天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及流體計(jì)算領(lǐng)域，尤指一種計(jì)算天然氣水合物分解氣體釋放速率的計(jì)算 方法及其裝置，可實(shí)現(xiàn)天然氣水合物氣體釋放速率的預(yù)測(cè)，主要應(yīng)用于天然氣水合物礦藏 開發(fā)與流動(dòng)保障、天然氣水合物凍堵的移除、天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及水合物分離等方向。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆井、采油以及油氣輸送等領(lǐng)域向深海延伸。在海洋石油工 業(yè)中，油氣從海底開采出來(lái)后，由井口經(jīng)管道輸送到FPS0、海上平臺(tái)或陸地進(jìn)行后處理。海 底管道尤其是海底集輸管道，輸送的介質(zhì)大多未經(jīng)分離處理，通常為油氣水多相混輸管道。 海底管道運(yùn)行壓力較高，運(yùn)行溫度較低，管道中較易形成水合物。水合物在深海井筒和管道 中生成、分解，從而具有阻礙流動(dòng)的趨勢(shì)。在水合物生成較為嚴(yán)重的情況下，流量會(huì)大幅度 降低，甚至停產(chǎn)。此外，水合物的形成和分解，會(huì)影響位于海底的閥門及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn) 行。
[0003] 在鉆井、采油和油氣輸送過(guò)程中，天然氣水合物的形成和分解對(duì)井筒、海底管道和 海底設(shè)備等造成的影響及其對(duì)技術(shù)和成本的要求越來(lái)越受到重視。由于目前傳統(tǒng)的水合物 抑制技術(shù)在深海開發(fā)中具有明顯的技術(shù)局限性和高額的成本花費(fèi)，水合物漿液輸送技術(shù)逐 漸被石油工業(yè)和國(guó)內(nèi)外研究人員所關(guān)注。在多相輸送的油氣混輸體系中，水合物會(huì)隨著管 道內(nèi)壓力和溫度的變化而形成或分解。要準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)管道內(nèi)的水合物存有量，不僅需要計(jì) 算出水合物的形成速率，還需要掌握水合物分解速率的預(yù)測(cè)方法。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)多相混 輸體系中水合物分解機(jī)理的研究較少，現(xiàn)有的一些分解研究多是針對(duì)多孔介質(zhì)或是反應(yīng)釜 中水合物的分解，而針對(duì)流動(dòng)狀態(tài)下多相混輸體系中的水合物分解研究少之又少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種用于計(jì)算天然氣水合物分解過(guò)程中氣體釋放速率的技 術(shù)，即在對(duì)多相混輸體系下高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)道中水合物的分解機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)建立天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)模型，從而計(jì)算出天然氣水合物氣體釋放速率。
[0005] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明具體提供一種天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法， 所述方法包含：根據(jù)水合物分解的相關(guān)理論基礎(chǔ)，建立水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型并擬合 水合物分解模型中相關(guān)參數(shù)數(shù)值；根據(jù)天然氣組分進(jìn)行相態(tài)閃蒸，計(jì)算獲得天然氣相關(guān)參 數(shù)；獲取天然氣水合物分解初始時(shí)天然氣水合物的物質(zhì)的量及分解反應(yīng)開始后的實(shí)時(shí)溫度 壓力數(shù)據(jù)；根據(jù)所述水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型、所述模型中相關(guān)參數(shù)數(shù)值、所述天然氣相 關(guān)參數(shù)、所述水合物分解初始時(shí)天然氣水合物的物質(zhì)的量和所述分解反應(yīng)開始后的實(shí)時(shí)溫 度壓力數(shù)據(jù)，獲得天然氣水合物分解氣體釋放速率。
[0006] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法中，優(yōu)選的，所述根據(jù)水合物分 解的相關(guān)理論基礎(chǔ)，建立水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型包含：根據(jù)水合物分解的本征動(dòng)力學(xué) 及傳熱因素、傳質(zhì)因素對(duì)水合物分解速率的影響，建立包含本征、傳熱、傳質(zhì)以及聚并特性 的水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型。
[0007] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法中，優(yōu)選的，所述根據(jù)水合物分 解的相關(guān)理論基礎(chǔ)，擬合水合物分解模型中相關(guān)參數(shù)數(shù)值包含：利用高壓環(huán)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬 合本征分解反應(yīng)的反應(yīng)常數(shù)、傳遞系數(shù)以及活化能等相應(yīng)參數(shù)數(shù)值。在上述天然氣水合物 分解氣體釋放速率計(jì)算方法中，優(yōu)選的，所述根據(jù)天然氣組分進(jìn)行相態(tài)閃蒸包含：根據(jù)天然 氣的氣質(zhì)組分，并基于熱力學(xué)相平衡理論進(jìn)行相態(tài)閃蒸。
