含天然氣水合物的海底多相管輸及其堵塞風(fēng)險管控

宮 敬 史博會 陳玉川 宋尚飛

中國石油大學(xué)（北京）天然氣水合物國家重點實驗室·石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室

0 引言

深海海底低溫、高壓、強換熱的自然環(huán)境使得油氣管道輸送面臨著嚴峻的考驗，油氣輸送系統(tǒng)中天然氣水合物（以下簡稱水合物）流動保障問題研究的重要性不可小覷[1]，隨著我國加快對海洋特別是深水水合物資源的開發(fā)和利用，水合物礦藏開發(fā)過程中的流動安全保障問題亦至關(guān)重要[2]。水合物漿液輸送技術(shù)，作為深水油氣系統(tǒng)水合物堵塞問題風(fēng)險控制的重要策略，其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵需要掌握多相流動中水合物動力學(xué)生成與堵塞特性的耦合機制[3]，同時，該耦合機制也是綠色固態(tài)流化開采水合物礦藏技術(shù)的關(guān)鍵問題所在。

為此，開展含水合物的多相管輸及其堵塞風(fēng)險理論與技術(shù)研究，是解決上述關(guān)鍵問題的主要途徑。但是，因固相水合物顆粒的引入，使得固液流動的多相管輸特性更加復(fù)雜[4-5]。在油水乳化體系生成的水合物顆粒表面具有強親水性，使其極易在流動過程中黏附在管道表面并繼續(xù)生長，水合物顆粒的聚集黏連會導(dǎo)致水合物沉積層形成，管內(nèi)流體的流通面積降低，產(chǎn)生顯著的節(jié)流效應(yīng)，這不僅影響管內(nèi)流體的輸送，更易于在該節(jié)流位置發(fā)生水合物持續(xù)沉積增厚乃至堵塞管道。而實際上，在不同體系中，誘發(fā)水合物沉積堵管的主因不同。在油基體系中，水合物顆粒間的碰撞聚并、與壁面的黏附著床等因素是水合物沉積堵管的主因[6-8]；在氣基體系中，水合物的壁面膜生長、壁面黏附等因素則是水合物沉積堵管的主因[9-14]；在水基體系中，水合物著床機理是引發(fā)水合物沉積堵管的關(guān)鍵[4,15-16]；但是，在部分分散體系中，自由水層的存在對水合物沉積有著顯著的影響[17-19]。通過考慮水合物顆粒碰撞聚集、剪切分散、壁面膜生長、夾帶顆粒沉積、沉積層老化、沉積物脫落及二次沉積等因素，研究學(xué)者[6-17]分別針對不同體系中（油基/氣基/水基/部分分散）水合物的沉積機理、沉積過程以及不同實驗條件（過冷度、壁面表面特性、流速、流體特性等）對沉積過程的定性與定量表征。Wang等[10-14]揭示了氣基體系環(huán)霧流流型管壁上的水合物沉積，受水合物膜生長和夾帶顆粒在管壁沉積控制，并建立了考慮多種因素的水合物沉積速率模型。而上述研究成果，很少將多相流動的流型特性與水合物動力學(xué)生成與堵塞耦合起來，開展系統(tǒng)的研究。

為此，筆者所在的研究團隊以中國石油大學(xué)（北京）搭建的國內(nèi)首個超過10 MPa的高壓水合物流動環(huán)道為研究平臺，借助微觀、宏觀實驗和理論分析，系統(tǒng)而深入地研究了水合物顆粒生成后對多相管輸流型及阻力特性的影響，拓展含水合物的多相管輸?shù)幕A(chǔ)理論，將多相流型特征與水合物沉積堵塞規(guī)律相關(guān)聯(lián)，提出了含水合物多相流動的堵塞風(fēng)險評價技術(shù)，并指出了未來保障深水油氣資源開發(fā)過程安全流動的研究方向與建議。

