含蜡多相流动体系下管道水合物生成动力学实验研究

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在海上油气开发中,多相混输管道内固相沉积问题频发,且一般为多种固相沉积(结垢、蜡结晶、水合物)同时发生,这将严重威胁油气资源的正常开采及安全输送。在解决蜡沉积和水合物堵塞问题时,关键在于明确蜡结晶在高压管输流动体系下对水合物成核、生长规律的影响。鉴于此,本文基于高压可视水合物实验环路,以实验室自制去离子水、工业级2#白油、CO2气体、Tween-80乳化剂和粗晶混合蜡作为实验介质,开展了不同体系CO2水合物生成及浆液流动实验,探究了蜡浓度、含水率、实验初始温度等因素对水合物成核、生长特性的影响。主要结论如下:首先,为明确含蜡多相流动体系下,蜡对水合物生成动力学特性规律的影响,本文以改变蜡浓度为切入点,进行了多组不同蜡浓度的CO2水合物生成实验,着重分析了水合物成核诱导时间、耗气量、水合物生成速率及水合物快速生成耗时等水合物动力学参数的变化规律。实验结果表明:随着蜡含量的提高,水合物诱导时间变长,总耗气量降低,水合物耗气速率降低,由此可以得知,蜡结晶的析出对CO2水合物的成核及生长均表现为抑制效果,且在一定的蜡浓度范围内,蜡的浓度越高,对水合物的生成抑制效果越强。究其原因为:一方面,随着温度的降低,在乳化剂Tween-80的作用下,蜡结晶析出后粘附在水滴表面,减小了气体CO2与水发生成核反应的有效表面积,影响了气体水合物的传质过程从而抑制了水合物的界面成核,并且降低了CO2水合物的生长速率;另一方面,蜡结晶还会沉积在管壁上,降低管道的导热性能,导致水合物生成驱动力降低,阻碍了气体水合物的生长,而且由于蜡结晶层的保温及水合物大量生成之后的大量放热,会导致后续的部分CO2水合物分解,耗气量减少。其次,考虑到油气田开采后期水含量不断增加问题,选用工业白油为模拟油,开展了有无蜡晶存在不同含水体系的两组水合物生成实验,探究了含水率对水合物生长动力学特性的影响。实验结果表明:无论体系中是否含蜡,随着含水率的升高,CO2水合物的诱导时间都会随之减少,CO2水合物体积分数随之增大,耗气速率随之增大,但含蜡乳状液体系中这些参数随含水率的变化更为显著。出现该种现象的原因为:其一,乳状液中水的含量越高,其乳化效果将更为明显,从而导致油水界面的表面积越大,气体发生成核反应的界面面积就越大,从而促进了水合物的成核和生长;其二,当油水乳状液中含有蜡时,随着体系温度的下降,蜡结晶将沉积在管壁上或者覆盖在油水界面,减小了油水界面面积,占据CO2气体与水发生成核反应的位置点,而且蜡结晶的析出将会减弱水滴与气体水合物颗粒间的交叉成核,从而更深入地影响气体水合物的形成。最后,为明确含蜡油水乳状液体系下阻聚剂Tween-80对CO2水合物生成特性的影响机制及阻聚剂的防聚机理,开展了有无蜡、阻聚剂存在对CO2水合物生成实验,探究了含蜡油水乳状液体系下Tween-80对水合物生长动力学特性的影响。所得结论如下:对无蜡油水乳状液体系而言,Tween-80对CO2水合物的影响主要表现为:抑制水合物的成核而促进水合物的生长;对含蜡体系而言,在水合物快速生长阶段,油水界面吸附的蜡结晶将参与水合物生成过程中主客体分子的传质过程,导致体相内形成更大的聚集体,减小水合物生成的总反应面积,进而抑制水合物生成,而阻聚剂Tween-80的存在加速了蜡结晶在油水界面上的吸附,致使蜡结晶的析出对水合物生成的抑制效果加剧。
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