多孔介質(zhì)內(nèi)油、水介質(zhì)遷移對(duì)比低溫實(shí)驗(yàn)

吳國(guó)忠，趙文浩，呂 妍，齊晗兵，周英明，李棟*

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多孔介質(zhì)內(nèi)油、水介質(zhì)遷移對(duì)比低溫實(shí)驗(yàn)

吳國(guó)忠1，趙文浩1，呂 妍2，齊晗兵1，周英明1，李棟*1

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318; 2. 大慶石化公司 信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163318）

是嚴(yán)寒地區(qū)輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析了輸油管道泄漏污染物在多孔介質(zhì)內(nèi)遷移過(guò)程，研究了低溫環(huán)境油、水在彌散型顆粒類多孔介質(zhì)內(nèi)的遷移規(guī)律。研究結(jié)果顯著減?。?，，并且最終溢出地表面。

多孔介質(zhì)；油水；遷移；低溫實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)步帶動(dòng)了石油化工行業(yè)的高速發(fā)展。石油作為主要的能源之一，其開(kāi)采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存早已成為能源安全中的重中之重。管道輸送是石油生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是石油工業(yè)的動(dòng)脈，截止到2013年我國(guó)油氣管線總長(zhǎng)度已經(jīng)從1978年的0.83萬(wàn)km增長(zhǎng)到9.85萬(wàn)km[1]。人為因素和自然因素會(huì)導(dǎo)致輸油管道發(fā)生泄漏，輸油管道的泄漏不僅影響了正常輸送并且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。輸油管道泄漏檢測(cè)是保障管道安全可靠運(yùn)行的必要手段[2-4]，近幾年來(lái)管道泄漏檢測(cè) 受到了廣泛的研究，并取得了較好的應(yīng)用效果。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)多孔介質(zhì)中污染物的遷移問(wèn)題進(jìn)行了研究。例如，Cary等[5]通過(guò)土柱實(shí)驗(yàn)觀察不同性質(zhì)的多孔介質(zhì)對(duì)水和非水相流體運(yùn)動(dòng)的影響。Nam等[6]通過(guò)一維流體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多級(jí)流體比單級(jí)流體更適合非飽和砂土水力特性的確定。張玲等[7]通過(guò)搭建一維土柱熱濕傳遞實(shí)驗(yàn)裝置，研究了土壤中溫度的變化對(duì)其水分遷移的影響，分析了溫差動(dòng)力和濃差動(dòng)力對(duì)土壤中溫度分布的起到作用。Keehavaarzi等[8]在二維砂槽中模擬非水相流體在非飽和帶中的入滲和重分布，發(fā)現(xiàn)砂之間的毛細(xì)作用是確定最終非水相流體分布的主要控制因素。楊賓[9]等在二維砂箱中對(duì)4 種 NAPLs 污染物在4種不同粒徑多孔介質(zhì)中非飽和入滲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Motenko等[10]發(fā)現(xiàn)伴隨著凍結(jié)土體中石油污染強(qiáng)度的增加，濕度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響會(huì)降低。Feng等[11]在不同初始含水率和溫度條件下對(duì)水在粉質(zhì)粘土柱中凍結(jié)過(guò)程的遷移特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)速率大小對(duì)水的遷移過(guò)程具有嚴(yán)重的影響。Chuvilin等[12]發(fā)現(xiàn)不同顆粒分散度、含鹽量和冷生構(gòu)造對(duì)石油污染物在凍土中的遷移具有明顯的影響。齊晗兵等[13]建立了輸油管道泄漏污染物的傳熱傳質(zhì)過(guò)程的遷移數(shù)理模型，分析凍土對(duì)其遷移過(guò)程的影響。李興柏等[14]通過(guò)對(duì)凍土中石油污染物的遷移研究，發(fā)現(xiàn)溫度梯度會(huì)對(duì)石油污染物的遷移產(chǎn)生影響。李國(guó)玉等[15]采集中俄原油管道凍土區(qū)石油污染物，對(duì)其淋濾作用下的遷移過(guò)程做了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍土層對(duì)石油污染物的遷移具有明顯的阻礙作用。目前，關(guān)于石油污染物在多孔介質(zhì)中遷移特征研究還不完善，尤其在低溫環(huán)境條件下的研究比較欠缺。

