CN104318845B - 一种模拟深水区水下溢油的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种模拟深水区水下溢油的装置与方法。实验装置包括：压力控制系统、混合注入系统、实验模型系统和给排水系统；其中：压力控制系统为实验模型系统和混合注入系统提供压力，混合注入系统将甲烷气体和原油按一定比例混合注入实验模型系统，实验模型系统为实验提供高压、低温的深水环境，给排水系统为实验提供低温水源以及实验结束后污水排放。本发明可以模拟不同压强、温度、喷射速度等条件下的深水溢油实验，为深水溢油模型提供精准的模型参数和有效数据，并可以确定深水溢油模型的准确性及模拟深水环境下油气行为归宿；装置操作简单，方法易于实施，可行性高；测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。
Description
技术领域
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种模拟深水区水下溢油的装置与方法。
背景技术
随着陆地石油资源的日益匮乏以及全球油气需求的不断攀升，人们对海洋油气资源的勘探和开发越来越多，尤其加大了对深水油气资源的开发力度。水下开采尤其是在深水条件下开采和管道输送油气资源已经成为可能，但是在深水油气开采过程中存在着很多重要的问题和对环境的危害，其中最明显也是最严重的就是深水区水下溢油事故。深水区水下溢油事故泄漏的污染物在海洋环境中的输运过程通常包括近区(水下)的浮射扩散和远区(水下及海面)的输移扩散，一旦发生溢油事故，后果非常严重。
但是长期以来，由于受深水环境等条件的限制，人们对水下特别是深水环境下溢油浮射扩散的研究并不多，并且对深水环境下油气行为归宿的研究也不够深入，目前国内外尚无能够模拟深水区水下溢油的实验装置。这些都对我们全面了解深水溢油以及如何应对溢油事故造成了很大的困难。
发明内容
为补充现有研究的不足，本发明提供一种模拟深水区水下溢油的装置与方法，用于实现在室内对深海环境进行仿真，模拟高压低温的深水条件，为深水溢油模型提供精准的模型参数和有效数据，并可以确定深水溢油模型的准确性及模拟深水环境下油气行为归宿。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
模拟深水区水下溢油的装置，包括：压力控制系统、混合注入系统、实验模型系统和给排水系统；其中：压力控制系统为实验模型系统和混合注入系统提供压力，混合注入系统将甲烷气体和原油按一定比例混合注入实验模型系统，实验模型系统为实验提供高压、低温的深水环境，给排水系统为实验提供低温水源以及实验结束后污水排放。
相对于现有研究，本发明的有益效果如下：(1)、本装置可以模拟不同压强、温度、喷射速度等条件下的深水溢油实验；(2)、装置操作简单，方法易于实施，可行性高；(3)、测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。
附图说明
图1为模拟深水区水下溢油的装置示意图；
图中：11、第一氮气气源；12、第一气体增压泵；13、背压罐入口旋拧阀；14、背压罐；15、背压罐测量压力计；16、第二氮气气源17、第二气体增压泵；18、中间容器入口旋拧阀；21、原油储罐；22、手动计量泵；23、原油注入旋拧阀；24、甲烷气源；25、气体计量泵；26、甲烷注入旋拧阀；27、中间容器下腔测量温度计；28、中间容器；29、中间容器上腔测量压力计；31、安全阀；32、深水环境模拟仓；321、照明视窗；322、观察视窗；323、溢油喷嘴；33、高压气动球阀；34、高速摄像机；35、计算机；41、水池；42、冷水机组；43、循环泵；44、循环水测量温度计；45、深水环境模拟仓进水旋拧阀；46、深水环境模拟仓出水旋拧阀；47、排污阀；48、污水池；49、放空阀。
