濮陽原油蠟沉積特性實驗

李琛1白帆2王燕3

1西南石油大學(xué)2中國石油東北石油管道公司3中國石油大學(xué)（華東）

利用旋轉(zhuǎn)式動態(tài)結(jié)蠟裝置，對濮陽原油進(jìn)行不同油溫、不同溫差、不同轉(zhuǎn)速等條件下的蠟沉積實驗。濮陽原油高含蠟量、雙析蠟峰的特性使其蠟沉積規(guī)律具有較大的變化性，在管輸濮陽原油的過程中要尤其注意輸送溫度，盡量避開原油的最大析蠟高峰區(qū)。其他條件不變時，隨油溫升高，蠟沉積速率與蠟晶溶解度系數(shù)的變化趨勢相同；隨油壁溫差增大，蠟沉積速率逐漸增大；隨轉(zhuǎn)速增大，蠟沉積速率逐漸減小。

濮陽原油；蠟沉積特性；蠟沉積動力學(xué)模型；油壁溫差

濮陽原油含蠟量高、雙析蠟峰的特殊性使其成為原油蠟沉積特性研究中較有價值的實驗樣本。利用旋轉(zhuǎn)式動態(tài)結(jié)蠟裝置，對濮陽原油進(jìn)行不同油溫、不同溫差、不同轉(zhuǎn)速等條件下的蠟沉積實驗。

1 實驗裝置及原理

實驗研究采用旋轉(zhuǎn)式動態(tài)結(jié)蠟裝置，如圖1所示。

裝置的原理如下：用恒溫?zé)嵩⊙h(huán)加熱樣品桶內(nèi)的實驗油樣，以維持油樣的油溫不變；旋轉(zhuǎn)電機通過電機傳送帶帶動樣品桶旋轉(zhuǎn)，使桶內(nèi)的油樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場來模擬管道內(nèi)部流場；結(jié)蠟桶內(nèi)部通過恒溫冷浴循環(huán)以維持恒定溫度，形成冷指模擬管道壁面；待實驗油樣的流場、溫度場穩(wěn)定后，將冷指結(jié)蠟桶通過升降機構(gòu)垂直浸入樣品桶內(nèi)進(jìn)行蠟沉積實驗。原油對結(jié)蠟層的剪切作用可通過扭矩傳感器測量，但為了提高模擬精度，采用Fluent軟件模擬流體的溫度場及速度場，準(zhǔn)確計算出剪切應(yīng)力、溫度梯度等參數(shù)。實驗結(jié)束后，對結(jié)蠟筒壁面上的蠟沉積物進(jìn)行擦拭并稱重，計算蠟沉積速率。

圖1 旋轉(zhuǎn)式動態(tài)結(jié)蠟裝置

2 原油的組成及物性

（1）原油基本組成。通過四組分分析法以及DSC實驗，可測得濮陽原油的基本組成如下：瀝青質(zhì)為2.82%，膠質(zhì)為10.73%，蠟為15.36%。

（2）原油熱流曲線。采用差示掃描量熱儀可測得濮陽原油單位質(zhì)量熱流與溫度的關(guān)系曲線，由關(guān)系曲線可看出，濮陽原油析蠟點為47℃；在43℃和25℃左右形成兩個析蠟峰，25℃左右形成的析蠟峰值較大。

（3）原油黏溫曲線。對濮陽原油在50℃熱處理條件下進(jìn)行流變曲線的測量，從黏溫曲線可看出，濮陽原油反常點為39℃。

3 原油的蠟沉積特性

（1）油溫對濮陽原油蠟沉積特性的影響。設(shè)定結(jié)蠟裝置轉(zhuǎn)速為100r/min，油壁溫差為5℃，進(jìn)行不同油溫區(qū)間濮陽原油的蠟沉積實驗。由實驗結(jié)果可以看出，原油溫度在38～51℃范圍內(nèi)，蠟沉積速率先減小后增大，在油溫為47℃時達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。通過對比可以看出，蠟沉積速率與蠟晶溶解度系數(shù)變化趨勢相符。這是因為，隨著溫度升高，管壁處原油黏度變小，蠟晶擴(kuò)散動力較大，剪切應(yīng)力變小，蠟沉積層比較穩(wěn)定。油流中蠟分子借助于濃度梯度往管壁處遷移，進(jìn)而沉積下來，在蠟沉積過程中，管壁處蠟分子濃度梯度即蠟晶溶解度系數(shù)起主要作用。

（2）油壁溫差對濮陽原油蠟沉積特性的影響。設(shè)定結(jié)蠟裝置轉(zhuǎn)速為100r/min，結(jié)蠟筒壁溫為39℃，調(diào)整油溫以控制油壁溫差進(jìn)行蠟沉積實驗。由實驗結(jié)果可看出，隨著油壁溫差增大，濮陽原油蠟沉積速率逐漸增大。轉(zhuǎn)速和壁溫一定時，結(jié)蠟筒壁面處原油的蠟晶溶解度系數(shù)、黏度、剪切應(yīng)力基本相同。原油的溫度越高，結(jié)蠟筒壁面處溫度梯度越大，蠟分子遷移動力越大，蠟分子越容易遷移到管壁處并沉積下來。

（3）轉(zhuǎn)速對濮陽原油蠟沉積特性的影響。轉(zhuǎn)速對于原油蠟沉積速率的影響主要體現(xiàn)在油流對結(jié)蠟層的剪切作用上?？刂圃偷慕Y(jié)蠟筒壁溫/油溫在42℃/47℃，調(diào)整結(jié)蠟裝置的轉(zhuǎn)速，對濮陽原油進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的蠟沉積實驗。由實驗結(jié)果可看出，隨著結(jié)蠟筒轉(zhuǎn)速的增大，原油蠟沉積速率逐漸減小。油溫及結(jié)蠟筒壁溫一定時，管壁處原油的黏度及蠟晶溶解度系數(shù)基本相同，結(jié)蠟筒壁面處原油的析蠟?zāi)芰σ约跋灧肿舆w移的能力相當(dāng)，此時油流對蠟沉積層的剪切作用占據(jù)主導(dǎo)地位。隨管壁處剪切應(yīng)力增大，油流對蠟沉積層的沖刷作用增強，不利于蠟沉積，從而導(dǎo)致蠟沉積速率減小。

4 蠟沉積動力學(xué)模型的建立

根據(jù)濮陽原油在不同條件下的蠟沉積實驗結(jié)果，采用國內(nèi)外認(rèn)可的蠟沉積動力學(xué)模型，對濮陽原油的蠟沉積傾向系數(shù)進(jìn)行最小二乘法的擬合計算，從而建立濮陽原油的蠟沉積動力學(xué)模型。

濮陽原油蠟沉積傾向系數(shù)為

濮陽原油蠟沉積動力學(xué)模型為

式中τw為管壁處剪切應(yīng)力（Pa）；μ為管壁處原油的黏度（Pa·s）；為蠟晶溶解度系數(shù)，即溫降1℃析出蠟量占原油的百分?jǐn)?shù)；為管壁處原油的徑向溫度梯度（℃/mm）。

5 結(jié)論

（1）濮陽原油高含蠟量、雙析蠟峰的特性使其蠟沉積規(guī)律具有較大的變化性，在管輸濮陽原油的過程中要尤其注意輸送溫度，盡量避開原油的最大析蠟高峰區(qū)。

（2）其他條件不變時，隨油溫升高，蠟沉積速率與蠟晶溶解度系數(shù)的變化趨勢相同；隨油壁溫差增大，蠟沉積速率逐漸增大；隨轉(zhuǎn)速增大，蠟沉積速率逐漸減小。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.025