考虑原油静止储存胶凝沉积的...水封洞库潜液泵水力设计方法_洪家骏.pdf

东北石油大学学报第 卷第期 年月 收稿日期：；编辑：蔡田田基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；国家自然科学基金重点项目（）作者简介：洪家骏（），男，硕士研究生，主要从事油气储运工艺理论与技术方面的研究。通信作者：王志华，：考虑原油静止储存胶凝沉积的地下水封洞库潜液泵水力设计方法洪家骏，欧阳伟雄，孙巍，王志华（东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 ；中国石油大庆油田设计院有限公司，黑龙江 大庆 ）摘要：地下水封洞库原油恒温且储油环境稳定，在储存过程中存在原油静止储存胶凝沉积。对以扬程为特性参数的潜液泵水力设计提出约束条件，分析地下水封洞库原油静止储存胶时存在凝沉积过程，建立地下水封洞库储油胶凝沉积层厚度预测方法，通过振荡剪切实验获取胶凝沉积层发生剪切破坏所需剪切应力；考虑开启潜液泵时剪切流场产生切向应力，建立地下水封洞库储油周转过程的胶凝结构破坏力学模型。以水力输送和剪切破坏为约束，建立考虑原油静止储存时存在胶凝沉积的地下水封洞库潜液泵水力设计方法。以某地下水封洞库为工程背景，应用并验证潜液泵水力设计方法。结果表明：应用该水力设计方法优化潜液泵适宜扬程为 ，高于满足最低工作要求扬程的。原油流变性实验结果验证模型的可行性，原油动力黏度与相对密度的增大削弱胶凝沉积层的剪切破坏效果，对于不同工况，较大的原油动力黏度与相对密度可以提升储油周转过程破坏胶凝沉积层的稳定性。该结果为地下水封洞库储油周转过程的安全与优化运行提供依据和方法。关键词：地下水封洞库；潜液泵；胶凝沉积；力学模型；剪切破坏；扬程中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言地下水封洞库具有储存稳定、安全、经济等特点，对国家战略能源的贮存与 的封存方面具有重要影响，其中以储存石油、天然气为主。传统的石油、天然气储存方法是通过建立地面油库，使原油、成品油、液化油气等介质在加热的条件下储存于钢制储罐。节能形势的需要及储罐储存呼吸损耗理论的研究，降低油库的加热能源损耗，实现低温稳定储存成为必然趋势。因此，利用岩层保温特性储存油品的地下水封洞库成为研究热点。近年来，地下水封洞库的工程建设与储油可行性得到关注。考虑岩层特性对水封储油性能的影响，李印等分析砂岩韵律层理对水封储油的影响规律。张磊等分析地下水封洞库竖井与洞室交叉处的强度。关于埋地输油管道的运行管理方面已采取有效的腐蚀防护措施。对于库内装置结构设计的研究相对较少，其中潜液泵为地下水封洞库的动力核心。焦致忍 对机械强度与温度平衡进行分析，设计适用于地下水封洞库的大功率潜液泵；基于地下水封洞库的储油工艺，李莉等 设计一套潜液泵的控制方案。这些潜液泵的相关研究基于潜液泵的自身结构而展开设计，未考虑地下水封洞库内储存原油特性的影响。原油在地下水封洞库静止储存过程中形成胶凝结构，原油温度高于凝点时的胶凝特性源自于含蜡组分和大量高分子质量组分，其中无定型的胶质、沥青质是形成原油胶凝特性的辅助因素 。等 对存在沥青质的含蜡原油胶凝结构进行流变性测试，揭示沥青质的极性影响胶凝过程的机理。基于蜡晶、胶质和沥青质分子模型构建含蜡原油体系，国丽萍等 采用分子动力学模拟方法，研究温度对含蜡原油胶凝过程影响的微观机理，表明温度降低时，含蜡原油分子链发生蜷曲，且越接近凝点变化越剧烈。原油在低温、稳定环境下存在胶凝沉积，地下水封洞库周围岩层温度一般高于原油凝点，对原油静止储存胶凝沉积，以及潜液泵启泵时胶凝沉积层剪切破坏状态的研究不足。考虑原油静止储存胶凝沉积并设计地下水封洞库潜液泵水力参数的研究较少。以原油静止储存胶凝沉积为基础，考虑地下水封洞库储油周转过程中潜液泵形成的剪切流场，分析胶凝结构破坏力学过程，建立地下水封洞库潜液泵水力设计方法，为地下水封洞库储油周转过程安全与优化运行提供依据。