摘 要：隨著海底天然氣水合物開采及開發技術研究的不斷發展，水合物漿的宏觀流動特性研究成為保證天然氣水合物漿順利輸送的必要條件。為此，對天然氣水合物漿液在管道中的穩定流動狀態及臨界堵塞條件進行了研究，以傳統的固液雙層流動模型為基礎，結合天然氣水合物在水平管道中的流動特點，提出了天然氣水合物漿穩定流動的判定標準——臨界流動速度和臨界床層高度，即管道內出現固定床層的臨界速度和該速度對應的床層高度；并提出了計算天然氣水合物漿流型及流動參數的方法。在此基礎上，對天然氣水合物漿在管道中流動的沉積特性進行了研究，設計正交方案，對比了不同因素對臨界沉積速度的影響因子。實驗驗證結果表明：該方法可以較為準確地描述天然氣水合物漿的流動狀態及其特征參數，對判斷其安全流動具有一定的指導意義。
關鍵詞：天然氣 水合物漿 安全流動 沉積特性 流動參數 計算模型 臨界沉積速度
Flow and deposition characteristics of natural gas hydrate in pipelines
Abstract：Along with the increasing demand for marine hydrate recovery and exploitation from the sea floor，the studv of hydrate slurry flow characteristics serves as a robust technical support for the steady operation of undersea muhiphase flow Dipelines．Thus．focusing on the steady flow characteristics of hydrate slurry and critical parameters of hydrate pluggin9，this study presented a new model for hydrate slurry flow pattern and flow parameters prediction based on the traditional solid-liquid two layer flow model．According to the flow characteristics of hydrate slurry in horizontal pipelines，the criterion for j udging the sready flow of hydrate slurry was determined，i．e．,the critical flow velocity and critical bed height in pipelines．Then the deposition characteristic was further studied and orthogonal experiments were carried out to determine the influence factors of different parameters on critical plug vclocity．In the end，experimental results verified that the new model gives relatively accurate prediction of flow patterns and parameters，which can help to judge the flow assurance of natural gas hydrate in pipelines．
Keywords：pipeline，natural gas，hydraie slurry，flow assurance，deposit，flow characteristics，calculating model，critical deposit
