油气管道综合模拟实验系统的建设与实践

油气管道输送工况模拟实验系统是油气储运工程专业实验教学的重要组成部分,可助力学生对理论知识在工程实践中的应用形成直观认识。该实验系统在设计中以管道输送工艺为中心,形成综合性实验装置;建设中按照使用安全性、操作便捷性、实验直观性三方面要求展开空间布局,实现了就地控制与站场控制两级操控、功能分区、数据自动化采集等;应用中贯彻OBE理念,结合劳动教育、认知实习、专业课实验为本科教育提供全方位的实践平台,加深了学生对管输技术的理解,强化了学生的动手操作能力。

含蜡油气水合物生成特性及其浆液黏度影响因素

蜡、水合物及其耦合沉积是海洋油气多相混输工艺潜在风险问题。以天然气、去离子水、3#工业白油和石蜡为实验介质,依托可视化高压反应釜,基于正交实验设计的方法,分别选用L9(34)和L16(45)正交表设计并开展了无蜡和含蜡2种体系下天然气水合物生成实验;以流体当量黏度为评价指标,分析了含蜡量、搅拌速率、流体平衡温度、含水率、起始压力对水合物浆液当量黏度的影响显著程度。实验结果表明:黏度值恒定并不能判断反应釜中水合物生成是否结束,因为在剪切稳定阶段,脱离搅拌中心区域的水合物与搅拌区域新生成的水合物存在一种“动态平衡”状态;含蜡量越高,水合物生长诱导期越长;在含蜡量2%与3%水合物的快速生长阶段,扭矩与转速会发生2次突变,第1次突变原因是蜡晶的大量析出导致搅拌中心区域油相胶凝结构增强,第2次突变原因是水合物大量生成并与析出的蜡晶相互吸附形成了蜡-水合物聚集体,在离心作用下脱离了搅拌中心区域;各因素对于无蜡和含蜡体系水合物浆液当量黏度的影响显著程度相似,搅拌速率均为主要影响因素。研究结果对深水油气管道的安全运行具有重要的理论意义和实用价值。

聚丙烯酰胺对高黏油-水环状流流动特性的影响

针对稠油水环输送的水环流动改进问题,提出稠油流动边界层在聚丙烯酰胺(PAM)水环作用下的模拟实验方法,基于自主研发设计的室内油-水两相流可视化环道实验装置,采用500#白油模拟旅大稠油,实验研究了稠油-水环状流外环水相中添加PAM前后的流型特征与阻力特性,评价了PAM对水环润滑的协同减阻效果,分析了PAM对水环流动稳定性的作用机理。实验结果表明:PAM对稠油-水环状流的流型特征与阻力特性均有显著影响,使环状流的分布区域缩小,其缩减区域转变为分层流和塞状流,当其为分层流时减阻作用丧失;当油相表观流速为0.23~0.90m/s时,PAM减阻率随含水率增加先迅速增大后缓慢减小,在测试范围内最高达35%。研究结果可为稠油水环输送工艺优化提供理论指导和技术支持,也可为稠油管输流动改进提供新理念与新方法。

Vague集法在油气管道失效可能性分析中的应用

为分析油气管道的失效可能性,运用组合权重与Vague集法,构建管道失效可能性评价指标体系;采用模糊层次分析法(FAHP)确定主观权重,利用熵权法确定客观权重,并用方差最大化的组合赋权法合理分配主观与客观权重。根据评价指标分值,应用Vague集法得出各管段的失效可能性排序。用优序法,比较Vague集法、模糊综合评价法、灰色关联分析法。结果表明,Vague集法对指标分值的处理结果更为准确,可应用于油气管道失效可能性分析。

基于水包稠油型乳状液黏度与稳定性的乳化剂配方研究

采用单因素实验法考察了一种稠油乳化剂配方中包括油酸钠(NaOA)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35)、无机碱(Na_(2)CO_(3))、有机碱(三乙醇胺(TEOA))4种组分的配比和剂量。考察了乳化温度、含油率及Na^(+)和Ca^(2+)含量等指标对稠油乳状液流变性质和稳定性的影响,并采用响应曲面法优化上述指标后确定了乳化剂的配方。实验结果表明,表面活性剂与稠油的相互作用对乳状液的表观黏度具有显著影响;而表面活性剂与碱的相互作用则显著影响稳定性。优化的配方为:表面活性剂含量1.5%(w)(m(NaOA)∶m(CAB-35)=2∶1),碱含量0.4%(w)(m(Na_(2)CO_(3))∶m(TEOA)=1),乳化温度40℃,含油率为71%(w);乳状液的表观黏度为38.26 mPa·s,稳定性为90.28%。经济配方为:表面活性剂含量1.0%(w)(配比不变),碱含量0.2%(w)(配比不变),乳化温度40℃,含油率为75%(w);乳状液表观黏度为45.92 mPa·s,稳定性为87.01%。

