VirtualFlow | 水合物形成及相关风险仿真计算
VirtualFlow独特的水合物模型
通用计算流体力学软件VirtualFlow提供水合物的生成及溶解模型，包括：生成模型、变异模型（轻碳至甲烷）、水合物形成中的释热模型、流变模型、分解模型、固体水合物融化模型。
VirtualFlow可用于模拟深海采油工艺中水合物的生成过程，预测水合物生成量、对管道的堵塞等，评估水合物对采油工艺的影响，并研究水合物的抑制与控制，保障天然气水合物开采工艺顺利完成。
深水提升管水合物阻塞
采用VirtualFlow可以预测初始充满油、水及甲烷的垂直立管流的堵塞问题。
立管长50m、直径10cm，放置在海平面以下1500m处（压力为150 bar，水温为4℃）；
假定水合物（包含碳氢化合物混合物）以0.5m/s的速度向上运动，相当于雷诺数17.000。
管道入口处混合物组成：水 50％；油（37％的重组分和8％的轻组分）45％；甲烷 5％
水合物的形成认为是瞬间完成的，采用二阶时间步进离散格式开展瞬态二维轴对称仿真。
水合物形成
管道压力
图1 不同时刻水合物形成及相应的管道内压力变化
复杂管道系统水合物阻塞
针对复杂管道系统，VirtualFlow也可以预测其中水合物的堵塞情况。
复杂管道系统（32m长，直径20cm），从下部端口以2m/s的速度注入含95％水和5％甲烷的碳氢化合物混合物。采用与先前模型类似的流体特性。假设不存在油相，减少了N相模型所需求解的方程数量，并且仅考虑与水和甲烷接触时的相变反应（水合物形成），简化反应过程。得到以下模拟结果：
图2 甲烷水合物在管道内的形成过程
图2为甲烷水合物在管道内的形成过程，图3-图5为不同时刻（10.3s、19.3和30.7s）管道系统中水合物的形成和相应的压力和粘性变化。
图3 不同时刻管道系统中水合物的形成
图4 不同时刻管道系统中的压力
图5 不同时刻管道系统中的粘度
捕集器内水合物阻塞
石油及其炼制品(汽油、煤油、柴油等)在开采、炼制、贮运和使用过程中进入海洋环境会造成严重污染，为此出台了相关法规制止海洋活动过程中非法排放含油污水、严格控制沿岸炼油厂和其他工厂含油污水的排放。
图6 石油泄露造成的海洋污染
为抑制甲烷水合物的形成，可以在捕集系统中缓缓注入甲醇，以防止水合物堵塞。采用VirtualFlow软件对捕集器进行模拟。水环境对应深度为1500m，温度为4℃。水的密度设定为1035kg/m3，油相和气相的密度分别为781kg/m3和124kg/m3。水合物平衡温度为20.5℃。计算结果如下：
图7 捕集器模拟结果
No methanol 80s
With methanol 80s
No methanol 120s
With methanol 120s
图8 捕集器模拟结果
油气领域普遍存在天然气、水合物、蜡、沙粒、油、水等多相流，对其流动状态的仿真模拟存在如下挑战：乳胶，颗粒和液滴等不同形态的同时存在；湍流流动的相互作用；流动不稳定性和老化问题；界面化学成分与多组分运动等。
VirtualFlow具有独特的水合物模型，可用于模拟深海采油工艺中水合物的生成过程，预测水合物生成量、对管道的堵塞等，评估水合物对采油工艺的影响，并研究水合物的抑制与控制。
