天然气水合物浆体输运的监测与管理系统及方法与流程

本发明涉及一种天然气水合物浆体输运的监测与管理系统及方法，属于稳态模拟技术领域。

背景技术：

天然气水合物(naturalgashydrate，简称ngh)又称可燃冰，一立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。天然气水合物不仅具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染的特点，而且有利于运输和储存，是一种重要的潜在资源。中国工程院院士翁史烈在世界能源趋势论坛上指出：2050年后，全球将出现四大能源替代方向，天然气水合物排第二位。天然气水合物的开发和研究已经势在必行。同时，随着海洋油气的开发不断深入，混输管道内生成水合物而导致管道堵塞的问题越来越受到重视。传统的防止水合物生成的技术，例如保温，注入甲醇、抑制剂等，以便将水合物的平衡相线移到有利边界内，却因应用条件和高成本所限，很难应用于深海油气田的开发。因此，研究天然气水合物浆体的流动与相变特性就成为了解决水合物的形成速度慢，形成的水合物大量带水，ngh管道减阻输送等问题，实现深海油气田低成本开发，是构建新型能源工业结构的战略要求。很多国外机构已经对水合物存在时的相平衡和水合物生成动力学进行了研究，以便开发出新的防止管道水合物堵塞的方法。新的替代技术之一，就是将水合物以固体颗粒的形式分散在多相流中形成浆液进行输送。目前，对该问题的解释是：当钻遇深海油气或天然水合物藏时，储层中产出的天然气进入井筒后由单相流变为复杂的气液两相流；井筒内的低温高压环境还会促使部分天然气形成天然气水合物，水合物漂浮在气/液界面，就成为了可流动的浆体。但，当浆体水合物随钻井液一起上返时，若管内的环境温度偏离其生成区域，水合物颗粒将会分解释放出甲烷气体。天然气的急速释放、扩散，致使流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比、两相界面不段变化，引起多相流流动状态的改变和涡旋；同时，浆体水合物在井筒或管线内聚集还会使得环空管线堵塞，给海底管道输送、以及钻井工艺、井控、隔水管设计等带来新的危害。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种判断准确、评估及时的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，该系统能适应天然气水合物类型多元化、管理智能化的要求，为输运的安全评价和运行优化提供决策信息，不仅可以缓解海洋油气的开发过程中管道内生成天然气水合物而导致管道堵塞的问题，而且能解决了天然气水合物浆体的流动和相变问题，实现了深海油气田低成本开发，推动了新型能源工业结构的构建。

本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物浆体输运的监测与管理方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，所述系统包括：

第一建立模块，用于建立海水与海底地层模型；

第一计算模块，用于计算海底地层非稳态传热数值；

测试模块，用于测试天然气水合物浆体的粘度；

第一获取模块，用于在天然气水合物浆体的粘度测试基础上，获取天然气水合物浆体的流动特性参数；

第二建立模块，用于根据海水与海底地层模型、海底地层非稳态传热数值以及天然气水合物浆体的流动特性参数，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型；

第二计算模块，用于计算天然气水合物浆体的相平衡参数；

判断模块，用于根据含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型和天然气水合物浆体的相平衡参数，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件，确定天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素；

第三建立模块，用于根据天然气水合物浆体的流动和相变特性，建立天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型；

稳态模拟模块，用于根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，以及天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，实现天然气水合物浆体输运的过程匹配；

监测与管理模块，用于根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，实现对天然气水合物浆体输运过程的安全性预测和评价。

