深海采油工艺仿真：海底水合物形成及堵塞的计算模拟

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海底水合物的形成可能会导致石油生产线的堵塞，因此是深海油田开发的主要关注点之一。目前，防止水合物形成的策略包括：部署预防措施，即通过管道绝缘(用于石油系统)；化学注入方式(用于天然气系统)在水合物区域之外进行预防；另一种策略是将水合物颗粒浆体输送到油相中，使水合物仍在水合物区域内生成。

降低水合物含量的关键是减少深海石油泄漏。由于深井（海平面以下1500-3000m）的石油产量激增，深海漏油成为关注的重点。一旦发生泄漏，必须制定并验证包括封顶和收集系统的应急计划。特别是，由简单的圆顶和立管系统组成的收集系统，在永久解决方案(如封顶装置)准备安装之前，对控制环境影响至关重要。在深海中使用收集系统因高压和低温的热力学条件而变得复杂，气态碳氢化合物在非常短的距离内迅速转化为水合物，从而导致圆顶完全堵塞。

由于严重的水合物堵塞，英国石油公司(BP)对“深水地平线”漏油事故的控制工作未能取得成功。BP首次尝试使用围堰(cofferdam)解决方案，即采用一个被降低到井口的巨大圆顶。然而，在围堰下降过程中，内部会形成大量水合物，从而使它无效。之后，设置了一个更复杂的top-hat系统，top-hat解决方案是将热水和甲醇注入圆顶内，以防止水合物堵塞(图1)。

图1 英国石油公司用于控制“深水地平线”钻井平台漏油的top-hat解决方案

Top-hat系统虽然安装成功，但据《纽约时报》(2010)报道，它的收集效率很低。石油流过top-hat下方并通过设备顶部的四个敞开的通风孔喷出，工程师无法按原计划将其关闭。因此，需要充分考虑溢油射流所产生的复杂多相流以及与水合物形成有关的热力学问题，来设计一个更好的方案。

采用CMFD方法，可预测水合物生成条件、计算水合物生成和聚集的位置、分析对油气开采设备和产量的影响。

通用流体仿真软件VirtualFlow，提供水合物的生成和溶解模型，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，保障天然气水合物开采工艺顺利完成。

VirtualFlow软件提供由Vysniauskas & Bishnoi提出的有限速率动力学模型，软件自带多种物料组分的水合物生成平衡曲线，包括甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等。

为了解决水合物堵塞的风险，必须掌握控制水合物形成和运输的物理现象。本文对水合物形成和分解的热力学问题，射流路径和水夹带，top-hat内部的温度演化以及水合物对top-hat表面的粘附行为进行建模。

多相流模型

采用两相之间具有代数滑移的多相混合模型。

湍流模型

从泄漏处喷出的射流为非定常湍流，流动中的小尺度导致射流流体与周围水快速混合。湍流建模采用Very-Large EddySimulation (V-LES)方法。与LES相比，该方法是基于过滤更大一部分的湍流波动，并且只对低于特定网格的过滤尺度以下的湍流进行建模。在VirtualFlow软件中，V-LES子模型基于k-ε模型。对于多相流，只求解混合物的湍流。

水合物模型

VirtualFlow水合物模型中，水合物分为两个阶段：非粘性水合物和粘性水合物。非粘性水合物不粘附于壁面，假设它们在远离壁面处混合。粘性水合物离壁的距离小于规定的距离(或现有的附着水合物结构)，并在形成时立即粘附在壁面上(或现有的水合物结构)。

通过对可混溶相(如甲醇和水)的混合及溶解过程进行验证，并将模拟应用于水合物堵塞深水立管及水合物堵塞垂直管道。

深海条件下烃类多相流的复杂模拟

模型建立

围堰的CAD文件首先用于对溢漏周围的计算域进行网格划分，采用VirtualFlow软件IST网格划分技术，将由围堰CAD文件重现的固体水平设定函数表示的固体浸入笛卡尔网格中。

图2 泄漏石油的收集器

图3 围堰的IST网格划分

使用完整的模型来模拟圆顶内部的流动以及水合物的形成。水的环境条件对应的深度为1500m，温度为4℃。水的密度设定为1035 kg/m3，油相和气相的密度分别为781kg/m3和124 kg/m3。水合物平衡温度为20.5℃。

模拟结果

图4显示了在激活完整的水合物模块(包括形成、粘附和熔化)之前，仅包括油（有色）和水（蓝色）的云图。

图4 Top-hat 模拟结果云图（油和水）

由上图可以看出，水流从顶盖中部分逸出。这些最初的结果表明，射流具有很强的不稳定性，并且只能使用时间相关的方法进行较好的预测。在这种情况下，稳态仿真完全没有意义。其次，由于使用LES不能解决类似问题，因此我们扩展了模型，使用N-phase多相流模型和水合物模块与上述V-LES耦合。

(a) No methanol 80s

(b) With methanol 80s

(d) With methanol 120s

图5 Top-hat 模拟结果云图

图5所示的结果表明，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。在本例中，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。如图5(b)和(c)所示，几乎没有油从顶盖中逸出。

与OLGA耦合

为更真实地模拟立管出口的流动情况，2D(或3D)模拟应该结合1D软件来模拟整个过程：从油源附近的集油到地表集油容器，需要考虑到出口处的回流。通过将VirtualFlow与OLGA结合使用即可实现，结果如图6和图7所示。

由于OLGA仍无法解决管道入口处存在水合物的问题，因此我们考虑了没有水合物的情况。

图6 OLGA/VirtualFlow界面的耦合解

图7 OLGA/VirtualFlow界面的质量流量变化曲线

图6实际上显示了流量在出口处呈现出回流状态。天然气和石油都可能从出口管重新进入圆顶。

图7显示了耦合界面处良好的质量通量守恒，模拟了回流。

结论

通用流体仿真软件VirtualFlow，提供了水合物的生成和溶解模型。基于深海条件下烃类多相流的复杂CMFD模拟，在验证研究的基础上，VirtualFlow软件可以模拟分析泄漏井的围护设计和相关流动保障的水合物风险，并且提出可以对top-hat进行更好设计的建模方法，解决了BP在安装Macondo围堵系统时面临的问题。这种临时收集方法是溢油应急响应的关键部分，因为封顶油井的最终解决方案通常要花费数月的时间，这将对环境造成不可挽回的损害，并给操作人员造成巨大损失。更进一步，需要对本模型预测现实情景的能力进行更定量的评估。

来源：多相流在线

多相流化学湍流通用油气控制 VirtualFlow

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首次发布时间：2023-09-13