原油静止储存胶凝沉积过程水封储油工艺图地下水封洞库储油原理 地下水封洞库储油原理见图。水封洞库主要由石油洞室、水幕系统、水垫层、积水井、潜液泵及外输系统等组成。石油洞室设置于地下水位线以下的岩石地层，岩石孔隙可以作为地下水流动的天然通道，在任意水平面上，地下水位线与石油洞室之间的水幕巷道与分布在洞库周围岩层中的注水孔组成水幕系统。水幕巷道中人工注入的水流经过注水孔进入石油洞室周围的岩石孔隙，对石油洞室周围的地下水压进行控制，在不同季节、不同降水量条件下，保证岩石孔隙水压大于石油洞室内油压。在岩石孔隙与储存石油交界处，受洞室内、外压力差的作用，地下水被压入石油洞室并汇聚成流，构成地下水渗流场。这些地下水沿洞室内壁流入积水井，水位逐渐上升并形成水垫层，储存石油无法突破水压泄露至周围岩层的孔隙中，形成包裹整体储存石油的动态封闭压力场。同时，地下水与石油洞室内壁岩层对水封洞库内原油进行热量交换，以维持储油温度恒定。石油洞室自上而下分为油气层、储油层和水垫层，随储存时间的延长，水垫层的水位变化影响整体的液面高度。根据液面高度变化的处理方法，将水封洞库储油工艺分为固定水位法和变动水位法。固定水位法是将石油洞室内水垫层的水位高度控制为固定值，在石油洞室底部设置积水井，并配置一套自动化检测排水系统，维持一定高度的水垫层，洞室内仅存在油气层与储油层的边界位置的变化。变动水位法是将储油层液面维持在石油洞室的洞顶附近，进行收发油工艺操作时，根据油水等体积置换的原理，利用位于石油洞室底部的输水潜液泵等体积泵出或注入。相较于变动水位法，固定水位法的洞室结构复杂，保存油气层使运行压力相对较低，控制水垫层的高度可以减少油田污水的处理量，同时水封洞库内设备的维护与运行费用较低。在地下水封洞库储存石油时多采用固定水位法的工艺。储油胶凝沉积层厚度原油中含蜡、胶质、沥青质等重质组分，在静止储存过程中形成胶凝颗粒，不断聚集、沉降成一定厚度的胶凝沉积层 。根据斯托克斯沉降理论确定沉降速度：（），（）式中：为沉降速度；为储油胶凝颗粒粒径；为重力加速度；为水相密度；为油相密度；为动力黏度。以地下水封洞库底部为 平面，洞库底部中心为原点，构建三维空间坐标系，原油静止储存时，胶凝颗粒沉积厚度达到地下水封洞库底部的临界高度 为 （），（）东北石油大学学报第 卷 年式中：为地下水封洞库内部高度 处的蜡晶颗粒粒径；为维持原油静止储存状态的沉积时间。若忽略胶凝沉积层的向上扩张速度，则静止储存时间内胶凝沉积层的胶凝颗粒质量总和为静止储存胶凝沉积量，有 ，（）式中：为原油在静止储存温度时的胶凝沉积速率，基于 蜡沉积模型 计算；、分别为地下水封洞库的长度和宽度。考虑地下水封洞库中原油静止储存胶凝沉积过程与温度密切相关 ，在地热能与太阳辐射的对抗作用下，靠近地面的地层为太阳辐射主导的外热层，地核中心附近为地热能主导的内热层，外热层与内热层的温度分布不同，基于 热传导定律，地层温度与地层深度呈线性相关关系。在地层温度的梯度较小时，胶凝颗粒临界高度至地下水封洞库底部的温度变化幅度很小，可以用地下水封洞库底部温度与胶凝颗粒临界高度处温度的均值代替静止储存温度。假设储油多元组分体系为均一、稳定的相平衡状态，胶凝颗粒垂直沉降至地下水封洞库底部，形成上表面为平面的胶凝沉积层，则沉积时间内胶凝沉积层增长厚度的预测模型为 （）（）（），（）式中：为地下水封洞库潜液泵占地面积等效半径；、分别为地下水封洞库底部和胶凝颗粒临界高度处的温度；为胶凝颗粒的密度。储油胶凝沉积层强度实验条件实验储油介质为轻质原油，原油组分及物性参数见表。表原油组分及物性参数 凝点析蜡点密度（）（蜡晶）（胶质和沥青质）（机械杂质）考虑原油中蜡晶、胶质和沥青质的析出量、聚集和沉积状态对温度具有较强的依赖性，胶凝沉积层强度可以用弹性反映。根据地下水封洞库实际储油温度，实验设置恒定温度为。基于应力控制型流变仪（）常压半导体控温锥板测试系统，对胶凝沉积层强度进行流变性测试；胶凝结构振荡剪切实验中，设定振荡剪切应力扫描范围为 。