科學(xué)家設(shè)計(jì)新型抗水合物材料，為深水油氣智能防控提供新方案
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-04 15:10:18
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深水區(qū)已成為油氣勘探重大發(fā)現(xiàn)的主陣地，海洋油氣儲(chǔ)量 44% 在深水區(qū)；近 10 年，深水成為油氣增產(chǎn)的核心接續(xù)區(qū)，在全球新發(fā)現(xiàn)的 101 個(gè)大型油氣田中，深水油氣田數(shù)量占比 67%、儲(chǔ)量占比 68%。
然而，深水油氣開(kāi)發(fā)面臨高壓、低溫、組分復(fù)雜等挑戰(zhàn)，導(dǎo)致從油氣藏到井筒、水下設(shè)施到下游工藝的長(zhǎng)距離多混輸管道存在水合物固相堵塞問(wèn)題，輕則導(dǎo)致停產(chǎn)，重則引起泄露爆炸等工程災(zāi)難。因此，探明這其中水合物成核-生成-聚集-堵塞的內(nèi)在本質(zhì)，形成有效的智能化防控體系，是一項(xiàng)科學(xué)研究與工程問(wèn)題并存的重大挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，大連理工大學(xué)宋永臣教授、張倫祥副教授團(tuán)隊(duì)，聚焦中國(guó)南海深水現(xiàn)場(chǎng)，形成了多相輸運(yùn)體系水合物生成堵塞的關(guān)鍵技術(shù)裝備的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，取得了重要進(jìn)展，并服務(wù)于中國(guó)南海多個(gè)深水油氣平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的流動(dòng)安全保障。
目前深水油氣現(xiàn)場(chǎng)，主要依賴(lài)注入化學(xué)藥劑來(lái)抑制水合物生成，但在長(zhǎng)距離管道輸送中，水合物的形成往往難以完全避免。相較于事后清除已形成的水合物，從源頭防止水合物在管壁沉積更為重要，其核心在于最大限度地減少自由水與管壁的接觸概率。
基于這一防治理念，大連理工大學(xué)水合物流動(dòng)安全保障團(tuán)隊(duì)采用疏水表面作為被動(dòng)防治手段，成功開(kāi)發(fā)出一種具有抗水合物沉積特性的新型功能材料。他們創(chuàng)新性地提出“適度疏水”的設(shè)計(jì)理念，即在保持表面相對(duì)光滑的前提下，通過(guò)調(diào)控表面化學(xué)性質(zhì)而非物理結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)水合物的易移除特性。
其設(shè)計(jì)的硅烷化疏水性表面通過(guò)獨(dú)特的界面效應(yīng)，使水合物晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生自發(fā)提升現(xiàn)象，并能夠形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)。該研究為深水油氣開(kāi)采中的水合物堵塞問(wèn)題，提供了新的解決方案。目前，研究團(tuán)隊(duì)正持續(xù)優(yōu)化材料性能參數(shù)，旨在為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供更具魯棒性的技術(shù)支撐。
大連理工大學(xué)水合物流動(dòng)安全保障團(tuán)隊(duì)劉瑜教授、郎晨博士對(duì) DeepTech 解釋道：“這種自提升式晶體與表面的接觸面積較小，因此很容易被移除。這一現(xiàn)象為解決海洋碳?xì)浠衔镙斶\(yùn)過(guò)程中面臨的水合物防治問(wèn)題提供了新思路。”
日前，相關(guān)論文以《天然氣水合物晶體的自提升和自清潔》（Spontaneous Lifting and Self-Cleaning of Gas Hydrate Crystals）為題發(fā)表在 ACS Nano[2]。
為了實(shí)現(xiàn)水合物堵塞的精準(zhǔn)防控，提高新型功能材料防控的使用效率、控制有效成本。宋永臣團(tuán)隊(duì)在前期研究過(guò)程中，與中海油研究總院有限責(zé)任公司流動(dòng)安全首席工程師姚海元所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了多相輸運(yùn)體系水合物生成堵塞監(jiān)檢測(cè)系列裝備與預(yù)警軟件系統(tǒng)，多次赴中國(guó)南海“海洋石油 119FPSO”、“深海一號(hào)”等深水油氣田現(xiàn)場(chǎng)，深入探究了復(fù)雜輸運(yùn)管道水合物生成條件與易堵位置，形成行之有效的綜合防控方案。
張倫祥提到，在實(shí)際應(yīng)用方面，該表面改性技術(shù)主要針對(duì)管道系統(tǒng)中的關(guān)鍵易堵部位（如盲管、彎管等）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到全管道處理的經(jīng)濟(jì)性約束，研究團(tuán)隊(duì)提出了“關(guān)鍵部位精準(zhǔn)改性”的工程實(shí)施策略。
姚海元首席工程師、李焱工程師等指出，工業(yè)管道堵塞問(wèn)題具有多相流、多組分的特點(diǎn)，除水合物外還涉及石蠟、瀝青質(zhì)等沉積物，且常伴有沙粒磨蝕和二氧化碳等腐蝕性氣體的影響。
因此，后續(xù)研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證材料在復(fù)雜工況下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，包括耐磨性、耐蝕性等工程化指標(biāo)。據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)圍繞“流動(dòng)安全保障”已形成系統(tǒng)性研究方向，主要涵蓋三個(gè)層面：
在基礎(chǔ)理論層面，研究多相流體系下水合物的生成與堵塞機(jī)制，構(gòu)建新的理論體系，為后續(xù)解決堵塞問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)；
在技術(shù)開(kāi)發(fā)層面，該團(tuán)隊(duì)與中海油等企業(yè)合作開(kāi)發(fā)水合物監(jiān)、檢測(cè)技術(shù)裝備及配套軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)堵塞位置的實(shí)時(shí)定位；
在材料創(chuàng)新層面，針對(duì)易堵部位和復(fù)雜工況，開(kāi)發(fā)新型抗水合物材料，并探索抑制劑復(fù)配與解堵技術(shù)，以提升堵塞防治效率。
這種“理論-技術(shù)-材料”的研究框架，為深水油氣開(kāi)采中的流動(dòng)安全保障提供了系統(tǒng)性的解決方案，研究團(tuán)隊(duì)希望其在未來(lái)在實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。 |
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