探究海底可燃冰開發流動保障技術

王九榮

摘要：本文主要對海底可燃冰開發流動保障技術進行探究，先是闡述了可燃冰的性質，其次在論述可燃冰開發現狀的基礎上。對海底可燃冰開發流動保障技術實踐要點進行探究，希望分析后可以給該領域的研究者提供幫助。

關鍵詞：海底可燃冰;開發流動;保障技術

深水環境具有巨大的不確定性。在深水環境中既有高壓也有低溫。這些因素將導致井筒、設備和海底管道的流動安全得不到保障。研究近海可燃冰對于確保深海天然氣水合物開發的安全性和可靠性十分有必要。這是由于深海環境的復雜性所導致的。油氣流動保障一般包括管道安全設計和安全操作風險評價、段塞跟蹤、結蠟風險、水合物風險、腐蝕、清管作業、泄漏分析等，以保證井身和管道的完整性。井筒中水合物的再生成和流體攜帶可燃冰顆粒流動以及井筒段塞流的影響是可燃冰流動保障關注的重點。

1 可燃冰的性質

那么可燃冰是什么呢？甲烷水合物，甲烷冰，天然氣水合物都被稱為可燃冰。甲烷氣水合物也是可燃冰的一種。可燃冰的基本特征是無色，透明，冰晶狀體。由甲烷和水形成的籠型氣體水合物，水分子通過氫鍵被彼此吸引以形成籠，并且甲烷分子存在于該籠中。可燃冰中甲烷的成分占到80%～90%。

存在自有水，存在游離氣，高壓，低溫都是生產天然氣水合物的地質條件。壓力越大，可燃冰形成的概率越小。在壓力足夠的情況下，可燃冰在18攝氏度能夠維持穩定，但如果高于20攝氏度壓力再大也無法形成天然氣水合物。這充分說明了依靠壓力維持穩定狀態也是有極限的。0.8m3的水和70～220m3的天然氣是由1m3的天然氣水合物分解后形成的，天然氣水合物就像絡合物一樣。，但是天然氣水合物的氣體分子比較小。0.83nm一般情況下是它的最大體積。

2 可燃冰開發現狀

早在1934年前蘇聯首次發現天然氣水合物。由于其中的巨大的經濟效益而引起世界對水合物的關注。許多國家都把可燃冰作為新能源的開發方向。并對可燃冰進行開發研究。中美日蘇等國家對可燃冰的開發比較注重。早在2002年日本就同加拿大合作對北極地區的可燃冰進行現代化測試。十年后的美國也對可燃冰進行置換實驗。但是由于設備問題，即使實驗取得了成功。也被迫停止生產。13年日本在海上通過分解可燃冰開采天然氣。將二氧化碳注入可燃冰中進行減壓。對解壓后分離出來的甲烷天然氣進行開采。這個實驗也取得了成功。但是由于開采設備出現問題，實驗不得不被迫以失敗告終。五年之后日本同樣由于出沙問題不得不中斷了從近海海底埋藏的可燃冰中提取甲烷的實驗。日本失敗之后我國緊隨其后。我們都知道我國的南海礦產資源豐富。可燃冰擁有量大純度高。這為我國開采可燃冰資源提供了有利的條件。17年我國成功在南海開采可燃冰近兩個月。在南海開采的天然氣量達到30萬立方米。取得如此大的成果，不僅在我國引起重大反響，對于世界都是一個驚喜。

3 海底可燃冰流動保障問題

3.1 可燃冰海底管線防凍堵及解堵問題

可燃冰的開采方式有很多，目前我國對可燃冰的主要開采方法是降壓采氣方式。井底溫度隨著井底壓力的降低而降低。氣體在井筒中流動能量會有損耗使得其溫度會再次降低。我們都知道水的溫度是隨著水的深度在不斷降低的。在深水環境中水的溫度一般在2～4攝氏度。從另一點來說，海水的流動會帶走海管的一部分熱量。這就可能會再次形成水合物。很容易使工程無功而返，得不償失。

3.2 可燃冰顆粒進入井筒

水合物的產生是無法完全避免的。因為一部分為分解的可燃冰，我們都知道可燃冰一般以固體的形式存在。即使它被開采也有可能以固體性質存在。如果固體顆粒型是個可燃冰進入井筒，就會再次形成水合物。你們所做的并不是完全避免水合物的形成。而是找到一個生產邊界，使這個生產邊界在水合物生成的同時，依然可以使可燃冰氣體安全輸送。

3.3 管道腐蝕問題

當二氧化碳在流體中的分壓達到一定值時，就可能會腐蝕生產管材。可燃冰氣體中含有少量的二氧化碳。可燃冰中的二氧化碳很可能對油管以及海底管線造成腐蝕。那么有關系，海底管線遭到腐蝕就很可能會泄露。不僅是對能源的一種浪費，而且也會造成嚴重的環境污染。

3.4 井筒中段塞流

井筒中一般都會有積液現象的存在。井筒中的的段塞流就是氣流將該段中的積液舉升形成的。如果形成斷塞流就會導致流動阻力增大，那么必將有損油氣輸送的穩定性。

4 可燃冰流動保障研究進展

4.1 水合物生成研究

經驗或半經驗模型以及理論預測模型是目前預測水合物生成的幾個模型。我們一般采用經驗模型。因為它的計算方便簡單。但它只能用于初步估算和某一特定研究，因為它的計算精度不高。理論預測模型計算精度較高，計算復雜是由于它建立在機理的基礎上。

4.2 可燃冰顆粒流動研究

目前，可燃冰開采過程主要是垂直流固兩相流，流體攜帶可燃冰顆粒流動。目前，這種流動模式主要是基于流體靜力學條件下固體顆粒的沉降模型，以及任意流體速度和固液密度差條件下固體顆粒在牛頓流體中最終速度的計算模型。附加質量力、Basset力、Magnus力、Saffman力等忽略不計，只考慮重力、浮力和表面阻力是由于井筒中的流固流動一般屬于稀疏固體流動。變速運動過程中的慣性力在顆粒速度末速模型中不予考慮。

4.3 段塞流研究

不論是分離器還是段塞流補集器都會隨大量的液體過段塞流進入其中。因為這些液體具有高能量和高速流動的特點。所以斷塞輸送設施非常重要。如果這些設施發生損壞，后果將是極其嚴重的。從而降低產量，產生高回壓。

5 結語

為了能夠實現從開采，井筒流動到管線技術的全過程數字化。我們可以搭建海底可燃冰流動保障的數字孿生生產系統。我們可以不斷提高產品的創新水平。用創新技術帶動可燃冰生產系統優化和生產參數的優化。努力提高生產效率，不斷優化設備維護的方式，以此來提高海底生產系統的整體壽命，以實現可燃冰開采的安全性和可靠性。

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