水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性的研究進(jìn)展*

史博會(huì) 呂曉方 鄭麗君 王麟雁 丁 麟 阮超宇 王 瑋 宮 敬

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院)

水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性的研究進(jìn)展*

史博會(huì)**1呂曉方1鄭麗君2王麟雁1丁 麟1阮超宇1王 瑋1宮 敬1

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院)

總結(jié)了國內(nèi)外水合物漿液在黏度特性與流動(dòng)阻力特性方面的研究成果，結(jié)果表明，水合物漿液多呈現(xiàn)剪切稀釋性，但對(duì)其微觀機(jī)理的研究不夠深入，在水合物漿液擬單相研究方面較為成熟，在多相流動(dòng)方面則有待加強(qiáng)。

水合物漿液 黏度特性 流動(dòng)阻力特性 研究進(jìn)展

低分子量氣體分子，如甲烷、乙烷、丙烷及二氧化碳等，在高壓低溫條件下與水分子形成的非化學(xué)計(jì)量性籠型結(jié)構(gòu)的晶體物質(zhì)稱之為氣體水合物[1,2]。隨著深水油氣田開發(fā)深度的不斷增加，高壓低溫的復(fù)雜海底環(huán)境為天然氣水合物的形成創(chuàng)造了有利條件，這使得深水油氣集輸海底管道中的水合物堵塞問題日益嚴(yán)峻[3]。常規(guī)傳統(tǒng)的水合物抑制技術(shù)如注入熱力學(xué)抑制劑、絕熱等方法，受深水條件限制而呈現(xiàn)出不同程度的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)局限[4]。2002年，自水合物冷流技術(shù)首次被提出[5]，并伴隨著低液量抑制劑的廣泛應(yīng)用與深入研究[6,7]，水合物風(fēng)險(xiǎn)控制之水合物漿液流動(dòng)技術(shù)已逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。顯然，水合物漿液的黏度特性與流動(dòng)阻力特性是水合物漿液流動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于深水水合物風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)的研究基礎(chǔ)與技術(shù)核心。因此，筆者對(duì)國內(nèi)外研究者在水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性方面的研究進(jìn)行了總結(jié)，以期從多學(xué)科多角度，借助先進(jìn)測量手段與高效數(shù)值模擬，開展理論與實(shí)驗(yàn)研究，通過宏觀與微觀研究相結(jié)合，以提高對(duì)水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性的認(rèn)識(shí)。

1 水合物漿液的黏度特性

水合物漿液中的水合物顆粒在連續(xù)油相中以懸浮液的形式存在，因此水合物漿液具備非牛頓流動(dòng)特性，致使其黏度特性呈現(xiàn)復(fù)雜性并受諸多因素影響[8,9]，包括溫度、壓力、流速、剪切速率、含水率、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒直徑、顆粒變形性、顆粒分布、顆粒間的黏滯力、顆粒聚集特性、油氣體系表觀黏度及其穩(wěn)定性等。因此，要建立一個(gè)公認(rèn)度高且符合水合物漿液實(shí)際情況的黏度預(yù)測模型具有較大的難度。同時(shí)受天然氣水合物形成條件的限制與黏度測量儀器的技術(shù)局限，初期研究者僅對(duì)諸多非天然氣水合物漿液的黏度特性開展了相關(guān)研究。近年來，隨著國內(nèi)外各水合物研究機(jī)構(gòu)高壓低溫水合物漿液流動(dòng)環(huán)道體系的建立，以及各種具備高壓組件的流變儀器的開發(fā)應(yīng)用[10]，天然氣水合物漿液黏度環(huán)道實(shí)驗(yàn)和流變儀測試研究在不斷深入。

1.1 非天然氣水合物漿液的黏度特性

四丁基溴化銨(Tetra Butyl Ammonium Bromide,TBAB)、四丁基氟化銨(Tetra Butyl Ammonium Fluoride,TBAF)、四丁基溴化磷(Tetra-N-Butyl Phosphonium Bromide,TBPB)、四氫呋喃(Tetra Hydro Furan,THF)或某些制冷劑在常壓下就能形成水合物，因此它們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求相對(duì)不高，研究者運(yùn)用環(huán)道或流變儀等實(shí)驗(yàn)裝置，并借助這類物質(zhì)對(duì)水合物漿液的黏度特性開展相關(guān)探索研究。

Darbouret M等研究了TBAB水合物懸浮液的流變數(shù)據(jù)，認(rèn)為TBAB水合物懸浮液符合Bingham流變模型，但沒有給出具體的表達(dá)式[11]。Wang W等[12]和王武昌等[13,14]研究了THF和CH3CCl2F或HCFC-141b水合物漿液的環(huán)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立了流變參數(shù)與水合物體積分?jǐn)?shù)相關(guān)聯(lián)的Bingham流變模型關(guān)系式，來描述水合物漿液的黏度特性。姚海元等通過NDJ-1E旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的分析得出，連續(xù)相黏度、剪切速率和初始含水率對(duì)THF水合物漿液黏度的影響程度是依次降低的[15]。文獻(xiàn)[16～20]的研究均表明，TBAB、TBAF及THF等非天然氣水合物漿液呈現(xiàn)剪切性，黏度隨著水合物體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，并提出可應(yīng)用Power Law流體來描述水合物漿液的黏度特性，但是流變參數(shù)的確定則因不同實(shí)驗(yàn)條件而不同，或與水合物體積分?jǐn)?shù)相關(guān)聯(lián)，或與流動(dòng)的剪切速率等參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