具体实施方式
如图1所示，模拟深水区水下溢油的装置，包括：压力控制系统、混合注入系统、实验模型系统和给排水系统；其中：压力控制系统为实验模型系统和混合注入系统提供压力，混合注入系统将甲烷气体和原油按一定比例混合注入实验模型系统，实验模型系统为实验提供高压、低温的深水环境，给排水系统为实验提供低温水源以及实验结束后污水排放。
压力控制系统，包括：第一氮气气源11、第一气体增压泵12、背压罐14、第二氮气气源16、第二气体增压泵17，第一氮气气源11、第一气体增压泵12、背压罐14依次通过管线相连，第一气体增压泵12、背压罐14相连的管线上设有背压罐入口旋拧阀13；第一氮气气源11提供增压所需的氮气，第一氮气气源11中的氮气流入第一气体增压泵12，第一气体增压泵12提供实验所需的压力，经过第一气体增压泵12增压的氮气通过背压罐入口旋拧阀13进入背压罐14，背压罐14用于存储高压氮气；第二氮气气源16、第二气体增压泵17通过管线相连；第二氮气气源16提供增压所需的氮气，第二氮气气源16中的氮气流入第二气体增压泵17，第二气体增压泵17提供实验所需的压力。
混合注入系统，包括：原油储罐21、手动计量泵22、甲烷气源24、气体计量泵25、中间容器28；中间容器28为耐高温、高压的密闭容器，由金属活塞分为上下两腔，中间容器28的底部设有原油注入口、甲烷注入口、混合油气喷出口，中间容器28的顶部设有高压氮气注入口，中间容器28置于恒温箱281中；
原油储罐21、手动计量泵22通过管线相连，手动计量泵22通过管线与中间容器28的原油注入口相连，手动计量泵22与中间容器28的底部原油注入口相连的管线上设有原油注入旋拧阀23；原油储罐21提供实验所需原油，原油储罐21中的原油流入手动计量泵22，手动计量泵22对加入的原油进行精确计量；甲烷气源24、气体计量泵25通过管线相连，气体计量泵25通过管线与中间容器28的甲烷注入口相连，气体计量泵25与中间容器28的底部甲烷注入口相连的管线上设有甲烷注入旋拧阀26；甲烷气源24提供实验所需的甲烷气体，甲烷气源24中的甲烷气体流入气体计量泵25，气体计量泵25对加入的甲烷气体进行精确计量；经过手动计量泵22计量后的原油通过原油注入旋拧阀23进入中间容器28的下腔，经过气体计量泵22计量后的甲烷气体通过甲烷注入旋拧阀26进入中间容器28的下腔，在中间容器28的下腔内原油和甲烷气体充分混合；
第二气体增压泵17通过管线与高压氮气注入口相连，第二气体增压泵17与高压氮气注入口相连的管线依次设有中间容器入口旋拧阀18、中间容器上腔测量压力计29，经过第二气体增压泵17增压的氮气通过中间容器入口旋拧阀18进入中间容器28的上腔，中间容器28的上腔用于存储高压氮气，中间容器上腔测量压力计29测量中间容器28上腔的压力。
实验模型系统，包括：安全阀31、深水环境模拟仓32、高压气动球阀33、高速摄像机34、计算机35；深水环境模拟仓32为碳钢铸管内衬不锈钢管的复合管，深水环境模拟仓32内径为300±5mm，高度为2200mm，上下两端均采用法兰密封，上法兰上开有高压氮气注入孔、排污孔、出水孔，下法兰上开有混合油气注入孔、放空孔、进水孔，在深水环境模拟仓32圆周壁的竖直方向上分别开有两列窗口：一列为两个照明视窗321，一列为三个观察视窗322，两列窗口与深水环境模拟仓32的中心轴成90°夹角；照明视窗321供LED光源照明使用，观察视窗322供高速摄像机34摄像使用，深水环境模拟仓32底端安装溢油喷嘴323，溢油喷嘴323与深水环境模拟仓32下法兰上的混合油气注入孔连接；
背压罐14通过管线与安全阀31连接，安全阀31通过管线与深水环境模拟仓32顶端的高压氮气注入孔相连，背压罐14与安全阀31相连的管线上设有背压罐测量压力计15，背压罐测量压力计15测量背压罐14的压力；
