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VirtualFlow | 水合物形成及相关风险仿真计算

1年前浏览5529
石油的开采与运输中,存在油、气、水与沙粒等多组分流,且互相之间存在相互影响。尤其是水合物的存在,堵塞井筒或采气管线,影响气井的正常生产。另外,深海石油泄漏也会形成水合物,进而堵塞石油收集器。
水合物的形成过程复杂,包含油、气、水、水合物等多相,石油泄露过程等更是一个复杂的大尺度湍流现象,因此对水合物相关的模拟难度较高,目前现有的通用CFD软件缺少相应的模拟功能。    

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。

混合物的密度和粘度分别为850 kg/m3和2.5e-3Pa.s;油密度:650kg/m3;甲烷密度:130kg/m3      

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

图1清晰的显示了水合物从最初形成并逐渐粘附到壁面的过程及机理,可以看到最后两个时刻上升水合物已堵塞,正如压力轮廓线所表示。
值得注意的是:水合物结构会使管道流态趋向于由一系列油/水塞形成的段塞状,而这是采用混合模型无法达到的计算效果。最初是恒定的水的体积分数(在形成水合物之前)在0.35至0.55之间变化,最终转换为管道的水合物。图中未显示气体轮廓,是由于在水合物形成过程中已消耗完所有甲烷。



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

可以看出,随着水合物的形成,混合物的粘度增加,进而影响系统的压力,最终导致管道系统完全堵塞。


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

海洋钻井平台发生事故也会造成石油泄露,需要采用紧急预案进行捕集,例如采用顶部开孔的钟形控油罩,底部罩住漏油点,将原油从顶部通过油管疏导到海面上的油轮。但在控油罩下降过程中,深海中的洋流裹挟着原油和天然气进入了控油罩内,天然气在深海的低温高压环境下形成的甲烷水合物(可燃冰)会造成控油罩顶部输油口堵塞。  

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

由上图可以看出,水流从顶盖中部分逸出,表明射流具有很强的不稳定性。  
       

No methanol 80s

       

With methanol 80s

       

No methanol 120s

       

With methanol 120s


   

图8 捕集器模拟结果

图8表明,与流变学模型结合使用的稳定模型很好地呈现了水合物在顶盖内部的附着力,从而导致了出油管堵塞。为了防止堵塞,建议从顶盖内部的各个小喷嘴注入甲醇,甲醇的作用是局部降低水合物形成的临界温度。尽管一些水合物仍然粘附在墙壁上,但出油管并没有被阻塞。  

 

 

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。

来源:多相流在线
多相流燃烧化学湍流通用航空航天船舶建筑控制积鼎 CFD
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首次发布时间:2023-06-23
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