此外，二氧化碳水合物漿液的黏度特性也被研究者所重視。Delahaye A等在環(huán)道中開展的二氧化碳水合物漿液的流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水合物體積分?jǐn)?shù)的增大，二氧化碳水合物漿液依次呈現(xiàn)脹流性、屈服脹流性、賓漢姆塑性和屈服假塑性，同時(shí)還提出可通過Herschel-Bulkley流變模型來描述水合物漿液的此流變特點(diǎn)，并將相關(guān)流變參數(shù)與水合物體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)[21,22]。Jerbi S等僅觀察到二氧化碳水合物漿液表現(xiàn)出的剪切稀釋特性，并建議以Power Law流體描述其流變特性，同時(shí)根據(jù)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將流變參數(shù)與水合物的體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)[23]。劉妮等應(yīng)用Herschel-Bulkley經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治隽瞬煌w積分?jǐn)?shù)的水合物漿液的流變特性，提出固體體積分?jǐn)?shù)越大越偏離牛頓流體，其表觀黏度隨著流速的增加而減小，同時(shí)表現(xiàn)出剪切稀釋性[24,25]。

1.2 天然氣水合物漿液的黏度特性

對(duì)于天然氣水合物漿液的黏度特性，多數(shù)研究者采取高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)道壓降來反算流體黏度，或通過帶高壓低溫組件的流變設(shè)備直接測量分析，或基于懸浮液/乳狀液的Einstein黏度有效介質(zhì)理論[26]建立黏度預(yù)測模型。

Urdahl O等是最初應(yīng)用高壓圓輪流動(dòng)模擬器開展氣體水合物漿液流變性研究的學(xué)者，但他們研究的重點(diǎn)是測試低劑量抑制劑的使用效果[27]。還有諸多學(xué)者分別在挪威科技大學(xué)水合物流動(dòng)環(huán)道[28,29]、法國能源研究院(Institut Francaisdu Petrole,IFP)Lyon多相流動(dòng)環(huán)道[30～33]、法國圣艾蒂安礦業(yè)學(xué)院Archimede流動(dòng)環(huán)道[34]、美國ExxonMobil流動(dòng)環(huán)道[35,36]、中國石油大學(xué)(北京)透明高壓水合物環(huán)道[37～39]及水合物漿液與蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道[10]等實(shí)驗(yàn)裝置上，依據(jù)Hangen-Poiseuille定律和管道壓降流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，反算了不同實(shí)驗(yàn)條件下天然氣水合物漿液的黏度；研究結(jié)果表明，天然氣水合物漿液的黏度一般呈剪切稀釋性，且黏度隨水合物體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著增加，當(dāng)水合物體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，水合物漿液還會(huì)表現(xiàn)出顯著的屈服應(yīng)力[36]，這說明在環(huán)道流動(dòng)過程中，懸浮在液相體系中的水合物顆粒間的聚集作用是導(dǎo)致水合物漿液黏度增加的主要因素[30,34,36]。

文獻(xiàn)[40～45]分別對(duì)不同油品體系的天然氣水合物漿液的流變特性做了研究，結(jié)果均表明，水合物漿液具備剪切稀釋性甚至觸變性。當(dāng)水合物漿液的彈性模量大于黏性模量時(shí)，顆粒間的相互作用力很強(qiáng)[40]。Nuland S和Tande M還借助顯微鏡觀察到液相中懸浮的水合物顆粒(30～40μm)聚集為約100μm的聚集絮凝體，這一研究成果從直觀圖像數(shù)據(jù)的角度提出，水合物顆粒的聚集結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致水合物漿液流變特性復(fù)雜的主要原因[41]。Hald K和Nuland S提出，當(dāng)采用流變儀測量水合物漿液黏度時(shí)，需要注意因水合物顆粒分布不均勻而引起的測量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差：低濃度時(shí)，沉降的顆粒聚集在同軸圓筒底部的空隙中，使測量主體是液體，進(jìn)而引起測量值偏低；高濃度時(shí)，顆粒沉降層上升導(dǎo)致圓筒旋轉(zhuǎn)阻力增加，進(jìn)而引起測量值偏高[42]。趙建奎等的實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，連續(xù)液相體系的初始乳狀液黏度對(duì)水合物漿液黏度的影響較大，且體系相對(duì)黏度隨含水率的增加而增大[43]。

無論是環(huán)道實(shí)驗(yàn)反算還是流變儀直接測量分析，多數(shù)研究者都提出應(yīng)用Power Law本構(gòu)方程來描述天然氣水合物漿液的黏度特性。Peysson Y等根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸了3組流變參數(shù)[33]。Yan K L等根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸了流變參數(shù)與水合物體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系式[38]。Hald K和Nuland S認(rèn)為天然氣水合物漿液的黏度可通過Herschel-Bulkley模型來描述，但沒有給出具體的表達(dá)式[42]。此外，Webb E B等根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，回歸確定了不同含水率情況下對(duì)應(yīng)流變模型的流變參數(shù)[44]。Webb E B等還提出了可應(yīng)用Cross模型描述甲烷、水、油和AOT形成的水合物漿液，同時(shí)也根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸了不同含水率情況下，對(duì)應(yīng)流變模型的流變參數(shù)[45]。