进一步的，所述第一建立模块中，海水与海底地层模型包括海水温度方程、海水流速方程和对流传热系数的计算。

进一步的，所述测试模块中，测试天然气水合物浆体的粘度包括：

制备不同压力、温度条件下的天然气水合物浆体；

对不同浓度的天然气水合物浆体的流体进行流速-压降实验；

对不同浓度的天然气水合物浆体的粘度进行测试实验，以表征流动特性指标。

进一步的，所述第一获取模块中，获取天然气水合物浆体的流动特性参数包括：

选择天然气水合物浆体的流动理论；

建立四种流体模式及其相应的本构方程，以及计算管道摩擦阻力；其中，四种流体模式分别为牛顿流体模式、宾汉流体模式、假塑性流体模式和casson流体模式；

修正紊流区域的半经验关联式、流体粘度计算式和剪切速率方程，获取天然气水合物浆体的流动特性参数。

进一步的，所述第二建立模块中，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型包括：

针对含相变的天然气水合物浆体的流动过程，建立辅助方程，结合基本的质能守恒方程、空隙率波传播理论和水合物生成的本征动力学模型，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型。

进一步的，所述第二计算模块中，计算天然气水合物浆体的相平衡参数包括：

利用差示扫描量热仪获得的水合物相图、比热、导热系数、相变热、相合熔点；

从热力学相平衡和水分子渗透、吸附理论出发，建立相平衡温度的计算方程；

通过具体实验与计算相结合，确定天然气水合物浆体的相变温度、比热、导热系数和浓度。

进一步的，所述判断模块中，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件包括：

对taylor泡的形成、水合物颗粒/液滴的平均弦长、气体消耗量与流形的相互关系进行分析；

将数值模拟与实验结合，验证含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型，得到含相变的天然气水合物浆体的流形转化机制。

进一步的，所述稳态模拟模块包括入口单元、地层段环空管单元、地层段钻杆单元、隔水管段环空管单元和隔水管段钻杆单元，能够进行天然气水合物浆体输运的的动态模拟，并实时地传递环空管内的压力、温度信号。

进一步的，所述监测与管理模块还用于监测预设工况条件下稳态模拟模块各单元出口的物流流率、组成和性质、温度和压力分布情况。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

天然气水合物浆体输运的监测与管理方法，所述方法包括：

建立海水与海底地层模型；

计算海底地层非稳态传热数值；

测试天然气水合物浆体的粘度；

在天然气水合物浆体的粘度测试基础上，获取天然气水合物浆体的流动特性参数；

根据海水与海底地层模型、海底地层非稳态传热数值以及天然气水合物浆体的流动特性参数，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型；

计算天然气水合物浆体的相平衡参数；

根据含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型和天然气水合物浆体的相平衡参数，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件，确定天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素；

根据天然气水合物浆体的流动和相变特性，建立天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型；

根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，以及天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，实现天然气水合物浆体输运的过程匹配；

根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，实现对天然气水合物浆体输运过程的安全性预测和评价。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过计算天然气水合物浆体的相平衡参数，揭示了天然气水合物浆体在环空输运系统中的相变条件，以及天然气水合物在钻井液中分解、聚合的条件，大大增加了整个系统的可靠性。

2、本发明可以根据海水与海底地层模型、海底地层非稳态传热数值以及天然气水合物浆体的流动特性参数，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型，并运用过程工程的先进系统，能够进行了输运全过程稳态模拟和运行优化，实现准确、及时地监测分析和工业管理。

附图说明

图1为本发明实施例1的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统原理图。

图2a为本发明实施例1的浓度为1％的天然气水合物浆体的分解区域示意图。

图2b为本发明实施例1的浓度为5％的天然气水合物浆体的分解区域示意图。

图2c为本发明实施例1的浓度为10％的天然气水合物浆体的分解区域示意图。

图2d为本发明实施例1的浓度为15％的天然气水合物浆体的分解区域示意图。

图3为本发明实施例2的天然气水合物浆体输运的监测与管理方法流程图。

其中，1-第一建立模块，2-第一计算模块，3-测试模块，4-第一获取模块，5-第二建立模块，6-第二计算模块，7-判断模块，8-第三建立模块，9-稳态模拟模块，10-监测与管理模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例提供了一种天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，该系统的主要作用则在于：一是得到了水合物浆体状态参数的物性表征、流动特征指数及其计算公式；二是分析了含相变的水合物浆体的流动形态变化规律，导出含相变的水合物浆体的多相流流动模型；三是在物性研究和实验数据的基础上，实现了天然气水合物浆体输运的稳态模拟。

