天然气水合物浆体输运的监测与管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种天然气水合物浆体输运的监测与管理系统及方法，所述系统包括第一建立模块、第一计算模块、测试模块、第一获取模块、第二建立模块、第二计算模块、判断模块、第三建立模块、稳态模拟模块和监测与管理模块。本发明专利技术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。

Monitoring and Management System and Method of Gas Hydrate Slurry Transportation

The invention discloses a monitoring and management system and method for gas hydrate slurry transportation, which comprises a first establishment module, a first calculation module, a test module, a first acquisition module, a second establishment module, a second calculation module, a judgment module, a third establishment module, a steady-state simulation module and a monitoring and management module. The invention can meet the requirements of diversification of gas hydrate types and intellectualization of management, provide decision-making information for transportation safety evaluation and operation optimization, not only alleviate the problem of pipeline blockage caused by gas hydrate formation in pipeline during the development of offshore oil and gas, but also solve the problem of gas hydrate slurry flow and phase transition, and realize deep-sea oil and gas fields. Low-cost development has promoted the construction of new energy industry structure.

【技术实现步骤摘要】
天然气水合物浆体输运的监测与管理系统及方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的天然气水合物浆体输运的监测与管理系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海蓉，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44