鄧心茹

中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室（北京102249)

深水流動安全保障技術(shù)研究

鄧心茹

中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室（北京102249)

近年來深水中豐富的油氣資源吸引著眾多石油公司的目光，但高靜壓、低溫的惡劣環(huán)境使得深水油氣開發(fā)面臨巨大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險，多相混輸條件下的水合物生成、蠟沉積、嚴(yán)重段塞流等問題也嚴(yán)重威脅著水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海底管道的安全運行。通過對大量文獻(xiàn)資料的調(diào)研、整合和總結(jié)，概述了多相流混輸管道的流型及流動規(guī)律研究，闡明了水合物生成和蠟沉積的機(jī)理、危害及控制方法，分析了嚴(yán)重段塞流的形成、預(yù)測及控制措施，并對油氣管線主動加熱技術(shù)和水下多相分離技術(shù)作了闡述。指出，多相流與單相流相比更為復(fù)雜，實現(xiàn)水下多相分離能從根本上有效抑制嚴(yán)重段塞流的形成；我國海洋油氣開發(fā)起步較晚，應(yīng)根據(jù)我國海域的特點加以改進(jìn)和創(chuàng)新，逐步掌握海洋油氣田開發(fā)建設(shè)的核心技術(shù)，擺脫對國外技術(shù)的依賴。。

多相流；天然氣水合物；安全保障技術(shù)；蠟沉積

目前，人類對于油氣資源的需求不斷增加，油氣開發(fā)區(qū)域逐漸由陸地向海洋、由淺海向深海發(fā)展。據(jù)介紹，已探明海洋石油近80%的儲量都集中在500m水深以上的海域[1]。從區(qū)域分布來看，西非、巴西、墨西哥灣和北海集中了全球約70%的深水勘探開發(fā)活動[2]。

深水的開采環(huán)境與陸地相比更加惡劣，且地質(zhì)情況復(fù)雜，集輸半徑大，輸送距離長。高靜壓、低溫（海水平均溫度大約為4℃）的深水環(huán)境使油氣產(chǎn)品在輸送過程需要克服極大的阻力；管道內(nèi)極易造成蠟、瀝青質(zhì)的沉積和生成天然氣水合物，使多相流動變得更加復(fù)雜，嚴(yán)重時可能堵塞管道；管道輸送的井底液成分復(fù)雜，多含有H2S、CO2等酸性介質(zhì)和砂礫等固體雜質(zhì)，造成管壁腐蝕結(jié)垢問題嚴(yán)重；此外，高壓環(huán)境下易產(chǎn)生焦耳—湯姆遜（J-T）效應(yīng)[3]，使得深水溫度進(jìn)一步降低，水合物生成量和蠟沉積量進(jìn)一步增大。所有這些問題，都為深水油氣開發(fā)流動保障帶來了巨大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險。

1 深水流動安全保障概述

“流動保障”的概念最早由Deepstar合作組織于1992年根據(jù)墨西哥灣深海油氣田生產(chǎn)中遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)而提出[4]。它的原意是指“在各種環(huán)境條件下，在整個油氣田開發(fā)期內(nèi)，將海洋油氣流體經(jīng)濟(jì)安全地開采出來并輸送至處理設(shè)施的各種技術(shù)措施和策略”[5]。

深水流動安全保障技術(shù)主要是為了解決深水油氣開發(fā)時在流動過程中造成的海底管道堵塞、滲漏和安全問題，保證流動無堵塞，并將油氣流動控制在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，優(yōu)化流動行為，降低油氣輸送費用成本，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)輸送的目的[6]。近年來，英、美、法及挪威等國相繼建成了不同規(guī)模的實驗環(huán)道，我國也應(yīng)在流動保障方面予以高度的重視，進(jìn)一步提高油氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 多相流混輸技術(shù)

2.1 多相流流型

混輸管道中多相流流型的確定，有利于進(jìn)行管線壓降和溫降規(guī)律的研究，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。常見的是將多相流流型分為三類：分離流（分層流、波浪流和環(huán)狀流）、間歇流（氣團(tuán)流、段塞流）、分散流（氣泡流、彌散流）。