1 實驗裝置

中國石油大學(xué)（北京）所搭建的高壓水合物實驗環(huán)道（圖1），可以開展水合物漿液生成、流動、沉積、堵塞等實驗。高壓水合物實驗環(huán)道主要由油、氣、水三相供給系統(tǒng)、測試管段、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加劑系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、排污以及氣體回收系統(tǒng)等組成；環(huán)道還配有聚焦光束反射測量儀（FBRM）、粒子視頻顯微鏡（PVM）、JULABO溫控儀、氣相色譜儀等較為先進的實驗儀器，可以為管輸體系高壓條件下水合物的誘導(dǎo)、生長、漿液多相流動實驗研究提供支持。實驗環(huán)道設(shè)計壓力為15 MPa，控溫范圍為－20～100 ℃，總長30 m；環(huán)道包括2個發(fā)展段、2個實驗段、1個彎管段和2個高壓觀測視窗組成，其中：第一發(fā)展段、第一實驗段、彎管段、第二發(fā)展段和第二實驗段的長度分別為7.10 m、5.00 m、4.82 m、5.90 m和5.30 m；實驗管徑有2.54 cm和5.08 cm兩種規(guī)格。

2 研究成果

2.1 含水合物的多相管輸基礎(chǔ)理論

水合物漿液輸送技術(shù)是深水油氣多相集輸系統(tǒng)風(fēng)險控制水合物堵管的防治策略，是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的問題。該技術(shù)應(yīng)用的核心問題是需要探究水合物顆粒對多相混輸流型的影響、水合物漿液多相混輸流體的黏度與流動阻力特性。在前述問題解決的基礎(chǔ)上，筆者所在的研究團隊建立了水合物漿液穩(wěn)定流動的機理模型，不僅拓展了流體力學(xué)在水合物漿液輸送中的理論應(yīng)用，更是實現(xiàn)了對油氣管道輸運中水合物流動安全問題工業(yè)應(yīng)用的風(fēng)險控制。

2.1.1 水合物顆粒對流型轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律

圖1 高壓水合物實驗環(huán)道示意圖

流型是多相混輸管道的關(guān)鍵流動特性，若以水合物漿液輸送技術(shù)風(fēng)險控制多相混輸管道內(nèi)的“冰堵”問題，必須要明確水合物顆粒存在對多相混輸流型的影響規(guī)律。研究團隊通過高壓實驗環(huán)道進行了不同氣液流速下水合物生成與氣漿兩相流動特性實驗，根據(jù)視窗確認管內(nèi)流動形態(tài)，獲得大量水合物生成前后的氣液兩相流型數(shù)據(jù)[20]，并繪制流型數(shù)據(jù)圖。圖2展示了水合物生成前后氣液兩相與氣漿兩相流型圖及流型轉(zhuǎn)變邊界的對比，從圖2可以看出，水合物生成前后多相流型的遷移趨勢——水合物固相顆粒的存在使得流型圖整體向左下方偏移。這說明水合物顆粒使各流型轉(zhuǎn)換邊界向更小的氣液相流量發(fā)展，增強了各流型的不穩(wěn)定性[20]。具體而言：①水合物固相顆粒的存在，會壓縮分層流流動區(qū)域，使分層流邊界向低氣液相流速方向偏移；②增強段塞流的流動趨勢，使管內(nèi)流體更易從分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?，同時，降低了環(huán)狀流和波浪流的臨界氣速，使管內(nèi)更易形成環(huán)狀流和波浪流；③小幅降低段塞流與氣泡流的轉(zhuǎn)換邊界。但是，圖2的數(shù)據(jù)分析與結(jié)論，僅從定性的角度分析了水合物生成后氣液（漿）兩相流型轉(zhuǎn)換邊界的變化規(guī)律。只有通過修正不同流型轉(zhuǎn)換準則中的關(guān)鍵參數(shù)，才能獲得適用于含水合物體系的不同氣漿流型的定量判定準則。

圖2 水合物生成前后流型邊界對比圖[20]