隨著海底天然氣水合物開采及開發技術研究的不斷發展，水合物漿的宏觀流動特性研究成為保證水合物漿順利輸送的必要條件，由于天然氣水合物在輸送管線中主要以顆粒形式存在，因此水合物漿的流動特性研究和固液兩相流動研究具有緊密的聯系[1-2]。筆者在深入理解由Doron等[3]人提出的固液兩相雙層流動模型的基礎上，結合水合物漿物性及對水合物漿流動狀態轉化的分析，對此模型進行了改進、簡化，提出了一種計算天然氣水合物漿宏觀流動參數的方法，并在此基礎上對天然氣水合物漿沉積特性進行分析，對比了不同因素對臨界沉積速度的影響。
1 雙層流動模型介紹
Doron等將固相顆粒在液相管道中的流型分為3種：①懸浮流；②移動床流；③固定床流動。其中移動床流和固定床流不能同時存在。
雙層流動模型基于以下假設：①濃度分布嚴格受臨界沉積速度及分散系數影響[4]；②忽略流動過程中顆粒的碰撞、聚結以及破碎；③移動床流與固定床流不會同時存在。
基于以上假設，列出流動質量守恒方程，可以得到：
固相
UhChAh+UCA＝UbCbAb (1)
連續相
Uh(1-Cg)Ah+Ub(1-Cb)Ab＝Us(1-Cs)A (2)
結合濃度分布計算公式：
根據受力平衡可以得到：
對于懸浮床流動有[5]：
Ub＝0|Ch＝Cs|Uh＝Us (7)
Cb＝Cmax(即最大填充率) (8)
對于固定床流動有[6]：
式中Uh為懸浮相流動速度；Ch為懸浮相顆粒體積分數；Us為平均流速；Cs為平均濃度；A為體系總截面積；e¢為顆粒擴散系數；w¢為臨界沉積速度；Ah、Ab為懸浮層、床層的橫截面積；th為壁面和懸浮層之間的剪切應力；ti為懸浮層與床層之間界面的剪切應力；tb為壁面和床層之間的剪切應力；Sh為懸浮層的濕周；si為界面濕周；Sb為床層濕周；Fb為摩擦阻力，在床層剛開始流動時，摩擦阻力達到最大值；t0為屈服應力，對于沉積于底部的高濃度水合物漿溶液，認為其流變性符合Bingham模型。
應用以上模型，對于給定的系統參數(顆粒直徑、顆粒密度、顆粒平均濃度、連續相密度、連續相黏度、連續相平均流速以及管線直徑)，結合式(1)～(6)求解即可得到兩相流動狀態及流動參數。雙層流動模型流動參數如圖l所示。
雖然雙層流動模型可以較好地解決固液兩相流動中固相顆粒體積濃度分布及流態判斷的問題，但是仍然存在著如下缺點：
1)實際流動中，固定床流和移動床流可能同時存在[7]，模型并未考慮這種情況。
2)對于移動床流存在的情況，需要對以上公式聯合求解，求解復雜，不易收斂。
3)模型無法給出移動床流和固定床流存在的臨界轉化條件即臨界沉積速度，而在水合物漿液安傘輸送流動研究中，該參數是至關重要的[8]。
4)高濃度的水合物漿表現出非牛頓流體特性[9]，該模型沒有考慮。
在此基礎上，通過分析流態轉化條件并結合水合物漿的流動特性，提出了適用于水合物漿的雙層流動模型，并在此基礎上對水合物漿流動的臨界速度進行了計算。
2 水合物漿流動模型的建立及簡化
對水合物漿的流變性研究發現，水合物漿在低濃度下可視為牛頓流體，而在高濃度下，則表現為非牛頓流體，較為常用的表征模型為Bingham模型[10]：
其屈服應力可由本文參考文獻[11]中提出的擬合公式進行計算：
t0＝0.00059C3-0.00701C2+0.087C-0.02498 (12)
由于
主要應用于有床層出現的情況，此時漿液濃度較高，可認為是Bingham流體，因此，在以上基礎上，對
進行修正，可得：
用
替換
即可得到適用于水合物漿液的固液兩相雙層流動模型。
為了對模型進行進一步簡化，對固相顆粒在液相中的流動狀態進行分析：假設初始流動狀態為懸浮流，隨著流動速度不斷降低，固相顆粒聚集，在底部或頂部局域顆粒濃度不斷增大，達到最大填充率的時候，出現移動床流動，定義此時管線的平均流動速度為“臨界速度1”，即在其他系統參數固定不變的條件下，此流動速度為懸浮流到移動床層流的轉化速度。然后隨著流動速度的繼續降低，床層高度上升，速度不斷降低，最終在某一流動速度下，床層速度達到0，定義此時的流動速度為“臨界速度2”，即移動床流到固定床層流動的轉化速度，此時的床層高度稱為“臨界床層高度”。即床層高度在達到臨界床層高度之后，出現固定床層的不斷累積。流動狀態隨速度變化如圖2所示。
在計算流動參數之前，首先計算得到“臨界速度1”和“臨界速度2”，然后判斷水合物漿的流動狀態，進而分析計算當前流動狀態下，水合物漿的床層高度、顆粒濃度分布、平均黏度及壓降系數數據。