中间容器28底端的混合油气喷出口通过管线与高压气动球阀33连接，在中间容器28底端的混合油气喷出口与高压气动球阀33连接的管线上设有中间容器下腔测量温度计27，中间容器下腔测量温度计27测量中间容器28下腔的温度，根据中间容器下腔测量温度计27测量的温度，调控恒温箱281的温度；高压气动球阀33通过管线与深水环境模拟仓32底端的混合油气注入口连接；安全阀31保证高压实验安全，深水环境模拟仓32模拟深水的高压、低温环境，高压气动球阀33控制溢油的开关；高速摄像机34通过数据线与计算机35连接，高速摄像机34动态监测水下溢油过程，计算机35用于存储和处理高速摄像机34采集的图像数据。
给排水系统，包括：水池41、冷水机组42、循环泵43、污水池48，水池41、冷水机组42、循环泵43依次通过管线连接，循环泵43通过管线与深水环境模拟仓32底端的进水孔连接，循环泵43与深水环境模拟仓32底端的进水孔相连的管线上依次设有循环水测量温度计44、深水环境模拟仓进水旋拧阀45，循环水测量温度计44测量循环水温度，循环水测量温度计44测量的温度，调控冷水机组42制冷温度，深水环境模拟仓32顶端的出水孔通过管线与水池41相连，深水环境模拟仓32与水池41相连的管线上设有深水环境模拟仓出水旋拧阀46；水池41为提供实验所需的水源，水池41中的水流入冷水机组42，冷水机组42将水制冷到实验所需温度，制冷后的水通过深水环境模拟仓进水旋拧阀45进入深水环境模拟仓32，然后通过深水环境模拟仓出水旋拧阀46回流到水池41中继续循环；
污水池48分别通过管线与深水环境模拟仓32顶端的排污孔、深水环境模拟仓32底端的放空孔连接，在污水池48与深水环境模拟仓32顶端的排污孔连接的管线上设有排污阀47，在污水池48与深水环境模拟仓32底端的放空孔连接的管线上设有放空阀49；污水池48存放实验的污水和污油，实验结束后，深水环境模拟仓32中的污油通过顶端的排污阀47流入污水池48，污油排完后，深水环境模拟仓32中的污水通过底端的放空阀49流入污水池48。
在密闭环路中，所有部件和管路均耐压30MPa，温度上限为500K，可实现模拟深水区水下溢油的实验。
模拟深水区水下溢油的方法，利用上述装置，步骤如下：
(1)、实验准备阶段
启动冷水机组42，关闭深水环境模拟仓32周围的安全阀31、排污阀47、高压气动球阀33、放空阀49，打开深水环境模拟仓进水旋拧阀45和深水环境模拟仓出水旋拧阀46，让通过冷水机组42制冷后的冷水在深水环境模拟仓32中循环流通，以便使深水环境模拟仓32内的温度达到实验所需温度；
与此同时通过手动计量泵22抽取试验工况所需体积的原油，然后压入到中间容器28下腔中，同时操作气体计量泵25抽取试验工况所需体积的甲烷气体，然后压入到中间容器28下腔，开启恒温箱设定到实验指定温度，将中间容器28下腔的混合油气加热到实验指定温度；
此时深水环境模拟仓32内冷却循环水已经达到实验所需温度，关闭深水环境模拟仓进水旋拧阀45和深水环境模拟仓出水旋拧阀46；打开第一气动增压泵12与背压罐14之间的背压罐入口旋拧阀13，启动第一气动增压泵12开始工作，从背压罐测量压力计15读出背压罐14的压力，待背压罐14内压力达到试验工况所需压力后，关闭背压罐入口旋拧阀13，关闭第一气动增压泵12，打开安全阀31；打开第二气动增压泵17与中间容器28之间的中间容器入口旋拧阀18，启动第二气体增压泵17开始工作，从中间容器上腔测量压力计29读出中间容器28上腔的压力，待中间容器28上腔压力达到所需实验压力后，关闭中间容器入口旋拧阀18第二气体增压泵17，关闭；打开LED光源，从照明视窗321向深水环境模拟仓32中打光，启动高速摄像机34和计算机35，保证高速摄像机34对准观察视窗322；实验准备结束；
