水合物浆液非牛顿特性与黏度模型研究进展

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1817

化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (06): 2682-2696.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1817

水合物浆液非牛顿特性与黏度模型研究进展

陈玉川¹(),史博会¹(),李文庆²,黄芳飞³(),吕晓方⁴,柳扬¹,吴海浩¹,宫敬¹

1. 中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102249
2. 中国石油技术开发公司，北京100028
3. 广州海洋地质调查局，广东广州 510075
4. 常州大学，江苏常州 213164

收稿日期:2018-09-10 出版日期:2019-06-05 发布日期:2019-06-05
通讯作者: 史博会,黄芳飞
作者简介:陈玉川（1993—），男，博士研究生，研究方向为天然气水合物浆液多相流及深海油气流动安全保障。E-mail：<email>jshzcyc@163.com</email>。
基金资助:
中国地质调查局水合物项目(DD20190232);北京市自然科学基金(3192027);国家自然科学基金(51874323,51534007);国家重大科技专项(2016ZX05028004-001，2016ZX05066005-001);国家重点研发计划(2016YFC0303704);111引智计划(B18054)

Progress of the non-Newtonian properties of hydrate slurry and viscosity model

Yuchuan CHEN¹(),Bohui SHI¹(),Wenqing LI²,Fangfei HUANG³(),Xiaofang LÜ⁴,Yang LIU¹,Haihao WU¹,Jing GONG¹

1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/ MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China
2. China Petroleum Technology & Development Corporation，Beijing 100028，China
3. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China
4. Changzhou Universiyty，Changzhou 213164，Jiangsu, China

Received:2018-09-10 Online:2019-06-05 Published:2019-06-05
Contact: Bohui SHI,Fangfei HUANG

摘要/Abstract

摘要：

水合物浆液的黏度及非牛顿特性是水合物流动安全保障的重要参数，其研究对于水合物风险控制技术以及深水油气管线输送的安全预警具有重要的意义。本文介绍了用于水合物生成、黏度及非牛顿特性研究的流变仪类型以及在流变仪内进行水合物生成的实验材料；总结了水合物生成影响因素对水合物生成过程中黏度的影响规律，梳理分析了水合物浆液黏度定量表征模型；从剪切稀释性、触变性、屈服特性以及黏弹性4个方面总结了水合物浆液非牛顿特性的研究成果。总体而言，水合物浆液黏度及非牛顿特性研究存在较强的体系依赖性，构建的水合物浆液黏度模型所考虑的因素各异、普适性不高。最后，本文给出了今后在流变仪内开展水合物实验及模型研究的方向和建议：水合物微观结构参数和浆液流变参数的耦合研究；综合考虑水合物浆液非牛顿特性的黏度预测模型；水合物浆液黏度及非牛顿特性和水合物堵管理论的结合。

关键词: 水合物, 成核, 黏度, 非牛顿特性, 定量表征

Abstract:

The viscosity and non-Newtonian properties of hydrate slurry are important parameters for hydrate flow assurance, the research of which is of great significance for the hydrate risk control technology and the safety warning of deep-water petroleum transportation. In this paper, different types of rheometer and non-Newtonian properties were introduced. Additionally, impacts of the influence factors on hydrate slurry viscosity were summarized and the quantitative characterization models of hydrate slurry viscosity were analyzed. The research results of non-Newtonian characteristics of hydrate slurry were reviewed from four aspects including shear shinning, thixotropy, yield stress and viscoelasticity. Generally, there was a strong system dependence on the viscous slurry viscosity and non-Newtonian characteristics. The established hydrate slurry viscosity models considered different kinds of factors and had lower universality. Finally, the future research directions for hydrate experiments and model study in the rheometers were proposed: coupling study on parameters between hydrate micro-structure and slurry rheology, viscosity model considering the non-Newtonian characteristics of hydrate slurry, combination of the viscosity and non-Newtonian properties of hydrate slurry and hydrate plugging theory.

Key words: hydrate, nucleation, viscosity, non-Newtonian characteristics, quantitative characterization

中图分类号:

TE88

陈玉川, 史博会, 李文庆, 黄芳飞, 吕晓方, 柳扬, 吴海浩, 宫敬. 水合物浆液非牛顿特性与黏度模型研究进展[J]. 化工进展, 2019, 38(06): 2682-2696.

Yuchuan CHEN, Bohui SHI, Wenqing LI, Fangfei HUANG, Xiaofang LÜ, Yang LIU, Haihao WU, Jing GONG. Progress of the non-Newtonian properties of hydrate slurry and viscosity model[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(06): 2682-2696.

图/表 10

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研究者	流变仪类型	夹具类型	所测参数	温控范围/℃	最高承受压力 /MPa
Zylyftari等^[39]	ARES-G2（控应变）	同轴圆筒（外筒直径34mm；内筒直径32mm；内筒高度33.5mm）	黏度	-40~180	0.1
Ahuja等^[25,40]、Zylyftari等^[26]、Karanjkar等^{[ 41]}	AR 2000ex（控应力）	同轴圆筒/叶片式搅拌桨	黏度、储能模量、耗能模量、柔量、屈服应力	-20~150	0.1
Webb等^[35,36,44]、Majid等^[43]	AR-G2（控应力/应变）	同轴圆筒（外筒直径28mm；内筒直径26mm）	黏度、屈服应力	-25~150	13.78
Qin等^[37]、Charin等^{[ 46]}	DHR（控应力）	叶片式搅拌桨	黏度、屈服应力	-10~150	13.8
Leopercio等^[45]	DHR-3（控应力）	平板	储能模量、耗能模量、屈服应变	-10~150	0.1