無論采取何種流變模型對(duì)水合物漿液的黏度進(jìn)行預(yù)測，流變參數(shù)的確定是此方法應(yīng)用的關(guān)鍵問題。然而，現(xiàn)階段的研究方法均依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析來確定相關(guān)參數(shù)，使得模型存在顯著的適應(yīng)性問題?；趹腋∫?乳狀液Einstein黏度有效介質(zhì)理論[26]建立的黏度預(yù)測模型方法，表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。Kitanovski A和Poredos A提出應(yīng)用懸浮液體系的黏度預(yù)測式來預(yù)測冰-水合物漿體系的黏度，如Krieger-Dougherty關(guān)系式、Mooney模型、Graham關(guān)系式及Thomas模型等[46]。據(jù)前述實(shí)驗(yàn)研究可知，水合物顆粒在連續(xù)相體系中的聚集對(duì)水合物漿液黏度的影響是顯著而不可忽略的，因此應(yīng)用有效介質(zhì)理論時(shí)應(yīng)與水合物顆粒的聚集因素相結(jié)合。

Batchelor G K應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)對(duì)硬球懸浮液體系的黏度進(jìn)行了研究[47]。Mills P引入了最大體積分?jǐn)?shù)來描述僅受水動(dòng)力作用的大小一致的硬質(zhì)球體懸浮體系的黏度[48]。在這些研究的基礎(chǔ)上，Camargo R等考慮到布朗運(yùn)動(dòng)引起的聚集和介質(zhì)流動(dòng)剪切引起的同向移動(dòng)，會(huì)使水合物顆粒具有可逆聚集性和聚集體的多孔性，因此引入不規(guī)則維度來描述單位體積分?jǐn)?shù)中水合物的顆粒數(shù)目；同時(shí)提出應(yīng)用有效體積分?jǐn)?shù)來改進(jìn)直接用水合物體積分?jǐn)?shù)預(yù)測水合物漿液黏度所帶來的不準(zhǔn)確性；水合物聚集體的大小是決定有效體積分?jǐn)?shù)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，考慮到流動(dòng)剪切黏滯力和顆粒間相互作用的影響，還建立了預(yù)測水合物顆粒聚集體直徑的關(guān)系式，該模型的提出使水合物漿液黏度的預(yù)測過程中增加了水合物顆粒聚集所帶來的影響[31]。在此模型的基礎(chǔ)上，Palermo T等[49]、Fidel-dufour A和Herri J M[50]又引入了時(shí)間概念，即應(yīng)用粒數(shù)衡算模型來模擬水合物顆粒的聚結(jié)過程，并據(jù)此濃度預(yù)測水合物的有效體積分?jǐn)?shù)，從而確定水合物漿液的黏度計(jì)算式，但是沒有考慮聚集體因剪切作用而發(fā)生的破碎。Colombel E等考慮到水合物聚集體在流動(dòng)過程中的聚集與破碎，結(jié)合粒數(shù)衡算模型，預(yù)測了水合物漿液體系水合物顆粒聚集體數(shù)目隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而為描述水合物漿液黏度隨時(shí)間的變化特性提供依據(jù)[51]。

2 水合物漿液的流動(dòng)阻力特性

天然氣水合物漿液輸運(yùn)技術(shù)作為深水流動(dòng)保障之水合物風(fēng)險(xiǎn)控制方式的關(guān)鍵技術(shù)，其流動(dòng)阻力特性的研究也至關(guān)重要。因海底集輸管道中的流體屬于油-氣-水多相流動(dòng)，再加之水合物顆粒的存在，使得流動(dòng)的復(fù)雜性更為突出。研究者們從以水合物漿液擬單相研究入手，逐步掌握水合物漿液多相存在的復(fù)雜流動(dòng)。目前，無論是實(shí)驗(yàn)還是理論研究，水合物漿液流動(dòng)阻力特性的研究盡管取得了一定的研究成果[52]，但是仍存在諸多微觀機(jī)理尚需解釋。

2.1 水合物漿液單相流動(dòng)阻力特性

與水合物漿液黏度特性的研究相同，因天然氣水合物生成條件的苛刻限制，基于非天然氣水合物，如TBAB、THF及HCFC-141b等水合物漿液的流動(dòng)壓降阻力實(shí)驗(yàn)與理論研究，為天然氣水合物漿液流動(dòng)阻力特性的研究提供了一定的參考價(jià)值。Kumano H等根據(jù)TBAB水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了湍流流動(dòng)摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系[53]。王武昌等基于THF和HCFC-141b水合物漿液的水平圓管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了流動(dòng)壓降與水合物體積分?jǐn)?shù)和流速關(guān)聯(lián)的計(jì)算式[13,14]。新興的蓄冷劑二氧化碳水合物漿液的流動(dòng)壓降與流速關(guān)系的研究也有報(bào)道[24,25]。

