摘 要：随着海底天然气水合物开采及开发技术研究的不断发展，水合物浆的宏观流动特性研究成为保证天然气水合物浆顺利输送的必要条件。为此，对天然气水合物浆液在管道中的稳定流动状态及临界堵塞条件进行了研究，以传统的固液双层流动模型为基础，结合天然气水合物在水平管道中的流动特点，提出了天然气水合物浆稳定流动的判定标准——临界流动速度和临界床层高度，即管道内出现固定床层的临界速度和该速度对应的床层高度；并提出了计算天然气水合物浆流型及流动参数的方法。在此基础上，对天然气水合物浆在管道中流动的沉积特性进行了研究，设计正交方案，对比了不同因素对临界沉积速度的影响因子。实验验证结果表明：该方法可以较为准确地描述天然气水合物浆的流动状态及其特征参数，对判断其安全流动具有一定的指导意义。
关键词：天然气 水合物浆 安全流动 沉积特性 流动参数 计算模型 临界沉积速度
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
随着海底天然气水合物开采及开发技术研究的不断发展，水合物浆的宏观流动特性研究成为保证水合物浆顺利输送的必要条件，由于天然气水合物在输送管线中主要以颗粒形式存在，因此水合物浆的流动特性研究和固液两相流动研究具有紧密的联系[1-2]。笔者在深入理解由Doron等[3]人提出的固液两相双层流动模型的基础上，结合水合物浆物性及对水合物浆流动状态转化的分析，对此模型进行了改进、简化，提出了一种计算天然气水合物浆宏观流动参数的方法，并在此基础上对天然气水合物浆沉积特性进行分析，对比了不同因素对临界沉积速度的影响。
1 双层流动模型介绍
Doron等将固相颗粒在液相管道中的流型分为3种：①悬浮流；②移动床流；③固定床流动。其中移动床流和固定床流不能同时存在。
双层流动模型基于以下假设：①浓度分布严格受临界沉积速度及分散系数影响[4]；②忽略流动过程中颗粒的碰撞、聚结以及破碎；③移动床流与固定床流不会同时存在。
基于以上假设，列出流动质量守恒方程，可以得到：
固相
UhChAh+UCA＝UbCbAb (1)
连续相
Uh(1-Cg)Ah+Ub(1-Cb)Ab＝Us(1-Cs)A (2)
结合浓度分布计算公式：
根据受力平衡可以得到：
对于悬浮床流动有[5]：
Ub＝0|Ch＝Cs|Uh＝Us (7)
Cb＝Cmax(即最大填充率) (8)
对于固定床流动有[6]：
式中Uh为悬浮相流动速度；Ch为悬浮相颗粒体积分数；Us为平均流速；Cs为平均浓度；A为体系总截面积；e¢为颗粒扩散系数；w¢为临界沉积速度；Ah、Ab为悬浮层、床层的横截面积；th为壁面和悬浮层之间的剪切应力；ti为悬浮层与床层之间界面的剪切应力；tb为壁面和床层之间的剪切应力；Sh为悬浮层的湿周；si为界面湿周；Sb为床层湿周；Fb为摩擦阻力，在床层刚开始流动时，摩擦阻力达到最大值；t0为屈服应力，对于沉积于底部的高浓度水合物浆溶液，认为其流变性符合Bingham模型。
应用以上模型，对于给定的系统参数(颗粒直径、颗粒密度、颗粒平均浓度、连续相密度、连续相黏度、连续相平均流速以及管线直径)，结合式(1)～(6)求解即可得到两相流动状态及流动参数。双层流动模型流动参数如图l所示。
虽然双层流动模型可以较好地解决固液两相流动中固相颗粒体积浓度分布及流态判断的问题，但是仍然存在着如下缺点：
1)实际流动中，固定床流和移动床流可能同时存在[7]，模型并未考虑这种情况。
2)对于移动床流存在的情况，需要对以上公式联合求解，求解复杂，不易收敛。
3)模型无法给出移动床流和固定床流存在的临界转化条件即临界沉积速度，而在水合物浆液安伞输送流动研究中，该参数是至关重要的[8]。
4)高浓度的水合物浆表现出非牛顿流体特性[9]，该模型没有考虑。
在此基础上，通过分析流态转化条件并结合水合物浆的流动特性，提出了适用于水合物浆的双层流动模型，并在此基础上对水合物浆流动的临界速度进行了计算。
2 水合物浆流动模型的建立及简化
对水合物浆的流变性研究发现，水合物浆在低浓度下可视为牛顿流体，而在高浓度下，则表现为非牛顿流体，较为常用的表征模型为Bingham模型[10]：
其屈服应力可由本文参考文献[11]中提出的拟合公式进行计算：
t0＝0.00059C3-0.00701C2+0.087C-0.02498 (12)
由于
主要应用于有床层出现的情况，此时浆液浓度较高，可认为是Bingham流体，因此，在以上基础上，对
进行修正，可得：
用
替换
即可得到适用于水合物浆液的固液两相双层流动模型。
为了对模型进行进一步简化，对固相颗粒在液相中的流动状态进行分析：假设初始流动状态为悬浮流，随着流动速度不断降低，固相颗粒聚集，在底部或顶部局域颗粒浓度不断增大，达到最大填充率的时候，出现移动床流动，定义此时管线的平均流动速度为“临界速度1”，即在其他系统参数固定不变的条件下，此流动速度为悬浮流到移动床层流的转化速度。然后随着流动速度的继续降低，床层高度上升，速度不断降低，最终在某一流动速度下，床层速度达到0，定义此时的流动速度为“临界速度2”，即移动床流到固定床层流动的转化速度，此时的床层高度称为“临界床层高度”。即床层高度在达到临界床层高度之后，出现固定床层的不断累积。流动状态随速度变化如图2所示。
