非常規油氣儲運創新實驗平臺的建設與實踐

閻鳳元, 劉 凱

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院, 北京 102249)

中國是世界能源生產及消費大國,開發利用非常規油氣資源已成為能源戰略的重要組成部分。非常規油氣要大規模工業化,需要新理論、新技術、新管理和創新型人才[1]。近年來,我校油氣儲運工程專業校內實踐教學設施不斷完善,油氣儲運工程系也一直致力于實踐教學相關課題研究,針對非常規油氣由于其儲層特征、開發方式等不同造成地面集輸、儲運方式不同等問題,以國家級虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱“實驗中心”)為依托,與科研實驗室研究成果相結合,搭建了非常規油氣的集輸、儲運創新實驗教學平臺,拓展學生專業學習方向,培養優秀工程人才。

1 平臺建設的必要性

進入21世紀,致密油氣、頁巖氣、油砂油、重油等非常規油氣勘探開發技術取得了戰略性突破,非常規油氣產量急劇上升,成為全球油氣供應的重要組成部分。中國從“十二五”開始,正式進入常規與非常規油氣資源開發并舉的時期,頁巖氣、煤層氣已經實現了商業開采,重(稠)油開采也有重大進展,許多方面達到世界先進水平[2]。但非常規能源的開發仍存在很多技術難題,如：煤層氣集輸中,由于井口壓力低、井多、井間干擾、多相流動等特點,其地面集輸系統管網龐大、效率較低；頁巖氣藏儲層具有典型低孔、低滲的物性特征,氣流的阻力比常規天然氣大,使得頁巖氣開發面臨采收率不穩定、壓力變化大等不利因素；重油輸送難度大、能耗過高等；開發技術難度大、經濟效益低[3-4]。

面對新技術帶來的新問題,生產現場亟需了解和掌握非常規能源開發特性的技術人員,并將新的理論和方法帶入工程實際來解決以往常規能源開發沒有遇到的問題,提高經濟效益及安全性。

石油高校作為石油工業人才培養的重要基地,已經逐步將非常規能源開發的理論及技術知識納入到培養方案中,更新專業技術知識,為學生構建更為合理的知識體系,增強專業技能,但大多是理論知識課內講解,相關課程中配套的實驗平臺建設較少,嚴重影響了學生對相關知識的理解和運用。因此,必須建設開放的非常規油氣儲運創新實驗平臺，并針對熱點問題或技術難題設計實驗項目、提供實驗工具。

2 平臺建設目標

以“瞄準前沿、重視需求、結合科研、強化特色”為實驗平臺建設目標,以專業教學實驗中心為基礎,利用科研資源優勢,將高水平的科研實驗設備、高水平的科研隊伍應用到實驗教學中,建設低壓氣集輸管網模擬計算平臺、小型液化裝置模擬實驗平臺、LNG氣化模擬實驗臺、重(稠)油輸送技術實驗平臺和天然氣水合物模擬實驗平臺,并開發了相關教學及開放創新型實驗項目,建立考核機制,培養學生創新意識及在實踐過程中研究解決復雜工程問題的能力。

3 平臺建設的主要內容

3.1 低壓氣集輸管網模擬計算平臺

煤層氣、頁巖氣等低壓氣在地面集輸過程中,與常規氣田相比,有壓力變化大、流動復雜、集輸半徑小、開采周期短、產量波動大、產能效率低等問題[5],依托實驗中心的仿真模擬計算平臺服務器和計算機,開展多點低壓氣集輸管網模擬計算及管網優化實驗,實驗室提供了國內外典型頁巖氣、煤層氣區塊開放數據,也可自行設置氣田開發條件,學生可應用商業軟件或實驗室自行開發的多相流管網計算軟件、管道模擬仿真計算軟件對集輸系統進行模擬計算,并根據模擬計算結果做進一步優化。

平臺部分實驗內容見表1,通過模擬計算實驗,學生經歷了模型建立、參數選擇、仿真計算、優化計算等過程,不僅理解了低壓氣集輸過程,還學習了各種專業軟件的應用及優化方法的適用性。平臺綜合了多相流動、自動控制、管道輸送、管網優化等多學科知識,提供了一個安全、可靠、高效的計算環境。

