海底埋地输油管道输送过程中原油分布规律研究

海底埋地输油管道输送过程中原油分布规律研究

0国内外的研究随着海洋油气资源的开发，海田管道作为一种相对稳定的传输方式，在未来的海洋油气资源开发中得到了更多的应用。然而随着管龄的增长,不可避免的运行磨损、腐蚀、外力破坏等原因的影响,将会使管道泄漏事故频繁发生,不仅对环境造成严重的污染,而且带来巨大的经济损失。例如,2006年胜利油田分公司海底管道泄漏事故造成了东营地区的严重污染,破坏了当地的生态环境给当地及胜利油田带来很大的经济损失;2010年,中海油蓬莱地区海底输油管线泄漏事故也给当地的环境和经济带来了很大的影响。因此,合理地进行管线泄漏检测具有重要的实际意义。目前国内外对管道泄漏检测技术的研究已不少,并取得了阶段性的成果,应用较广泛的主要有:噪声监测、放射性示踪剂检测、负压波检测、压力梯度检测、超声波检测、热红外检测、分布式光纤温度传感技术等。其中分布式光纤温度传感技术以其精度高和自适性强等优点而极具发展前景,因而研究海底埋地管道泄漏过程中的海泥温度场变化以及原油在海水中的分布规律可以为以温度传输为基础的泄漏检测技术提供一定的理论基础。1模型的构建1.1海底管道原油扩散模型海底埋地输油管道的泄漏可以分为三个阶段:原油泄漏后,在海泥中的渗流过程;当原油从海泥中渗出,进入到海水中时,在海水浮力和底层海水流动的影响下,逐渐涌向海面;原油在海面上的扩散过程。第一阶段泄漏过程原油在海泥中的扩散其模型如图1,以胜利埕岛油田海底管道为例,埋深1.5m,管道直径600mm,底层海水温度0℃,管内原油温度60℃,凝点温度36℃,相变温度变化0.5℃,泄漏孔直径60mm,泄漏口流速为0.6m/s,计算区域取5m×5m,采用三角形网格对管道周围海泥进行单元划分。由于泄漏口处温度梯度相对较大,因而对此处网格进行加密以捕捉温度的变化,热油管道的初始温度场对于泄漏后周围海泥温度场有重要影响。1.2boussi现行基本控制方程土壤作为一种多孔介质其内部流动及相变过程相对复杂,而海泥相对土壤可以看作饱和含水土壤介质。由于海底管道敷设的条件特殊,当管道发生泄漏后,会有大量高温热油渗漏到海泥中,改变管道周围的海泥温度场,采用有限容积法处理饱和含水淤泥多孔介质流固耦合传热模型。相变过程符合boussinesq近似。根据这一特征得到控制方程如下:质量守恒方程:式中:U为流体速度m/s;ρf为流体密度kg/m3;t为时间s。动量守恒方程:式中:u,v分别为U在x,y方向上的速度分量,m/s;p为孔隙压力,pa;μ为流体动力粘度,pa·s;α为流体膨胀系数,1/k;为多孔介质渗透率,m2;为惯性损失系数,m-1;Am为固液糊状区域常数;β为液相分数。能量守恒方程:式中:γ为液体所占空隙分数;hf为液相介质的焓,j/kg;hs为相变后固相介质的焓,j/kg;keff=εkf+(1-ε)ks+(1-ε)kp为有效导热率,W/(m·K);kf为液相导热率,W/(m·K);ks为固相导热率,W/(m·K);kp为多孔介质骨架导热率,W/(m·K);ρs=ρf[1-α(T-Tref)]为固相介质密度,kg/m3。1.3分量换系数y=y0处,Tk为底层海水与海泥交界处温度,k;r=RN处,α1为原油管道与管道内壁的当量换热系数,120W/m3(·K);y=0处,T=TM为海底恒温层,这里取275K。2海底原油泄漏当海底管道上方发生泄漏时,原油从上方泄漏口流出,在初始的一段时间内,管道周围海泥温度场变化较大,泄漏原油形成一个以泄漏口为中心的热影响区域。从图2、3、4管道周围海泥温度图中可以看出:泄漏50s左右时,330K等温线移动速度较快,从泄漏口到底层海水之间的等温线均有不同幅度的上移。随着原油泄漏量的增加和原油泄漏速度的变化,热油逐渐向下移动,部分等温线也随之下移。150s左右时,泄漏原油到达底层海水与海底砂土的边界位置,并在海水浮力的作用下涌向海面。300s时泄漏已发展较为充分,渗流原油前锋形成一个动态的凝油层,沿管道中心线对称分布。从等温线的分布可以得出,泄漏原油虽然范围不断扩大,但其运动速率逐渐降低。泄漏前锋原油温降较快,由于受到海底温度的影响,原油与周围海泥换热后很快达到凝点,导致热影响区域扩大速率逐渐减缓。从图5、6、7中可以看出,在底层海水和凝油层重力影响下,泄漏原油在管道中心线附近两侧分布。泄漏原油在管道两侧对流较为强烈,在压力作用下,形成方向向下的涡流,该过程与冻土区埋地热油管道泄漏过程相似,随着时间的增加,原油泄漏量不断增加。海泥中原油泄漏等压线分布较之土壤中不同,海底原油管道泄漏分布不仅受到原油重力的影响,还要受海底压强的影响,因而海底管道原油泄漏等压线在管道下方的移动较之土壤中相同条件下略快。320K等温线泄漏在200s左右时,下移约1m,土壤中原油320K等温线在220s左右时到达管道正下方约1m处。从原油泄漏速度分布图8、9、10中可以看出,从泄漏口往外速度梯度分布逐渐递减,距离泄漏口越远的位置其凝油层阻力越大。随着时间的增加,泄漏口内外速度趋于平衡,原油泄漏速度减小。当管道正下方穿孔时,等温线和等压线移动速率相对更快。从热影响区域来看,土壤中原油泄漏温度场与海底原油泄漏海泥温度场有诸多不同。溢油进入底层海水后,在海水浮力的作用下流向海面,这个过程受到底层海水流速的影响。底层海水来流将溢油冲散成油滴状,油滴在海水浮力作用下上升。从图11、12中我们可以看到,上升过程受到海水流速、黏度等因素的影响,溢油浓度受海水流速影响较大,在海水的作用下,油滴之间的距离不断变大,随着油滴的不断溢出,溢油速度不断减小。不同黏度的原油单位时间内流入海水中的流量相差较大,黏度越小,流量越大。当初始油滴到达海面形成小块油膜后,水流速度在整个水域内的分布达到平衡,溢油速度达到稳定。油水之间相互作用,上浮油滴不断沿水流方向漂移。油滴到达海面后,受到表层海水流速和风速的影响,成小块油膜分布。当海面风速较小时,油膜沿海水流动方向横向扩散速率较大,经过时间的积累,呈现长而窄的油膜带。对于海面原油泄漏,当油膜面积达到最大之后,在海洋破碎波的作用下,油膜破碎,随洋流继续漂流。从而在海面上形成较大规模的溢油面。海底原油管道泄漏后,原油浮到海面时,由小块油膜聚集成大的油膜。海面风速较大时,油膜在海面上呈块状分布。3海底管道泄漏本文通过对海底埋地输油管道泄漏过程的数值模拟,得到了泄漏原油周围海泥温度场的分布状况,分析了原油