本文針對(duì)低溫環(huán)境下輸油管道的泄漏，搭建了輸油管道低溫泄漏三維實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)污染物在多孔介質(zhì)中的遷移特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)監(jiān)測(cè)遷移過(guò)程中多孔介質(zhì)環(huán)境溫度場(chǎng)的變化以及不同污染物的遷移距離，初步分析泄漏污染物在多孔介質(zhì)中的遷移特征

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要由流體儲(chǔ)存加熱系統(tǒng)、流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、仿真泄漏實(shí)驗(yàn)箱體、室外冷源通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)五部分組成。實(shí)驗(yàn)箱體尺寸為長(zhǎng)80cm、寬80cm、高120cm，并且在箱內(nèi)上部留出40cm高度作為冷風(fēng)循環(huán)通道。實(shí)驗(yàn)箱體采用3mm厚的鋼板焊接而成。實(shí)驗(yàn)箱體四周應(yīng)用厚度為20mm的保溫綿進(jìn)行保溫處理。通過(guò)室外冷源通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)多孔介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行降溫，從而達(dá)到符合實(shí)驗(yàn)條件的低溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)的多孔介質(zhì)材料選用石英砂，其綜合孔隙率為33.9%，并且對(duì)所用石英砂進(jìn)行粒徑分析，采用水和白油作為泄漏污染物，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度為0.468 8 mPa·s，密度為983 kg/m3，白油的運(yùn)動(dòng)粘度為20.8 mPa·s，密度為870 kg/m3。

將實(shí)驗(yàn)箱體底層的篩孔板用白紗布包裹好并放置于底座上緊固，同時(shí)關(guān)閉箱體四周的取樣口及排水閥門(mén)。然后，將石英砂逐層均勻布置到實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)，采用夯實(shí)裝置進(jìn)行壓實(shí)，保證每層的壓實(shí)度均勻，同時(shí)在指定位置埋入溫度傳感器，共計(jì)布置23根如圖2所示。泄漏口位于距地面20 cm處。將遮擋風(fēng)機(jī)的遮風(fēng)板卸下，打開(kāi)風(fēng)機(jī)引入室外冷風(fēng)，待冷風(fēng)循環(huán)48 h后，觀察巡檢儀的溫度變化，當(dāng)溫度場(chǎng)穩(wěn)定并且滿足實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。通過(guò)數(shù)值控溫裝置設(shè)定實(shí)驗(yàn)所需流體的溫度，對(duì)儲(chǔ)存罐內(nèi)的流體進(jìn)行加熱攪拌，保證流體受熱均勻。當(dāng)達(dá)到所需溫度時(shí)，將閥門(mén)1和2打開(kāi)，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)量泵，對(duì)循環(huán)管路進(jìn)行預(yù)熱。將計(jì)量泵調(diào)節(jié)至當(dāng)次實(shí)驗(yàn)所需的流量開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，將閥門(mén)2關(guān)閉同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)3，記錄管道泄漏的時(shí)間和箱體內(nèi)環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，泄漏一定時(shí)間后停泵，當(dāng)次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉所有閥門(mén)及儀器，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)的石英砂進(jìn)行更換，為下組實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置熱電偶布置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 介質(zhì)遷移不同環(huán)境對(duì)比

那么比如說(shuō)，有的時(shí)候看了一些具有社會(huì)學(xué)、民俗學(xué)價(jià)值的小說(shuō)以后是有些體會(huì)的。最近因?yàn)楦泺x鴦蝴蝶派，我就看了張恨水的《春明外史》，這本書(shū)100萬(wàn)字，看完之后我當(dāng)然對(duì)張恨水也有一個(gè)具體的了解，而且得到很大的收獲。如果現(xiàn)在讓我講魯迅《社戲》的前半篇，那么這個(gè)一百萬(wàn)字就給我起了一種民俗學(xué)的參考作用，因?yàn)樗v北京的戲院講得太詳細(xì)了，寫(xiě)各種各樣背景的劇院，而這種劇場(chǎng)以前在我的腦子里是非?？辗旱摹Ｄ闳绻プx茅盾的《幻滅》《動(dòng)搖》《追求》，你讀《動(dòng)搖》的時(shí)候?qū)Υ蟾锩@一段時(shí)期的生活就會(huì)比較具體化，不讀的話就是很抽象的在講大革命。

