2月25日，中国科技期刊卓越计划行动计划期刊、石油天然气工业领域/地球科学领域高质量期刊T1级《天然气工业》（中国“百强报刊”、EI收录，复合影响因子5.915、综合影响因子5.201）刊发了我院孙巧雷副教授、冯定教授团队关于深水测试作业安全的最新研究成果 “喷淋作用下的深水测试放喷热辐射预测与预防”。我院孙巧雷副教授为论文第一作者，冯定教授为论文的通讯作者，长江大学机械工程学院为论文第一完成单位。
近十年来，全球新增油气储量的60%来自海洋，而深水领域勘探开发程度低，前景广阔，海洋油气已经成为油气勘探开发的重要潜力区。开发深水油气，是高水平实现保障我国能源安全、建设海洋强国战略的重要举措。在海洋油气勘探中，油气井测试是不可或缺的重要环节，2014年我国开始自营深水测试作业，我国深水测试井普遍具有气井高产、深水、井况环境复杂、作业成本高及安全控制要求高等特点。在深水天然气测试地面流程中，多相混合物会通过地面流程分离、泄压、加热后由燃烧臂放喷燃烧，高产下的天然气放喷是地面流程的主要风险点之一。为了降低深水放喷测试作业时平台及燃烧臂的热辐射风险隐患，现场一般采用喷淋的方式来降低热辐射的影响，然而准确获得平台燃烧臂附近放喷温度、热辐射仍然存在挑战。
图1 喷淋作用下放喷热辐射强度计算示意图 图2 中轴线30～40 m热辐射强度曲线图
论文定义了火焰有效源燃烧直径，计算了截头锥体的火焰外形结构参数，对火焰表面热辐射能量、视角系数以及水幕透射率等参数计算方法进行了说明，并基于相关理论构建了喷淋作用下放喷火焰的热辐射通量计算模型。现场实例分析中，理论结果与数值软件计算结果整体误差在9%以内，论文同时对存在误差的原因进行了细致分析。通过该研究，形成了测试作业平台燃烧臂附近的放喷热辐射计算体系，分析了不同放喷关键参数在喷淋影响下的火焰温度和辐射量变化规律，并总结了放喷测试时平台区域安全管理措施。
图3 喷淋作用下热辐射温度和辐射量的分布图
论文根据现场某测试井的实际作业工况，利用喷射小液滴和对称旋转模型模拟放喷喷淋的水幕作用，进行了喷淋作用下的放喷热辐射温度和辐射量分析，掌握了放喷火焰温度、热辐射的主要分布形式，完成了热辐射安全预测范围对比分析。下图为放喷管径对称轴平行线、径向平行线上的温度与辐射量分布规律。
图4 对称轴平行线上的温度与辐射量分布图
为了深入研究放喷辐射的主要影响因素，探究了喷淋的喷射速度、放喷管径、不同产量等对于放喷温度和辐射量的影响。基于放喷分析结果、美国石油协会在API规范的要求，提出了平台区域安全管理基础要求。
图5 不同喷射速度近平台区域温度与辐射量分布图
近年来，孙巧雷副教授、冯定教授及其所在研究团队，围绕我国深水测试作业面临的理论与应用难题，开展了相关研究，其研究包括深水测试作业风险评估及安全体系建立、测试管柱-隔水管横向承载模型建立与分析、测试管柱动力学建模与动态特性分析、测试地面流程风险识别与分析、地面流程管道振动与冲蚀、内外管接触碰撞等。代表性研究成果包括：
[1]喷淋作用下的深水测试放喷热辐射规律及关键参数[J].天然气工业,2024,44(02):111-121.（EI、CSCD/ T1）
[2]深水测试管柱与隔水管的横向承载特性[J].天然气工业,2020,40(12):106-115.（EI、CSCD/ T1）
[3]Analysis of lateral dynamic response characteristics of drilling riser during installation of deep-water Christmas tree[J].Journal of Engineering Research,2023,https://doi.org/10.1016/j.jer.2023.12.003.（SCI）
[4]Dynamic response of deepwater test string under fluctuations in axial force and internal pressure[J].Scientific Reports, 2023,13(1):11718.（SCI）
[5]Experimental andnumerical simulation analyses of elbow erosion in surface process of deepwater gas well testing[J].Journal of Failure Analysis and Prevention,2024,24(1): 202-215（ESCI、EI）
[6]轴向载荷波动下海上测试管柱动力响应与安全系数分析[J].中国安全生产科学技术,2018,14(11):19-25.（CSCD/ T1）
[7]深水测试地面流程节流油嘴段温压场研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(05):19-25.（CSCD/ T1）
[8]海上气井测试放喷地面油嘴流动分析[J].中国海上油气,2021,33(06):158-165.（CSCD/ T2）
[9]海上管中管结构力学研究现状与发展[J].科学技术与工程,2023,23(21):8907-8915.（中文核心/ T3）
[10]深水测试管柱测试过程中横向振动特性分析[J].海洋工程装备与技术,2021,9(01):91-99.
[11]管中管结构外管塌陷对内管强度的影响[J].长江大学学报(自然科学版),2020,17(03):48-55.（T3）
[12]深水测试管柱应力分布规律与动态响应分析[J].石油机械,2020,48(03):82-90.（中文核心/ T3、“2020年度中国石油科学十佳论文”提名奖）
[13]深水测试地面流程弯管振动特性分析[J].石油机械,2020,48(12):52-59.（中文核心/ T3）
[14]测试地面流程弯管冲蚀磨损的影响研究[J].石油机械,2021,49(01):88-94.（中文核心/ T3）
[15]基于风险矩阵和层次分析法的深水气井测试作业风险评估[J].科学技术与工程,2021,21(23):9851-9855.（中文核心/ T3）
a）最大位移 b）最大转角 c）最大弯矩
图6 海流流速变化下隔水管-测试管柱体系的最大横向位移、转角和弯矩
图7 不同产量下的测试管柱最大横向振动位移图8 不同水深处管柱变形随时间步变化的响应
上述研究得到了中国海洋石油集团有限公司“十三五”科技重大专项、湖北省自然科学基金、油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学）、湖北省高等学校省级教学研究项目、中海石油（中国）有限公司湛江分公司等资助。
论文链接：
https://trqgy.paperonce.org/html/202402011.html