在计算流动参数之前，首先计算得到“临界速度1”和“临界速度2”，然后判断水合物浆的流动状态，进而分析计算当前流动状态下，水合物浆的床层高度、颗粒浓度分布、平均黏度及压降系数数据。
据此，提出水合物浆宏观流动特性的计算过程，并应用VisualStudio C#编制应用程序。基于以上工作，对于任意给定的系统条件，可得到体系从悬浮状态流动向移动床层流动的转化速度、“临界速度1”以及由移动床层流动向固定床层流动的转化速度、“临界速度2”，并在此基础上，计算当前流动速度下管道内水合物浆的流动形态、颗粒浓度分布、平均黏度及压降因子。
3 模型验证与实验对比
为了验证模型的可行性及准确性，利用文献中提供的实验数据，对计算结果和实验结果进行对比。
王武昌等[11]对四氢呋喃(THF)水合物在水平管道中的流动状态进行了大量实验研究(表1)，研究内容包括颗粒粒径、浓度以及流速等对水合物浆流动状态的影响，笔者以其实验数据为参照，对模型计算结果进行了对比。
主要参数实测值及计算值比较如表2所示。
对比以上实验结果可以得出以下结论。
1)和传统的双层流动模型相比，该模型不仅可以实现对移动床层流态的准确预测，而且实现了对水合物浆关键参数——临界速度的计算。
2)水合物浆流动模型可以在较广泛的适用范围内对水合物浆流动参数进行较为准确的预测，表观黏度及压降因子的预测结果虽和实验结果有一定出入，但是其基本趋势及数值变化范围和实际值相符合。
3)模型中所选用的黏度计算模型Thoma。模型[13]并不能很好地预测水合物浆的黏度。因此，需要利用实验数据对Thomas模型系数进行修正，得到适用于该种水合物浆的黏度关系式。
4)对模型中提供的其他参数，包括临界速度、浓度分布等，由于缺乏实验数据，无法进行验证，有待提出新的实验检验方法，对模型进行进一步优化。
4 临界沉积速度影响因素的正交分析
在上述内容的基础上，研究各计算参数对临界沉积速度的影响效果，参数选取如下：颗粒直径为100～800mm，颗粒密度为920～980，固相体积分数为l0％～50％，介质流速为0.4～3.0m／s，管线直径为0.1～0.5m，最大填充率为0.55，液相密度为l000kg／m3，液相黏度为1.79mPa·s。考察“临界速度2”的值。
设计正交比较方案并计算“临界速度2”，方案及计算结果如表3所示。
从表3及方差分析可以看出，颗粒直径对“临界速度2”的影响效果最大，因此，开展水合物颗粒流动过程中的生长、碰撞以及聚结研究对降低“临界速度2”，进而保证管线的安全输送具有重要意义，同时，以上结论还对“冷流技术”实现的作用原理(防止水合物聚结，减小水合物颗粒直径，进而降低临界速度)进行了阐释[13-15]。
此外，经过对比可知，普遍常识所认为的对流动状态有较大影响的固相颗粒体积分数却是对“临界速度2”影响最小的参数，分析原因，笔者认为固相颗粒体积分数在较低浓度时(小于35％)，对“临界速度2”影响不大，而只有在较高浓度，尤其是浓度接近最大填充率的时候，才会对“临界速度2”有显著影响。
5 结束语
在传统双层流动模型的基础上，对管线中水合物浆的受力进行分析，以建立移动床层流动和固定床层流动的临界转化条件，并在对水合物浆流动过程进行分析的基础上，对模型进行简化，提出了水合物浆稳定流动的判定标准：临界流动速度和临界床层高度，即管线内出现固定床层流动的临界速度和该速度对应的床层高度。对此模型进行了简化以及编程求解，随后，通过和实验结果的对比，验证了模型的可行性，模型在预测移动床流动状态以及临界速度方面具有明显的优势，但是也存在着一些缺点，包括：①模型并不适用于水合物浆粒径和管径比较大的情况，浓度分布方程并不适用于粒径比较大的情况；②模型中对颗粒直径的近似化处理、黏度模型的选取等需要做进一步的修正与改进。
此外，通过设计正交方案，研究了流动参数对临界沉积速度的影响，研究发现，颗粒粒径对临界沉积速度的影响远较其他参数显著，这为降低临界沉积速度、增大水合物浆安全输送区间提供了理论依据，而水合物浆体积分数却被证明在低浓度下对临界沉积速度影响不大，而在较高浓度区间内才会对临界沉积速度形成显著影响。
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本文作者：王武昌 陈鹏 李玉星 刘海红 张庆东
作者单位：中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院
中国石油工程建设公司北京设计分公司
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