水/油乳液中甲烷水合物颗粒聚集控制机理研究

Deep subsea pipelines with high pressure and low temperature operation, encounter blockage of gas hydrates as the most challenging problem in flow assurance. One crucial subject of current investigations is concentrated on preventing hydrate particle aggregation and keeping hydrate slurry flowability. As the purpose of establishing fundamental flow security theory, this proposal focus on the study of methane hydrate slurry stability, rheological properties and hydrate particle aggregation behavior under the action of multiple factors. The research methods depend on both the measurement of the thermal and rheological properties of hydrate slurry and theoretical analysis. The description is paid for revealing the influence of water-cut, addictive concentration, size of water droplet and salt on the hydrate slurry stability and rheological properties. The interaction mechanism between the oil/water interfacial tension, volumetric fraction of hydrate, hydrate slurry viscosity and the shear stress will be clarified. The constitution of methane hydrate slurry rheological model is based on general Newtonian fluid considering the action of multiple factors. The methane hydrate particles steady-state aggregation model will be constructed for further exploring dynamic aggregation model. The analysis of emulsion properties, hydrate formation and stability of hydrate slurry, hydrate slurry rheological properties will be gathered to illustrate the associated mechanism of hydrate particle aggregation. This work will enhance the fundamental knowledge that predicts the formation and transportability of gas hydrates in flowlines.

水合物堵塞是深水油气管道流动安全最具挑战性的课题。控制水合物颗粒聚集，保持水合物浆液的流动性成为当前一个重点研究方向。本项目以建立流动安全理论体系为目的，以水/油乳化液中甲烷水合物生成的热特性测量、流变测量及理论分析为手段，研究水/油乳化液中甲烷水合物浆液的稳定性、流变特性及多因素作用下的甲烷水合物生成与水合物颗粒聚集特性。揭示含水率、添加剂浓度、液滴尺寸、盐份等因素对水合物浆液稳定性及水合物浆液流变性影响规律。阐明水/油界面张力、水合物体积分数、水合物浆液粘度及剪切应力之间的相互作用机制。构建描述多因素作用下的甲烷水合物浆液的广义牛顿流体流变模型及甲烷水合物颗粒的稳态聚集模型，探索水合物颗粒动态粘聚力模型。分析乳化液特性、水合物生成与水合物浆液稳定性、水合物浆液流变特性的关联机制及多因素影响下的水合物颗粒聚集机理，为深水油气管道水合物堵塞控制提供安全流动理论基础。

随着油气资源需求的日益增加，海洋油气开采逐渐步入深水区，此时由于深水管道的低温高压环境，易于水合物生成，水合物堵塞风险显著升高，水合物堵塞是深水油气管道流动安全的关键问题。控制水合物颗粒聚集，保持水合物浆液的流动性是目前国内外解决水合物堵塞问题的主要策略手段。本项研究，选用矿物油作为模拟油相与水混合，在表面活性剂的作用下充分乳化，并利用显微镜、流变仪等对水/油乳化液液滴颗粒尺寸、流变特性等基本物性进行测量。利用不同特性的水油乳化液样品，进行高压釜水合物生成实验，并利用PVT法与CT系统，针对其生成过程，探明含水率、温度、压力、搅拌速率、表面活性剂浓度对水/油乳化液内水合物生成动力学的影响，建立水颗粒表面水合物生成动力学模型。同时利用热特性测量、流变测量手段，探明了含水率、添加剂浓度、水合物体积分数对水合物悬浮液稳定性以及流变特性的影响规律，建立了剪切力与黏附力作用下的水合物颗粒聚集与黏度理论模型，并与实验获得数据进行了比较，模型在不同初始含水率，不同水合物转换率以及不同表面活性剂浓度条件下都表现出良好的适应性。同时还建立了水合物颗粒极限沉淀速度模型，可以有效预测水合物颗粒在毛细水桥作用下的极限沉淀速度。