多孔介质内油、水介质迁移对比低温实验

吴国忠，赵文浩，吕 妍，齐晗兵，周英明，李栋*



多孔介质内油、水介质迁移对比低温实验

吴国忠1，赵文浩1，吕 妍2，齐晗兵1，周英明1，李栋*1

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318; 2. 大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆 163318）

是严寒地区输油管道泄漏检测技术发展的基础。实验模拟分析了输油管道泄漏污染物在多孔介质内迁移过程，研究了低温环境油、水在弥散型颗粒类多孔介质内的迁移规律。研究结果显著减小；，，并且最终溢出地表面。

多孔介质；油水；迁移；低温实验

近年来我国经济和社会的进步带动了石油化工行业的高速发展。石油作为主要的能源之一，其开采、运输和储存早已成为能源安全中的重中之重。管道输送是石油生产过程中的重要环节，是石油工业的动脉，截止到2013年我国油气管线总长度已经从1978年的0.83万km增长到9.85万km[1]。人为因素和自然因素会导致输油管道发生泄漏，输油管道的泄漏不仅影响了正常输送并且造成了巨大的经济损失。输油管道泄漏检测是保障管道安全可靠运行的必要手段[2-4]，近几年来管道泄漏检测 受到了广泛的研究，并取得了较好的应用效果。

国内外众多学者对多孔介质中污染物的迁移问题进行了研究。例如，Cary等[5]通过土柱实验观察不同性质的多孔介质对水和非水相流体运动的影响。Nam等[6]通过一维流体实验发现多级流体比单级流体更适合非饱和砂土水力特性的确定。张玲等[7]通过搭建一维土柱热湿传递实验装置，研究了土壤中温度的变化对其水分迁移的影响，分析了温差动力和浓差动力对土壤中温度分布的起到作用。Keehavaarzi等[8]在二维砂槽中模拟非水相流体在非饱和带中的入渗和重分布，发现砂之间的毛细作用是确定最终非水相流体分布的主要控制因素。杨宾[9]等在二维砂箱中对4 种 NAPLs 污染物在4种不同粒径多孔介质中非饱和入渗特性进行了实验研究。Motenko等[10]发现伴随着冻结土体中石油污染强度的增加，湿度对导热系数的影响会降低。Feng等[11]在不同初始含水率和温度条件下对水在粉质粘土柱中冻结过程的迁移特征进行了实验研究，发现冻结速率大小对水的迁移过程具有严重的影响。Chuvilin等[12]发现不同颗粒分散度、含盐量和冷生构造对石油污染物在冻土中的迁移具有明显的影响。齐晗兵等[13]建立了输油管道泄漏污染物的传热传质过程的迁移数理模型，分析冻土对其迁移过程的影响。李兴柏等[14]通过对冻土中石油污染物的迁移研究，发现温度梯度会对石油污染物的迁移产生影响。李国玉等[15]采集中俄原油管道冻土区石油污染物，对其淋滤作用下的迁移过程做了室内模拟试验，发现冻土层对石油污染物的迁移具有明显的阻碍作用。目前，关于石油污染物在多孔介质中迁移特征研究还不完善，尤其在低温环境条件下的研究比较欠缺。

本文针对低温环境下输油管道的泄漏，搭建了输油管道低温泄漏三维实验平台，对污染物在多孔介质中的迁移特征进行了实验研究，通过监测迁移过程中多孔介质环境温度场的变化以及不同污染物的迁移距离，初步分析泄漏污染物在多孔介质中的迁移特征

1 实验方法

实验装置主要由流体储存加热系统、流动循环系统、数据采集系统、仿真泄漏实验箱体、室外冷源通风循环系统五部分组成。实验箱体尺寸为长80cm、宽80cm、高120cm，并且在箱内上部留出40cm高度作为冷风循环通道。实验箱体采用3mm厚的钢板焊接而成。实验箱体四周应用厚度为20mm的保温绵进行保温处理。通过室外冷源通风循环系统对实验箱内多孔介质环境进行降温，从而达到符合实验条件的低温环境，实验装置如图1所示。