基于属性识别理论的油气管道施工质量风险评价

为了贴近客观实际地评价油气管道施工质量风险,提出了基于属性识别模型的风险评价方法。首先建立属性空间矩阵并进行有序分割,采用客观赋权的熵权法和主观赋权的G1法组合赋权确定各评价指标权重和属性测度,利用置信度准则对模型进行识别,得到管道施工质量降低可能性等级。然后评价管道施工质量降低的后果,依据风险矩阵得到施工质量风险等级。算例表明:人员的素质、错误行为、施工工艺方法和管理方法对油气管道施工质量的影响较大。管段S4、S5发生油气管道施工质量降低的可能性偏高,通过风险矩阵得到管段S4、S5的风险等级也偏高。因此,管道公司和施工单位应着重管控管段S4、S5的风险因素。

起伏管内局部油水两相流流动特性实验研究

地形起伏成品油管道积水不仅降低管输效率、加速管道内壁腐蚀,其腐蚀产物还可引起干线设备堵塞,甚至计划外停输。采用0#柴油、自来水在内径50mm的地形起伏透明有机玻璃测试系统上对油流携带积水这一局部油水两相流系统进行了实验研究,发现:随油流剪切作用的增大,积水逐渐呈界面光滑分层流、界面波动分层流以及界面乳化分层流3种形态;一旦积水全部进入上倾管段,其平均运动速度随油相表观速度增大而线性递增,其平均截面含率随油相表观速度增大而线性递减;积水全部进入上倾管段时对应的油相表观速度随上倾倾角增大而增大,而积水量对其影响较小。结果表明采用上游来流可以将积水携带出去。

长庆油田4731B型非金属集输管道老化特性实验研究

为推广非金属复合管在油田集输油领域的应用,明确其在集输环境中的老化特性是关键问题。基于集输油现场的工程条件,针对长庆油田试用的4731B型钢丝缠绕增强复合管,以采出原油、采出水为实验介质,通过挂片实验、水压爆破实验,借助电镜扫描、拉伸测试对复合管内衬层老化行为、拉伸性能以及复合管极限承压与老化特性进行研究。结果表明:采出原油与采出水均可渗透扩散进入内衬层内部,还会发生局部深入渗透;采出原油、采出水的局部渗透速率分别可达3.4,10.6 mm/a;在某些工况下,内衬层表面产生裂纹;短时间(168 h)内的介质渗透甚至裂纹对其机械性能影响较小,而光氧老化影响显著;现场服役813 d后,复合管极限承压下降2.79%,表明复合管承压性能稳定。

集输油环境氟橡胶O形圈老化行为实验研究

为研究氟橡胶O形圈在集输油环境中的老化行为特征,以长庆油田使用的氟橡胶O形圈(位于非金属复合管连接接头处)为研究对象,采用宏观与微观相结合的方法,通过挂片实验分析氟橡胶O形圈在不同介质(采出油,采出水)、温度(25,50℃)、压力条件(0.1,4,6 MPa)下老化后的形貌、质量、拉伸性能及硬度。结果表明:采出油、采出水均能引起O形圈发生溶胀,从而降低O形圈的强度、韧性、硬度;采出水引起的溶胀显著高于采出油更易导致O形圈表面产生坑洞缺陷;渗透速率随温度升高而急剧增加,压力对渗透速率的影响不明显;硬度降低较小,最大降幅为4.17%。结合现场服役813 d的密封圈SEM形貌,证实集输介质渗透会引起氟橡胶圈溶胀、导致表面产生坑洞等缺陷。

基于投影寻踪聚类的油气管道失效可能性评价

为保障油气管道运行安全,将投影寻踪聚类的方法引入油气管道失效可能性评价中,从系统理论的角度将油气管道失效分为致灾因子危险性、承灾体的脆弱性和应对能力脆弱性3个子系统,据此建立油气管道失效可能性评估指标体系,然后基于投影寻踪聚类的失效可能性评价模型,对油气管道失效可能性进行量化分析,从而确定其失效可能性等级。实例分析表明,所建立的失效可能性评价模型能对油气管道失效可能性进行评价,可为管道的风险管理提供决策依据。