表1 低壓氣集輸管網模擬計算平臺部分實驗項目

3.2 小型液化裝置模擬平臺

煤層氣、頁巖氣的開采過程中有些偏遠區塊及低產量區塊采用儲氣包、低溫液化等方法儲存運輸,因此,依托LNG科研實驗室建設該子平臺,可以對小型液化裝置進行設計、計算及實驗,培養學生綜合設計能力。部分平臺實驗內容見表2。該平臺結果可與管網模擬計算平臺對接,實現對非常規氣田多種集輸方式的綜合優化。

表2 小型液化裝置模擬平臺部分實驗項目

3.3 LNG氣化模擬實驗平臺

實驗中心建設了虛實結合的LNG接收站及氣化流程操作控制臺,可實現對主要設備的控制和工藝流程顯示。在已有設備的基礎上,開發了工藝模擬計算平臺,利用工藝模擬軟件進行流程設計及計算,針對不同的設備及流程,根據任務需求進行工藝流程優化,在模擬計算結果的基礎上,提出可靠的能源利用方式及節能降耗措施,加強學生軟件應用能力及理論聯系實際的工程實踐能力。平臺部分實驗內容見表3。

表3 LNG氣化置模擬平臺部分實驗項目

3.4 重油、超稠油輸送技術實驗臺

重油是非常規石油的統稱,包括重質油、高粘油、油砂等,一般在常溫下不能流動,只有通過加熱或稀釋等方法減少管壁摩擦阻力,才能實現管道輸送。依托油品物性檢測實驗室和科研實驗室設備,對稠(重)油降粘輸送方法建設實驗平臺,針對各種方法,實驗室提供實驗設備、場所及指導,引導學生思考解決方案并進行實驗驗證和分析,鼓勵學生開展輸送工藝、方法的創新研究。平臺部分實驗內容見表4。

表4 重油、超稠油輸送技術平臺部分實驗項目

3.5 天然氣水合物實驗平臺

隨著天然氣水合物基礎研究的不斷深入,天然氣水合物開采及利用研究空前活躍。結合科研實驗室儀器設備及科研成果開發研究性開放實驗,鼓勵學生利用天然氣水合物對非常規氣進行儲存、運輸等的相關研究。平臺部分實驗內容見表5。

表5 天然氣水合物實驗平臺部分實驗項目

4 平臺特色

(1) 增加了非常規油氣資源儲運的實踐教學項目,擴展了學生的專業知識體系。我國從“十二五”開始大規模進行非常規油氣開采,為了適應行業需求,今年我校油氣儲運工程專業已將該部分內容加入到理論課程中,使學生對相關知識有一定了解,但缺乏直觀認識和系統的實踐應用。實驗中心的教學團隊結合科研成果,在實驗中心已有的設備平臺上開發了一系列實驗項目,填補了專業實踐體系的空白,進一步完善學生的知識結構,開闊學生的專業視野,提升學生的綜合素質,增加學生科研和就業的優勢。

(2) 依托教學和科研團隊,緊跟行業需求,及時更新實驗教學內容,培養與時俱進的卓越工程師。我校油氣儲運專業有非常優秀的教學和科研團隊,也非常注重科研成果向教學的轉化。經過研討及時選擇一些科研成果填充實驗內容,實時更新,使實驗及創新選題直接來源或接近生產實際,激發學生應用所學創新解決工程實際問題的能力[6]。2014年科研團隊與實驗中心聯合成立了煤層氣管網模擬計算創新實驗室,利用實驗中心的大型計算設備,為科研提供計算環境,同時,“十二五”重大專項部分科研課題和成果直接轉化為學生的研究課題、科技創新項目及學生必修的實驗、實訓項目,在人才培養方面取得了良好的效果。

(3) 分層次安排課內課外實驗項目,遞進式培養學生實踐創新能力。專業實驗課程體系分為基礎應用層、綜合設計層、研究創新層3個層次,有非常完備的油氣儲運實踐平臺,而非常規油氣儲運部分以此為基礎,在實驗中心已有設備基礎上,大力開發設計型實驗、綜合型實驗及探索創新型實驗作為補充,完善實驗課程體系。基礎和設計型實驗列入專業實訓的必修課程,綜合型實驗作為限制選修和開放實驗進行,探索創新型實驗鼓勵學生利用課余時間完成,為競賽、科研做準備。做到專業必修實驗與選修實驗相結合、課程實驗與科研創新相結合,系統提高學生實踐創新能力[7-8]。

