁃Based System

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.05.010

Abstract

Abstract:

In the multiphase flow pipeline transportation system， in the process of hydrate slurry flow， rugged terrain will be encountered. At this time， the use of inclined pipeline is particularly important. Therefore， the influence of the flow characteristics of gas hydrate slurry in the inclined pipe on the blocked pipeline was studied. The hydrate plugging experiment of oil + natural gas in oil?based system was carried out on the low?temperature and high?pressure visual hydrate experimental loop， and the effects of initial pressure， initial flow and other factors on the flow and plugging time of natural gas hydrate slurry were explored. At the same time， the micro changes of hydrate particles in the process of hydrate formation， flow and pipe plugging were analyzed by real?time online particle tester. The experimental results show that with the increase of initial pressure， the induction time， formation time and slurry flow time of natural gas hydrate are shortened， and the pipe plugging trend of natural gas hydrate increases. With the increase of initial flow rate， the induction time， formation time and slurry flow time of natural gas hydrate are prolonged， and the pipe plugging trend of natural gas hydrate is reduced. Finally， the process from hydrate formation to pipe plugging and the plugging mechanism were analyzed. The research results of gas hydrate plugging pipelines in oil?based systems show that the probability of gas hydrates blocking pipelines can be effectively reduced by reducing initial pressure and increasing initial flow rates in oil?based systems. The research results can provide theoretical reference and basis for maintaining and ensuring the safe flow of natural gas hydrate in pipelines.

Key words: Natural gas hydrate, Initial pressure, Initial flow, Particle size evolution, Blocking mechanism

摘要：

在多相流管输体系下，水合物浆液在流动过程中会遇到崎岖不平的地形地貌，此时采用倾斜管道显得尤为重要。因此，研究了天然气水合物浆液在倾斜管内的流动特性对堵塞管路的影响。在低温高压可视水合物实验环路上，开展了油基体系下油＋天然气的水合物堵管实验，探究了初始压力、初始流量等因素对天然气水合物浆液流动和堵管时间的影响。同时，利用实时在线颗粒测试仪，对水合物生成、流动及堵管过程中水合物颗粒的微观变化进行了分析。结果表明，随着初始压力增大，天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均缩短，天然气水合物堵管趋势增大；随着初始流量增大，天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均延长，天然气水合物堵管趋势减小。对水合物生成至堵管的过程以及堵塞机理进行了分析。对油基体系下天然气水合物堵塞管路的研究结果表明，在油基体系下可以通过减小初始压力、增大初始流量来有效地减小天然气水合物堵塞管路的概率。研究结果可为维持和保证天然气水合物在管道中的安全流动提供理论参考及依据。

关键词: 天然气水合物, 初始压力, 初始流量, 粒径演变, 堵塞机理

CLC Number:

TE88

Zhen Pan, Lihe Zhang, Jiangtao Hao, Jian Zhu, Song Yuan. Experimental Study on Natural Gas Hydrate Slurry Flow in Oil⁃Based System[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(5): 62-70.

潘振, 张立贺, 郝江涛, 朱健, 袁松. 油基体系下天然气水合物浆液流动实验研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(5): 62-70.