流型的判斷方法有二種：流型圖判斷法和經(jīng)驗公式法。常用的流型圖有曼德漢（Mandhame）流型圖、布里爾（Brill）流型圖、貝克（Baker）流型圖、戈維（Goiver）流型圖、斯科特（Scott）流型圖等，工程中應(yīng)用較多的是貝克流型圖。由于流型圖判斷法使用起來比較繁瑣，且準(zhǔn)確性較差，應(yīng)用較少，大多采用精確度較高的經(jīng)驗公式法[7]。

2.2 多相流流動規(guī)律研究

2.2.1 多相流壓降規(guī)律研究

混輸管道中多相流動的壓力損失主要體現(xiàn)在3個方面：摩阻損失、沿線的高程差以及相間的滑脫損失。目前針對多相流流動建立了雙流體模型、均相流模型和沖擊流模型。前兩者均可以得到較合適的壓降計算結(jié)果，但是沖擊流模型較為復(fù)雜，結(jié)果誤差較大，有待進(jìn)一步研究。大量研究表明混輸管道的壓降計算采用Dubler/Beggs&brill模型，結(jié)果比較適中。

周曉紅等利用PIPEFLO軟件，以黑油模型為例分析了不同的壓降計算模型、起輸溫度、氣體流量及總傳熱系數(shù)對多相流混輸管道壓降計算的影響[8]。結(jié)果表明：壓降計算模型對多相流管道壓降的計算影響很大，應(yīng)結(jié)合實際情況建立合適的壓降計算模型；起輸溫度對計算結(jié)果也有顯著的影響，高黏原油管道需要較高的起輸溫度來降低黏度，但又會增加熱力損耗，應(yīng)根據(jù)所輸油品的物性將起輸溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，低黏原油管道，應(yīng)在滿足輸送條件下盡可能地降低起輸溫度，防止因起輸溫度升高造成氣體體積增大，從而使氣體流速增大，導(dǎo)致壓降增大；管道輸送過程中含有一定量的氣體，可以降低原油黏度，減少壓力損耗；另外，多相流混輸管道存在最小壓降氣液比，它由原油的物性及管道參數(shù)所決定，設(shè)計管道時應(yīng)按此氣液比確定氣體輸量。最后，指出為保證所設(shè)計的管道具有一定的抗波動和風(fēng)險的能力，還要進(jìn)行敏感性變量分析和結(jié)果預(yù)測。

2.2.2 多相流溫降規(guī)律研究

多相流混輸管道的溫降規(guī)律研究，一般是以蘇霍夫公式為基礎(chǔ)進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)計算。實際上，海底管道的溫度變化是由多方面因素影響的，十分復(fù)雜。

總傳熱系數(shù)（K）的變化實質(zhì)上反映了管道溫降的變化，并會對管道壓降的計算產(chǎn)生較大的影響。周曉紅[8]研究了低輸量下，總傳熱系數(shù)的變化對原油溫降的影響，發(fā)現(xiàn)高黏原油管道K值對溫降有明顯的影響，而低黏管道影響不大。這是由于輸送高黏原油時溫度較高，與環(huán)境溫度間溫差較大，K值對溫降的影響越明顯，原油的黏度變化是造成壓降變化的主要原因之一；而在輸送低黏原油時，輸送溫度低與環(huán)境溫差小，黏度并不是影響壓降的主要原因，K值的變化對溫降/壓降的作用不明顯。因此，低輸量下輸送高黏原油時采取良好的保溫措施可以確保管道的正常運行。

多相混輸管道的溫降計算與單相氣體、液體管道有明顯不同，氣液混合物不僅要通過管壁向外界散熱，而且氣液之間還存在質(zhì)量交換和能量交換?；旌衔镏杏袣怏w存在時，要考慮J-T效應(yīng)引起的溫降，有液體存在時，要考慮由于液體摩擦生熱引起的溫升[9]。

3 固相生成物生成與控制技術(shù)

