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    破解油气输送关键问题 保障深水油气输送系统

    日期 2017-08-16   来源:工程与材料科学部   作者:刘顺 张俊文 朱旺喜  【 】   【打印】   【关闭

    图1. 黏弹-触变模型对胶凝原油加载后流变行为的描述;图2. 某陆上管道进站温度与凝管概率的关系;图3. 不同流型条件下含水合物颗粒流动的阻塞机理

      在国家自然科学基金项目(项目编号:50944030,51134006)等资助下,中国石油大学(北京)张劲军教授项目组在深水油气输送系统流动保障方面取得重要进展。该研究发展了油-气-水多相复杂体系流动、相变、传热和传质的理论,为油气管道输送提供了新的评价方法,获得了国内外同行的赞誉。在Applied EnergyIndustrial and Engineering Chemistry ResearchEnergy & Fuels等本领域TOP期刊发表SCI论文60篇;团队1名成员获得国家杰出青年科学基金资助并被聘为长江学者特聘教授、1人获得优秀青年科学基金资助;获省部级自然科学/科技进步奖7项;“基于可靠性的凝管风险评价方法”作为我国油气战略通道建设与运行关键技术的主要创新点之一,获国家科技进步一等奖。

      深水海域将是21世纪全球油气能源开发的战略性接替区域。但是由于深海低温、高压、强换热环境,以及我国深海原油大多具有高含蜡、高凝点、高黏度的特点(称为易凝高黏原油,例如南海油田原油的凝点可高达30-40℃),使目前深水海域的海底管道面临严峻考验。原油中的重组分(蜡、沥青质等)和天然气水合物沉积于管道壁面,以及原油“凝固”堵塞管道,严重威胁海底生产系统和输送管线的安全运行。

      张劲军教授项目组实现管道“凝管”及其风险评价。建立了胶凝原油及乳状液的黏弹-触变本构模型,实现了对其加载后流变行为的完整准确描述(图1),解决了长期存在的胶凝原油本构模型不能描述黏弹性变形的问题;提出了新型通用控制方程,解决了深水管道换热系统中原油、钢管、海水比热容差异大导致传统通用控制方程不能保证能量守恒这一理论问题;将基于可靠性的极限状态方法应用于油气管道流动保障评价,提出了“高效抽样+基于贴体坐标的特征正交分解低阶模型”高效算法,建立了“凝管”风险的概率评价方法,解决了传统确定性评价方法无法科学评价多个随机因素综合影响的难题。目前该方法已推广应用于陆上输油管道确定安全停输时间,以及基于凝管概率和目标安全水平确定输油温度(图2)。

      张劲军教授项目组提出管道“蜡堵”和水合物“冰堵”风险评价方法。研究团队从油水乳化对三相流动特性的影响入手,建立了乳化与流动剪切和油水组成间的定量关系,提出了考虑流动乳化特性的油水混合液黏度预测、三相流型判别和阻力计算方法,全面揭示了分子扩散、胶凝、流动剪切剥离等多种蜡沉积影响机制,建立了综合体现上述机理的油水两相分层流和油气水三相段塞流蜡沉积的准确预测方法;针对水合物生成和堵管难题,在添加阻聚剂(防止水合物颗粒聚集)方向开展重点研究,发展了综合考虑热力学、动力学、传质传热等多因素的水合物壳双向生长模型,提出了不同流型下含水合物颗粒流动的阻塞机理(图3)。建立的“蜡堵”和“冰堵”概率评价方法,可以很好地解决深水油气管道流动保障评价的难题。




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