Dholabhal P D等通過天然氣水合物漿液管流實(shí)驗(yàn)研究觀察到水合物顆粒的沉降問題，認(rèn)為該現(xiàn)象受流體物性和摩阻系數(shù)所影響[54]。Pauchard V等研究了不同含水率實(shí)驗(yàn)條件下，天然氣水合物漿液在IFP-Lyon實(shí)驗(yàn)環(huán)道流動(dòng)中壓降與流速之間的關(guān)系，并基于有效體積分?jǐn)?shù)的黏度計(jì)算式，提出了水合物漿液密度、水轉(zhuǎn)化率和壓降的預(yù)測模型[32]。但該預(yù)測模型的應(yīng)用條件比較苛刻，流動(dòng)必須在層流區(qū)域且流速恒定，工程應(yīng)用難度較大。

Peysson Y等同樣基于IFP-Lyon實(shí)驗(yàn)環(huán)道，觀察了添加低液量抑制劑的輕質(zhì)石腦油在恒壓恒流量情況下水合物漿液的流動(dòng)情況，認(rèn)為對(duì)應(yīng)于恒定的水合物體積分?jǐn)?shù)，可以假設(shè)擬單相水合物漿液流動(dòng)的摩阻系數(shù)是恒定的；還根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定了3個(gè)含水率條件下的摩阻系數(shù)分別為0.011 0(10wt%)、0.010 5(20wt%)和0.013 0(30wt%)，與Nikurades和Wood Colebrook的摩阻相關(guān)式計(jì)算結(jié)果的偏差較大[33]。Peysson Y等經(jīng)過深入研究提出，擬單相水合物漿液的摩阻系數(shù)一方面由流體流動(dòng)所引起，另一方面由水合物顆粒的存在所導(dǎo)致[33,55]。Peysson Y借鑒氣固剪切應(yīng)力的定義，給出了由水合物顆粒與液相間的碰撞引起的摩阻系數(shù)的關(guān)系式，該關(guān)系式與連續(xù)相和水合物漿液黏度的密度、水合物體積分?jǐn)?shù)、水合物顆粒、聚集體直徑有關(guān)；同時(shí)又定義了一個(gè)無因次Bagnold數(shù)(顆粒動(dòng)力學(xué)能量與黏滯力的比值)，以該數(shù)是否大于1來判斷由水合物顆粒引起的碰撞是否占主導(dǎo)，即判斷是否存在由水合物顆粒導(dǎo)致的摩阻[55]。要維持水合物顆粒以漿液的形式呈現(xiàn)出良好的流動(dòng)狀態(tài)，Peysson Y等指出流體的流速一定要大于水合物顆粒沉降速度十倍以上，才能避免水合物顆粒的沉積問題[33]。Peysson Y等[33]、Nuland S和Tande M[41]分別應(yīng)用截面速率分布模型對(duì)水合物顆粒在漿液單相體系中的遷移與速率分布進(jìn)行了描述。

鄭志等提出水合物漿液流動(dòng)阻力損失與管壁間的摩擦占主要地位，并分別給出了層流和湍流狀態(tài)下的摩阻系數(shù)表達(dá)式[56]。孫長宇基于中國石油大學(xué)(北京)透明高壓水合物環(huán)道天然氣水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以牛頓流體描述了其流動(dòng)阻力方程，發(fā)現(xiàn)摩阻系數(shù)隨水合物生成量的增加而增大[37]。姚海元等基于水-固相懸浮體系壓降計(jì)算式，對(duì)在實(shí)驗(yàn)環(huán)道內(nèi)添加了阻聚劑的天然氣水合物漿液的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，提出該體系的摩阻計(jì)算式與體系初始含水率和液相雷諾數(shù)有關(guān)[57,58]。李文慶等根據(jù)實(shí)驗(yàn)管道中的水合物漿液流動(dòng)數(shù)據(jù)，回歸了不同含水率下的平均摩阻系數(shù)分別為0.198 7(5wt%)、0.235 9(15wt%)、0.203 6(25wt%)和0.428 0(30wt%)，發(fā)現(xiàn)在高含水率情況下摩阻系數(shù)會(huì)顯著提高[59]，但此數(shù)據(jù)與Peysson Y等的回歸數(shù)據(jù)相比偏大[33]。

Li W Q等[60]和呂曉方等[61]在中國石油大學(xué)(北京)水合物漿液與蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道上，以柴油為載體研究了天然氣水合物漿液的流動(dòng)特性，提出隨著水合物的生成直至穩(wěn)定平衡，體系測試管段壓降逐漸增大；改變實(shí)驗(yàn)條件后分析了不同含水率與阻聚劑濃度對(duì)水合物漿液阻力特性的影響，指出隨著含水率和阻聚劑濃度的增加，水合物漿液阻力顯著增加；基于該實(shí)驗(yàn)環(huán)道高倍在線粒度分析儀的數(shù)據(jù)可知，隨著含水率和阻聚劑濃度的增加，水合物漿液中分散相顆粒的分散程度越均勻，有利于漿液的穩(wěn)定形成。