Figures/Tables 10

References 24

1	杨蕊，刘德俊，王鹤超.竖直弯管水合物浆液流动模拟研究［J］.当代化工，2020，49（11）：2597⁃2601.
2	王屹，李小森.天然气水合物开采技术研究进展［J］.新能源进展，2013，1（1）：69⁃79.
3	张文亮，贺艳梅，孙豫红.天然气水合物研究历程及发展趋势［J］.断块油气田，2005，12（2）：8⁃10.
4	Thoms R L，Gehle R M.A brief history of salt cavern use［C］//The 8th World Salt Symposium.［S.l.］：Elsevire，2000.
5	Yin Z Y，Linga P.Methane hydrates：A future clean energy resource［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2019，27（9）：2026⁃2036.
6	闫柯乐，邹兵，姜素霞，等.水合物浆液流动与流变特性研究进展［J］.化工进展，2015，34（7）：1817⁃1825.
7	朱超，王武昌，王琳.天然气水合物浆流变性的研究现状及发展趋势［J］.天然气工业，2011，31（7）：77⁃81.
8	Koh C A，Sum A K，Sloan E D.State of the art： Natural gas hydrates as a natural resource［J］.Journal of Natural Gas Science & Engineering，2012，8：132⁃138.
9	周诗岽，李乐，李青岭，等.天然气水合物浆液流动形态与流变性的研究进展［J］.石油化工，2017，46（2）：248⁃253.
10	阮超宇，史博会，宋尚飞，等.天然气凝析液管道水合物堵管风险研究［J］.石油科学通报，2016，1（2）：257⁃269.
11	吕晓方，吴海浩，史博会，等.流动体系中二氧化碳水合物堵管时间实验研究［J］.实验室研究与探索，2013，32（11）：197⁃202.
12	吕晓方，王莹，李文庆，等.天然气油基水合物浆液流动实验［J］.天然气工业，2014，34（11）：108⁃114.
13	吕晓方，史博会，王莹，等.基于PVM的可视化水合物生成实验［J］.实验室研究与探索，2014，33（11）：6⁃9.
14	吕晓方，胡善炜，于达，等.基于在线颗粒分析仪的水合物生成特性实验研究［J］.实验技术与管理，2014， 31（11）：84⁃88.
15	Lv X F，Shi B H，Wang Y，et al.Experimental study on hydrate induction time of gas⁃saturated water⁃in⁃oil emulsion using a high⁃pressure flow loop［J］.Oil & Gas Science & Technology，2015，70（6）：1111⁃1124.
16	李清平，姚海元，陈光进.加入防聚剂后水合物浆液流动规律实验研究［J］.工程热物理学报，2008，29（12）：2057⁃2060.
17	王武昌，樊栓狮，梁德青，等.HCFC⁃141b水合物在管道中形成及堵塞实验研究［J］.西安交通大学学报，2008，42（5）：602⁃606.
18	Palermo T，Mussumeci A，Leporcher E.Could hydrate plugging be avoided because of surfactant properties of the crude and appropriate flow conditions？［C］//Offshore Technology Conference.［S.l.］：Offshore Technology Conference，2004.
19	Melchuna A，Cameiro A，Herri J M，et al.Transport of hydrate slurry at high water cut［C］//The 8th International Conference on Gas Hydrates.Beijing：［s.n.］，2014.
20	Melchuna A，Cameirao A，Herri J M，et al.Topological modeling of methane hydrate crystallization from low to high water cut emulsion systems［J］.Fluid Phase Equilibria，2016，413：158⁃169.
21	Lorenzo M D，Aman Z M，Soto G S，et al. Hydrate formation in gas⁃dominant systems using a single⁃pass flowloop［J］. Energy & Fuels，2014，28（5）：3043⁃3052.
22	Lorenzo M D，Aman Z M，Kozielski K，et al. Underinhibited hydrate formation and transport investigated using a single⁃pass gas⁃dominant flowloop［J］.Energy & Fuels，2014，28（6）：7274⁃7284.
23	Lund A，Lier O，Urdahl O，et al. A study and hypothesis of hydrate growth using a low dosage hydrate inhibitor（During a shut⁃in period in a multiphase pipeline）［C］//The Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference.Honolulu：［s.n.］，1997.
24	Boxall J，Davies S，Nicholas J，et al. Hydrate blockage potential in an oil⁃dominated system studied using a four inch flow loop［C］//The 6th International Conference on Gas Hydrates.Vancouver：［s.n.］，2008.