实验过程及结果图振荡剪切应力与储能模量、损耗模量的关系 将油样装于流变仪测试系统，设置实验温度为，形成稳定胶凝结构后，以振荡剪切为施力方式，在 的振荡剪切应力范围内，选择控制程序进行动态振荡剪切应力扫描，测量表征原油胶凝结构强度的参数。流变仪记录振荡剪切应力与储能模量、损耗模量的关系见图。由图可知，在剪切应力较小时，胶凝结构的储能模量大于损耗模量，胶 凝 结 构 的 弹 性 大 于 黏 性，处 于 胶 凝 状态 ；随振荡剪切应力增加，储能模量与损耗模量缓慢下降，且维持储能模量大于损耗模量的胶凝状态。当振荡剪切应力达到 时，储能模量与损耗模量急剧下降并交于一点，第期洪家骏等：考虑原油静止储存胶凝沉积的地下水封洞库潜液泵水力设计方法储能模量等于损耗模量；继续增加振荡剪切应力，储能模量与损耗模量缓慢下降，但储能模量小于损耗模量，表明剪切应力达到 后，胶凝沉积层发生剪切破坏，胶凝结构从胶凝状态转化为可流动的溶胶状态。储油周转胶凝结构破坏力学模型储油周转能量方程图地下水封洞库储油周转过程示意 潜液泵在泵入口区域形成吸入真空度，由地下水封洞库内壁与泵入口区域之间的压力差产生剪切流场，在压力的作用下，对具有流变特性的胶凝沉积层产生一定的剪切破坏效应 。地下水封洞库中潜液泵电动机开启后，叶轮旋转带动泵内油流以一定速度进入输油管道。由于潜液泵中油流的压能与动能相互转换，泵入口压力随油流流速增加而降低，在压力差作用下库内油流向潜液泵入口方向流动。分析地下水封洞库周转过程中的能量转换关系，确定油流流速与潜液泵扬程存在相关关系。地下水封洞库储油周转过程示意见图。分别取胶凝沉积层与地下水封洞库岩层内壁的接触点、潜液泵入口、地面输油管道出流口、油气交界面，且以潜液泵入口为中间节点，由、段伯努利方程构建能量方程组：；。（）式中：、分别为、点距离地下水封洞库底面的高度；、分别为、点的储油压力；、分别为、点的油流流速；为管输出库作业中油流经过外输管道产生的水力摩阻损失；为潜液泵扬程。由于油气界面下降缓慢，可以忽略不计点的流速，且假设潜液泵入口流速与输油管道出口流速一致，即，则地下水封洞库储油周转过程的能量方程可简化为；。（）.储油压力方程地下水封洞库储油周转过程的能量转换关系中，段的摩阻损失采用列宾宗公式计算，并根据式（）消除中间节点的相关参数，有 （），（）式中：为潜液泵在储运周转过程中泵送的流量；为库内储油的运动黏度；为输油管道的内径；为输油管道的长度；、为油流流态列宾宗公式的相关参数。东北石油大学学报第 卷 年为分析潜液泵水力参数对胶凝沉积层剪切力学效应的影响，根据地下水封洞库储油周转过程能量转换关系中的段伯努利方程，流量可以表示为（）。（）将式（）代入式（），得到胶凝沉积层在点的储油压力为（）（）（）。（）点处于地下水封洞库内壁与胶凝沉积层接触的界面，近壁面的流体流速可近似为，周围岩体内部存在大量孔隙，地下水通过孔隙流入地下水封洞库，形成封闭压力场以实现原油贮存，根据饱和岩体单裂隙通道流体流速方程，点地下水流速为 （），（）式中：为岩体单裂隙的截面面积；为地下水位线的地层压力。取点的地下水流速等于油流流速，联立式（），消除近壁面油流流速的影响，得到储油压力的解析方程为 （）（）（）（）。（）.胶凝沉积层力学分析对地下水封洞库胶凝沉积层自上往下截取厚度为的受力微元体进行力学分析。在原油静止储存时，受力微元体截面处的剪切应力，用于平衡储油压力与潜液泵附近入口压力之间的压力差，原油静止储存的力学平衡模型可以表示为（）（），（）式中：为原油静止储存的胶凝沉积层内部剪切应力。潜液泵尚未开启前，泵入口压力等于地下水封洞库内壁附近的储油压力，胶凝沉积层内部剪切应力为。这是原油静止储存时，随沉积时间的增加，能形成具有一定厚度胶凝沉积层的主要原因。在储油周转过程中，潜液泵开启在泵入口处形成吸入真空度，破坏泵入口压力等于内壁储油压力的静止储存条件；由于压力差引起油流流动，剪切流场对胶凝沉积层表面产生力学作用，静止储存时的力学模型不再适用，在胶凝沉积层内部产生相应的剪切应力，促使胶凝结构发生剪切破坏。假设剪切流场的流速特征随空间变化均匀，则在地下水封洞库内壁与潜液泵入口之