深水环境下易凝高黏原油-天然气输送系统流动保障基础问题研究

我国海上油田所产原油大多易凝高黏。在深水环境下，其非牛顿流动特性、油-气-水三相的复杂流动行为、以及固相沉积使油气输送系统面临比轻质原油更严重、也更复杂的流动保障问题。本项目针对易凝高黏原油流动保障评价的需要，研究建立可完整描述胶凝原油非线性黏弹性与触变性的本构关系，揭示黏弹性对启动流影响的规律；以原油的非牛顿流体流变性与强乳化特性为切入点，建立易凝高黏原油多相管流的流型判别准则，阐明其阻力特性、动态特性及流型转换机理和规律；探索多相流动传热传质对蜡、沥青质、水合物晶体的成核、生长、传递、沉积过程影响的定量规律，查明固相沉积机理。基于上述研究，借助基于本征正交分解、超立方拉丁抽样Monte-Carlo法与并行计算相结合开发的高效随机-数值模拟算法，获得深水环境下易凝高黏原油-天然气输送系统中"凝管"、"蜡堵"和水合物"冰堵"等流动失效的概率，为深水油气开发及输送提供新的理论支持。

在恶劣环境条件下，深水油气管道极易发生原油胶凝、蜡和沥青质沉积、水合物生成等问题。管道流动保障是深水油气开发的核心技术之一。我国海上油田所产原油大多易凝高黏，流动保障问题更复杂。本项目针对深水环境和易凝高黏原油，主要研究其非牛顿流动行为、油气水多相流动规律、固相沉积机理与规律，目标是建立基于可靠性的易凝高黏原油-天然气输送系统流动保障评价方法。项目组出色完成了研究任务和成果指标，主要创新如下：.深化了对易凝高黏原油及其乳状液黏弹塑性流变规律及机理的认识，建立了黏弹-触变流变模型，首次实现了对原油黏弹、屈服、触变行为的完整模型描述，揭示了黏弹性对管道启动流影响的规律；获得了油水两相体系乳化特性与流动剪切、温度、油水比例和组成之间的定量关系，提出了非均匀乳化油水混合液非牛顿黏度的测量与预测新方法，建立了完整的油水两相流型判别方法，提出了油气水三相流型划分依据和分离流及间歇流阻力特性预测方法；获得了结晶、胶凝和沉积过程沥青质与蜡协同作用的规律，发展了原油多相体系析蜡热力学模型，建立了多相乳化、分层流和段塞流的蜡沉积动力学模型；深化了对水合物颗粒聚集机理的认识，查明了含阻聚剂水合物浆液的流动规律，提出了综合多因素作用的水合物壳双向生长模型，建立了含水合物颗粒的油气水多相体系流动模型；建立了基于可靠性的流动保障评价模型，发展了本征正交分解、超立方拉丁抽样蒙特卡罗法相结合的随机-数值模拟算法，提出了凝管、蜡堵和水合物“冰堵”风险的概率评价方法。项目成果发展了油气水多相复杂体系流动、相变、传热和传质的理论，为油气管道输送技术创新提供了新的理论支持。.项目成果发表SCI和EI论文80篇，作国际会议邀请报告5次；出版专著3部；获国家科技进步一等奖1项、省部级自然科学/科技进步奖7项；授权与申请专利9项，获软件著作权5项；培养杰青及长江学者1名、优青1名、研究生59名。成果得到转化应用，学术交流活跃。