從氣漿分層流動穩(wěn)定性研究入手，研究團隊基于一維雙流體模型與小擾動法，考慮了剪切應(yīng)力、重力、表面張力及其他不穩(wěn)定因素對分層流動穩(wěn)定性的影響，提出了氣漿分層流動的穩(wěn)定性判別準則[21]及相關(guān)計算參數(shù)。圖3展示了實驗數(shù)據(jù)、Mandhane流型圖、Taitel-Dukler模型以及根據(jù)研究團隊所建穩(wěn)定性判別準則計算的流型分界，表明研究團隊所提出的氣漿分層流判別準則，能較為合理地劃分實驗中所觀察的分層流與非分層流。關(guān)于其他流型的定量轉(zhuǎn)變準則，因涉及液塞、液膜、液滴夾帶、顆粒聚集等復(fù)雜的微觀問題，尚處于初步研究階段。

圖3 天然氣—水合物漿液流動流型邊界判定圖[21]

2.1.2 水合物漿液流動黏度與阻力特性計算方法

為了解決油氣管道中水合物漿體輸送顆粒在多相流動中復(fù)雜的微觀聚并與剪切特征難于識別與跟蹤的問題，研究團隊基于顆粒弦長在線捕捉及實時錄影技術(shù)，揭示了水合物漿體生成過程中水滴、顆粒的變化規(guī)律，基于有效介質(zhì)理論建立了體現(xiàn)水合物漿體非牛頓特性的漿體黏度預(yù)測模型（式1、2）[22]，耦合微觀顆粒聚并特性實現(xiàn)了水合物漿體流阻的定量表征[23]，即

式中μs表示水合物漿液黏度，mPa·s；μo表示連續(xù)油相黏度，mPa·s；φ表示水合物體積分數(shù)；φ表示含水率；NNum表示無量綱聚集體數(shù)密度；NRe表示無量綱聚集體雷諾數(shù)；NWe表示無量綱聚集體韋伯數(shù)；VL表示液相總體積，m3；ρo表示連續(xù)油相密度，kg/m3；dA表示聚集體直徑，m；表示剪切率，1/s；σ表示油水界面張力，N/m ；a、b、c、d、e、f、m、n、k表示模型回歸系數(shù)，分別為380.1、2 234.8、4 102.3、?13.1、74.7、137.1、3.6、1.4、1.1；f2表示水合物引起的額外摩阻系數(shù)；K(U)表示取決于流速的系數(shù)；ρs表示水合物顆粒密度，kg/m3；φ′表示未轉(zhuǎn)化水體積分數(shù)；d0表示初始水滴的直徑，m；dp表示水合物顆粒的直徑，m；fr表示水合物顆粒的分形維數(shù)；D表示管道直徑，m。

由式（1）和式（2）所建立的水合物漿液黏度預(yù)測模型，不僅考慮了水合物顆粒生成的液滴體積增加，還考慮了基礎(chǔ)水合物顆粒間聚集包裹的未反應(yīng)連續(xù)相[22]。圖4為應(yīng)用該黏度模型預(yù)測的漿液相對黏度與實驗數(shù)據(jù)的誤差對比。數(shù)據(jù)表明，該黏度預(yù)測模型能夠較好地預(yù)測水合物漿液黏度值（誤差在±20%），體現(xiàn)了漿液的剪切稀釋性及水合物顆粒的聚并剪切特性。未來，需要通過實驗數(shù)據(jù)量的擴充，來進一步驗證該漿液黏度模型的可靠性。

由式（3）所建立水合物引起的額外摩阻系數(shù)的計算方法，計入了因碰撞黏附在一起的水合物聚集體中包裹的未轉(zhuǎn)化水的體積量[23]，并耦合了水合物顆粒微觀弦長特性。圖5列出了應(yīng)用該摩阻系數(shù)計算方法所預(yù)測的f2與實驗數(shù)據(jù)的對比。數(shù)據(jù)表明，該摩阻系數(shù)預(yù)測模型的預(yù)測偏差也在±20%以內(nèi)，表現(xiàn)出較好的趨勢預(yù)測準確性。為了提高其預(yù)測精度，后續(xù)應(yīng)需綜合考慮液相、水合物顆粒相以及水合物顆粒與液相間耦合作用的復(fù)雜行為，從而建立更好地服務(wù)于工程實際的壓降計算模型。

