冰与火之歌|“可燃冰”的浆液流变学研究

1.

“可燃冰”？

1934，前苏联在油气管道和加工设备中发现冰状固体堵塞现象，这些固体就是“可燃冰”。“可燃冰”——天然气水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate），主要成分是甲烷，外观像冰且遇火即可燃烧。

同等条件下，天然气水合物完全燃烧放出的热量可达煤气的数十倍，而污染却小得多，是当今人类亟待开发也是未来最佳清洁能源的代表，作为“后石油时代”最有希望的战略资源发展前景广阔。

2017年5月，中国在南海北部神狐海域进行的首次可燃冰试采获得圆满成功。

 2.

可燃冰的困境

天然气水合物易于海底油气输送管线中形成并致其堵塞，从而造成严重的安全和环境风险，这是由于天然气水合物从成核到形成堵塞管道所需的时间比其他流动保障因素（如蜡或沥青质沉积）短得多。

另外，诸如深井井喷等泄漏问题会对安全和环境造成严重影响。

 3.

浆液流变学研究

人们已经对水合物浆液流变学进行了多次实验和模拟研究。然而，理论与实验之间的联系并不明确。

基于固体悬浮液的流变学可知，管线中天然气水合物的形成会使浆液的相对黏度（和管线中的压降）增加，这可能影响管线中水合物的可输送性。

评估水合物颗粒的可运输性，需要运用天然气水合物浆液的流变性质的前沿知识，这是许多能源应用所必需的，包括天然气的分离、脱盐或封存。

对于流动系统，一般认为有两种对立的力在控制着水合物聚集体的尺寸。第一种力是水合物颗粒之间的内聚力，其增加了水合物聚集体的尺寸；第二种力是剪切力，其作用是破坏水合物聚集体并因此降低水合物聚集体的平均尺寸。

人们已经开展了一些探究和模拟天然气水合物浆液的黏度方面的研究，包括小规模和大规模的调查研究。

在小规模调查研究中，研究人员使用大气压和高压流变仪进行黏度测量；在大规模的研究中，研究人员使用大规模的流动回路来测量压降并计算浆液的黏度。

 4.

3种相对黏度模型的比较分析

由于天然气水合物是固体颗粒，通常用相对黏度来分析天然气水合物浆液的黏度。

相对黏度模型包括：

• Krieger-Dougherty模型，固体悬浮液最常用的相对黏度模型之一。

• Mills模型，目前正被石油工业用于预测天然气水合物的相对黏度。

• Majid-Wu-Koh模型，研究者于近期提出的，被应用于天然气水合物浆液黏度数据开发中。

为了确定每种模型的性能，并认识到天然气水合物流变学研究中的知识缺口，Ahmad A.A. Majid等使用这3种不同模型预测天然气水合物浆液的相对黏度，并对预测数值进行比较。

通过对包含110个数据点的20个实验集的结果进行的比较，天然气水合物浆液在各种天然气水合物体积分数下的相对黏度比较结果见图A（天然气水合物系统）和图B（模型水合物系统）。

在实验数据和预测模型之间进行对比时，观察到水合物浆液的相对黏度随着水合物体积分数的增加而迅速增加。

比较3种模型，相比Krieger-Dougherty和Mills模型，Majid-Wu-Koh模型具有最佳剪切速率，相对黏度对相同范围内颗粒浓度的变化更敏感。由此，Majid-Wu-Koh模型能够预测相对黏度的快速增加。

在水合物浆液的误差分析中，图C给出了具有适合数据点的百分比的比较。分析表明，Majid-Wu-Koh模型比其他两个模型更好，这是由于该模型是使用天然气水合物浆液的相对黏度数据特别开发的。

图D显示，Majid-Wu-Koh模型能更好地预测天然气水合物颗粒体积分数增加时相对黏度的增加。Majid-Wu-Koh模型的平均绝对误差为33%，而其他两个模型的平均绝对误差约为50%。

5.

相对黏度模型的改进建议

首先，需要更好的方法来计算天然气水合物的量和水合物的有效体积分数。

其次，实验数据表明，在相似浓度的天然气水合物中，天然气水合物浆液的相对黏度取决于系统的剪切速率。

接下来，应考虑最大充填率，因为它可能很大程度上受颗粒粗糙度的影响。因此，还应该研究和改进天然气水合物浆液系统的最大充填率。

最后，还应探讨和改善天然气水合物浆液的颗粒形状因子。

改编丨赵莎莎