2.2 水合物漿液多相流動(dòng)阻力特性

多相流動(dòng)的流型結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱，致使有水合物顆粒存在的漿液的多相流動(dòng)研究更為困難。Peysson Y等應(yīng)用TACITE軟件對(duì)IFP實(shí)驗(yàn)環(huán)道上的水合物漿液多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明，壓降與持液率的偏差分別為15%、25%[33]。Boxall J A等在美國ExxonMobil環(huán)道上的實(shí)驗(yàn)研究表明，水合物體積分?jǐn)?shù)越大，水合物漿液多相流動(dòng)的摩阻壓降越大[62]。Kwon O等建立了包括四相流動(dòng)、相態(tài)與水合物熱力學(xué)平衡的“天然氣-油-水-水合物”環(huán)狀分散流型瞬變流動(dòng)模型，探討了水平天然氣管線因水合物形成的出口壓力變化對(duì)流動(dòng)的影響[63]。

OLGA-CSMHyK是將科羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出的CSMHyK水合物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模塊與OLGA多相瞬變流動(dòng)模擬軟件相結(jié)合，用以描述多相流動(dòng)中水合物生成后流動(dòng)特性的模塊[64,65]。Kinnari K等應(yīng)用OLGA-CSMHyK模塊對(duì)某海底管道水合物生成后的多相流動(dòng)進(jìn)行了模擬，對(duì)軟件所需輸入的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明，調(diào)整動(dòng)力學(xué)形成速率系數(shù)可以改變水合物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)在其生成過程中的影響；油與水合物相的滑移比系數(shù)直接影響對(duì)管道水合物沉積的預(yù)測；過冷度系數(shù)決定了水合物開始形成的位置；水合物顆粒大小則直接影響水合物漿液黏度的計(jì)算[66]。Gong J等基于氣液兩相雙流體理論，建立了可以描述氣-水合物漿液分層流動(dòng)的模型，并將熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)相耦合，預(yù)測該流動(dòng)條件下的持液率與壓降[67,68]。

Zerpa L E等[69]和Rao I等[70]建立了氣-水-水合物段塞流動(dòng)模型，并通過實(shí)驗(yàn)環(huán)道數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，水與水合物顆粒間的滑移越大，水合物顆粒越易于聚集，氣-水流型在水合物生成后更容易處于段塞流。宮敬等在中國石油大學(xué)(北京)水合物漿液與蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道上觀察到不同氣液質(zhì)量流量下氣-水合物漿液的流型共有4種，即光滑分層流動(dòng)與非分層流動(dòng)的過渡流型，分層波浪流和短液塞流以及典型的段塞流，其中短液塞流是指流動(dòng)具有較長液膜區(qū)以及較短液塞的流動(dòng)形式[71]。針對(duì)分層流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Lv X F等對(duì)其流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在恒定的液相折算速度條件下，流動(dòng)阻力會(huì)隨著氣相折算速度的增加而增大；在恒定的氣相折算速度條件下，流動(dòng)阻力會(huì)隨著液相折算速度的增加而增大[72]。

3 結(jié)論

3.1水合物顆粒微觀聚并與破碎特征是水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性研究的基礎(chǔ)，也是水合物漿液黏度增加與阻力提高的根本原因之一。因此應(yīng)在高壓低溫水合物環(huán)道與高壓低溫?cái)嚢璺磻?yīng)釜實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用商用或試制在線微觀測量設(shè)備與手段，考察流動(dòng)與攪拌對(duì)水合物聚集體的剪切作用，并將水合物顆粒在漿液中的微觀受力和宏觀流動(dòng)相結(jié)合，在水合物粒數(shù)衡算模型的基礎(chǔ)上，從水合物顆粒聚集機(jī)理層面對(duì)水合物漿液黏度特性與流動(dòng)阻力特性進(jìn)行深入研究。

3.2結(jié)合高壓低溫天然氣水合物漿液環(huán)道與流變測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析并考察了流動(dòng)剪切、攪拌剪切、不均勻固體懸浮狀態(tài)對(duì)水合物漿液黏度測試的影響?；诙嘟嵌榷鄬用娴膶?shí)驗(yàn)分析與水合物顆粒的微觀聚并和破碎特征，從水合物漿液流變本構(gòu)特征出發(fā)，對(duì)水合物漿液非牛頓特性開展了理論研究并建立了具有普適性的黏度預(yù)測模型。

3.3在對(duì)水合物漿液黏度特性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓低溫水合物漿液環(huán)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和水合物顆粒的微觀聚并與破碎特征，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)原理對(duì)水合物漿液單相和多相流動(dòng)所產(chǎn)生的界面摩阻進(jìn)行了深入分析。在實(shí)驗(yàn)與理論研究的基礎(chǔ)上，開展了水合物漿液單相、多相數(shù)值模擬分析，對(duì)流動(dòng)過程中的質(zhì)量、動(dòng)量與能量的傳遞特性開展了深入研究。

[1] Sloan E D,Koh C A.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].New York:Taylor & Francis Group,2007:1～3.

[2] 陳光進(jìn),孫長宇,馬慶蘭.氣體水合物科學(xué)與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:1～3.