水平管内高黏油水环输送减阻特性分析

随着人们对于石油资源需求的日益加深,常规原油逐渐枯竭。稠油的使用会成为一种趋势,世界稠油地质储量丰富,占全球石油剩余储量的70%,具有巨大的开发潜力和广阔的市场前景,但稠油自身具有黏度高、分子量大、流动性差的特点,这些性质为稠油的输送带来了极大的困难与挑战。因此,加快我国稠油输送技术及相关理论的研究创新是适应未来趋势变化的客观要求,是经济有效地开发输送稠油资源的必然选择。本文采用水环输送法对稠油水平管流减阻,用以探究水环包裹下的稠油水平管流阻力特性,分析入口含水率(5%~80%)、油(0.65~1.57m^(3)/h)、水(0.09~2.13m^(3)/h)相流量对于水环润滑减阻效果以及稠油流型的影响,自主设计水环输送稠油实验环道,引入有效粗糙度k*,建立环状流压降预测修正模型,分析讨论流型特征及形成环状流时的油水流量范围,结果表明:在一定条件下形成的水环能够有效地对稠油输送进行减阻;水环可以有效润滑管壁;修正后的压降预测模型与实验值对比相对误差介于±10%,RMSE=0.02,水环输送压降仅占纯油输送压降的0.01~0.24;油相流量较高时应注意水相流量,避免过大导致输油效率η以及减阻率DR下降。

基于动态规划法与重心法的气田消防中心站选址研究

天然气集输系统一旦发生泄漏,容易引发火灾、爆炸、中毒等重大事故,合理的消防中心站选址对及时展开事故应急救援行动具有重大的现实意义。针对气田中消防中心站的最优选址展开研究,提出基于动态规划法与重心法相结合的选址方法。采用动态规划模型确定气田集输系统应急救援最优路径,采用重心法考虑气田集输系统不同组成单元的重要性,二者结合最终确定出消防中心站最优选址。通过该方法确定的气田消防中心站位置既保证了气田集输系统中重点保护对象在事故发生的第一时间内得到救援,同时兼顾了其他单元的最短应急救援时间,对气田消防中心站的合理设置提供了较有价值的参考。

稠油旋流除砂影响因素

稠油携砂给地面生产设施及外输管道带来严重安全隐患,而稠油的高黏特性造成油砂分离困难。优化旋流器结构,探索旋流器高效除砂的进料条件范围对实现高黏稠油旋流除砂具有重要意义。为此,利用数值模拟方法,研究了不同稠油黏度、含水率和旋流器几何结构下的除砂率和压降。结果表明:油水混合液黏度对砂粒分离效率影响显著,远大于旋流器结构对除砂效果的影响;旋流器结构参数中的入口直径、溢流口直径、锥段长度对旋流场和除砂率影响最显著;控制分流比可减少油相从底流口流出,减少资源浪费,但在高黏低含水率条件下调控分流比才具有效果和意义。该研究结果可为稠油旋流除砂器结构优化和旋流除砂工艺设计提供借鉴。

水平管稠油掺气减阻模拟实验

依托流体可视化环道装置,设计并加工稠油掺气减阻模拟装置,实验研究水平管内两种稠油模拟油掺气流动阻力特性,拍摄不同气液流量比下的管流流型,分析不同实验条件下气相对稠油的减阻效果并建立相应的压降预测模型。结果表明:在气液比0~15范围内,共观察到六种流型,分别是泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。220#与440#模拟油所对应的管路减阻率分别在气液比1.17和0.96时达到最大值48.19%和33.76%,当掺气比为0.9~1.2时,减阻率均可维持在20%以上。其机理可归结为空气使油-油接触转变为油-气-油接触,降低了混合相的层间剪切应力。Dukler法不适用于高黏气液两相流,所建立的稠油-气两相压降模型预测值与实测值吻合良好,平均相对误差在20%以内。

起伏管道积水运动特征实验研究

为研究油流携水过程中的积水运动特性,明确排除积水临界条件。以0#柴油、自来水为实验介质,利用内径(D)为50,80 mm,上倾倾角(β)为1°,5°,10°的水平-上倾实验环道,对表观油速(U_(os))为0.25 m/s、无量纲水相高度(h/D)在0.5范围内,油流剪切作用下的管道积水运动特征进行实验。研究结果表明:积水流型随表观油速、无量纲水相高度、上倾倾角的增大由光滑分层流逐渐向波状分层流、液滴分层流过渡,其中表观油速影响最为显著;积水爬坡距离随表观油速增加而显著增加,随上倾倾角增大而减小,随无量纲水相高度减小而减小;实验说明弗劳德相似准则能较为准确地预测起伏管道中积水携带临界表观油速;由弗劳德相似准则预测可知,内径为489 mm管道积水排除的临界表观油速约为1.60 m/s,研究结果对减少管道内腐蚀有一定指导意义。