(2)、实验进行阶段
当中间容器下腔测量温度计27测量的温度到达实验制定温度时，打开深水环境模拟仓32底端的高压气动球阀33，开始溢油实验，在溢油喷射的同时用高速摄像机34自动抓拍油气混合物在深水环境模拟仓32内的上升形态直至一个实验过程结束，高速摄像机34抓拍的图像数据通过数据线传到计算机35进行存储；
(3)、实验排污阶段
关闭深水环境模拟仓32下端的高压气动球阀33，打开深水环境模拟仓32上端的排污阀47，先将深水环境模拟仓32上端漂浮的污油经排污阀47排出到污水池48，然后打开深水环境模拟仓32下端的放空阀49将一次实验后深水环境模拟仓32内的污水放空至污水池48，实验结束。
改变实验系统的温度、压力条件，循环实验进行阶段和实验排污阶段可得到不同温度、压力条件下深水溢油的规律。
通过处理计算机35中存储图像数据，可得到在不同温度、压力条件下油滴、气泡粒径的分布及上升速度，然后分析粒径和上升速度的影响因素，并探讨气泡在高压低温环境条件下形成水合物的条件，分析水合物对油气的羽流边界和轨迹的影响，从而为溢油模型提供有效的参数数据。
Claims (7)
1.一种模拟深水区水下溢油的装置，包括：压力控制系统、混合注入系统、实验模型系统和给排水系统；其特征在于：压力控制系统为实验模型系统和混合注入系统提供压力，混合注入系统将甲烷气体和原油按一定比例混合注入实验模型系统，实验模型系统为实验提供高压、低温的深水环境，给排水系统为实验提供低温水源以及实验结束后污水排放；
压力控制系统，包括：第一氮气气源、第一气体增压泵、背压罐、第二氮气气源、第二气体增压泵，第一氮气气源、第一气体增压泵、背压罐依次通过管线相连，第一气体增压泵、背压罐相连的管线上设有背压罐入口旋拧阀；第二氮气气源、第二气体增压泵通过管线相连；
混合注入系统，包括：原油储罐、手动计量泵、甲烷气源、气体计量泵、中间容器；中间容器为耐高温、高压的密闭容器，由金属活塞分为上下两腔，中间容器的底部设有原油注入口、甲烷注入口、混合油气喷出口，中间容器的顶部设有高压氮气注入口，中间容器置于恒温箱中；原油储罐、手动计量泵通过管线相连，手动计量泵通过管线与中间容器的原油注入口相连，手动计量泵与中间容器的底部原油注入口相连的管线上设有原油注入旋拧阀；甲烷气源、气体计量泵通过管线相连，气体计量泵通过管线与中间容器的甲烷注入口相连，气体计量泵与中间容器的底部甲烷注入口相连的管线上设有甲烷注入旋拧阀；第二增压泵通过管线与高压氮气注入口相连，第二增压泵与高压氮气注入口相连的管线依次设有中间容器入口旋拧阀、中间容器上腔测量压力计；
在密闭环路中，所有部件和管路均耐压30MPa，温度上限为500K。
2.根据权利要求1所述的模拟深水区水下溢油的装置，其特征在于：实验模型系统，包括：安全阀、深水环境模拟仓、高压气动球阀、高速摄像机、计算机；深水环境模拟仓为碳钢铸管内衬不锈钢管的复合管，上下两端均采用法兰密封，上法兰上开有高压氮气注入孔、排污孔、出水孔，下法兰上开有混合油气注入孔、放空孔、进水孔，在深水环境模拟仓圆周壁的竖直方向上分别开有两列窗口：一列为两个照明视窗，一列为三个观察视窗，两列窗口与深水环境模拟仓的中心轴成90°夹角，深水环境模拟仓底端安装溢油喷嘴，溢油喷嘴与深水环境模拟仓下法兰上的混合油气注入孔连接；背压罐通过管线与安全阀连接，安全阀通过管线与深水环境模拟仓顶端的高压氮气注入孔相连，背压罐与安全阀相连的管线上设有背压罐测量压力计；中间容器底端的混合油气喷出口通过管线与高压气动球阀连接，在中间容器底端的混合油气喷出口与高压气动球阀连接的管线上设有中间容器下腔测量温度计；高压气动球阀通过管线与深水环境模拟仓底端的混合油气注入口连接；高速摄像机通过数据线与计算机连接。
