吳國忠，趙文浩，呂 妍，齊晗兵，周英明，李棟*

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多孔介質內油、水介質遷移對比低溫實驗

吳國忠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，黑龍江 大慶 163318; 2. 大慶石化公司 信息技術中心，黑龍江 大慶 163318）

是嚴寒地區(qū)輸油管道泄漏檢測技術發(fā)展的基礎。實驗模擬分析了輸油管道泄漏污染物在多孔介質內遷移過程，研究了低溫環(huán)境油、水在彌散型顆粒類多孔介質內的遷移規(guī)律。研究結果顯著減??；，，并且最終溢出地表面。

多孔介質；油水；遷移；低溫實驗

近年來我國經濟和社會的進步帶動了石油化工行業(yè)的高速發(fā)展。石油作為主要的能源之一，其開采、運輸和儲存早已成為能源安全中的重中之重。管道輸送是石油生產過程中的重要環(huán)節(jié)，是石油工業(yè)的動脈，截止到2013年我國油氣管線總長度已經從1978年的0.83萬km增長到9.85萬km[1]。人為因素和自然因素會導致輸油管道發(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濟損失。輸油管道泄漏檢測是保障管道安全可靠運行的必要手段[2-4]，近幾年來管道泄漏檢測 受到了廣泛的研究，并取得了較好的應用效果。

國內外眾多學者對多孔介質中污染物的遷移問題進行了研究。例如，Cary等[5]通過土柱實驗觀察不同性質的多孔介質對水和非水相流體運動的影響。Nam等[6]通過一維流體實驗發(fā)現(xiàn)多級流體比單級流體更適合非飽和砂土水力特性的確定。張玲等[7]通過搭建一維土柱熱濕傳遞實驗裝置，研究了土壤中溫度的變化對其水分遷移的影響，分析了溫差動力和濃差動力對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4 種 NAPLs 污染物在4種不同粒徑多孔介質中非飽和入滲特性進行了實驗研究。Motenko等[10]發(fā)現(xiàn)伴隨著凍結土體中石油污染強度的增加，濕度對導熱系數的影響會降低。Feng等[11]在不同初始含水率和溫度條件下對水在粉質粘土柱中凍結過程的遷移特征進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)凍結速率大小對水的遷移過程具有嚴重的影響。Chuvilin等[12]發(fā)現(xiàn)不同顆粒分散度、含鹽量和冷生構造對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過程的遷移數理模型，分析凍土對其遷移過程的影響。李興柏等[14]通過對凍土中石油污染物的遷移研究，發(fā)現(xiàn)溫度梯度會對石油污染物的遷移產生影響。李國玉等[15]采集中俄原油管道凍土區(qū)石油污染物，對其淋濾作用下的遷移過程做了室內模擬試驗，發(fā)現(xiàn)凍土層對石油污染物的遷移具有明顯的阻礙作用。目前，關于石油污染物在多孔介質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驗平臺，對污染物在多孔介質中的遷移特征進行了實驗研究，通過監(jiān)測遷移過程中多孔介質環(huán)境溫度場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中的遷移特征

1 實驗方法

實驗裝置主要由流體儲存加熱系統(tǒng)、流動循環(huán)系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、仿真泄漏實驗箱體、室外冷源通風循環(huán)系統(tǒng)五部分組成。實驗箱體尺寸為長80cm、寬80cm、高120cm，并且在箱內上部留出40cm高度作為冷風循環(huán)通道。實驗箱體采用3mm厚的鋼板焊接而成。實驗箱體四周應用厚度為20mm的保溫綿進行保溫處理。通過室外冷源通風循環(huán)系統(tǒng)對實驗箱內多孔介質環(huán)境進行降溫，從而達到符合實驗條件的低溫環(huán)境，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)圖

實驗的多孔介質材料選用石英砂，其綜合孔隙率為33.9%，并且對所用石英砂進行粒徑分析，采用水和白油作為泄漏污染物，當溫度為60 ℃時，水的運動粘度為0.468 8 mPa·s，密度為983 kg/m3，白油的運動粘度為20.8 mPa·s，密度為870 kg/m3。