3.1 天然氣水合物

天然氣水合物（NGH）是指由水分子和其他輕質(zhì)分子（甲烷、乙烷等烴類氣體，及氮氣、二氧化碳等非烴類氣體分子）在低溫、高壓條件下，通過范德華力，形成的結(jié)晶狀籠形固體絡(luò)合物。深水中低溫高壓環(huán)境十分有利于天然氣水合物的生成。

目前，天然氣水合物的理論研究已較為成熟，一般認(rèn)為其生成條件有4個：一是天然氣中含有一定量的水份；二是適宜的環(huán)境，即具有一定的溫度和壓力；三是流體處于紊流脈動等激烈擾動中；四是存在結(jié)晶中心。工程應(yīng)用中，一般通過相平衡計算得到水合物形成曲線圖，再由此確定管道的安全運行范圍。

深水流動安全保障水合物控制技術(shù)有2種：傳統(tǒng)抑制和風(fēng)險控制。傳統(tǒng)抑制方法有：輸送前去除油氣中的水、管線加熱、降壓控制、注入熱力學(xué)抑制劑。最常用的是注入熱力學(xué)抑制劑（通常用甲醇、乙二醇），但深水中存在注入量高、運行成本費用高等問題。風(fēng)險控制指研制和使用新型低劑量抑制劑，包括動力學(xué)抑制劑和阻聚劑。相比于熱力學(xué)抑制劑，動力學(xué)抑制劑能明顯延長水合物形成時間，且在較低的過冷度下仍具有良好的效果。阻聚劑的作用是防止管道內(nèi)生成的水合物聚集在一起，其基本原理是將天然氣、油、水轉(zhuǎn)化為油水合物、油、水組成的易于流動的水合物漿液，從而達(dá)到安全輸送的目的。

管道的運行過程中，還要充分利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)的監(jiān)控與檢測作用，實時掌握沿線壓力、輸量變化，并對趨勢加以分析。

3.2 蠟/石蠟

蠟/石蠟的主要成分是碳原子數(shù)為17～35的高分子鏈烷烴和環(huán)烷烴。原油開采過程中，由于環(huán)境溫度的降低，原油溫度也降低，當(dāng)溫度低至原油析蠟溫度點時，原油中的蠟析出。蠟沉積是指析出的蠟結(jié)晶與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、部分原油及其他雜質(zhì)沉積附著在管壁上。深水中溫度較低，管內(nèi)壓力較高，使得結(jié)蠟問題更為嚴(yán)重。

蠟沉積的主要機(jī)理有4種：徑向擴(kuò)散、剪切彌散、布朗運動和重力沉降。其中，布朗運動和重力沉降對蠟沉積的作用基本上可忽略不計，分子擴(kuò)散是被大多數(shù)人認(rèn)可的蠟沉積的主要機(jī)制，剪切彌散的作用還存在爭議。

蠟沉積的影響因素有：油溫，油壁溫差，流速，原油物性，管壁材質(zhì)等。油溫較高，油壁溫差較大，流速較小，原油中重?zé)N組分較多，原油含砂等雜質(zhì)，管壁粗糙度較大，越容易結(jié)蠟。原油管道中結(jié)蠟現(xiàn)象比較嚴(yán)重，且含蠟量越高，管壁結(jié)蠟越嚴(yán)重，若原油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量越高，蠟沉積速率反而會減小。天然氣/凝析液中若含有高碳分子，也存在結(jié)蠟危險。

深水流動安全保障蠟/石蠟控制技術(shù)有以下幾種：

1）管道保溫/加熱技術(shù)：采用保溫層，或利用電加熱、電伴熱、熱流體技術(shù)使管內(nèi)流體溫度始終高于析蠟點，深水中對保溫材料的選擇要求十分嚴(yán)格，且這種符合要求的材料價格昂貴，經(jīng)濟(jì)性欠佳。

2）注入化學(xué)藥劑：添加化學(xué)劑，改變蠟晶的聚集特性，抑制蠟的析出，需要增設(shè)管線和設(shè)備，投資成本和維修費用較高。

3）熱化學(xué)除蠟：通常采用氮氣生成法（NGS），即通過生產(chǎn)氮氣反應(yīng)過程中放出的熱量來融化管壁上的石蠟，從而達(dá)到除蠟的目的。