3.根据权利要求1所述的模拟深水区水下溢油的装置，其特征在于：给排水系统，包括：水池、冷水机组、循环泵、污水池，水池、冷水机组、循环泵依次通过管线连接，循环泵通过管线与深水环境模拟仓底端的进水孔连接，循环泵与深水环境模拟仓底端的进水孔相连的管线上依次设有循环水测量温度计、深水环境模拟仓进水旋拧阀，深水环境模拟仓顶端的出水孔通过管线与水池相连，深水环境模拟仓与水池相连的管线上设有深水环境模拟仓出水旋拧阀；污水池分别通过管线与深水环境模拟仓顶端的排污孔、深水环境模拟仓底端的放空孔连接，在污水池与深水环境模拟仓顶端的排污孔连接的管线上设有排污阀，在污水池与深水环境模拟仓底端的放空孔连接的管线上设有放空阀。
4.根据权利要求1所述的模拟深水区水下溢油的装置，其特征在于：深水环境模拟仓内径为300±5mm，高度为2200mm。
5.一种模拟深水区水下溢油的方法，利用权利要求1-4之一所述的模拟深水区水下溢油的装置，其特征在于，步骤如下：
(1)、实验准备阶段
启动冷水机组，关闭深水环境模拟仓周围的安全阀、排污阀、高压气动球阀、放空阀，打开深水环境模拟仓进水旋拧阀和深水环境模拟仓出水旋拧阀，让通过冷水机组制冷后的冷水在深水环境模拟仓中循环流通，以便使深水环境模拟仓内的温度达到实验所需温度；
与此同时通过手动计量泵抽取试验工况所需体积的原油，然后压入到中间容器下腔中，同时操作气体计量泵抽取试验工况所需体积的甲烷气体，然后压入到中间容器下腔，开启恒温箱设定到实验指定温度，将中间容器下腔的混合油气加热到实验指定温度；
此时深水环境模拟仓内冷却循环水已经达到实验所需温度，关闭深水环境模拟仓进水旋拧阀和深水环境模拟仓出水旋拧阀；打开第一气动增压泵与背压罐之间的背压罐入口旋拧阀，启动第一气动增压泵开始工作，从背压罐测量压力计读出背压罐的压力，待背压罐内压力达到试验工况所需压力后，关闭背压罐入口旋拧阀，关闭第一气动增压泵，打开安全阀；打开第二气动增压泵与中间容器之间的中间容器入口旋拧阀，启动第二气体增压泵开始工作，从中间容器上腔测量压力计读出中间容器上腔的压力，待中间容器上腔压力达到所需实验压力后，关闭中间容器入口旋拧阀第二气体增压泵；打开LED光源，从照明视窗向深水环境模拟仓中打光，启动高速摄像机和计算机，保证高速摄像机对准观察视窗；实验准备结束；
(2)、实验进行阶段
当中间容器下腔测量温度计测量的温度到达实验制定温度时，打开深水环境模拟仓底端的高压气动球阀，开始溢油实验，在溢油喷射的同时用高速摄像机自动抓拍油气混合物在深水环境模拟仓内的上升形态直至一个实验过程结束，高速摄像机抓拍的图像数据通过数据线传到计算机进行存储；
(3)、实验排污阶段
关闭深水环境模拟仓下端的高压气动球阀，打开深水环境模拟仓上端的排污阀，先将深水环境模拟仓上端漂浮的污油经排污阀排出到污水池，然后打开深水环境模拟仓下端的放空阀将一次实验后深水环境模拟仓内的污水放空至污水池，实验结束。
6.根据权利要求5所述的模拟深水区水下溢油的方法，其特征在于：改变实验系统的温度、压力条件，循环实验进行阶段和实验排污阶段可得到不同温度、压力条件下深水溢油的规律。
7.根据权利要求6所述的模拟深水区水下溢油的方法，其特征在于：通过处理计算机中存储图像数据，可得到在不同温度、压力条件下油滴、气泡粒径的分布及上升速度，然后分析粒径和上升速度的影响因素，并探讨气泡在高压低温环境条件下形成水合物的条件，分析水合物对油气的羽流边界和轨迹的影响，从而为溢油模型提供有效的参数数据。
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2014
- 2014-10-20 CN CN201410559583.1A patent/CN104318845B/zh active Active
Patent Citations (3)
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