[3] Sloan E D,Koh C A,Sum A K,et al.Natural Gas Hydrates in Flow Assurance[M].New York:Elsevier,2010:1～9.

[4] Sinquin A,Palermo T,Peysson Y.Rheological and Flow Properties of Gas Hydrate Suspensions[J].Oil & Gas Science & Technology,2004,59(1):41～57.

[5] Gudmundsson J S.Cold Flow Hydrate Technology[C].4th International Conference on Gas Hydrates.Yokohama: ICGH,2002:912～916.

[6] Makogon T Y,Sloan E D.Mechanism of Kinetic Hydrate Inhibitors[C].4th International Conference on Gas Hydrates.Yokohama:ICGH,2002:498～503.

[7] Frostman L M.Anti-agglomerant Hydrate Inhibitors for Prevention of Hydrate Plugs in Deepwater Systems[C]. 2000 SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Dallas:SPE,2000:1～4.

[8] 趙建奎,宮敬,丁垚.天然氣水合物漿液流變性研究現(xiàn)狀[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2007,26(11):1～4.

[9] 朱超,王武昌,王琳.天然氣水合物漿流變性的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].天然氣工業(yè),2011,31(7):77～81.

[10] 李文慶,于達(dá),吳海浩,等.高壓水合物/蠟沉積實(shí)驗(yàn)管路的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(12):13～16.

[11] Darbouret M,Cournil M,Herri J M.Rheological Study of TBAB Hydrate Slurries as Secondary Two-phase Refrigerants[J].International Journal of Refrigeration,2005,28(5):663～671.

[12] Wang W,Fan S,Liang D,et al.A Model for Estimating Flow Assurance of Hydrate Slurry in Pipelines[J]. Journal of Natural Gas Chemistry,2010,19(4):380～384.

[13] 王武昌,李玉星,樊栓獅,等.四氫呋喃水合物漿液流動(dòng)特性[J].化工進(jìn)展,2010,29(8):1418～1422.

[14] 王武昌,李玉星,樊栓獅,等.HCFC-141b水合物漿液流動(dòng)特性[J].低溫工程,2010,(4):13～17.

[15] 姚海元,李清平,陳光進(jìn),等.四氫呋喃水合物漿液黏度影響因素敏感性分析[J].化學(xué)工程,2008,36(7):43～46.

[16] Xiao R,Wu S S,Tang L G,et al.Experimental Investigation of the Pressure-Drop of Clathrate Hydrate Slurry(CHS) Flow of Tetra Butyl Ammonium Bromide(TBAB) in Straight Pipe[C].The 10th International Conference on Thermal Energy Storage.Houston:ECOSTOCK,2006:1～8.

[17] Ma Z W,Zhang P,Wang R Z,et al.Forced Flow and Convective Melting Heat Transfer of Clathrate Hydrate Slurry in Tubes[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53(19/20):3745～3757.

[18] Hashimoto S,Kawamura K,Ito H,et al.Rheological Study on Tetra-N-Butyl Ammonium Salt Semi-clathrate Hydrate Slurries[C].Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates.Edinburgh:Kingdom Organising Committee,2011:17～21.

[19] Clain P,Delahaye A,Fournaison L,et al.Rheological Properties of Tetra-N-Butyl Phosphonium Bromide Hydrate Slurry Flow[J].Chemical Engineering Journal,2012,193/194(6):112～122.

[20] 趙建奎.混輸管道水合物漿液流動(dòng)特性研究[D].北京:中國石油大學(xué)(北京),2009.

[21] Delahaye A,Fournaison L,Marinhas S,et al.Rheological Study of CO2Hydrate Slurry in a Dynamic Loop Applied to Secondary Refrigeration[J].Chemical Engineering Science,2008,63(13):3551～3559.

[22] Delahaye A,Fournaison L,Jerbi S,et al.Rheological Properties of CO2Hydrate Slurry Flow in the Presence of Additives[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2011,50(13):8344～8353.

[23] Jerbi S,Delahaye A,Oignet J,et al.Rheological Properties of CO2Hydrate Slurry Produced in a Stirred Tank Reactor and a Secondary Refrigeration Loop[J].International Journal of Refrigeration,2013,36(4):1294～1301.

[24] 劉妮,余宏毅,戴海鳳.CO2水合物漿固相分?jǐn)?shù)的計(jì)算及其對(duì)流動(dòng)特性的影響[J].流體機(jī)械,2013,41(11):66～70.

[25] 劉妮,戴海鳳,余宏毅,等.二氧化碳水合物漿在圓管中的流動(dòng)特性[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(2):550～554.

[26] Einstein A.Investigations on the Theory of Brownian Motion[M].New York:Dover Publications,1956.

[27] Urdahl O,Lund A,Mork P,et al.Inhibition of Gas Hydrate Formation by Means of Chemical Additives I:Development of an Experimental Set-up for Characterization of Gas Hydrate Inhibitor Efficiency with Respect to Flow Properties and Deposition[J].Chemical Engineering Science,1995,50(5):863～870.