[0008] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法中，優(yōu)選的，所述天然氣相關(guān)參 數(shù)至少包含天然氣的物性參數(shù)表、水合物生成曲線、三相平衡逸度和不同溫度壓力狀態(tài)下 的逸度。
[0009] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法中，優(yōu)選的，所述水合物漿液分 解動(dòng)力學(xué)模型包含以下公式：
[0010]
[0011] 上5^〒，ndW73t叮剡的氣1不樣放重，mol;ndfcnd)737JVt5、WJ壬成過(guò)程結(jié)束時(shí)的耗氣 量，mol;t為水合物分解時(shí)間，s;Kd。為本征分解反應(yīng)的速率常數(shù)，moV(MPa·s·m2) ;T為 天然氣水合物分解體系實(shí)時(shí)溫度，K;R為摩爾氣體常數(shù)，8. 314X/(mol·Κ) ;AS為水合物分解 的總表面積，m2;fμ為實(shí)驗(yàn)條件下某一組分在水合物殼外界面處的氣相逸度，MPa 為某 一組分的水合物相平衡逸度，MPa;α為傳遞系數(shù)；△E為活化能，J/mol。
[0012] 本發(fā)明還提供一種天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算裝置，所述裝置包含：建 模單元，用于根據(jù)水合物分解的相關(guān)理論基礎(chǔ)，建立水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型并擬合模 型中相關(guān)參數(shù)數(shù)值；閃蒸單元，用于根據(jù)天然氣組分進(jìn)行相態(tài)閃蒸，計(jì)算獲得天然氣相關(guān)參 數(shù)；采集單元，用于獲取天然氣水合物分解初始時(shí)天然氣水合物的物質(zhì)的量及分解反應(yīng)開 始后的實(shí)時(shí)溫度壓力數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)所述水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型、所述 水合物分解模型相關(guān)參數(shù)數(shù)值、所述天然氣相關(guān)參數(shù)、所述水合物分解初始時(shí)天然氣水合 物的物質(zhì)的量和所述分解反應(yīng)開始后的實(shí)時(shí)溫度壓力數(shù)據(jù)，獲得天然氣水合物分解氣體釋 放速率。
[0013] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算裝置中，優(yōu)選的，所述建模單元還包 含擬合模塊，所述擬合模塊用于根據(jù)高壓環(huán)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合水合物分解模型中相應(yīng)參數(shù)數(shù) 值。
[0014] 在上述天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算裝置中，優(yōu)選的，所述建模單元包含： 根據(jù)水合物分解的相關(guān)理論基礎(chǔ)，建立以下水合物漿液分解動(dòng)力學(xué)模型：
[0015]
[0016] 上式中，ndW為t時(shí)刻的氣體釋放量，mol ;nd(end)為水合物生成過(guò)程結(jié)束時(shí)的耗氣 量，mol ;t為水合物分解時(shí)間，s ;Kd。為本征分解反應(yīng)的速率常數(shù)，mo V (MPa·s·m2);T為 天然氣水合物分解體系實(shí)時(shí)溫度，K ;R為摩爾氣體常數(shù)，8.314X/(mol ·Κ) ;AS為水合物分解 的總表面積，m2;fμ為實(shí)驗(yàn)條件下某一組分在水合物殼外界面處的氣相逸度，MPa 為某 一組分的水合物相平衡逸度，MPa ; α為傳遞系數(shù)；△E為活化能，J/mol。
[0017] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：利用該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物分解過(guò)程中氣體 釋放速率的計(jì)算和預(yù)測(cè)，以該方法為基礎(chǔ)編寫的軟件可以有助于監(jiān)測(cè)天然氣管道安全平穩(wěn) 運(yùn)行，也可作為深入開展水合物礦開采，應(yīng)用水合物作為媒介儲(chǔ)存與運(yùn)輸氣體、凈化與分離 氣體，以及應(yīng)用水合物漿液輸送氣體等技術(shù)研究的基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不 構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中：
[0019] 圖1為本發(fā)明所提供的天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算方法流程圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明所提供的天然氣水合物分解氣體釋放速率計(jì)算裝置示意圖；
[0021] 圖3為相態(tài)閃蒸計(jì)算所得到的天然氣在三種不同階段下的水合物生成曲線；
[0022] 圖4A為阻聚劑濃度3%含水率15%壓力6.OMPa時(shí)，不同流速下的水合物分解氣 體釋放量模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較示意圖；
[0023] 圖4B為阻聚劑濃度3%含水率15%流速0. 91m/s時(shí)，不同初始?jí)毫ο碌乃衔锓?解氣體釋放量模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較示意圖；
[0024] 圖4(：為阻聚劑濃度3%流速0.91111/8壓力5.01^時(shí)，不同含水率下的水合物分解 氣體釋放量模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較示意圖；
[0025] 圖40為含水率20%流速0.91111/8壓力5.01^時(shí)，不同阻聚劑濃度下的水合物分 解氣體釋放量模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附 圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性