深海采油工藝仿真：海底水合物形成及堵塞的計算模擬

乘風破浪_

2023年9月13日 11:31

海底水合物的形成可能會導致石油生產線的堵塞，因此是深海油田開發的主要關注點之一。目前，防止水合物形成的策略包括：部署預防措施，即通過管道絕緣(用于石油系統)；化學注入方式(用于天然氣系統)在水合物區域之外進行預防；另一種策略是將水合物顆粒漿體輸送到油相中，使水合物仍在水合物區域內生成。

降低水合物含量的關鍵是減少深海石油泄漏。由于深井（海平面以下1500-3000m）的石油產量激增，深海漏油成為關注的重點。一旦發生泄漏，必須制定并驗證包括封頂和收集系統的應急計劃。特別是，由簡單的圓頂和立管系統組成的收集系統，在永久解決方案(如封頂裝置)準備安裝之前，對控制環境影響至關重要。在深海中使用收集系統因高壓和低溫的熱力學條件而變得復雜，氣態碳氫化合物在非常短的距離內迅速轉化為水合物，從而導致圓頂完全堵塞。

由于嚴重的水合物堵塞，英國石油公司(BP)對“深水地平線”漏油事故的控制工作未能取得成功。BP首次嘗試使用圍堰(cofferdam)解決方案，即采用一個被降低到井口的巨大圓頂。然而，在圍堰下降過程中，內部會形成大量水合物，從而使它無效。之后，設置了一個更復雜的top-hat系統，top-hat解決方案是將熱水和甲醇注入圓頂內，以防止水合物堵塞(圖1)。

圖1 英國石油公司用于控制“深水地平線”鉆井平臺漏油的top-hat解決方案

Top-hat系統雖然安裝成功，但據《紐約時報》(2010)報道，它的收集效率很低。石油流過top-hat下方并通過設備頂部的四個敞開的通風孔噴出，工程師無法按原計劃將其關閉。因此，需要充分考慮溢油射流所產生的復雜多相流以及與水合物形成有關的熱力學問題，來設計一個更好的方案。

采用CMFD方法，可預測水合物生成條件、計算水合物生成和聚集的位置、分析對油氣開采設備和產量的影響。

通用流體仿真軟件VirtualFlow，提供水合物的生成和溶解模型，可用于模擬深海采油工藝中水合物的生成過程，預測水合物生成量、對管道的堵塞等，評估水合物對采油工藝的影響，并研究水合物的抑制與控制，保障天然氣水合物開采工藝順利完成。

VirtualFlow軟件提供由Vysniauskas & Bishnoi提出的有限速率動力學模型，軟件自帶多種物料組分的水合物生成平衡曲線，包括甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷等。

為了解決水合物堵塞的風險，必須掌握控制水合物形成和運輸的物理現象。本文對水合物形成和分解的熱力學問題，射流路徑和水夾帶，top-hat內部的溫度演化以及水合物對top-hat表面的粘附行為進行建模。

多相流模型

采用兩相之間具有代數滑移的多相混合模型。

湍流模型

從泄漏處噴出的射流為非定常湍流，流動中的小尺度導致射流流體與周圍水快速混合。湍流建模采用Very-Large EddySimulation (V-LES)方法。與LES相比，該方法是基于過濾更大一部分的湍流波動，并且只對低于特定網格的過濾尺度以下的湍流進行建模。在VirtualFlow軟件中，V-LES子模型基于k-ε模型。對于多相流，只求解混合物的湍流。

水合物模型

VirtualFlow水合物模型中，水合物分為兩個階段：非粘性水合物和粘性水合物。非粘性水合物不粘附于壁面，假設它們在遠離壁面處混合。粘性水合物離壁的距離小于規定的距離(或現有的附著水合物結構)，并在形成時立即粘附在壁面上(或現有的水合物結構)。

通過對可混溶相(如甲醇和水)的混合及溶解過程進行驗證，并將模擬應用于水合物堵塞深水立管及水合物堵塞垂直管道。

深海條件下烴類多相流的復雜模擬

模型建立

圍堰的CAD文件首先用于對溢漏周圍的計算域進行網格劃分，采用VirtualFlow軟件IST網格劃分技術，將由圍堰CAD文件重現的固體水平設定函數表示的固體浸入笛卡爾網格中。

圖2 泄漏石油的收集器

圖3 圍堰的IST網格劃分

使用完整的模型來模擬圓頂內部的流動以及水合物的形成。水的環境條件對應的深度為1500m，溫度為4℃。水的密度設定為1035 kg/m3，油相和氣相的密度分別為781kg/m3和124 kg/m3。水合物平衡溫度為20.5℃。

模擬結果

圖4顯示了在激活完整的水合物模塊(包括形成、粘附和熔化)之前，僅包括油（有色）和水（藍色）的云圖。

圖4 Top-hat 模擬結果云圖（油和水）

由上圖可以看出，水流從頂蓋中部分逸出。這些最初的結果表明，射流具有很強的不穩定性，并且只能使用時間相關的方法進行較好的預測。在這種情況下，穩態仿真完全沒有意義。其次，由于使用LES不能解決類似問題，因此我們擴展了模型，使用N-phase多相流模型和水合物模塊與上述V-LES耦合。

(a) No methanol 80s

(b) With methanol 80s

(d) With methanol 120s

圖5 Top-hat 模擬結果云圖

圖5所示的結果表明，與流變學模型結合使用的穩定模型很好地呈現了水合物在頂蓋內部的附著力，從而導致了出油管堵塞。為了防止堵塞，建議從頂蓋內部的各個小噴嘴注入甲醇，甲醇的作用是局部降低水合物形成的臨界溫度。在本例中，盡管一些水合物仍然粘附在墻壁上，但出油管并沒有被阻塞。如圖5(b)和(c)所示，幾乎沒有油從頂蓋中逸出。

與OLGA耦合

為更真實地模擬立管出口的流動情況，2D(或3D)模擬應該結合1D軟件來模擬整個過程：從油源附近的集油到地表集油容器，需要考慮到出口處的回流。通過將VirtualFlow與OLGA結合使用即可實現，結果如圖6和圖7所示。

由于OLGA仍無法解決管道入口處存在水合物的問題，因此我們考慮了沒有水合物的情況。

圖6 OLGA/VirtualFlow界面的耦合解

圖7 OLGA/VirtualFlow界面的質量流量變化曲線

圖6實際上顯示了流量在出口處呈現出回流狀態。天然氣和石油都可能從出口管重新進入圓頂。

圖7顯示了耦合界面處良好的質量通量守恒，模擬了回流。

結論

通用流體仿真軟件VirtualFlow，提供了水合物的生成和溶解模型。基于深海條件下烴類多相流的復雜CMFD模擬，在驗證研究的基礎上，VirtualFlow軟件可以模擬分析泄漏井的圍護設計和相關流動保障的水合物風險，并且提出可以對top-hat進行更好設計的建模方法，解決了BP在安裝Macondo圍堵系統時面臨的問題。這種臨時收集方法是溢油應急響應的關鍵部分，因為封頂油井的最終解決方案通常要花費數月的時間，這將對環境造成不可挽回的損害，并給操作人員造成巨大損失。更進一步，需要對本模型預測現實情景的能力進行更定量的評估。

文章來源：多相流在線

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