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科學家設計新型抗水合物材料，為深水油氣智能防控提供新方案

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-04 15:10:18

深水區已成為油氣勘探重大發現的主陣地，海洋油氣儲量 44% 在深水區；近 10 年，深水成為油氣增產的核心接續區，在全球新發現的 101 個大型油氣田中，深水油氣田數量占比 67%、儲量占比 68%。

然而，深水油氣開發面臨高壓、低溫、組分復雜等挑戰，導致從油氣藏到井筒、水下設施到下游工藝的長距離多混輸管道存在水合物固相堵塞問題，輕則導致停產，重則引起泄露爆炸等工程災難。因此，探明這其中水合物成核-生成-聚集-堵塞的內在本質，形成有效的智能化防控體系，是一項科學研究與工程問題并存的重大挑戰。

針對上述挑戰，大連理工大學宋永臣教授、張倫祥副教授團隊，聚焦中國南海深水現場，形成了多相輸運體系水合物生成堵塞的關鍵技術裝備的開發及應用，取得了重要進展，并服務于中國南海多個深水油氣平臺現場的流動安全保障。

目前深水油氣現場，主要依賴注入化學藥劑來抑制水合物生成，但在長距離管道輸送中，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，大連理工大學水合物流動安全保障團隊采用疏水表面作為被動防治手段，成功開發出一種具有抗水合物沉積特性的新型功能材料。他們創新性地提出“適度疏水”的設計理念，即在保持表面相對光滑的前提下，通過調控表面化學性質而非物理結構，來實現水合物的易移除特性。

其設計的硅烷化疏水性表面通過獨特的界面效應，使水合物晶體在生長過程中產生自發提升現象，并能夠形成疏松多孔的結構。該研究為深水油氣開采中的水合物堵塞問題，提供了新的解決方案。目前，研究團隊正持續優化材料性能參數，旨在為工業現場提供更具魯棒性的技術支撐。

大連理工大學水合物流動安全保障團隊劉瑜教授、郎晨博士對 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。這一現象為解決海洋碳氫化合物輸運過程中面臨的水合物防治問題提供了新思路。”

日前，相關論文以《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）為題發表在 ACS Nano[2]。

為了實現水合物堵塞的精準防控，提高新型功能材料防控的使用效率、控制有效成本。宋永臣團隊在前期研究過程中，與中海油研究總院有限責任公司流動安全首席工程師姚海元所帶領的團隊，聯合開發了多相輸運體系水合物生成堵塞監檢測系列裝備與預警軟件系統，多次赴中國南海“海洋石油 119FPSO”、“深海一號”等深水油氣田現場，深入探究了復雜輸運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，在實際應用方面，該表面改性技術主要針對管道系統中的關鍵易堵部位（如盲管、彎管等）進行優化設計?？紤]到全管道處理的經濟性約束，研究團隊提出了“關鍵部位精準改性”的工程實施策略。

姚海元首席工程師、李焱工程師等指出，工業管道堵塞問題具有多相流、多組分的特點，除水合物外還涉及石蠟、瀝青質等沉積物，且常伴有沙粒磨蝕和二氧化碳等腐蝕性氣體的影響。

因此，后續研究需要進一步驗證材料在復雜工況下的長期穩定性，包括耐磨性、耐蝕性等工程化指標。據了解，該團隊圍繞“流動安全保障”已形成系統性研究方向，主要涵蓋三個層面：

在基礎理論層面，研究多相流體系下水合物的生成與堵塞機制，構建新的理論體系，為后續解決堵塞問題提供科學依據；

在技術開發層面，該團隊與中海油等企業合作開發水合物監、檢測技術裝備及配套軟件，實現現場堵塞位置的實時定位；

在材料創新層面，針對易堵部位和復雜工況，開發新型抗水合物材料，并探索抑制劑復配與解堵技術，以提升堵塞防治效率。

這種“理論-技術-材料”的研究框架，為深水油氣開采中的流動安全保障提供了系統性的解決方案，研究團隊希望其在未來在實際應用中能夠發揮關鍵作用。

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