圖4 水合物漿液相對黏度模型預(yù)測值與實驗值誤差分析圖[22]

圖5 水合物引起的額外摩阻系數(shù)模型預(yù)測值與實驗值誤差分析圖[23]

總之，研究團隊所建立的水合物漿體黏度及流阻計算方法，揭示了水合物漿體流動過程中微觀顆粒隨時間變化特性對流動的影響規(guī)律，明確了水合物漿體黏度及流動阻力相比油包水乳狀液體系顯著增加的微觀機制和宏觀作用，為準確模擬預(yù)測水合物漿液流動特性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。但是，模型的適應(yīng)性和精度有待依托大量實驗測量和微觀顆粒間相互作用認知的提升而改進完善。

2.1.3 水合物漿液多相流動機理模型

水合物在油氣多相混輸管道中的流動涉及復(fù)雜的微觀顆粒作用和流動剪切等因素，在掌握水合物顆粒存在對多相流型不穩(wěn)定的影響、流體黏度及流動阻力增加規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能更好地探析水合物漿液的流動機理。根據(jù)高壓環(huán)路水合物生成流動實驗，觀察到隨著水合物漿液流速由小到大，水合物顆粒的分布形式依次為沉積床、移動床和懸浮分散狀態(tài)（圖6）。這表明在水合物漿液流動過程中，必然存在一個臨界流速，可以保證漿液以非沉積形式存在，可將該流速定義其為臨界懸浮流速[24]。當水合物漿液流速高于臨界懸浮流速時，可視水合物漿液為擬單相處理，反之則須引入固液流動模型，描述水合物顆粒所引起的阻力增加。

圖6 水合物漿液在不同流速下的固液流動形態(tài)圖[24]

當水合物漿液流速高于臨界懸浮流速時，可認為水合物漿液穩(wěn)定將其以擬單相處理[25]。借鑒氣液雙流體模型，結(jié)合熱力學(xué)相平衡計算，耦合水合物殼體雙向生長模型[26]，引入水合物漿液黏度[22]及其阻力特性[23]，構(gòu)建氣漿流動機理模型及其求解方法[25]。在已知入流組成、管道參數(shù)與管道入口壓力和溫度，以及入口總質(zhì)量流量的情況下，應(yīng)用該模型可模擬天然氣—凝析液管道多相流動中各相的摩阻壓降、溫度及持液率沿管道的分布。圖7展示了研究團隊應(yīng)用該氣漿模型所編制的模擬軟件（HyFlow）計算結(jié)果與商用軟件OLGA模擬結(jié)果的對比。其中，研究團隊在預(yù)測水合物生長過程中的水量消耗和水合物生成等方面的模擬結(jié)果更加合理。但是，作為一種準穩(wěn)態(tài)的預(yù)測模型，相關(guān)計算參數(shù)隨時間的動態(tài)變化仍需校核修正，以提高所建模型的計算精度與適用范圍。

圖7 研究模擬軟件HyFlow與商業(yè)軟件的計算結(jié)果對比圖[25]

當水合物漿液流速低于臨界懸浮流速時，水合物顆粒壁面沉積引起的阻力增加不可忽視。為此，借鑒經(jīng)典固液三層流動模型[27]，引入水合物固體顆粒親水特性所引起的聚并和剪切的作用，耦合水合物漿液黏度及阻力特性顯著增加的影響，假擬水合物在油氣管道內(nèi)生成后，呈現(xiàn)非均質(zhì)層、移動層及靜止層3種流動形式，建立了水平管內(nèi)水合物漿液固液流動機理模型[28]。將固漿流動模擬結(jié)果與高壓水合物環(huán)道內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)相對照，結(jié)果如圖8所示，驗證了所建模型的可行性，模型預(yù)測誤差在±20%以內(nèi)。未來只有深入理解水合物聚集體的微觀聚并剪切特性，及固液流動與壁面的干摩擦、濕摩擦特性，才能更加準確理解固漿液流動機理，從而建立和完善更加貼合工程實際的含水合物多相流動機理模型。