国别	环路名称	研究内容	研究者
中国	CUPB储运环路	分析了流量和压力等因素对水合物堵管时间的影响，开展了水合物生成的研究，分析了流体流速和含水率等因素对水合物生成的影响	吕晓方等^[11⁃15]
中国	CUPB化工环路	研究了水合物浆液的流动特性以及所含阻聚剂对水合物浆液流动的影响	李清平等^[16]
中国	GIEC水合物流动环路	研究了一氟二氯甲烷水合物和四氢呋喃水合物生成到堵塞的过程以及堵管机理	王武昌等^[17]
法国	IFP⁃Lyre环路	建立了油包水乳状液下水合物颗粒聚集合并的理论模型	T.Palermo等^[18]
法国	Archimede环路	在含水率较高的条件下，研究了流动速率以及阻聚剂等因素对水合物浆液流动的影响	A.Melchuna等^[19⁃20]
澳大利亚	Hytra环路	对瞬时条件下管道发生水合物堵管的可能性进行了评估，并提出了相应的缓解措施	M.D.Lorenzo 等^[21⁃22]
挪威	PetrecoA/S环路	在使用不同抑制剂的条件下，研究了凝析液体系下水合物生成的影响因素	A.Lund等^[23]
美国	ExxonMobil环路	提出了水合物堵塞机理	J.Boxall等^[24]

国别	环路名称	研究内容	研究者
中国	CUPB储运环路	分析了流量和压力等因素对水合物堵管时间的影响，开展了水合物生成的研究，分析了流体流速和含水率等因素对水合物生成的影响	吕晓方等^[11⁃15]
中国	CUPB化工环路	研究了水合物浆液的流动特性以及所含阻聚剂对水合物浆液流动的影响	李清平等^[16]
中国	GIEC水合物流动环路	研究了一氟二氯甲烷水合物和四氢呋喃水合物生成到堵塞的过程以及堵管机理	王武昌等^[17]
法国	IFP⁃Lyre环路	建立了油包水乳状液下水合物颗粒聚集合并的理论模型	T.Palermo等^[18]
法国	Archimede环路	在含水率较高的条件下，研究了流动速率以及阻聚剂等因素对水合物浆液流动的影响	A.Melchuna等^[19⁃20]
澳大利亚	Hytra环路	对瞬时条件下管道发生水合物堵管的可能性进行了评估，并提出了相应的缓解措施	M.D.Lorenzo 等^[21⁃22]
挪威	PetrecoA/S环路	在使用不同抑制剂的条件下，研究了凝析液体系下水合物生成的影响因素	A.Lund等^[23]
美国	ExxonMobil环路	提出了水合物堵塞机理	J.Boxall等^[24]

序号	持液率/%	初始压力/MPa	初始温度/℃	初始流量/（L·h^－1）
1	77.8	2.50	10.0	400
2	77.8	3.00	10.0	400
3	77.8	3.50	10.0	400
4	88.9	3.00	10.0	200
5	88.9	3.00	10.0	300
6	88.9	3.00	10.0	400

序号	持液率/%	初始压力/MPa	初始温度/℃	初始流量/（L·h^－1）
1	77.8	2.50	10.0	400
2	77.8	3.00	10.0	400
3	77.8	3.50	10.0	400
4	88.9	3.00	10.0	200
5	88.9	3.00	10.0	300
6	88.9	3.00	10.0	400

[1]	Zhikang Song, Lei Wang, Xin Huang, Wenjun Xu, Guofa Ji. Experimental Study on Combined Production of Natural Gas Hydrate Multi⁃Stage Depressurization and Chemical Injection [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(5): 43-49.
[2]	Zhiquan Liu, Dejun Liu, Fei Xie. Experimental Study on Hydrate Formation in the Complex System of High Viscosity Crude Oil and Quartz Sand [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2021, 41(6): 30-35.
[3]	Ma Guiyang，Zhu Ying. Application of Grey-Back Propagation Neural Network Model in Prediction of Natural Gas Hydrate Formation [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2018, 38(06): 93-98.
[4]	Gong Qingjun,Ma Guiyang,Pan Zhen,Li Cunlei,Xing Chengmin. Study on the Law of Natural Gas Hydrate Sedimentationinthe Process of Pipeline Transportation [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2017, 37(3): 19-23.