天然气水合物分解气体释放速率计算方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及流体计算领域，尤指一种计算天然气水合物分解气体释放速率的计算 方法及其装置，可实现天然气水合物气体释放速率的预测，主要应用于天然气水合物矿藏 开发与流动保障、天然气水合物冻堵的移除、天然气水合物储运技术及水合物分离等方向。
【背景技术】
[0002] 随着石油工业的发展，钻井、采油以及油气输送等领域向深海延伸。在海洋石油工 业中，油气从海底开采出来后，由井口经管道输送到FPS0、海上平台或陆地进行后处理。海 底管道尤其是海底集输管道，输送的介质大多未经分离处理，通常为油气水多相混输管道。 海底管道运行压力较高，运行温度较低，管道中较易形成水合物。水合物在深海井筒和管道 中生成、分解，从而具有阻碍流动的趋势。在水合物生成较为严重的情况下，流量会大幅度 降低，甚至停产。此外，水合物的形成和分解，会影响位于海底的阀门及相关设备的安全运 行。
[0003] 在钻井、采油和油气输送过程中，天然气水合物的形成和分解对井筒、海底管道和 海底设备等造成的影响及其对技术和成本的要求越来越受到重视。由于目前传统的水合物 抑制技术在深海开发中具有明显的技术局限性和高额的成本花费，水合物浆液输送技术逐 渐被石油工业和国内外研究人员所关注。在多相输送的油气混输体系中，水合物会随着管 道内压力和温度的变化而形成或分解。要准确的预测管道内的水合物存有量，不仅需要计 算出水合物的形成速率，还需要掌握水合物分解速率的预测方法。目前，国内外针对多相混 输体系中水合物分解机理的研究较少，现有的一些分解研究多是针对多孔介质或是反应釜 中水合物的分解，而针对流动状态下多相混输体系中的水合物分解研究少之又少。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种用于计算天然气水合物分解过程中气体释放速率的技 术，即在对多相混输体系下高压实验环道中水合物的分解机理研究的基础上，结合实验数 据建立天然气水合物分解动力学模型，从而计算出天然气水合物气体释放速率。
[0005] 为达上述目的，本发明具体提供一种天然气水合物分解气体释放速率计算方法， 所述方法包含：根据水合物分解的相关理论基础，建立水合物浆液分解动力学模型并拟合 水合物分解模型中相关参数数值；根据天然气组分进行相态闪蒸，计算获得天然气相关参 数；获取天然气水合物分解初始时天然气水合物的物质的量及分解反应开始后的实时温度 压力数据；根据所述水合物浆液分解动力学模型、所述模型中相关参数数值、所述天然气相 关参数、所述水合物分解初始时天然气水合物的物质的量和所述分解反应开始后的实时温 度压力数据，获得天然气水合物分解气体释放速率。
[0006] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算方法中，优选的，所述根据水合物分 解的相关理论基础，建立水合物浆液分解动力学模型包含：根据水合物分解的本征动力学 及传热因素、传质因素对水合物分解速率的影响，建立包含本征、传热、传质以及聚并特性 的水合物浆液分解动力学模型。
[0007] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算方法中，优选的，所述根据水合物分 解的相关理论基础，拟合水合物分解模型中相关参数数值包含：利用高压环道实验数据拟 合本征分解反应的反应常数、传递系数以及活化能等相应参数数值。在上述天然气水合物 分解气体释放速率计算方法中，优选的，所述根据天然气组分进行相态闪蒸包含：根据天然 气的气质组分，并基于热力学相平衡理论进行相态闪蒸。
[0008] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算方法中，优选的，所述天然气相关参 数至少包含天然气的物性参数表、水合物生成曲线、三相平衡逸度和不同温度压力状态下 的逸度。
[0009] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算方法中，优选的，所述水合物浆液分 解动力学模型包含以下公式：
[0010]
[0011] 上5^〒，ndW73t叮剡的气1不样放重，mol;ndfcnd)737JVt5、WJ壬成过程结束时的耗气 量，mol;t为水合物分解时间，s;Kd。为本征分解反应的速率常数，moV(MPa·s·m2) ;T为 天然气水合物分解体系实时温度，K;R为摩尔气体常数，8. 314X/(mol·Κ) ;AS为水合物分解 的总表面积，m2;fμ为实验条件下某一组分在水合物壳外界面处的气相逸度，MPa 为某 一组分的水合物相平衡逸度，MPa;α为传递系数；△E为活化能，J/mol。
[0012] 本发明还提供一种天然气水合物分解气体释放速率计算装置，所述装置包含：建 模单元，用于根据水合物分解的相关理论基础，建立水合物浆液分解动力学模型并拟合模 型中相关参数数值；闪蒸单元，用于根据天然气组分进行相态闪蒸，计算获得天然气相关参 数；采集单元，用于获取天然气水合物分解初始时天然气水合物的物质的量及分解反应开 始后的实时温度压力数据；数据处理单元，用于根据所述水合物浆液分解动力学模型、所述 水合物分解模型相关参数数值、所述天然气相关参数、所述水合物分解初始时天然气水合 物的物质的量和所述分解反应开始后的实时温度压力数据，获得天然气水合物分解气体释 放速率。
[0013] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算装置中，优选的，所述建模单元还包 含拟合模块，所述拟合模块用于根据高压环道实验数据拟合水合物分解模型中相应参数数 值。
[0014] 在上述天然气水合物分解气体释放速率计算装置中，优选的，所述建模单元包含： 根据水合物分解的相关理论基础，建立以下水合物浆液分解动力学模型：
[0015]
[0016] 上式中，ndW为t时刻的气体释放量，mol ;nd(end)为水合物生成过程结束时的耗气 量，mol ;t为水合物分解时间，s ;Kd。为本征分解反应的速率常数，mo V (MPa·s·m2);T为 天然气水合物分解体系实时温度，K ;R为摩尔气体常数，8.314X/(mol ·Κ) ;AS为水合物分解 的总表面积，m2;fμ为实验条件下某一组分在水合物壳外界面处的气相逸度，MPa 为某 一组分的水合物相平衡逸度，MPa ; α为传递系数；△E为活化能，J/mol。
[0017] 本发明的有益技术效果在于：利用该方法可实现对天然气水合物分解过程中气体 释放速率的计算和预测，以该方法为基础编写的软件可以有助于监测天然气管道安全平稳 运行，也可作为深入开展水合物矿开采，应用水合物作为媒介储存与运输气体、净化与分离 气体，以及应用水合物浆液输送气体等技术研究的基础。
【附图说明】
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：
[0019] 图1为本发明所提供的天然气水合物分解气体释放速率计算方法流程图；
[0020] 图2为本发明所提供的天然气水合物分解气体释放速率计算装置示意图；
[0021] 图3为相态闪蒸计算所得到的天然气在三种不同阶段下的水合物生成曲线；
[0022] 图4A为阻聚剂浓度3%含水率15%压力6.OMPa时，不同流速下的水合物分解气 体释放量模拟数据与实验数据比较示意图；
[0023] 图4B为阻聚剂浓度3%含水率15%流速0. 91m/s时，不同初始压力下的水合物分 解气体释放量模拟数据与实验数据比较示意图；
[0024] 图4(：为阻聚剂浓度3%流速0.91111/8压力5.01^时，不同含水率下的水合物分解 气体释放量模拟数据与实验数据比较示意图；
[0025] 图40为含水率20%流速0.91111/8压力5.01^时，不同阻聚剂浓度下的水合物分 解气体释放量模拟数据与实验数据比较示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附 图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性