2.2 含水合物的多相流動堵塞風(fēng)險評價技術(shù)

多相集輸管道中的水合物沉積堵塞過程涉及復(fù)雜的相變、聚并和流動剪切，具有顯著時變性及規(guī)律性不強等特點。探析水合物在油氣管道中的沉積黏壁、聚并堵塞機制，對有效防控油氣管道輸運中水合物堵塞的形成具有重要意義，同時也是實現(xiàn)安全、快速移除管道內(nèi)凍堵的重要理論基礎(chǔ)，更是實現(xiàn)管道水合物堵塞的狀態(tài)的定量表征，基于可靠性理論預(yù)測水合物堵塞概率評價“冰堵”風(fēng)險的關(guān)鍵。

圖8 水合物漿液三層流動模型壓降因子預(yù)測值與實驗值的偏差對比圖[28]

2.2.1 水合物壁面沉積實驗規(guī)律

研究團隊借助高壓水合物實驗環(huán)道宏觀視窗觀測、漿液密度測量與PVM獲取的微觀顆粒聚集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了在多相管流的流動剪切相互作用下，水合物壁面沉積存在4階段歷程，分別為：①水合物顆粒形成初始沉積；②水合物沉積層脫落；③液相中水合物顆粒再沉積；④水合物沉積層老化。攝像機捕捉到的水合物沉積過程不同階段的圖像如圖9所示。研究團隊首次提出了以漿液密度變化反應(yīng)水合物沉積率的定量分析方法，指出水合物沉積受系統(tǒng)驅(qū)動力、含水量、流動剪切率以及管壁表面特性和加劑量所控制[29]。在較低溫度、較高壓力、較低流速（流動剪切率小于600/s）、較低含水、較高加劑的情況下，水合物沉積率更低。其中，流速對沉積的影響，還表現(xiàn)在當流動剪切高于650/s時，水合物沉積量隨流速增加而減小[29]。通過對各影響因素的分析，總結(jié)得出水合物沉積過程的影響因素主要有[29]：水合物生成驅(qū)動力、體系中黏連水的量、水合物顆粒以及壁面的表面性質(zhì)（或阻聚劑濃度）、管壁表面的傳質(zhì)系數(shù)以及流動剪切率。各因素的作用機理，如圖10所示。盡管本研究對水合物的沉積過程進行了劃分并提出了沉積量的定量計算方法，但并不能實現(xiàn)對水合物沉積量的前期預(yù)測，因此探究水合物沉積本征機理，建立精確的水合物沉積預(yù)測模型是未來的研究方向。

2.2.2 不同流型下水合物堵塞機理

圖9 攝像機捕捉到的水合物沉積過程不同階段的圖像[29]

圖10 不同影響因素對水合物沉積過程作用機理示意圖[29]

研究團隊通過水合物高壓實驗環(huán)路開展了一系列氣液多相流動條件下的水合物生成和流動實驗，通過在不同初始流型條件下的水合物生成和漿液流動實驗，結(jié)合漿液密度監(jiān)測及在線顆粒測量技術(shù)（FBRM）獲取的顆粒粒徑變化，探究了不同流型中水合物顆粒的聚并和沉積的定量狀態(tài)（圖11），明確了各流型中水合物的堵塞機理和堵塞風(fēng)險（圖12 ～ 15）[30]。

圖11 各流型條件下水合物聚并系數(shù)和沉積系數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比圖[30]

圖12 分層流水合物漿液流動形態(tài)和管道堵塞機理示意圖[30]

圖13 氣泡流水合物漿液流動形態(tài)和管道堵塞機理示意圖[30]