页岩油集输管内壁润湿性与黏油性影响因素研究

目的解决集油管材界面润湿性与黏油性的不确定性问题。方法选用吉庆页岩油与采出水分别为试验液体与预润滑液体,采用接触角测定仪和改进的沾滴试验装置,分别测定2种页岩油与采出水在普通钢管、涂层钢管和柔性管及其水预润滑或锈蚀后的接触角与黏油量。结果普通钢管锈蚀前后水相接触角为52.5°和124.5°,锈蚀后的水相接触角增大72.0°,润湿性由亲水性转变为疏水性,油相接触角及润湿性则相反。3种管材表面的油、水接触角及黏油量随温度升高均表现出不同程度的减小,涂层钢管的亲油性受温度影响最显著,在151#井和020#井页岩油的油相接触角分别由104.0°、110.1°降至43.8°、46.1°,黏油厚度分别减小1.45mm和1.16mm。预润滑使3种管材的亲水性增强、亲油性减弱、油相黏附量降低,其中涂层钢管预润滑使151#井和020#井页岩油的黏壁厚度分别减小1.35、1.13 mm。涂层钢管通过升温或预润滑可改善页岩油的润湿性及流动摩阻。进一步分析固体表面能和黏附功与接触角的关系发现,随着固体材料表面能和黏附功的增大,固-液之间的接触角减小。结论测试分析不同因素对集油管道流固界面接触角和黏油性的影响规律,为油田集输管材基于润湿性与黏油性的比选提供基础数据与参考,从而极大减少了集输过程中的能量损失。

油罐浮盘落底防护系统设计及仿真分析

大型浮顶油罐广泛用于石油化工行业,其浮盘落底运行行为因存在安全风险而被严厉禁止,导致油罐的容积利用率下降。为了提高油罐容积利用率,针对现有浮盘落底运行期间产生易燃易爆气相空间问题,设计了一种浮盘落底安全防护系统。通过对浮顶结构进行改造设计,利用发油阶段注氮惰化技术和收油阶段的油气混合物回收技术,保障了浮盘落底安全运行,最终实现提高油罐利用率11%的目的。此外,为检验防护系统的性能,对危险工况下的油罐进行了流体场仿真分析。结果表明:危险工况下管网系统最大压力为1.24×10^(-3)MPa,未超过液压安全阀阈值1.30×10^(-3)MPa及管网系统材料的强度极限,说明浮盘落底防护系统在危险工况下具备良好的泄压保护性能,系统结构设计合理。

超声内检测换能器环境压力波动特性实验研究

为解决超声内检测器在线检测含缺陷油气管道时,作为耦合液的管输介质压力高且存在高频波动,对换能器工作性能存在不利影响的问题。搭建超声内检测模拟实验平台,测试超声内检测器模拟装置在线运行过程中管输压力的高频数据,结合内检测器工作性能参数,分析系统环境压力大小及变化速率的高频波动特性。通过调节控制阀和离心泵工作频率2种方式,实施不同管输压力、流量组合下的内检测实验,得到8组不同实验工况数据。研究结果表明:模拟器通过直管段、弯管段、倾斜段时压力变化范围存在显著差异,且波动幅度较大,本文实验中压力波动范围最大值约1.96 MPa;高频状态下,耦合液压力变化速率较大,高达18.54 MPa/ms。研究结果可为管道超声内检测声场有限元模拟分析提供建模初始数据参考。

输气管道砂冲蚀的模拟实验

针对输气管道受携砂冲蚀磨损的监测问题,设计并组装了其模拟实验装置,以空气和石英砂模拟天然气携砂,用Q235、Monel400、GH3625三种材料制作受冲蚀元件,研究不同砂量冲蚀作用下元件的壁厚损失、质量损失和表面形态及其耐磨特性。结果表明:冲蚀元件的中间棱首先被冲蚀,且砂粒冲击后并未向后反弹而是在后续颗粒作用下滑向两侧,使得棱上出现横向滑擦;冲蚀元件正壁面受砂粒连续冲击产生压坑,压坑金属组织在挤压作用下向周围偏向堆积,最终呈块状剥落;冲蚀元件底部受砂粒冲击与塑性变形的共同作用变形最严重;经冲蚀后元件左右两壁面的壁厚损失不尽相同,且其棱部损失量普遍小于左右壁面损失量;耐冲蚀特性:GH3625最好,Monel400次之。这有助于输气管道携砂量预测的深入研究与冲蚀监测探针原材料的比选。

Mamdani型模糊推理在海底油气管道风险评价中的应用

为完善海底油气管道风险评价技术,引入模糊集理论,构建基于Mamdani型模糊推理系统的风险评价模型。依据海底油气管道的实际情况,改进传统肯特评分法,将风险因素划分为第三方破坏(TPD)、腐蚀(C)、设计(D)、误操作(IO)和自然环境(NE)5大类;用Mamdani模糊推理方法代替原有的算法,计算指标总分(IS)和泄漏影响系数(LIF),得到海底油气管道风险值;借助Matlab模糊工具箱,以某海底管道为实例进行分析。结果表明,管段3的风险高于管段2,管段4的风险高于管段1,该方法不仅比传统的肯特评分法更切合实际,且计算方便准确。