图1 实验装置系统图

实验的多孔介质材料选用石英砂，其综合孔隙率为33.9%，并且对所用石英砂进行粒径分析，采用水和白油作为泄漏污染物，当温度为60 ℃时，水的运动粘度为0.468 8 mPa·s，密度为983 kg/m³，白油的运动粘度为20.8 mPa·s，密度为870 kg/m³。

将实验箱体底层的筛孔板用白纱布包裹好并放置于底座上紧固，同时关闭箱体四周的取样口及排水阀门。然后，将石英砂逐层均匀布置到实验箱体内，采用夯实装置进行压实，保证每层的压实度均匀，同时在指定位置埋入温度传感器，共计布置23根如图2所示。泄漏口位于距地面20 cm处。将遮挡风机的遮风板卸下，打开风机引入室外冷风，待冷风循环48 h后，观察巡检仪的温度变化，当温度场稳定并且满足实验条件时，开始实验。通过数值控温装置设定实验所需流体的温度，对储存罐内的流体进行加热搅拌，保证流体受热均匀。当达到所需温度时，将阀门1和2打开，同时启动计量泵，对循环管路进行预热。将计量泵调节至当次实验所需的流量开始实验，将阀门2关闭同时打开阀门3，记录管道泄漏的时间和箱体内环境的温度数据，泄漏一定时间后停泵，当次实验结束，关闭所有阀门及仪器，对实验箱体内的石英砂进行更换，为下组实验做准备。

图2 实验装置热电偶布置图

2 实验结果和讨论

2.1 介质迁移不同环境对比

那么比如说，有的时候看了一些具有社会学、民俗学价值的小说以后是有些体会的。最近因为搞鸳鸯蝴蝶派，我就看了张恨水的《春明外史》，这本书100万字，看完之后我当然对张恨水也有一个具体的了解，而且得到很大的收获。如果现在让我讲鲁迅《社戏》的前半篇，那么这个一百万字就给我起了一种民俗学的参考作用，因为它讲北京的戏院讲得太详细了，写各种各样背景的剧院，而这种剧场以前在我的脑子里是非常空泛的。你如果去读茅盾的《幻灭》《动摇》《追求》，你读《动摇》的时候对大革命这一段时期的生活就会比较具体化，不读的话就是很抽象的在讲大革命。

本次实验采用水作为污染物，温度为60 ℃，流量为0.088 m3/h，代表竖直方向，代表水平方向，高度为80 cm时代表地面，常温环境下地表温度与多孔介质温度大约为10 ℃，低温环境下地表温度为-15 ℃，多孔介质温度自地表到地层温度范围为-15到5 ℃，根据实验箱内温度场的变化确定泄漏污染物的迁移范围。调节好实验设备后开始实验，泄漏900 s后观察水在常温环境与低温环境中的迁移情况，数据处理并对实验结果进行比较分析，实验结果如图3和图4所示。

如图3所示，在水相污染物泄漏900s后，低温环境中的高温区域面积较大，等温线较为密集，温度梯度变化较快，且随着水相的迁移，低温环境导致环境温度场整体向下偏移，呈现上窄下宽的形状，而常温环境中的温度场变化形状较为均匀，温度梯度变化也比较缓慢，成椭圆形向四周扩散，且温度场面积大于低温环境。

(a)常温环境              (b)低温环境

图3 污染物泄漏900 s

常温环境下水相迁移引起的环境温度场变化已经对地表温度产生了影响，而低温环境下，可以看出低温环境对水相迁移具有一定的阻碍作用，导致水相向地表方向迁移缓慢，主要向下迁移，泄漏900 s后地表温度几乎没有发生改变。

图4 温度随时间和距离变化情况

如图4所示，泄漏口处竖直方向上的温度随时间和距离变化情况，常温环境下地表初始温度为10℃，随着迁移时间和距离的增加，观察泄漏口附近的温度变化幅度，泄漏口下方环境温度变化幅度较大，可以看出水相向下迁移速度略大于向上的迁移速度，当泄漏时间达到900 s时，地表附近的温度略有升高，达到了13 ℃左右。低温环境下地表初始温度为-15 ℃，随着迁移时间和距离的增加，泄漏口下方的环境温度变化明显较泄漏口上方剧烈，说明上层砂土的温度较低对水相的迁移具有阻碍作用，温度变化较小，而随着水相向下层迁移的量逐渐增大，使得下层的砂土温度升高较为明显，当泄漏时间达到900 s时，地表温度基本没有发生变化。通过实验结果对比可以看出，相比于常温环境，低温环境对水相污染物在多孔介质中的迁移具有一定的影响。