(4) 結合大學生創新及學科競賽平臺,培養學生綜合分析、創新解決工程實際問題的能力。非常規油氣儲運創新實驗平臺建成后,顯示了其強大的靈活性、擴展性和先進性。平臺定位為創新教學開放平臺,模塊化、開放性、易集成擴展,可滿足學生在專業知識中的各種需要[9-10]。同時,師資力量雄厚、設備先進，指導教師均參與相關科研任務。實驗中心強大的超級計算和基礎檢測設備為學生提供了良好的硬件基礎,相關科研設備也可通過預約方式服務于學生創新研究,學生基于本平臺進行的創新和競賽項目已獲得多個獎項。

5 平臺實施效果

通過建設非常規油氣儲運創新實驗平臺,補充了專業實踐課程體系、拓展了學生的專業方向、提高了學生的專業綜合素質。近3年培養了多個相關方向的研究生和本科生。煤層氣集輸方向培養了碩士研究生6人、博士研究生2人，稠油管道運輸方向培養碩士研究生3人，天然氣水合物漿液輸送方向培養碩士研究生4人、博士研究生2人，天然氣液化及LNG氣化方向培養碩士研究生7人。在本科生培養上,除必修及選修實踐課程外,每年均有部分學生參與相關創新課題研究,為就業和繼續深入科研打基礎。全國石油工程設計大賽的題目有2屆涉及非常規能源開采問題,學生依托平臺參加競賽,獲得了2個一等獎、4個二等獎和7個三等獎的佳績,實驗平臺為學生進一步深入專業領域的研究和就業提供了堅實的支撐,獲得了良好的教學效果。

6 結語

油氣儲運行業技術的飛速發展使油氣儲運企業青睞基礎扎實、綜合素質高、自我學習和工程實踐能力強的技術人才[11]。開展非常規油氣的儲運實驗實踐教學是其中十分重要的一個環節,但目前這方面沒有成熟的經驗和設備,需要從工程實際和科研成果轉化。通過開拓思路調整和完善教學方案,建設的非常規油氣儲運實踐教學創新平臺取得了良好的效果,完善了專業實踐教學體系,是進一步提升專業工程教育質量的有益嘗試,對工科專業實踐教學創新有很好的參考價值。

References)

[1] 鄒才能,張國生,楊智,等.非常規油氣概念、特征、潛力及技術:兼論非常規油氣地質學[J].石油勘探與開發,2013,40(4):385-397.

[2] 王南,裴玲,雷丹鳳,等.中國非常規天然氣資源分布及開發現狀[J].油氣地質與采收率2015,22(1):26-31.

[3] 周志斌.中國非常規天然氣產業發展趨勢、挑戰與應對策略[J].天然氣工業,2014,34(2):12-17

[4] 龍震.稠油管道輸送技術方法綜述[J].當代化工,2016,45(8):2030-2032.

[5] 蔣洪,張黎,任廣欣,等.煤層氣地面集輸管網優化[J].天然氣與石油,2013,31(1):8-12.

[6] 張培培,王科盛,何倩鴻.基于科研項目搭建制造類研究型實驗平臺[J].實驗技術與管理,2017,34(6):161-164.

[7] 楊克虎.虛實結合的分層次通信原理實驗教學體系探討[J].實驗技術與管理,2017,34(7):162-165.

[8] 李振松,李學華,王亞飛.面向解決復雜工程問題能力培養的移動通信實訓方案[J].實驗室研究與探索,2017,36(7):235-238.

[9] 王瑞紅.立足特色 協同創新 提高研究生實踐能力[J].實驗室研究與探索,2017,36(6):172-175.

[10] 李輝.建設創新實踐平臺,提升大學生創新能力[J].中國高等教育,2013(17):57-59.

[11] 黃維和,鄭洪龍,王婷.我國油氣管道建設運行管理技術及發展展望[J].油氣儲運,2014,33(12):1259-1262