本次實(shí)驗(yàn)采用水作為污染物，溫度為60 ℃，流量為0.088 m3/h，代表豎直方向，代表水平方向，高度為80 cm時(shí)代表地面，常溫環(huán)境下地表溫度與多孔介質(zhì)溫度大約為10 ℃，低溫環(huán)境下地表溫度為-15 ℃，多孔介質(zhì)溫度自地表到地層溫度范圍為-15到5 ℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的變化確定泄漏污染物的遷移范圍。調(diào)節(jié)好實(shí)驗(yàn)設(shè)備后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，泄漏900 s后觀察水在常溫環(huán)境與低溫環(huán)境中的遷移情況，數(shù)據(jù)處理并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

如圖3所示，在水相污染物泄漏900s后，低溫環(huán)境中的高溫區(qū)域面積較大，等溫線較為密集，溫度梯度變化較快，且隨著水相的遷移，低溫環(huán)境導(dǎo)致環(huán)境溫度場(chǎng)整體向下偏移，呈現(xiàn)上窄下寬的形狀，而常溫環(huán)境中的溫度場(chǎng)變化形狀較為均勻，溫度梯度變化也比較緩慢，成橢圓形向四周擴(kuò)散，且溫度場(chǎng)面積大于低溫環(huán)境。

(a)常溫環(huán)境 ???????????? (b)低溫環(huán)境

圖3 污染物泄漏900 s

常溫環(huán)境下水相遷移引起的環(huán)境溫度場(chǎng)變化已經(jīng)對(duì)地表溫度產(chǎn)生了影響，而低溫環(huán)境下，可以看出低溫環(huán)境對(duì)水相遷移具有一定的阻礙作用，導(dǎo)致水相向地表方向遷移緩慢，主要向下遷移，泄漏900 s后地表溫度幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。

圖4 溫度隨時(shí)間和距離變化情況

如圖4所示，泄漏口處豎直方向上的溫度隨時(shí)間和距離變化情況，常溫環(huán)境下地表初始溫度為10℃，隨著遷移時(shí)間和距離的增加，觀察泄漏口附近的溫度變化幅度，泄漏口下方環(huán)境溫度變化幅度較大，可以看出水相向下遷移速度略大于向上的遷移速度，當(dāng)泄漏時(shí)間達(dá)到900 s時(shí)，地表附近的溫度略有升高，達(dá)到了13 ℃左右。低溫環(huán)境下地表初始溫度為-15 ℃，隨著遷移時(shí)間和距離的增加，泄漏口下方的環(huán)境溫度變化明顯較泄漏口上方劇烈，說(shuō)明上層砂土的溫度較低對(duì)水相的遷移具有阻礙作用，溫度變化較小，而隨著水相向下層遷移的量逐漸增大，使得下層的砂土溫度升高較為明顯，當(dāng)泄漏時(shí)間達(dá)到900 s時(shí)，地表溫度基本沒(méi)有發(fā)生變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，相比于常溫環(huán)境，低溫環(huán)境對(duì)水相污染物在多孔介質(zhì)中的遷移具有一定的影響。

2.1 低溫環(huán)境不同介質(zhì)遷移對(duì)比

本組實(shí)驗(yàn)研究在低溫環(huán)境下，水和白油在多孔介質(zhì)中的遷移特性，控制流量為0.032 m3/h，溫度為60 ℃，代表豎直方向，X代表水平方向，高度為80 cm時(shí)代表地面，低溫環(huán)境下地表溫度為-15 ℃，多孔介質(zhì)溫度自地表到地層溫度范圍為-15到5 ℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的變化確定泄漏污染物的遷移范圍。泄漏900 s后觀察在低溫環(huán)境下水和白油的遷移情況，數(shù)據(jù)處理并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