據此，提出水合物漿宏觀流動特性的計算過程，并應用VisualStudio C#編制應用程序。基于以上工作，對于任意給定的系統條件，可得到體系從懸浮狀態流動向移動床層流動的轉化速度、“臨界速度1”以及由移動床層流動向固定床層流動的轉化速度、“臨界速度2”，并在此基礎上，計算當前流動速度下管道內水合物漿的流動形態、顆粒濃度分布、平均黏度及壓降因子。
3 模型驗證與實驗對比
為了驗證模型的可行性及準確性，利用文獻中提供的實驗數據，對計算結果和實驗結果進行對比。
王武昌等[11]對四氫呋喃(THF)水合物在水平管道中的流動狀態進行了大量實驗研究(表1)，研究內容包括顆粒粒徑、濃度以及流速等對水合物漿流動狀態的影響，筆者以其實驗數據為參照，對模型計算結果進行了對比。
主要參數實測值及計算值比較如表2所示。
對比以上實驗結果可以得出以下結論。
1)和傳統的雙層流動模型相比，該模型不僅可以實現對移動床層流態的準確預測，而且實現了對水合物漿關鍵參數——臨界速度的計算。
2)水合物漿流動模型可以在較廣泛的適用范圍內對水合物漿流動參數進行較為準確的預測，表觀黏度及壓降因子的預測結果雖和實驗結果有一定出入，但是其基本趨勢及數值變化范圍和實際值相符合。
3)模型中所選用的黏度計算模型Thoma。模型[13]并不能很好地預測水合物漿的黏度。因此，需要利用實驗數據對Thomas模型系數進行修正，得到適用于該種水合物漿的黏度關系式。
4)對模型中提供的其他參數，包括臨界速度、濃度分布等，由于缺乏實驗數據，無法進行驗證，有待提出新的實驗檢驗方法，對模型進行進一步優化。
4 臨界沉積速度影響因素的正交分析
在上述內容的基礎上，研究各計算參數對臨界沉積速度的影響效果，參數選取如下：顆粒直徑為100～800mm，顆粒密度為920～980，固相體積分數為l0％～50％，介質流速為0.4～3.0m／s，管線直徑為0.1～0.5m，最大填充率為0.55，液相密度為l000kg／m3，液相黏度為1.79mPa·s。考察“臨界速度2”的值。
設計正交比較方案并計算“臨界速度2”，方案及計算結果如表3所示。
從表3及方差分析可以看出，顆粒直徑對“臨界速度2”的影響效果最大，因此，開展水合物顆粒流動過程中的生長、碰撞以及聚結研究對降低“臨界速度2”，進而保證管線的安全輸送具有重要意義，同時，以上結論還對“冷流技術”實現的作用原理(防止水合物聚結，減小水合物顆粒直徑，進而降低臨界速度)進行了闡釋[13-15]。
此外，經過對比可知，普遍常識所認為的對流動狀態有較大影響的固相顆粒體積分數卻是對“臨界速度2”影響最小的參數，分析原因，筆者認為固相顆粒體積分數在較低濃度時(小于35％)，對“臨界速度2”影響不大，而只有在較高濃度，尤其是濃度接近最大填充率的時候，才會對“臨界速度2”有顯著影響。
5 結束語
在傳統雙層流動模型的基礎上，對管線中水合物漿的受力進行分析，以建立移動床層流動和固定床層流動的臨界轉化條件，并在對水合物漿流動過程進行分析的基礎上，對模型進行簡化，提出了水合物漿穩定流動的判定標準：臨界流動速度和臨界床層高度，即管線內出現固定床層流動的臨界速度和該速度對應的床層高度。對此模型進行了簡化以及編程求解，隨后，通過和實驗結果的對比，驗證了模型的可行性，模型在預測移動床流動狀態以及臨界速度方面具有明顯的優勢，但是也存在著一些缺點，包括：①模型并不適用于水合物漿粒徑和管徑比較大的情況，濃度分布方程并不適用于粒徑比較大的情況；②模型中對顆粒直徑的近似化處理、黏度模型的選取等需要做進一步的修正與改進。
此外，通過設計正交方案，研究了流動參數對臨界沉積速度的影響，研究發現，顆粒粒徑對臨界沉積速度的影響遠較其他參數顯著，這為降低臨界沉積速度、增大水合物漿安全輸送區間提供了理論依據，而水合物漿體積分數卻被證明在低濃度下對臨界沉積速度影響不大，而在較高濃度區間內才會對臨界沉積速度形成顯著影響。
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本文作者：王武昌 陳鵬 李玉星 劉海紅 張慶東
作者單位：中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院
中國石油工程建設公司北京設計分公司
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