天然气水合物生成预测技术研究开题报告

天然气水合物生成预测技术研究

本科毕业设计（论文）开题报告

题目：

天然气水合物生成条件模拟

学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单 位

黄婷 学 号 0901020202

石油工程学院 油气储运工程2009级 李长俊

职 称 西南石油大学

教授

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西南石油大学本科毕业设计（论文）开题报告

1 选题的目的和意义

1.1选题的背景

在石油天然气工业生产中，管道内水合物的生成会堵塞管道，影响天然气输送效率、造成巨大的经济损失，同时也会对管道的安全运营产生严重的安全隐患。因此研究如何预测在指定的压力、温度下，是否会有水合物生成，能够帮助人们更好的制定安全合理的生产运行方案，有效防止天然气水合物的生成对油气田安全生产的危害，对天然气生产具有重大意义。

1.2选题的技术现状

1.2.1水合物形成条件研究现状

天然气水合物是水与甲烷、乙烷、CO2、H2S等小分子气体形成的笼状晶体物质。目前，已发现的水合物结构有3种：I型、II型和H型。自1920年开始，大量学者开展了对水合物形成条件和抑制方法的研究。其主要目的是确定水合物的形成温度和压力，防治油气管道中的水合物堵塞。

图1 天然气水合物结构示意图

目前，常用的预测天然气水合物形成条件的方法有经验图解法、相平衡常数法（Katz法）和统计热力学法。应用最为广泛，也是精度最高的方法是统计热力学法。

最初，van der Waals和Platteeuw在Barrer和Stuart所提出的水合物生成条件热力学模型的基础上建立了具有统计热力学基础的理论模型。该理论认为气体分子被水分子包容的过程与Langmuir等温吸附过程在物理意义上是相似的，计算气体在水分

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子中的空穴占有率的公式是该理论的关键所在。1972年，Parrish和Prausnitz基于vdW-P理论开发了有关水合物生成条件的算法，该方法到目前为止仍被广泛应用。随后，Nagata和Prausnitz、Solan、Holder等对P-P模型进行了改进。杜亚明和郭天民教授对P-P、Nagata和Prausnitz、Holder等的方法进行了比较，认为Holder等的计算结果最好，但是在预测天然气水合物形成条件时误差仍然较大。针对这一问题，他们将P-P模型中的Langmuir与温度进行了关联，提出了Du-Guo模型。上述模型共同奠定了水合物生成温度、压力条件预测的理论和方法基础。从本质上讲，基于vdW-P理论的水合物生成条件预测模型就是求解水-气-水合物三相平衡问题或水-液态烃相-气相-水合物相的四相平衡问题。

1.2.2水合物生长动力学研究现状

20世纪80年代以来，天然气水合物的生长和分解动力学逐渐得到了研究工作者的重视。对水合物的生长动力学进行研究的目的在于确定水合物在一定温度、压力下的形成时间及聚集量，从而可以预测深水油气输送管道内的水合物形成量。

水合物的形成过程由溶解、成核和生长过程组成。晶核的形成比较困难，一般要包含一个诱导期。当过饱和溶液中的晶核达到某一稳定的临界尺寸时，系统将自发进入水合物快速增长期。

P诱导时间生长时间t图2 水合物的形成过程示意图

水合物的诱导期数据具有较大的随机性，而生长区的水合物动力学数据具有较高的复验性。20世纪80年代初，Bishnoi实验室建立了一套比较完整和先进的水合物动力学装置，开始了对水合物生成动力学的系统研究。Vysniauskas和Bishnoi在分析水合物生成机理的基础上提出了一个半经验动力学模型。Englezos对Boshnoi的实验装置进行了改进，测定了甲烷和乙烷水合物生长动力学数据。研究结果表明，水合物的

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生长不是一种界面现象，可遍及整个液相区。Englezos运用结晶学原理和气-液相传质的双膜理论，推导出了水合物生长本征动力学模型。该模型考虑了水合物形成气的消耗速率、气体在液相主体中的逸度随时间的变化、总粒子数、粒子总尺寸和总面积。Englezos还对三种甲烷和乙烷混合气的水合物生成动力学进行了研究，结果表明混合气的生成动力学也可采用该本征动力学模型进行描述。该模型为预测水合物的生长速度提供了有力工具，也成为后来研究水合物生长动力学的基础理论模型。

1.3选题的目的和意义

a) b) c)

掌握天然气水合物形成机理；

掌握天然气水合物形成条件的分析方法； 进行天然气水合物形成条件模拟。

2 题目的主要内容

2.1任务概述

a) 查阅相关书籍文献，全面了解国内外热力学模型和动力学模型的研究历史及现状，学习天然气水合物相平衡热力学和生成动力学。

b) 收集文献中水合物压力-温度平衡数据和水合物生成时间。

c) 明确闪蒸计算过程。求解水合物热力学模型，包括经典van der Waals-Platteeuw模型，Parrish-Prausnitz模型，Ng-Robinson模型，John-Holder模型，Du-Guo模型，Chen-Guo模型，以及动力学模型。

d) 编制计算机程序求解各模型，具有如下功能：

i. 建立天然气水合物形成条件数学模型和生成动力学数学模型； ii. 确定模型的有效计算方法； iii. 编制计算机程序； iv. 进行算例分析。 画出模型计算流程图。

e) 将所编程序运行出的计算值与实验结果和已有理论分析结果相比较，计算偏差，根据偏差对各模型进行评价。

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2.2设计的预期结果

a) 分析水合物形成机理；

b) 建立天然气水合物形成条件数学模型； c) 提出模型求解方法；

d) 编制天然气水合物形成条件计算机模拟程序； e) 进行算例分析，实际应用； f) 完成英文翻译任务； g) 撰写报告。

2.3技术路线

图三 研究技术路线

3 参考文献

[1]李长俊.天然气管道输送输气.北京:石油工业出版社,2000.3 [2]诸林.天然气加工工程.北京：石油工业出版，2008

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[3] Makogon YF.Hydrates of hydrocarbons.Oklahoma: Pennwell publishing company,1997

[4]陈光进.气体水合物科学与技术.北京：化学工业出版社，2007.11

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