圖14 段塞流水合物漿液流動形態(tài)和管道堵塞機理示意圖[30]

圖15 環(huán)狀流水合物漿液流動形態(tài)和管道堵塞機理示意圖[30]

根據(jù)圖11所示各流型中水合物顆粒的聚并和沉積系數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不論是基于聚并過程中水合物臨界弦長得到的聚并程度系數(shù)，還是基于顆粒平均加權(quán)弦長確定聚并程度系數(shù)，均具有相同的變化趨勢，數(shù)值上基于加權(quán)弦長計算的聚并程度系數(shù)是基于臨界弦長計算的聚并程度系數(shù)的3倍。這說明兩種方法在預(yù)測水合物顆粒聚并程度方面的結(jié)果具有一致性，驗證了兩種方法的預(yù)測可靠性。根據(jù)圖11可知：各流型中水合物顆粒聚并的嚴重程度從高到低依次為：段塞流＞分層流＞氣泡流＞環(huán)狀流。段塞流中水合物聚并情況最為嚴重，這是因為段塞流自身流動的強擾動性，段塞的流動會導(dǎo)致水合物顆粒間高頻率的碰撞，因此具有較高的聚并概率。環(huán)狀流中水合物傾向于直接在壁面處生成，因而液相中的聚并過程并不明顯。而各流型中水合物的沉積趨勢從高到低依次為：環(huán)狀流＞段塞流＞氣泡流＞分層流。環(huán)狀流中由于壁面處水合物層的形成，導(dǎo)致其具有最高的沉積系數(shù)。而分層流中由于顆粒傾向于在體相中聚并和堆積，所以其沉積系數(shù)最低。

對于分層流（圖12），水相以水滴形式分散在油相中，水合物顆粒趨于持續(xù)的聚并和生長，沉積程度很小，聚集體的堆積最終造成管道的堵塞；對于氣泡流，水相以水滴形式分散在油相中，水合物在油水界面生成，水滴與水合物不斷在液相中聚并成較大的團塊并持續(xù)增多，最終在管道壁面形成沉積，并保持穩(wěn)定流動，不存在明顯堵塞趨勢；對于段塞流（圖14），水相以水滴形式分散在油相中形成穩(wěn)定段塞流，水合物在油水界面成核生長，并在液相中與水滴形成聚結(jié)體同時也在管道壁面形成沉積，水合物聚并和沉積趨勢都很明顯，但由于顆粒大部分沉積在管道壁面，液相中顆粒濃度較低，且由于流動的不穩(wěn)定性與強烈剪切，造成水合物聚集體的破碎，管道不易堵塞；對于環(huán)狀流，水相分別以水滴和水膜形式分布在油相和管道壁面，水合物在油水界面或管道壁面生成，由于氣液兩相這種獨特的分布形式，可在管道壁面形成水合物覆蓋層并不斷增厚，導(dǎo)致水合物最先在管道壁面形成水合物覆蓋層，隨后由于壁面的強剪切作用，水合物層在不均勻分布段易發(fā)生脫落并在管道內(nèi)部堆積，最終形成管內(nèi)堵塞。研究團隊對水合物在不同流型條件下的聚并和沉積特點進行了初步研究，但未來仍需結(jié)合不同流型中流動參數(shù)的特點，深入分析各流參數(shù)對聚并和沉積過程的影響規(guī)律。

2.2.3 含水合物多相流動堵塞風(fēng)險評價技術(shù)

通過對水合物堵管機理的研究發(fā)現(xiàn)，不論是油基、水基或是氣基體系，水合物的體積分數(shù)都是引起水合物堵管所要考慮的主要因素。因此，首次將可靠性理論引入管道水合物“冰堵”風(fēng)險評價中，建立了以水合物體積分數(shù)為判定條件的極限狀態(tài)方程，見公式（4），考慮水合物結(jié)晶誘導(dǎo)期影響和管道運行參數(shù)的不確定性、耦合氣漿、固漿流動機理模型，應(yīng)用LHS、POD方法快速求解算法，實現(xiàn)了水合物