(a)水 ???????????? (b)白油

圖5 污染物泄漏900 s

Fig.5 Contaminant leakage 900 s

如圖5所示，在污染物泄漏900 s后，水平方向上，水相污染物的遷移范圍遠(yuǎn)大于油相污染物。豎直方向上，水相污染物向下遷移的距離距地面最遠(yuǎn)達(dá)61 cm，并且還有繼續(xù)向下的遷移趨勢(shì)，地面沒(méi)有水相污染物溢出。而油相污染物向下遷移的距離距地面最遠(yuǎn)達(dá)45 cm，遷移相對(duì)緩慢，但在地表已經(jīng)觀察到了溢出的油相污染物，這是由于白油粘度大引起的油相污染物在泄漏口周?chē)逊e，導(dǎo)致大量的油相污染物在壓力的作用下沿管壁向上遷移，最終在地表溢出。

如圖6所示，泄漏口處豎直方向上的溫度隨時(shí)間和距離變化情況，隨著泄漏時(shí)間的增加，由于低溫環(huán)境的影響，水相污染物的遷移主要引起箱體內(nèi)下層砂土的溫度逐漸升高，地表溫度場(chǎng)并沒(méi)有太大的變化，并且在深度超過(guò)60 cm以后，砂土溫度幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。而油相污染物在泄漏口周?chē)逊e，導(dǎo)致大量的油相污染物向上遷移，主要集中在距地面15 cm處，使靠近地表的砂土溫度逐漸升高，但在深度超過(guò)45 cm以后，砂土溫度幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，油相污染物并沒(méi)有遷移到此深度，說(shuō)明豎直方向上水相污染物更容易向下遷移。由于白油粘度大引起的油相污染物在泄漏口周?chē)逊e，導(dǎo)致大量的油相污染物在壓力的作用下沿管壁向上遷移，最終油相污染物在地表溢出影響了地表溫度。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)輸油管道低溫泄漏實(shí)驗(yàn)裝置，研究水在常溫環(huán)境與低溫環(huán)境條件下的遷移特征和低溫環(huán)境下水和白油的遷移特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）低溫環(huán)境對(duì)于油、水的遷移具有明顯的阻礙作用，低溫環(huán)境下油、水的遷移受到地表低溫影響，向下遷移能力較強(qiáng)，而且低溫環(huán)境會(huì)使環(huán)境溫度場(chǎng)的中心向下偏移，減小了油、水的遷移范圍。

（2）低溫環(huán)境下，在泄漏流量及泄漏時(shí)間相同時(shí)，水相污染物遷移的速度大于白油，向下遷移的較遠(yuǎn)，環(huán)境溫度場(chǎng)的變化也比油相污染物均勻，而相比于水相，在低溫環(huán)境下油相污染物遷移速度明顯減緩，從而導(dǎo)致在泄漏處頂部發(fā)生堆積，開(kāi)始時(shí)油相污染物在重力的作用下向下遷移但是由于油相污染物粘度較大，多孔介質(zhì)的孔隙逐漸被充滿，向下遷移受阻，隨后油相污染物主要受壓力的影響沿著管壁向地表方向遷移，最終溢出地表面。

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Comparison of the Migration of Oil and Water in Porous Medium With Cryogenic Experiment

WU Guo-zhong1, ZHAO Wen-hao1, LV Yan2, QI Han-bing1, ZHOU Ying-ming1, LI Dong1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2.Daqing Petrochemical Company Information Technology Center, Heilongjiang Daqing 163318, China）

The migration characteristics of the pollutants (oil and water) in the porous medium are the basis of development of the oil pipeline leak detection technology in the severe cold area. In this paper, experimental simulation of the oil pipeline leak pollutants migration process within the porous medium was carried out to study the migration of oil and water in the dispersion type granular porous media under the low environment. The results show that the oil and water migration significantly change in low temperature environment, the temperature field in the migration process significantly changes, and the migration range is significantly decreased; Comparing to the water phase pollutant, the migration rate of oil phase pollutants is obviously slowed down under the low environment, which results in pollutant accumulation at the top of the leak, and eventually spills over to the surface.

Porous medium; Oil-water; Migration; Cryogenic experiment

TE 832

A

1671-0460（2016）06-1108-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO. 51274071)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目（2015D-5006-0605）。

2016-03-15

吳國(guó)忠（1961-）,男,黑龍江海倫人,教授,博士,2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè),研究方向:傳熱傳質(zhì)。電話:0459-6507763,E-mail: lidonglvyan@126.com。

李棟（1979-），男，副教授，博士，研究方向：管道泄漏激光檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail：lidonglvyan@126.com。