4）機(jī)械清管：定期清管可防止管道堵塞。常規(guī)的清管方式不適用于海底管道，目前國內(nèi)外最常用的清管技術(shù)包括凝膠技術(shù)、變徑清管器技術(shù)、海底清管器發(fā)送技術(shù)、智能清管、跟蹤技術(shù)和熱感應(yīng)法。

對于已經(jīng)堵塞的管道，先通過水下機(jī)器人ROV（Remote Operated Vehicle）裝置確定堵塞位置，再采用局部加熱管道或其他物理方法清除堵塞物，情況十分惡劣時，割舍舊管換新管。

3.3 天然氣水合物和蠟/石蠟的協(xié)同作用

深水油氣開發(fā)中，水合物、蠟都是亟待解決的難題，通常把二者分開來單獨考慮。但是對于一條油氣混輸管道，兩種情況可能會同時發(fā)生。二者之間相互作用，出現(xiàn)任何一種情況都會改變流體的組成，然后影響另一方的熱力學(xué)行為，因此需要把水合物和蠟結(jié)合起來，綜合考慮。

A.H.Mohammadi建立了水合物模型和蠟?zāi)Ｐ蚚10]，認(rèn)為水合物的生成能移走部分液烴中的烴組分，導(dǎo)致蠟組分濃度增加，影響蠟相生成的行為。而蠟的生成能移走重?zé)N，增加輕組分的濃度，影響水合物的分解溫度和分解壓力。另一方面，蠟的生成能為水合物提供必要的成核場所，促進(jìn)水合物的生成。

研究表明，原油中含蠟會生成更多的水合物，水合物生成溫度不會改變，但是原油含蠟?zāi)苁顾衔锓纸鉁囟壬?℃，從而有效抑制水合物的分解[11]。目前國內(nèi)外關(guān)于水合物和蠟二者之間關(guān)系的文獻(xiàn)尚少，還需進(jìn)行深入研究。

4 嚴(yán)重段塞流預(yù)測與控制技術(shù)

海底多相混輸管道內(nèi)容易產(chǎn)生段塞問題，立管中尤為嚴(yán)重，稱之為嚴(yán)重段塞流。操作條件的改變?nèi)绻艿赖耐］斣賳印⑶骞艿龋伎赡芤饑?yán)重段塞流。

淺海油氣開采中，立管高度較小，一般采用增加分離器緩沖等控制設(shè)備便能降低其影響。深海開采中，立管高度可達(dá)幾百甚至上千米，管內(nèi)波動極為嚴(yán)重，這無疑給深海開發(fā)及管道設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

嚴(yán)重段塞流在流動過程中呈現(xiàn)較強(qiáng)的周期特性，具體表現(xiàn)為管道內(nèi)壓力周期性變換波動以及間歇出現(xiàn)液塞。劇烈的流量變化和壓力波動通常會使上下游設(shè)備處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)，摧毀損壞管道或處理設(shè)備，使平臺上增壓設(shè)備發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至造成設(shè)備的關(guān)閉和停產(chǎn)，還會加劇管壁腐蝕，尤其是立管腐蝕。此外，立管中氣體在噴發(fā)過程中會產(chǎn)生J-T效應(yīng)，從而有利于天然氣水合物的生成和蠟沉積，嚴(yán)重時便堵塞管道，大幅增加管道系統(tǒng)的風(fēng)險。

嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理不同于水力段塞流。嚴(yán)重段塞流通常發(fā)生在氣液量較低時，是由于地形起伏或其他因素影響，在立管中出現(xiàn)的分層流，液體積聚在管道底部形成的液塞長度很長，有時甚至可以達(dá)到一個或幾個立管高度，對油氣開采系統(tǒng)帶來諸多危害。而水力段塞流一般發(fā)生在油田開發(fā)的中后期、輸量較高時，通常是氣液兩相流體沿管線分層流動過程中，由于Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)引起的界面波動，液塞長度大約為30倍直徑，產(chǎn)生的危害比嚴(yán)重段塞流小得多。

