海底埋地輸油管道輸送過程中原油分布規(guī)律研究

海底埋地輸油管道輸送過程中原油分布規(guī)律研究

0國(guó)內(nèi)外的研究隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海田管道作為一種相對(duì)穩(wěn)定的傳輸方式，在未來的海洋油氣資源開發(fā)中得到了更多的應(yīng)用。然而隨著管齡的增長(zhǎng),不可避免的運(yùn)行磨損、腐蝕、外力破壞等原因的影響,將會(huì)使管道泄漏事故頻繁發(fā)生,不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,而且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。例如,2006年勝利油田分公司海底管道泄漏事故造成了東營(yíng)地區(qū)的嚴(yán)重污染,破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境給當(dāng)?shù)丶皠倮吞飵砗艽蟮慕?jīng)濟(jì)損失;2010年,中海油蓬萊地區(qū)海底輸油管線泄漏事故也給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來了很大的影響。因此,合理地進(jìn)行管線泄漏檢測(cè)具有重要的實(shí)際意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究已不少,并取得了階段性的成果,應(yīng)用較廣泛的主要有:噪聲監(jiān)測(cè)、放射性示蹤劑檢測(cè)、負(fù)壓波檢測(cè)、壓力梯度檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、熱紅外檢測(cè)、分布式光纖溫度傳感技術(shù)等。其中分布式光纖溫度傳感技術(shù)以其精度高和自適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而極具發(fā)展前景,因而研究海底埋地管道泄漏過程中的海泥溫度場(chǎng)變化以及原油在海水中的分布規(guī)律可以為以溫度傳輸為基礎(chǔ)的泄漏檢測(cè)技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。1模型的構(gòu)建1.1海底管道原油擴(kuò)散模型海底埋地輸油管道的泄漏可以分為三個(gè)階段:原油泄漏后,在海泥中的滲流過程;當(dāng)原油從海泥中滲出,進(jìn)入到海水中時(shí),在海水浮力和底層海水流動(dòng)的影響下,逐漸涌向海面;原油在海面上的擴(kuò)散過程。第一階段泄漏過程原油在海泥中的擴(kuò)散其模型如圖1,以勝利埕島油田海底管道為例,埋深1.5m,管道直徑600mm,底層海水溫度0℃,管內(nèi)原油溫度60℃,凝點(diǎn)溫度36℃,相變溫度變化0.5℃,泄漏孔直徑60mm,泄漏口流速為0.6m/s,計(jì)算區(qū)域取5m×5m,采用三角形網(wǎng)格對(duì)管道周圍海泥進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧Ｓ捎谛孤┛谔帨囟忍荻认鄬?duì)較大,因而對(duì)此處網(wǎng)格進(jìn)行加密以捕捉溫度的變化,熱油管道的初始溫度場(chǎng)對(duì)于泄漏后周圍海泥溫度場(chǎng)有重要影響。1.2boussi現(xiàn)行基本控制方程土壤作為一種多孔介質(zhì)其內(nèi)部流動(dòng)及相變過程相對(duì)復(fù)雜,而海泥相對(duì)土壤可以看作飽和含水土壤介質(zhì)。由于海底管道敷設(shè)的條件特殊,當(dāng)管道發(fā)生泄漏后,會(huì)有大量高溫?zé)嵊蜐B漏到海泥中,改變管道周圍的海泥溫度場(chǎng),采用有限容積法處理飽和含水淤泥多孔介質(zhì)流固耦合傳熱模型。相變過程符合boussinesq近似。根據(jù)這一特征得到控制方程如下:質(zhì)量守恒方程:式中:U為流體速度m/s;ρf為流體密度kg/m3;t為時(shí)間s。動(dòng)量守恒方程:式中:u,v分別為U在x,y方向上的速度分量,m/s;p為孔隙壓力,pa;μ為流體動(dòng)力粘度,pa·s;α為流體膨脹系數(shù),1/k;為多孔介質(zhì)滲透率,m2;為慣性損失系數(shù),m-1;Am為固液糊狀區(qū)域常數(shù);β為液相分?jǐn)?shù)。