[28] Andersson V,Gudmundsson J S.Flow Properties of Hydrate-in-Water Slurries[J].Annuals of the New York Academy of Science,2000,912(1):322～329.

[29] Andersson V,Gudmundsson J S.Flow Experiments on Concentrated Hydrate Slurries[J].International Journal of Non-Linear Mechanics,1999,29(2):109～122.

[30] Camargo R,Palermo T,Sinquin A,et al.Rheological Characterization of Hydrate Suspensions in Oil Dominated Systems[J].Annals of the New York Academy of Sciences,2000,912(1):906～916.

[31] Camargo R,Palermo T,Maurel P,et al.Rheological Properties of Hydrate Suspensions in an Asphaltenic Crude Oil[J].Danmarks Tekniske University Lyngby Institute for Kemiteknik,2002,(1):1～6.

[32] Pauchard V,Darbouret M,Palermo T,et al.Gas Hydrate Slurry Flow in a Black Oil:Prediction of Gas Hydrate Particles Agglomeration and Linear Pressure Drop[C].13th International Conference on Multiphase Production Technology.Edinburgh:BHR Group,2007:13～15.

[33] Peysson Y,Nuland S,Maurel P,et al.Flow of Hydrate Dispersed in Production Lines[C].SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Denver:Society of Petroleum Engineers,2003:5～8.

[34] Fidel-dufour A,Herri J M.Formation and Transportation of Methane Hydrate Slurries in a Flow Loop Reactor: Influence of a Dispersant[C].4th International Conference on Gas Hydrate.Yokohama:ICGH,2002:917～922.

[35] Turner D J,Kleehammer D M,Miller K T,et al.Formation of Hydrate Obstructions in Pipelines:Hydrate Particle Development and Slurry Flow[C].5th International Conference on Gas Hydrates.Trondheim:ICGH,2005:1097～1106.

[36] Yang S,Kleehammer D M,Huo Z,et al.Temperature Dependence of Particle-Particle Adherence Forces in Ice and Clathrate Hydrates[J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,277(2):335～341.

[37] 孫長宇.水合物生成/分解動(dòng)力學(xué)及相關(guān)研究[D].北京:中國石油大學(xué)(北京),2001.

[38] Yan K L,Sun C Y,Chen J,et al.Flow Characteristics and Rheological Properties of Natural Gas Hydrate Slurry in the Presence of Anti-agglomerant in a Flow Loop Apparatus[J].Chemical Engineering Science,2013,106(17):99～108.

[39] 李文志,陳光進(jìn),孫長宇,等.含防聚劑水合物漿液在循環(huán)管路中的性能[J].石油化工,2012,41(3):313～317.

[40] Schuller R B,Tande M,Kvandal H.Rheological Hydrate Detection and Characterization[J].Annual Transactions of the Nordic Rheology Society,2005,13(1):83～90.

[41] Nuland S,Tande M.Hydrate Slurry Flow Modeling[C].12th International Conference on Multiphase Production Technology.Barcelona:BHR Group,2005:25～27.

[42] Hald K,Nuland S.Hydrate Slurry Rheology in the Petroleum Industry[J].Annual Transactions of the Nordic Rheology Society,2007,15:1～7.

[43] 趙建奎,宮敬,陳光進(jìn).天然氣水合物漿液黏度的實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(9):96～98.

[44] Webb E B,Rensing P J,Koh C A,et al.High-pressure Rheology of Hydrate Slurries Formed from Water-in-Oil Emulsions[J].Energy Fuels,2012,26(6):3504～3509.

[45] Webb E B,Koh C A,Liberatore M W.Rheological Properties of Methane Hydrate Slurries Formed from AOT+ Water+Oil Microemulsions[J].Langmuir,2013,29(35):10997～11004.

[46] Kitanovski A,Poredos A.Concentration Distribution and Viscosity of Ice-Slurry in Heterogeneous Flow[J]. International Journal of Refrigeration,2002,25(6):827～835.

[47] Batchelor G K.The Effect of Brownian Motion on the Bulk Stress in a Suspension of Spherical Particles[J]. Journal of Fluid Mechanics,1977,83 (1):97～117.

[48] Mills P.Non-Newtonian Behavior of Flocculated Suspensions[J].Journal de Physique Lettres,1985,46(7):301～309.

[49] Palermo T,Fideldufour A,Maurel P,et al.Model of Hydrates Agglomeration-Application to Hydrates Formation in an Acidic Crude Oil[J].Journal of Biological Chemistry,2005,276(24):1～16.

[50] Fidel-dufour A,Herri J M.Rheology of Methane Hydrate Slurries during Their Crystallization in a Water in Dodecane Emulsion under Flowing[J].Chemical Engineering Science,2006,61(2):505～515.

[51] Colombel E,Gateau P,Barre L,et al.Discussion of Agglomeration Mechanisms between Hydrate Particles in Water in Oil Emulsions[J].Oil & Gas Science and Technology,2009,64(5):629～636.

[52] 饒永超,王樹立,江光世,等.水合物漿體流動(dòng)規(guī)律研究進(jìn)展[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工),2012,37(4):68～73.