對嚴(yán)重段塞流的預(yù)測[12]有2種方式：一是利用經(jīng)驗公式進(jìn)行模擬，確定嚴(yán)重段塞流的形成區(qū)域；二是以數(shù)值模擬商用軟件為基礎(chǔ)，建立力學(xué)模型。

控制嚴(yán)重段塞流的方法主要有以下幾種：

1）氣舉法和泡沫法。利用壓縮機(jī)向立管內(nèi)注氣，從而消除長液塞。這種方法能有效控制嚴(yán)重段塞流，但是不能準(zhǔn)確控制注氣量，注氣成本費用高；泡沫法也存在泡沫劑的選擇及如何形成泡沫等問題。

2）節(jié)流法。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，增加立管上游管道內(nèi)的氣體壓力，實現(xiàn)對嚴(yán)重段塞流的控制。有末端節(jié)流和PID控制節(jié)流2種方式。此方法設(shè)備簡單，但會降低油井產(chǎn)量。

3）擾動法。在立管基部入口處設(shè)置文丘里管，改變立管底部流體的流型，消除能出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流的條件，但是新出現(xiàn)的流型不穩(wěn)定，效果不太明顯。

4）段塞捕集器法。在管道的末站或增壓站設(shè)置段塞捕集器，達(dá)到儲存液體的作用，避免流量波動對管道和設(shè)備造成的不良影響。一般分為容積式和管式：容積式可用于處理高黏、易發(fā)泡原油，使用較廣泛；而管式適用于大管徑和需要清管的凝析氣液管道，但也存在氣液夾帶等問題，使用較少。

5）泵控制法。增設(shè)多相泵等設(shè)備，吸取立管內(nèi)的液體，避免液體在立管底部低洼處聚積，達(dá)到控制嚴(yán)重段塞流的目的。但需要嚴(yán)格確定泵的安裝位置，投資成本高，安裝維修難度大。

6）氣液分離法。增加一個立管，連接下傾管到平臺，從而控制嚴(yán)重段塞流。增設(shè)的立管能使所有氣體輸送至平臺，因此原來的立管內(nèi)幾乎全部充滿液體。此方法需要額外鋪設(shè)管線，建設(shè)成本高，且立管內(nèi)會產(chǎn)生很高的背壓。

7）頂端控制法。一種新興的控制方法，即在段塞捕集器前加一個小型預(yù)分離器，通過控制閥門開度來控制嚴(yán)重段塞流。這種方法能使立管出口的流動更加穩(wěn)定，且成本低，安裝維修方便，但是不能消除該流型的發(fā)生。

對于嚴(yán)重段塞流的預(yù)測和控制方法，經(jīng)過多年現(xiàn)場實踐的論證，目前問題已基本得到解決。未來還需要對處理設(shè)備如段塞捕集器的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化研究，提高設(shè)備處理效率，同時也需研究、創(chuàng)新更加行之有效的方法。

5 深水流動安全保障新技術(shù)

5.1 油氣管線主動加熱技術(shù)

為了有效控制深水油氣開發(fā)中水合物的生成和蠟沉積，除上述介紹的方法外，還可以采用油氣管線主動加熱技術(shù)[13]，它由閉合管道回路和平臺上部熱介質(zhì)系統(tǒng)組成（圖1）。

圖1 典型海管主動加熱系統(tǒng)示意圖

油氣管線主動加熱技術(shù)是目前較為先進(jìn)的流動保障技術(shù)，其建造、施工難度大，只有少數(shù)國家正在運行。據(jù)介紹，國外采用的液體熱介質(zhì)多為30%乙二醇水溶液，蓄熱傳熱性能好、對管線腐蝕性小、還具有良好的防微生物性能。

