管道內(nèi)水合物堵塞塊移動(dòng)速度計(jì)算模型的建立與分析＊

姚海元 李清平 程 兵 余 敏

（中海油研究總院）

1 問題的提出

隨著海上油氣田開發(fā)水深的增加，海底油氣水混輸管道面臨的水合物堵塞問題越來越嚴(yán)重，尤其在管道啟動(dòng)、停輸或再啟動(dòng)時(shí)更易出現(xiàn)水合物堵塞事故［1-2］。目前，處理管道內(nèi)水合物堵塞事故應(yīng)用最為廣泛的方法是降壓法［3］。它是通過降低管道內(nèi)壓力使管道內(nèi)水合物堵塞塊分解，但在降壓過程中不易控制水合物堵塞塊兩側(cè)的壓力平衡，致使水合物堵塞塊向低壓側(cè)快速移動(dòng)，對(duì)下游彎管或閥門造成沖擊破壞，如圖1所示。對(duì)于短距離管道而言，這種風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，有必要針對(duì)管道內(nèi)水合物堵塞事故降壓解堵過程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立管道內(nèi)水合物解堵過程中水合物塊的移動(dòng)速度計(jì)算模型，為管道內(nèi)水合物堵塞事故的處理提供指導(dǎo)。

圖1 管道內(nèi)水合物堵塞塊移動(dòng)對(duì)下游彎管段和閥門造成損壞示意圖

2 模型建立

以圖2所示的管道內(nèi)水合物堵塞為例進(jìn)行建模，該建模過程基于以下假設(shè)：①水合物塊移動(dòng)過程中水合物塊質(zhì)量不發(fā)生變化；②水合物塊完全隔絕兩側(cè)的氣體；③水合物塊兩側(cè)氣體的平均可壓縮性保持不變；④水合物塊移動(dòng)過程中兩側(cè)管段內(nèi)溫度保持不變。

圖2 管道內(nèi)水合物塊堵塞建模示意圖

根據(jù)圖2所示，由牛頓第二定律得到如下方程

由氣體狀態(tài)方程［4］可得水合物塊上游壓力和下游壓力分別為

若

最終得到水合物塊移動(dòng)速度

3 算例分析

由模型的建立過程可知，建模過程的有關(guān)假設(shè)更貼近于短距離管道的實(shí)際情況，對(duì)于避免在水合物解堵過程中出現(xiàn)圖1所示的危險(xiǎn)情況更有意義。以處理水下跨接管內(nèi)水合物堵塞事故為例進(jìn)行分析：跨接管長(zhǎng)度50 m，管內(nèi)徑0.254 m；輸送氣體組分為甲烷0.75、乙烷0.10、丙烷0.08、氮?dú)?.04、二氧化碳0.03，其他組分為少量液態(tài)水（這里忽略不計(jì)）；假設(shè)水合物塊質(zhì)量為200 kg，密度為926 kg／m3，在距入口15 m處發(fā)生水合物堵塞；解堵時(shí)水合物塊前后壓力分別為4.1 MPa和1.7 MPa，管段內(nèi)溫度為3℃。

根據(jù)本文模型求得不同單位質(zhì)量水合物塊與管壁間摩擦力情況下水合物塊移動(dòng)速度與移動(dòng)距離之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)不同單位質(zhì)量水合物塊摩擦力情況下水合物塊移動(dòng)速度與移動(dòng)距離關(guān)系圖

從圖3可以看出：不同單位質(zhì)量水合物塊摩擦力對(duì)水合物塊的移動(dòng)速度有很大影響，摩擦力越小，水合物塊最大移動(dòng)速度越高，移動(dòng)距離也越遠(yuǎn)。鑒于目前對(duì)水合物堵塞塊質(zhì)量及其摩擦力的預(yù)測(cè)技術(shù)還很不成熟，為安全起見，在管道內(nèi)水合物解堵時(shí)認(rèn)為無水合物塊摩擦力。

對(duì)于距離較短的跨接管而言，在水合物解堵過程中最易產(chǎn)生的事故如圖1a所示。根據(jù)動(dòng)量定理可得到水合物塊經(jīng)過彎管處的沖擊力為

其中：M=ρhAVht

則式（9）可變?yōu)?/p>

通過式（10）可計(jì)算得到本例中水合物塊經(jīng)過彎管處的最大沖擊力Fmax=153.2 N。然后將該值與跨接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度相比較來確定是否存在沖擊破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)管道內(nèi)水合物降壓法解堵過程的特點(diǎn)，建立了解堵過程中水合物塊的移動(dòng)速度計(jì)算模型，可有效地預(yù)測(cè)水合物塊移動(dòng)速度與移動(dòng)距離之間的關(guān)系，進(jìn)而可計(jì)算出水合物塊對(duì)下游管道最大的沖擊力，以確定是否對(duì)管道造成沖擊破壞。下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管道內(nèi)水合物堵塞點(diǎn)、水合物堵塞塊大小及其摩擦力的理論計(jì)算方面的研究，進(jìn)一步提高模型預(yù)測(cè)精度。

符號(hào)注釋

M—水合物塊質(zhì)量，kg；A—管道截面積，m2；x—水合物塊移動(dòng)距離，m；f—水合物塊與管壁間摩擦力，N；ρh—水合物塊密度，kg／m3；mu、md—水合物塊上游、下游氣體的質(zhì)量，kg；pu、pd—水合物塊上游、下游氣體的壓力，Pa；Tu、Td—水合物塊上游、下游氣體的溫度，℃；Lu、Ld—水合物塊上游、下游管道長(zhǎng)度，m；Zu、Zd—水合物塊上游和下游氣體的壓縮系數(shù)；R—?dú)怏w常數(shù)。

［1］衣華磊，周曉紅，朱海山，等.深水氣田水下井口開發(fā)水合物抑制研究［J］.中國(guó)海上油氣，2012，24（5）：54-57.

［2］喻西崇，李清平，安維杰.海底沉積物中天然氣水合物生成和分解規(guī)律研究進(jìn)展［J］.中國(guó)海上油氣，2006，18（1）：61-67.

［3］白玉湖，李清平，李相方.降壓法開采天然氣水合物藏物理模擬相似準(zhǔn)則分析［J］.中國(guó)海上油氣，2008，23（3）：143-147.

［4］王樹立，趙會(huì)軍.輸氣管道設(shè)計(jì)與管理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：24-32.