堵塞風(fēng)險的概率表征。

式中xi表示管道沿線該節(jié)點的位置參數(shù)，m；φ表示管道沿線該節(jié)點的水合物體積分數(shù)；φmax表示臨界水合物體積分數(shù)；W(xi)表示基準參數(shù)，若W(xi)＞0則表示該點處在水合物的堵管區(qū)域，若W(xi)≤0則表示該點不在水合物堵管區(qū)域。

圖16為水合物漿液管道堵管概率及穩(wěn)定運行等級劃分圖，給出了水合物堵管風(fēng)險隨時間和里程的變化數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在初始時刻水合物堵塞概率較低，隨著時間的增加，管道同一位置的水合物堵塞概率也逐漸增加。

圖16 水合物漿液管道堵管概率及穩(wěn)定運行等級劃分圖[31]

結(jié)合圖16所示的水合物堵管概率計算結(jié)果，研究團隊給出了水合物漿液管道穩(wěn)定運行安全評價等級劃分（表1），從水合物堵塞概率的角度評價水合物管道穩(wěn)定運行的風(fēng)險。圖16中以不同顏色區(qū)分了該管道的安全運行狀態(tài)評定。數(shù)據(jù)表明：隨著時間的推移，在管道末端發(fā)生水合物堵管的概率更大。實際上，以水合物堵塞概率為指標的評價標準，比以水合物生成概率為指標的標準更為嚴苛，可接受的概率更小。初步提出的能夠定量評估準穩(wěn)態(tài)水合物漿液流動過程中水合物堵塞風(fēng)險的模型，但是未來仍需建立以瞬態(tài)流動模擬為基礎(chǔ)，開展停輸再啟動等非正常工作工況下的水合物堵管風(fēng)險概率評價研究，從而對更加貼近工程實際對易于發(fā)生水合物堵塞的瞬態(tài)工況，進行安全等級分類。

表1 水合物漿液管道穩(wěn)定運行安全評價等級劃分表

3 結(jié)論

針對水合物漿液多相管輸特性及水合物管道沉積堵塞風(fēng)險評價技術(shù)展開了深入系統(tǒng)研究，拓展了流體力學(xué)在水合物漿液輸送中的理論應(yīng)用，是實現(xiàn)風(fēng)險控制油氣管道輸運中水合物流動安全問題工業(yè)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)；此外，構(gòu)建的含水合物的多相流動堵塞風(fēng)險評價技術(shù)體系，既填補了水合物堵塞風(fēng)險控制理論的空白，亦是定量分析油氣管道輸運中水合物堵塞風(fēng)險的可靠依據(jù)。建議未來的研究方向如下：

1）修正不同流型轉(zhuǎn)換準則中的相關(guān)參數(shù)，耦合液塞、液膜、液滴夾帶、顆粒聚集等復(fù)雜的微觀問題，開展適用于含水合物體系的不同氣漿流型轉(zhuǎn)換準則的研究。

2）綜合考慮液相、水合物顆粒相以及水合物顆粒與液間耦合作用的復(fù)雜行為，依托可靠的大量的實驗數(shù)據(jù)，完善水合物漿液黏度和阻力特性預(yù)測模型，綜合相關(guān)計算參數(shù)的時空變化特性，深入理解固液流動與壁面的干摩擦、濕摩擦特性，進而開展更好地服務(wù)于工程實際的含水合物多相流動機理模型研究。

3）探究水合物沉積本征機理，結(jié)合不同流型中流動參數(shù)的特點，建立精確的水合物沉積預(yù)測模型、深入分析各流參數(shù)對聚并和沉積過程的影響規(guī)律是未來的研究方向。

4）以瞬態(tài)流動模擬為基礎(chǔ)，開展停輸再啟動等非正常工作工況下的水合物堵管風(fēng)險概率評價研究，從而對更加貼近工程實際對易于發(fā)生水合物堵塞的瞬態(tài)工況，開展安全等級分類研究。