科学家设计新型抗水合物材料，为深水油气智能防控提供新方案

刘雅坤 2025-07-03 15:27 北京

深水区已成为油气勘探重大发现的主阵地，海洋油气储量 44% 在深水区；近 10 年，深水成为油气增产的核心接续

深水区已成为油气勘探重大发现的主阵地，海洋油气储量 44% 在深水区；近 10 年，深水成为油气增产的核心接续区，在全球新发现的 101 个大型油气田中，深水油气田数量占比 67%、储量占比 68%。

然而，深水油气开发面临高压、低温、组分复杂等挑战，导致从油气藏到井筒、水下设施到下游工艺的长距离多混输管道存在水合物固相堵塞问题，轻则导致停产，重则引起泄露爆炸等工程灾难。因此，探明这其中水合物成核-生成-聚集-堵塞的内在本质，形成有效的智能化防控体系，是一项科学研究与工程问题并存的重大挑战。

图丨深水油气开发输运过程水合物堵塞智能防控（来源：The Innovation Energy[1]）

针对上述挑战，大连理工大学宋永臣教授、张伦祥副教授团队，聚焦中国南海深水现场，形成了多相输运体系水合物生成堵塞的关键技术装备的开发及应用，取得了重要进展，并服务于中国南海多个深水油气平台现场的流动安全保障。

目前深水油气现场，主要依赖注入化学药剂来抑制水合物生成，但在长距离管道输送中，水合物的形成往往难以完全避免。相较于事后清除已形成的水合物，从源头防止水合物在管壁沉积更为重要，其核心在于最大限度地减少自由水与管壁的接触概率。

基于这一防治理念，大连理工大学水合物流动安全保障团队采用疏水表面作为被动防治手段，成功开发出一种具有抗水合物沉积特性的新型功能材料。他们创新性地提出“适度疏水”的设计理念，即在保持表面相对光滑的前提下，通过调控表面化学性质而非物理结构，来实现水合物的易移除特性。

其设计的硅烷化疏水性表面通过独特的界面效应，使水合物晶体在生长过程中产生自发提升现象，并能够形成疏松多孔的结构。该研究为深水油气开采中的水合物堵塞问题，提供了新的解决方案。目前，研究团队正持续优化材料性能参数，旨在为工业现场提供更具鲁棒性的技术支撑。

大连理工大学水合物流动安全保障团队刘瑜教授、郎晨博士对 DeepTech 解释道：“这种自提升式晶体与表面的接触面积较小，因此很容易被移除。这一现象为解决海洋碳氢化合物输运过程中面临的水合物防治问题提供了新思路。”

日前，相关论文以《天然气水合物晶体的自提升和自清洁》（Spontaneous Lifting and Self-Cleaning of Gas Hydrate Crystals）为题发表在 ACS Nano[2]。

图丨硅烷化表面的水合物抑制与自清洁效应。在自提升生长模式下，仅施加约 27kPa/s 的压力扰动后，水合物晶体底部逐渐脱离“适度疏水”表面，表现出独特的自清洁行为（来源：ACS Nano）

为了实现水合物堵塞的精准防控，提高新型功能材料防控的使用效率、控制有效成本。宋永臣团队在前期研究过程中，与中海油研究总院有限责任公司流动安全首席工程师姚海元所带领的团队，联合开发了多相输运体系水合物生成堵塞监检测系列装备与预警软件系统，多次赴中国南海“海洋石油 119FPSO”、“深海一号”等深水油气田现场，深入探究了复杂输运管道水合物生成条件与易堵位置，形成行之有效的综合防控方案。

图丨水合物流动安全保障研究团队成员赴南海现场（来源：团队）

张伦祥提到，在实际应用方面，该表面改性技术主要针对管道系统中的关键易堵部位（如盲管、弯管等）进行优化设计。考虑到全管道处理的经济性约束，研究团队提出了“关键部位精准改性”的工程实施策略。

姚海元首席工程师、李焱工程师等指出，工业管道堵塞问题具有多相流、多组分的特点，除水合物外还涉及石蜡、沥青质等沉积物，且常伴有沙粒磨蚀和二氧化碳等腐蚀性气体的影响。

因此，后续研究需要进一步验证材料在复杂工况下的长期稳定性，包括耐磨性、耐蚀性等工程化指标。据了解，该团队围绕“流动安全保障”已形成系统性研究方向，主要涵盖三个层面：

在基础理论层面，研究多相流体系下水合物的生成与堵塞机制，构建新的理论体系，为后续解决堵塞问题提供科学依据；

在技术开发层面，该团队与中海油等企业合作开发水合物监、检测技术装备及配套软件，实现现场堵塞位置的实时定位；

在材料创新层面，针对易堵部位和复杂工况，开发新型抗水合物材料，并探索抑制剂复配与解堵技术，以提升堵塞防治效率。

这种“理论-技术-材料”的研究框架，为深水油气开采中的流动安全保障提供了系统性的解决方案，研究团队希望其在未来在实际应用中能够发挥关键作用。

参考资料：

1.Jiguang Wang et al. Intelligent Deepwater Energy Development: Flow Assurance Monitoring and Smart Decision-Making System. The Innovation Energy 2025, 2, 100081. https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2025.100081

2. Chen Lang et al. Spontaneous Lifting and Self-Cleaning of Gas Hydrate Crystals. ACS Nano 2024, 18, 33671−33680. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12943

运营/排版：何晨龙

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