研究者	流变仪类型	夹具类型	所测参数	温控范围/℃	最高承受压力 /MPa
Zylyftari等^[39]	ARES-G2（控应变）	同轴圆筒（外筒直径34mm；内筒直径32mm；内筒高度33.5mm）	黏度	-40~180	0.1
Ahuja等^[25,40]、Zylyftari等^[26]、Karanjkar等^{[ 41]}	AR 2000ex（控应力）	同轴圆筒/叶片式搅拌桨	黏度、储能模量、耗能模量、柔量、屈服应力	-20~150	0.1
Webb等^[35,36,44]、Majid等^[43]	AR-G2（控应力/应变）	同轴圆筒（外筒直径28mm；内筒直径26mm）	黏度、屈服应力	-25~150	13.78
Qin等^[37]、Charin等^{[ 46]}	DHR（控应力）	叶片式搅拌桨	黏度、屈服应力	-10~150	13.8
Leopercio等^[45]	DHR-3（控应力）	平板	储能模量、耗能模量、屈服应变	-10~150	0.1

研究者	生成水合物	油相	表面活性剂	含水率/%	初始压力 /MPa	温度/℃	剪切率 /s^-1
Ahuja等^[25]	环戊烷水合物	煤油+聚三氟氯乙烯树脂+环戊烷	Span 80	40	0.1	-5~-10	100
Zylyftari等^[26]	环戊烷水合物	环戊烷+异辛烷+轻矿物油+ 聚三氟氯乙烯树脂	Span 80	40	0.1	-7	100
Zylyftari等^[38]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	40	0.1	-13	100
Zylyftari等^[39]	环戊烷水合物	环戊烷+异辛烷+轻矿物油+ 聚三氟氯乙烯树脂	Span 80	40	0.1	-3.6	100
Ahuja等^[40]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	16~24	0.1	-2	100
Karanjkar等^[41]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	10~45	0.1	-2	10
Webb等^[35]	甲烷水合物	西非原油	—	0~50	13.8	0	100
Webb等^[36]	甲烷水合物	矿物油70t	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠+Span 80	10~40	10.335	0	100
Qin等^[37]	甲烷水合物	原油	—	5~30	10	1	43.5
Zylyftari等^[38]	丙烷水合物	矿物油+聚三氟氯乙烯树脂 +环戊烷	Span 80	40	0.4	-10~0.5	50
Webb等^[42]	甲烷水合物	十二烷	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠	5~30	10.39	0	100
Majid等^[43]	甲烷水合物	矿物油350t	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠+Span 80	0~30	10.35	1	50rad/s
Rensing等^[49]	甲烷水合物	西非原油	—	25/30	10.35	0	100

研究者	生成水合物	油相	表面活性剂	含水率/%	初始压力 /MPa	温度/℃	剪切率 /s^-1
Ahuja等^[25]	环戊烷水合物	煤油+聚三氟氯乙烯树脂+环戊烷	Span 80	40	0.1	-5~-10	100
Zylyftari等^[26]	环戊烷水合物	环戊烷+异辛烷+轻矿物油+ 聚三氟氯乙烯树脂	Span 80	40	0.1	-7	100
Zylyftari等^[38]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	40	0.1	-13	100
Zylyftari等^[39]	环戊烷水合物	环戊烷+异辛烷+轻矿物油+ 聚三氟氯乙烯树脂	Span 80	40	0.1	-3.6	100
Ahuja等^[40]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	16~24	0.1	-2	100
Karanjkar等^[41]	环戊烷水合物	轻矿物油+聚三氟氯乙烯树脂+ 环戊烷	Span 80	10~45	0.1	-2	10
Webb等^[35]	甲烷水合物	西非原油	—	0~50	13.8	0	100
Webb等^[36]	甲烷水合物	矿物油70t	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠+Span 80	10~40	10.335	0	100
Qin等^[37]	甲烷水合物	原油	—	5~30	10	1	43.5
Zylyftari等^[38]	丙烷水合物	矿物油+聚三氟氯乙烯树脂 +环戊烷	Span 80	40	0.4	-10~0.5	50
Webb等^[42]	甲烷水合物	十二烷	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠	5~30	10.39	0	100
Majid等^[43]	甲烷水合物	矿物油350t	二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠+Span 80	0~30	10.35	1	50rad/s
Rensing等^[49]	甲烷水合物	西非原油	—	25/30	10.35	0	100

研究者	实验装置	生成水合物	测量方法	含水率/%	实验温度/K	初始压力/MPa	屈服应力/Pa
Ahuja等^[25]	常压流变仪	环戊烷水合物	最大弹性应力	40	266.15	0.1	4~1105
Zylyftari等^[38]	常压流变仪	环戊烷水合物	剪切应力扫描	40	266.15	0.1	0~145
Ahuja等^[40]	常压流变仪	环戊烷水合物	连续应力震荡扫描	18	271.15	0.1	281±138
			震荡应力阶跃扫描				212±38
			最大弹性应力				270±162
			蠕变				187.5±12.5
			剪切速率扫描				162
Webb等^[35]	高压流变仪	甲烷水合物	剪切应力扫描	10	273.15	10.4	3
				20	273.15	10.4	11
				30	273.15	10.4	18
				40	273.15	10.4	21
				30	277.15	10.4	110
				30	279.15	10.4	30
				30	273.15	5.2	380
				30	273.15	6.9	75
				30	273.15	8.3	65
Qin等^[37]	高压流变仪	甲烷水合物	剪切应力扫描	5	278.15	10	3
				10	278.15	10	11
				20	278.15	10	19
				30	278.15	10	25
Webb等^[42]	高压流变仪	甲烷水合物	剪切应力扫描	5~30	273.15	10.4	1~20

水合物浆液非牛顿特性与黏度模型研究进展

Progress of the non-Newtonian properties of hydrate slurry and viscosity model

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