如图1所示，本实施例的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统包括第一建立模块1、第一计算模块2、测试模块3、第一获取模块4、第二建立模块5、第二计算模块6、判断模块7、第三建立模块8、稳态模拟模块9和监测与管理模块10，各种模块的具体功能如下：

所述第一建立模块1，用于建立海水与海底地层模型；其中，海水与海底地层模型包括海水温度方程、海水流速方程和对流传热系数的计算，该海水与海底地层模型可以将将海水温度方程、海水速度方程、对流传热系数等数据传递给第二建立模块5。

所述第一计算模块2，用于计算海底地层非稳态传热数值，并将海底地层非稳态传热数值传递给第二建立模块5。

所述测试模块3，用于测试天然气水合物浆体的粘度，具体如下：

a、制备不同压力、温度条件下的天然气水合物浆体。

b、用密度瓶法测量浆体浓度，对若干种不同浓度的天然气水合物浆体的流体在水平管内进行流速-压降实验，为天然气水合物浆体的流动特性积累基础数据。

c、对若干种不同浓度的天然气水合物浆体的粘度进行测试实验，以表征流动特性指标。

所述第一获取模块4，用于在天然气水合物浆体的粘度测试基础上，获取天然气水合物浆体的流动特性参数，具体如下：

a、选择天然气水合物浆体的流动理论。

b、建立牛顿流体模式、宾汉流体模式、假塑性流体模式和casson流体模式及其相应的本构方程，以及计算管道摩擦阻力。

c、修正紊流区域的半经验关联式、流体粘度计算式和剪切速率方程，获取天然气水合物浆体的流动特性参数。

所述第二建立模块5，用于根据海水与海底地层模型传递的海水温度方程、海水速度方程、对流换热系统等数据，第一计算模块2传递的海底地层非稳态传热数值。以及第一获取模块4获取的天然气水合物浆体的流动特性参数，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型，即混流模型，具体如下：

针对含相变的天然气水合物浆体的流动过程，建立clausius-clapeyron(克拉伯龙)方程、pvt(processverificationtest，小批量过程验证测试)方程、几何体积分数方程和沿程摩阻损失方程等辅助方程，结合基本的质能守恒方程、空隙率波传播理论和水合物生成的本征动力学模型，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型。

所述第二计算模块6，用于计算天然气水合物浆体的相平衡参数，具体如下：

a、研究已形成的水合物浆体升温融化过程的温度变化曲线，利用差示扫描量热仪(differentialscanningcalorimeter，简称dsc)获得的水合物相图、比热、导热系数、相变热、相合熔点。

b、从热力学相平衡和水分子渗透、吸附理论出发，建立相平衡温度的计算方程。

c、通过具体实验与计算相结合，确定天然气水合物浆体的相变温度、比热、导热系数和浓度。

所述判断模块7，用于将含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型主要参数的变化历程和天然气水合物浆体的相平衡参数进行叠加对比，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件，确定天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素；其中，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件，具体如下：

a、运用数值模拟的方法，研究taylor泡的形成以及含相变的水合物浆体的流动形态变化规律；基于mandhane流形图及fbrm(focusedbeamreflectancemeasurement，聚焦光束反射测量技术)和pvm(particlevideomicroscope，颗粒录影显微镜技术)颗粒监测设备、高速摄像仪，提取天然气水合物浆体输运过程的主要特征参数(温度、压力、浓度、速度、粘度、水合物颗粒/液滴的平均弦长、气体消耗量等)，结合具体实验，分析系统压力、温度、水合物颗粒/液滴的平均弦长、气体消耗量与流形的相互关系。

b、将数值模拟与实验结合，验证含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型，得到含相变的天然气水合物浆体的流形转化机制。