2.1 低温环境不同介质迁移对比

本组实验研究在低温环境下，水和白油在多孔介质中的迁移特性，控制流量为0.032 m3/h，温度为60 ℃，代表竖直方向，X代表水平方向，高度为80 cm时代表地面，低温环境下地表温度为-15 ℃，多孔介质温度自地表到地层温度范围为-15到5 ℃，根据实验箱内温度场的变化确定泄漏污染物的迁移范围。泄漏900 s后观察在低温环境下水和白油的迁移情况，数据处理并对实验结果进行比较分析，实验结果如图5和图6所示。

(a)水              (b)白油

图5 污染物泄漏900 s

Fig.5 Contaminant leakage 900 s

如图5所示，在污染物泄漏900 s后，水平方向上，水相污染物的迁移范围远大于油相污染物。竖直方向上，水相污染物向下迁移的距离距地面最远达61 cm，并且还有继续向下的迁移趋势，地面没有水相污染物溢出。而油相污染物向下迁移的距离距地面最远达45 cm，迁移相对缓慢，但在地表已经观察到了溢出的油相污染物，这是由于白油粘度大引起的油相污染物在泄漏口周围堆积，导致大量的油相污染物在压力的作用下沿管壁向上迁移，最终在地表溢出。

如图6所示，泄漏口处竖直方向上的温度随时间和距离变化情况，随着泄漏时间的增加，由于低温环境的影响，水相污染物的迁移主要引起箱体内下层砂土的温度逐渐升高，地表温度场并没有太大的变化，并且在深度超过60 cm以后，砂土温度几乎没有发生改变。而油相污染物在泄漏口周围堆积，导致大量的油相污染物向上迁移，主要集中在距地面15 cm处，使靠近地表的砂土温度逐渐升高，但在深度超过45 cm以后，砂土温度几乎没有发生改变，油相污染物并没有迁移到此深度，说明竖直方向上水相污染物更容易向下迁移。由于白油粘度大引起的油相污染物在泄漏口周围堆积，导致大量的油相污染物在压力的作用下沿管壁向上迁移，最终油相污染物在地表溢出影响了地表温度。

3 结 论

本文通过输油管道低温泄漏实验装置，研究水在常温环境与低温环境条件下的迁移特征和低温环境下水和白油的迁移特征，通过实验结果对比分析，可以得出以下结论：

（1）低温环境对于油、水的迁移具有明显的阻碍作用，低温环境下油、水的迁移受到地表低温影响，向下迁移能力较强，而且低温环境会使环境温度场的中心向下偏移，减小了油、水的迁移范围。

（2）低温环境下，在泄漏流量及泄漏时间相同时，水相污染物迁移的速度大于白油，向下迁移的较远，环境温度场的变化也比油相污染物均匀，而相比于水相，在低温环境下油相污染物迁移速度明显减缓，从而导致在泄漏处顶部发生堆积，开始时油相污染物在重力的作用下向下迁移但是由于油相污染物粘度较大，多孔介质的孔隙逐渐被充满，向下迁移受阻，随后油相污染物主要受压力的影响沿着管壁向地表方向迁移，最终溢出地表面。

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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

国家自然科学基金项目(NO. 51274071)；中国石油科技创新基金研究项目（2015D-5006-0605）。

2016-03-15

吴国忠（1961-）,男,黑龙江海伦人,教授,博士,2008年毕业于东北石油大学油气储运专业,研究方向:传热传质。电话:0459-6507763,E-mail: lidonglvyan@126.com。

李栋（1979-），男，副教授，博士，研究方向：管道泄漏激光检测技术研究。E-mail：lidonglvyan@126.com。