將實驗箱體底層的篩孔板用白紗布包裹好并放置于底座上緊固，同時關閉箱體四周的取樣口及排水閥門。然后，將石英砂逐層均勻布置到實驗箱體內，采用夯實裝置進行壓實，保證每層的壓實度均勻，同時在指定位置埋入溫度傳感器，共計布置23根如圖2所示。泄漏口位于距地面20 cm處。將遮擋風機的遮風板卸下，打開風機引入室外冷風，待冷風循環(huán)48 h后，觀察巡檢儀的溫度變化，當溫度場穩(wěn)定并且滿足實驗條件時，開始實驗。通過數值控溫裝置設定實驗所需流體的溫度，對儲存罐內的流體進行加熱攪拌，保證流體受熱均勻。當達到所需溫度時，將閥門1和2打開，同時啟動計量泵，對循環(huán)管路進行預熱。將計量泵調節(jié)至當次實驗所需的流量開始實驗，將閥門2關閉同時打開閥門3，記錄管道泄漏的時間和箱體內環(huán)境的溫度數據，泄漏一定時間后停泵，當次實驗結束，關閉所有閥門及儀器，對實驗箱體內的石英砂進行更換，為下組實驗做準備。

圖2 實驗裝置熱電偶布置圖

2 實驗結果和討論

2.1 介質遷移不同環(huán)境對比

那么比如說，有的時候看了一些具有社會學、民俗學價值的小說以后是有些體會的。最近因為搞鴛鴦蝴蝶派，我就看了張恨水的《春明外史》，這本書100萬字，看完之后我當然對張恨水也有一個具體的了解，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，那么這個一百萬字就給我起了一種民俗學的參考作用，因為它講北京的戲院講得太詳細了，寫各種各樣背景的劇院，而這種劇場以前在我的腦子里是非?？辗旱?。你如果去讀茅盾的《幻滅》《動搖》《追求》，你讀《動搖》的時候對大革命這一段時期的生活就會比較具體化，不讀的話就是很抽象的在講大革命。

本次實驗采用水作為污染物，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時代表地面，常溫環(huán)境下地表溫度與多孔介質溫度大約為10 ℃，低溫環(huán)境下地表溫度為-15 ℃，多孔介質溫度自地表到地層溫度范圍為-15到5 ℃，根據實驗箱內溫度場的變化確定泄漏污染物的遷移范圍。調節(jié)好實驗設備后開始實驗，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，數據處理并對實驗結果進行比較分析，實驗結果如圖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)境導致環(huán)境溫度場整體向下偏移，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，成橢圓形向四周擴散，且溫度場面積大于低溫環(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)境溫度場變化已經對地表溫度產生了影響，而低溫環(huán)境下，可以看出低溫環(huán)境對水相遷移具有一定的阻礙作用，導致水相向地表方向遷移緩慢，主要向下遷移，泄漏900 s后地表溫度幾乎沒有發(fā)生改變。

圖4 溫度隨時間和距離變化情況

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，當泄漏時間達到900 s時，地表附近的溫度略有升高，達到了13 ℃左右。低溫環(huán)境下地表初始溫度為-15 ℃，隨著遷移時間和距離的增加，泄漏口下方的環(huán)境溫度變化明顯較泄漏口上方劇烈，說明上層砂土的溫度較低對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，當泄漏時間達到900 s時，地表溫度基本沒有發(fā)生變化。通過實驗結果對比可以看出，相比于常溫環(huán)境，低溫環(huán)境對水相污染物在多孔介質中的遷移具有一定的影響。

2.1 低溫環(huán)境不同介質遷移對比

本組實驗研究在低溫環(huán)境下，水和白油在多孔介質中的遷移特性，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時代表地面，低溫環(huán)境下地表溫度為-15 ℃，多孔介質溫度自地表到地層溫度范圍為-15到5 ℃，根據實驗箱內溫度場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，數據處理并對實驗結果進行比較分析，實驗結果如圖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達61 cm，并且還有繼續(xù)向下的遷移趨勢，地面沒有水相污染物溢出。而油相污染物向下遷移的距離距地面最遠達45 cm，遷移相對緩慢，但在地表已經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圍堆積，導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間和距離變化情況，隨著泄漏時間的增加，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下層砂土的溫度逐漸升高，地表溫度場并沒有太大的變化，并且在深度超過60 cm以后，砂土溫度幾乎沒有發(fā)生改變。而油相污染物在泄漏口周圍堆積，導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45 cm以后，砂土溫度幾乎沒有發(fā)生改變，油相污染物并沒有遷移到此深度，說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圍堆積，導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 論

本文通過輸油管道低溫泄漏實驗裝置，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，通過實驗結果對比分析，可以得出以下結論：

（1）低溫環(huán)境對于油、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，而且低溫環(huán)境會使環(huán)境溫度場的中心向下偏移，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間相同時，水相污染物遷移的速度大于白油，向下遷移的較遠，環(huán)境溫度場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，從而導致在泄漏處頂部發(fā)生堆積，開始時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

國家自然科學基金項目(NO. 51274071)；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目（2015D-5006-0605）。

2016-03-15

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

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