所述第三建立模块8，用于根据判断模块7得到的天然气水合物浆体的流动和相变特性，建立天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，具体如下：

根据判断模块7得到的天然气水合物浆体的流动和相变特性，将天然气水合物的本征生长模型、与影响天然气水合物形成与生长的热力学、动力学因素，如粘度、剪切力、传热模型等有机地结合起来，建立天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型。

基于判断模块7和天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，可以确定环空管中天然气水合物浆体的稳定分解区域和非稳定分解区域，不同浓度的天然气水合物浆体分解区域如图2a～图2d所示，以及稳态模拟模块9的预设工况。

所述稳态模拟模块9可以采用aspen(advancedsystemforprocessengineering，过程工程的先进系统)plus稳态模拟平台，可以建立全过程的输运流程图，进行预设工况下的稳态模拟，揭示天然气水合物浆体输运流程各单元出口的物流流率、组成和性质、以及温度和压力分布情况，可以根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，以及天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，实现天然气水合物浆体输运的过程匹配。

进一步地，稳态模拟模块9包括入口单元、地层段环空管单元、地层段钻杆单元、隔水管段环空管单元和隔水管段钻杆单元，能够进行天然气水合物浆体输运的的动态模拟，并实时地传递环空管内的压力、温度信号。

所述监测与管理模块10可以依靠稳态模拟模块9监测预设工况条件下稳态模拟模块各单元出口的物流流率、组成和性质、温度和压力分布情况，进行全工况的物质流率、压力、温度分析，不断修正天然气水合物浆体输运的流动参数和流动过程，进而完善输运的压力、温度和流量分布；研究状态变量之间的关系，确定约束条件和影响稳定工况的主要因素；将数据反馈给稳态模拟模块9和天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，进而预设工况的操作参数管理系统，为安全管理、运行优化提供决策信息，实现对天然气水合物浆体输运过程的安全性预测和评价，提高了天然气水合物浆体输运时的运行管理、风险控制能力。

实施例2：

如图3所示，本实施例提供了一种天然气水合物浆体输运的监测与管理方法，该方法包括以下步骤：

s101、建立海水与海底地层模型。

s102、计算海底地层非稳态传热数值。

s103、测试天然气水合物浆体的粘度。

s104、在天然气水合物浆体的粘度测试基础上，获取天然气水合物浆体的流动特性参数。

s105、根据海水与海底地层模型、海底地层非稳态传热数值以及天然气水合物浆体的流动特性参数，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型。

s106、计算天然气水合物浆体的相平衡参数。

s107、根据含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型和天然气水合物浆体的相平衡参数，分析天然气水合物浆体的流动和相变特性，从而判断天然气水合物浆体流动的流形和转折条件，确定天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素。

s108、根据天然气水合物浆体的流动和相变特性，建立天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型。

s109、根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，以及天然气水合物浆体中颗粒聚集与分解模型，实现天然气水合物浆体输运的过程匹配。

s110、根据天然气水合物浆体输运的约束部位和关键影响因素，实现对天然气水合物浆体输运过程的安全性预测和评价。

综上所述，本发明可以对天然气水合物浆体在钻井液中的相平衡特征进行计算；分析状态参量对物性的影响，进而建立相关物性的数学表达式；基于clausius-clapeyron方程、pvt方程、几何体积分数方程、流体粘度方程、沿程摩阻损失方程等辅助方程，建立含相变的天然气水合物浆体的多相流流动模型；研究了含相变的天然气水合物浆体的流动形态变化规律、水合物颗粒/液滴的分解、聚集与流形的相互关系；而且采用稳态模拟，在给定的条件下实现天然气水合物浆体输运时的动态模拟，与传统的监测和评估方法相比，充分反映了天然气水合物浆体输运时的全过程的动态参数，整个系统具有主动性、准确性和及时性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。