油水交替输送系统中交变流场与温度场对蜡沉积的双重抑制机理及其调控机制

20250206

采矿业

本项目基于油水交替输送技术防蜡的创新思路，通过室内研究验证，已成功证明其在防蜡方面的有效性，具备显著的转化潜力。油水交替输送技术通过引入水塞，利用水和油在物理性质上的差异调节管道内流体的流动特性，从而改变流体与管壁之间的温度梯度，增强蜡沉积层的剪切作用，有效抑制蜡沉积的形成。现有研究成果已涵盖了多相流场结构的演化、流型细分体系、油水润湿转换的微观机制，并分析了不同流速和温度条件下蜡沉积的抑制效果。此外，研究还构建了油水交替输送蜡沉积的动态预测模型，并提出了具体的流体参数优化方案，揭示了油水交替过程中各物理场之间的交互作用及其对蜡沉积的综合影响，为管道系统的优化与调控提供了科学依据。现有成果已展示出显著的蜡沉积抑制效果，接下来将重点推动技术的工业化应用，计划在实际输油管道系统中进行试验验证和进一步优化应用。这将为推动该技术的产业化转化奠定坚实基础，并为海底管道输送技术的升级与优化提供重要支持。

1、企业合作： 寻求与石油、天然气、化工等行业的领先企业合作，尤其是从事油气管道运输、油气勘探、炼油和储存等相关行业的企业，以便将研究成果应用于实际管道系统的蜡沉积抑制与控制。 2、技术转化支持： 需要与相关科研院所或技术转化平台合作，推动研究成果的产业化，包括设备制造、工艺设计、系统集成等方面。 3、跨学科合作： 本项目涉及多学科的交叉应用，包括流体力学、热力学、化学工程、分子物理学等领域，需与相关领域的专家和研究团队开展合作。 4、政策支持与资金支持： 争取政府在科技创新方面的政策支持和资金投入，尤其是在能源、环保等领域的国家重大科技计划、重点研发项目等方面的支持。

可国（境）内外转让

1、提高多相流输送效率： 通过优化蜡沉积控制措施，减少输送过程中的蜡沉积，提升油气管道的输送效率与稳定性，减少停运和维修成本。 2、环保效益： 延缓蜡沉积的研究可减少管道内物质的积累，降低对环境的污染风险，尤其是减少因蜡沉积导致的管道清洗、修复所产生的环境污染。 3、能源节约与成本降低： 通过优化流动、传热和传质机制，降低输送系统的能耗，同时减少由于蜡沉积所带来的设备损坏和维护费用，从而实现长周期、低成本的油水交替输送。 4、技术产业化： 该研究成果可以转化为相关设备、监测系统、控制系统的技术成果，应用于油气领域的蜡沉积预防技术，为相关企业提供技术解决方案和产品，推动国内石油天然气行业的技术升级。 5、提升行业竞争力： 通过技术创新，提高国内企业在油气管道运输领域的竞争力，减少对国外先进技术的依赖，进一步加强自主研发能力。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

随着我国海洋油气资源开发加速，海底管道的建设与使用日益增多，蜡沉积问题愈加突出。蜡沉积是海底多相流管道结构完整性面临的严峻挑战，其会导致管道输送能力下降、能耗增加，且有可能造成局部堵塞，严重威胁油气输送的安全性。现有清防蜡技术在配伍性、环保、卡堵、成本等方面存在一定的问题。因此，开发一种低成本、高效的防蜡技术，已成为确保海底管道安全稳定输送的关键。本团队依托北京市自然科学基金面上项目，基于先进的多相流理论、流动与传热耦合模型以及分子模拟技术，提出了一种创新的“油水交替输送”方法，区别于传统的多相介质混合输送方式，通过交替输入油塞和水塞，利用流场和温度场的周期性变化，发挥水相驱替和热力抑制的双重作用，弱化甚至消除海底管道中多相流动引起的蜡沉积，取得的主要成果如下：（1）通过室内环路实验与数值模拟，开展了油水界面微观演变特征的研究。结果表明，在低流速下，油水界面保持稳定，且油驱水界面的稳定性优于水驱油界面。进一步建立了油水交替输送流型细分体系，包括分散流、分层流、环状流及过渡流型，明确了影响流型的主要因素为油批次长度和流速。基于实验和理论分析，构建了一体化输运模型，深入分析了油水多相流动特征及管壁液膜的迟滞效应。研究发现，随着流速和水批次长度的增加，油水界面的稳定性降低，水相对油膜的剥离及剪切作用增强，迟滞时间缩短，有效减缓了蜡沉积的发生。（2）采用分子模拟技术，深入分析油水交替输送过程中管壁油水润湿转换对蜡沉积的抑制机制。研究表明，水分子通过氢键网络与油分子发生相互作用，增强了油水间的相互作用力，从而促进了油分子的破碎与分散。在静止状态下，油水界面张力较高，油分子有序排列，系统保持稳定。随着驱替时间延长，水分子逐步克服界面张力，破坏油分子的有序结构，导致其分散成更小的油滴。在高外力条件下，油分子间的相互作用减弱，水分子有效驱替油分子。因此，通过延长驱替时间、增强外力作用，优化水分子在壁面的分布，可以显著提升驱替效率，破坏油分子的有序结构，有效抑制蜡的沉积。（3）自主设计并搭建了动态冷指实验装置，系统开展了油水交替冷指实验。结果表明，在油水交替输送区，蜡沉积量显著低于单相油区，并且随着时间推移，差距持续扩大，验证了油水交替输送在抑制蜡沉积方面的有效性。油壁温差是影响该方法效果的关键因素，在动态剪切作用下，油水交替输送对蜡沉积的抑制效果更加显著，蜡沉积量可减少70%。明晰了温度场交变对蜡沉积的抑制机理，水相加入提高了流体比热容，降低了温度响应速度，在动态交替条件下，油相流体的冷却效应被周期性打破，有效抑制了蜡沉积。（4）基于油水交替流场和温度场的交变特性和作用机理，结合多相流蜡沉积理论，综合考虑蜡的老化与剪切剥离效应，提出了油水交替冷指蜡沉积模型。耦合油水交替输送管道多相流动特性，进一步构建了油水交替管道蜡沉积模型，剖析了油水交替过程中温度场与流场的变化，揭示了油水交替条件下管道蜡沉积的沿线分布规律,分析了温度梯度和剪切力等关键参数对蜡沉积的影响。研究表明，在低流速分层流条件下，水塞长度越长，蜡沉积的抑制效果越显著。针对现场尺度输油管道进行了模拟分析，应用油水交替输送方法，管道蜡沉积厚度最高可减少86%。本项目成果具有广阔的应用前景。随着海洋油气开发不断深入，现有输送方式面临越来越多的挑战，而油水交替输送技术通过创新的流动管理方法，能够有效应对高压低温等极端环境下的蜡沉积问题，为深海油气输送提供更加安全、稳定和经济的解决方案，在深海油气勘探与开采领域展现出广阔的应用潜力，能够提升海底管道的输送效率、降低能耗、提高安全性，对保障国家能源安全和开发海洋油气资源具有深远影响和重要战略意义。