能量守恒方程:式中:γ為液體所占空隙分?jǐn)?shù);hf為液相介質(zhì)的焓,j/kg;hs為相變后固相介質(zhì)的焓,j/kg;keff=εkf+(1-ε)ks+(1-ε)kp為有效導(dǎo)熱率,W/(m·K);kf為液相導(dǎo)熱率,W/(m·K);ks為固相導(dǎo)熱率,W/(m·K);kp為多孔介質(zhì)骨架導(dǎo)熱率,W/(m·K);ρs=ρf[1-α(T-Tref)]為固相介質(zhì)密度,kg/m3。1.3分量換系數(shù)y=y0處,Tk為底層海水與海泥交界處溫度,k;r=RN處,α1為原油管道與管道內(nèi)壁的當(dāng)量換熱系數(shù),120W/m3(·K);y=0處,T=TM為海底恒溫層,這里取275K。2海底原油泄漏當(dāng)海底管道上方發(fā)生泄漏時(shí),原油從上方泄漏口流出,在初始的一段時(shí)間內(nèi),管道周圍海泥溫度場(chǎng)變化較大,泄漏原油形成一個(gè)以泄漏口為中心的熱影響區(qū)域。從圖2、3、4管道周圍海泥溫度圖中可以看出:泄漏50s左右時(shí),330K等溫線移動(dòng)速度較快,從泄漏口到底層海水之間的等溫線均有不同幅度的上移。隨著原油泄漏量的增加和原油泄漏速度的變化,熱油逐漸向下移動(dòng),部分等溫線也隨之下移。150s左右時(shí),泄漏原油到達(dá)底層海水與海底砂土的邊界位置,并在海水浮力的作用下涌向海面。300s時(shí)泄漏已發(fā)展較為充分,滲流原油前鋒形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的凝油層,沿管道中心線對(duì)稱分布。從等溫線的分布可以得出,泄漏原油雖然范圍不斷擴(kuò)大,但其運(yùn)動(dòng)速率逐漸降低。泄漏前鋒原油溫降較快,由于受到海底溫度的影響,原油與周圍海泥換熱后很快達(dá)到凝點(diǎn),導(dǎo)致熱影響區(qū)域擴(kuò)大速率逐漸減緩。從圖5、6、7中可以看出,在底層海水和凝油層重力影響下,泄漏原油在管道中心線附近兩側(cè)分布。泄漏原油在管道兩側(cè)對(duì)流較為強(qiáng)烈,在壓力作用下,形成方向向下的渦流,該過程與凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿佬孤┻^程相似,隨著時(shí)間的增加,原油泄漏量不斷增加。海泥中原油泄漏等壓線分布較之土壤中不同,海底原油管道泄漏分布不僅受到原油重力的影響,還要受海底壓強(qiáng)的影響,因而海底管道原油泄漏等壓線在管道下方的移動(dòng)較之土壤中相同條件下略快。320K等溫線泄漏在200s左右時(shí),下移約1m,土壤中原油320K等溫線在220s左右時(shí)到達(dá)管道正下方約1m處。從原油泄漏速度分布圖8、9、10中可以看出,從泄漏口往外速度梯度分布逐漸遞減,距離泄漏口越遠(yuǎn)的位置其凝油層阻力越大。隨著時(shí)間的增加,泄漏口內(nèi)外速度趨于平衡,原油泄漏速度減小。當(dāng)管道正下方穿孔時(shí),等溫線和等壓線移動(dòng)速率相對(duì)更快。從熱影響區(qū)域來看,土壤中原油泄漏溫度場(chǎng)與海底原油泄漏海泥溫度場(chǎng)有諸多不同。溢油進(jìn)入底層海水后,在海水浮力的作用下流向海面,這個(gè)過程受到底層海水流速的影響。底層海水來流將溢油沖散成油滴狀,油滴在海水浮力作用下上升。從圖11、12中我們可以看到,上升過程受到海水流速、黏度等因素的影響,溢油濃度受海水流速影響較大,在海水的作用下,油滴之間的距離不斷變大,隨著油滴的不斷溢出,溢油速度不斷減小。不同黏度的原油單位時(shí)間內(nèi)流入海水中的流量相差較大,黏度越小,流量越大。當(dāng)初始油滴到達(dá)海面形成小塊油膜后,水流速度在整個(gè)水域內(nèi)的分布達(dá)到平衡,溢油速度達(dá)到穩(wěn)定。油水之間相互作用,上浮油滴不斷沿水流方向漂移。油滴到達(dá)海面后,受到表層海水流速和風(fēng)速的影響,成小塊油膜分布。當(dāng)海面風(fēng)速較小時(shí),油膜沿海水流動(dòng)方向橫向擴(kuò)散速率較大,經(jīng)過時(shí)間的積累,呈現(xiàn)長(zhǎng)而窄的油膜帶。對(duì)于海面原油泄漏,當(dāng)油膜面積達(dá)到最大之后,在海洋破碎波的作用下,油膜破碎,隨洋流繼續(xù)漂流。從而在海面上形成較大規(guī)模的溢油面。海底原油管道泄漏后,原油浮到海面時(shí),由小塊油膜聚集成大的油膜。海面風(fēng)速較大時(shí),油膜在海面上呈塊狀分布。3海底管道泄漏本文通過對(duì)海底埋地輸油管道泄漏過程的數(shù)值模擬,得到了泄漏原油周圍海泥溫度場(chǎng)的分布狀況,分析了原油