[53] Kumano H,Hirata T,Kudoh T.Experimental Study on the Flow and Heat Transfer Characteristics of a Tetra-N-Butyl Ammonium Bromide Hydrate Slurry(First Report:Flow Characteristics)[J].International Journal of Refrigeration,2011,34(8):1953～1962.

[54] Dholabhal P D,Kalogerakls N,Bishnoi P R.Evaluation of Gas Hydrate Formation and Deposition in Condensate Pipelines Pilot Plant Studies[J].SPE Production & Engineers,1993,8(3):185～190.

[55] Peysson Y.Collision Process between Particles in the Transport of Hydrate in Production Line[C]. 5th International Conference on Gas Hydrates.Trondheim:ICGH,2005:1180～1187.

[56] 鄭志,王樹立,武玉憲.管輸水合物漿液摩阻損失與減阻方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,29(4):241～244.

[57] 姚海元,李清平,陳光進(jìn),等.加入防聚劑后水合物漿液流動(dòng)壓降規(guī)律研究[J].化學(xué)工程,2009,37(12):20～23.

[58] 姚海元,李清平,陳光進(jìn).水合物防聚劑多相流管線中初步應(yīng)用技術(shù)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(11):1866～1868.

[59] 李文慶,宮敬,趙建奎.天然氣水合物漿液摩阻的實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè),2010,30(10):87～90.

[60] Li W Q,Gong J,Lv X F,et al.Study on the Hydrate Blockage in a Subsea Natural Gas Pipeline by Using a Novel High-Pressure Experimental Loop[J].Petroleum Science,2013,10(1):97～105.

[61] 呂曉方,王瑩,李文慶,等.天然氣油基水合物漿液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)[J].天然氣工業(yè),2014,34(11):108～114.

[62] Boxall J A,Davies S R,Nicholas J W,et al.Hydrate Blockage Potential in an Oil-Dominated System Studied Using a Four Inch Flow Loop[C].6th International Conference on Gas Hydrates.Vancouver:ICGH,2008:6～10.

[63] Kwon O,Ryou S,Sung W.Numerical Modeling Study for the Analysis of Transient Flow Characteristics[J]. Korean Journal of Chemical Engineering,2001,18(1):88～93.

[64] Davies S R,Boxall J A,Dieker L E,et al.Improved Predictions of Hydrate Plug Formation in Oil-Dominated Flowlines[C].Offshore Technology Conference.Houston:Offshore Technology Conference,2009:4～7.

[65] Davies S R,Boxall J A,Dieker L E,et al.Predicting Hydrate Plug Formation in Oil-Dominated Flowlines[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2010,72(3/4):302～309.

[66] Kinnari K,Labes-carrier C,Lunde K,et al.Hydrate Plug Formation Prediction Tool—An Increasing Need for Flow Assurance in the Oil Industry[C].6th International Conference on Gas Hydrates.Vancouver: ICGH,2008:1～5.

[67] Gong J,Zhao J K.Numerical Simulation of Gas-Hydrate Slurry Two Phase Flow[C].6th International Conference on Gas Hydrates.Vancouver:ICGH,2008:11～15.

[68] Gong J,Shi B H,Zhao J K.Natural Gas Hydrate Shell Model in Gas-Slurry Pipeline Flow[J].Journal of Natural Gas Chemistry,2010,19(3):261～266.

[69] Zerpa L E,Rao I,Aman Z M,et al.Multiphase Flow Modeling of Gas Hydrates with a Simple Hydrodynamic Slug Flow Model[J].Chemical Engineering Science,2013,99(8):298～304.

[70] Rao I,Sum A K,Koh C A,et al.Multiphase Flow Modeling of Gas-Water-Hydrate Systems[C].Offshore Technology Conference.Houston:Offshore Technology Conference,2013:6～9.

[71] 宮敬,史博會(huì),呂曉方.多相混輸管道水合物生成及其漿液輸送[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,37(5):163～167.

[72] Lv X F,Shi B H,Wang Y,et al.Study on Gas Hydrate Formation and Hydrate Slurry Flow in a Multiphase Transportation System[J].Energy & Fuels,2013,27(5):7294～7302.

ProgressinResearchonViscosityandResistanceCharacteristicsofHydrateSlurry

SHI Bo-hui1, LV Xiao-fang1, ZHENG Li-jun2, WANG Lin-yan1, DING Lin1, RUAN Chao-yu1, WANG Wei1, GONG Jing1

(1.NationalKeyLaboratoryforPipelineSafety,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;
2.PetroChinaPetrochemicalResearchInstitute,Beijing100195,China)

The achievements in researching both viscosity and resistance characteristics of hydrate slurry at home and abroad were summarized. The results indicate that hydrate slurry has shear thinning behaviors and the investigation into micromechanism of hydrate’s aggregation and shear breaking is insufficient except for that in hydrate slurry flow’s single-phase research. The study on the hydrate’s multiphase flow has to be strengthen

hydrate slurry,viscosity characteristics, flow resistance characteristics, research progress

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306208，51274218，51134006)，中國石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目(2462014YJRC006，2462015YQ0404)。

**史博會(huì)，女，1984年2月生，講師。北京市，102249。

TQ050

A

0254-6094(2016)04-0434-08

2015-09-11，

2016-07-13)