采用海管主動加熱技術(shù)能從根本上維持管道內(nèi)流體輸送溫度始終高于原油析蠟點，并且在操作壓力下保證其溫度在水合物生成溫度之上，有效抑制管道內(nèi)石蠟的沉積和水合物的形成，實現(xiàn)流動安全保障的目的。此技術(shù)對于停輸再啟動的管道也具有一定的好處，只需要在啟動前先啟動主動加熱系統(tǒng)，對管道進(jìn)行預(yù)熱，便可以熔化原油、清除掉管道內(nèi)生成的水合物。

5.2 水下多相分離技術(shù)

水下多相分離技術(shù)[14]，即在海底井口附近對產(chǎn)出液分離，從而降低立管中的壓力，減少舉升能量損失，提高油氣采收率，從根本上消除嚴(yán)重段塞流，同時在一定程度上，減少油氣混合物中含水量，有效抑制水合物的生成，延長輸送距離。水下多相分離技術(shù)在常規(guī)水域已得到成熟的應(yīng)用，但是深水中高壓低溫的環(huán)境，對水下分離器的材質(zhì)要求非常嚴(yán)格，但若增加分離器壁厚，又會增大安裝的難度，同時對水下生產(chǎn)系統(tǒng)熱處理帶來極大的影響。另外，液相流體在低溫時黏度會急劇增大，加大油水分離難度，而且管道中若生成水合物堵塞設(shè)備，可能會引發(fā)危險事故。為此，國外海洋石油公司紛紛斥巨資開展了相關(guān)方面的研究。

海底油水兩相流動液—液分離技術(shù)主要有：傳統(tǒng)重力分離、靜電聚結(jié)強(qiáng)化重力分離、管式分離。天然氣/凝析液管道屬于氣液兩相流管道，目前海底氣液分離技術(shù)主要是Aker Kvaemer的氣—液旋流分離、VASPS氣—液分離和超音速氣—液分離（低溫冷凝法）。

6 結(jié)論與建議

1）多相流與單相流相比更為復(fù)雜。高靜壓、低溫的深水環(huán)境有利于生成天然氣水合物和蠟沉積，海底管線主動加熱技術(shù)因其良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，具有良好的發(fā)展前景；嚴(yán)重段塞流是一個具有周期性變化的物理過程，目前已有了一些行之有效的方法來預(yù)測和控制嚴(yán)重段塞流，實現(xiàn)水下多相分離能從根本上有效抑制嚴(yán)重段塞流的形成，對深水流動安全保障具有重要的意義。

2）我國海洋油氣開發(fā)起步較晚，盡管取得了一定的成績，但多數(shù)依賴國外的經(jīng)驗和技術(shù)。我國應(yīng)將水下生產(chǎn)系統(tǒng)、流動保障技術(shù)作為研究的重點，盡可能多地學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)，然后根據(jù)我國海域的自身特點加以改進(jìn)和創(chuàng)新，逐步掌握海洋油氣田開發(fā)建設(shè)的核心技術(shù)，擺脫對國外技術(shù)的依賴，為我國油氣開發(fā)進(jìn)軍深海提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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In recent years,the rich oil and gas resources under deep water to attract a large number of the attention of many oil compa?nies,but the environment of high pressure and low temperature makes the deepwater oil and gas development face to great challenges and risks,under the condition of multiphase mixing transportation,hydrate formation,wax deposition,severe slug flow seriously threat to the safe operation of underwater production system and pipeline.Through a large number of literature investigation,data integration and summary,the study on flow pattern and flow law of multiphase flow in underwater pipeline were summarized,the mechanism,harm and control method of hydrate formation and wax deposition were expounded,and the formation,prediction and control measures of the slug flow were analyzed,and the new technology of active oil and gas pipeline heating and the underwater multiphase separation technology are described.It is pointed out,compared with single phase flow,the multiphase flow is more complex,and the underwater separation of multiphase flow can effectively inhibit the formation of severe slug flow；China's offshore oil and gas development started late,and al?though some achievements have been made,most of the experience and technology depends on foreign countries.

multiphase flow；natural gas hydrate；security assurance technology；wax deposition

王梅

2016-05-18

鄧心茹（1993-），女，主要從事油氣長距離管輸和油氣田集輸技術(shù)研究。