全 青 于 達(dá) 李 雪 庚 琳 宮 敬 姜 珊

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司)

在含蠟原油管道集輸系統(tǒng)中，當(dāng)管壁溫度低于油溫且低于原油析蠟點(diǎn)溫度(Wax Appearance Temperature，WAT)時(shí)，溶解于原油中的蠟分子會(huì)析出形成晶粒凝聚，并在溫差等因素的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到管壁處形成結(jié)蠟層，即蠟沉積。[1]。蠟沉積的發(fā)生會(huì)減小管道流通截面，增大管道輸送壓力，從而降低管道運(yùn)輸能力，增加清管頻率，嚴(yán)重時(shí)甚至堵塞管道，這必然會(huì)對(duì)石油經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，并嚴(yán)重破壞環(huán)境[2]。管道蠟沉積是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，涉及原油組成、油壁溫度、流速、流型及管壁材料等多種影響因素，因此蠟沉積的研究已是國(guó)內(nèi)、外石油工業(yè)中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)蠟沉積的研究主要集中在單相蠟沉積研究，利用冷板、冷指和環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置探究蠟沉積機(jī)理、測(cè)厚方法、影響因素及預(yù)測(cè)模型等，并獲得了大量成果。

相比于單相蠟沉積的研究，油水、油氣兩相蠟沉積的研究仍處于起步階段，油氣水三相蠟沉積目前還沒(méi)有發(fā)表的文獻(xiàn)。筆者在參閱了大量國(guó)內(nèi)、外蠟沉積研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，著重對(duì)油水、油氣兩相流動(dòng)蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和歸納。

1 油水兩相蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究

1.1 冷板、冷指實(shí)驗(yàn)

冷板、冷指裝置的工作原理為：將帶有循環(huán)冷卻液的金屬板或金屬管浸入溫度較高的含蠟原油中，由于溫差的存在，在金屬板或金屬管表面會(huì)形成蠟沉積層，一定時(shí)間后測(cè)量金屬板或金屬管上的蠟沉積量。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置可以研究冷卻液溫度、原油溫度、時(shí)間、沉積表面性質(zhì)、化學(xué)試劑及含水率等對(duì)蠟沉積的影響。

Hsu J J C等利用冷板實(shí)驗(yàn)裝置研究了冷板表面不同潤(rùn)濕特性對(duì)油水兩相蠟沉積的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在油潤(rùn)濕的冷板表面，蠟沉積量基本沒(méi)有變化；而在水潤(rùn)濕的冷板表面，蠟沉積量明顯減少[4]。Ahn S等對(duì)冷板實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)使冷板可以旋轉(zhuǎn)，以模擬管流中的剪切，并研究了非離子型表面活性劑對(duì)油水兩相蠟沉積的影響，結(jié)果表明：隨著含水率的增大，蠟沉積的質(zhì)量減小，而蠟沉積量與油相質(zhì)量的比值為一常數(shù)[5]。不過(guò)旋轉(zhuǎn)的冷板與實(shí)際管流中的剪切還是有一定區(qū)別的。Couto G H等用冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了含水率對(duì)油包水型乳狀液蠟沉積量的影響，結(jié)果表明：在相同實(shí)驗(yàn)溫度條件下，保持油水乳狀液總體積不變，隨著含水率的增大，蠟沉積量大幅度減小，且均比單相條件下的蠟沉積量小[6]。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持油水乳狀液的總體積不變，隨著含水率的增大(即水占總體積的比例增大)相應(yīng)油相體積減少，導(dǎo)致無(wú)法確定該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生的原因是含水率增大還是油相體積減小。

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的缺陷，Zhang Y等用冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了在油水乳狀液總體積不變和油相體積不變兩種條件下，冷指溫度、乳狀液溫度、含水率和液滴大小、分布對(duì)蠟沉積量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在乳狀液溫度(冷指溫度)恒定、含水率相同的條件下，蠟沉積量隨著冷指溫度的降低(乳狀液溫度的升高)而增大，即隨溫差的增大而增大；在相同溫度條件下，隨著含水率的變化，蠟沉積的質(zhì)量與相應(yīng)乳狀液中油相的質(zhì)量比值為一定值，這與文獻(xiàn)[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；在乳狀液溫度與冷指溫度差值一定的條件下，隨著乳狀液溫度與冷指溫度的升高，蠟沉積量減小，即相同溫差條件，隨著溫度區(qū)間的升高，蠟沉積量減??；在相同含水率條件下，隨著乳狀液制備時(shí)攪拌速度的增大，蠟沉積速率減小，即隨著乳狀液體系中分散相初始液滴直徑的減小、小液滴數(shù)量的增多，蠟沉積量減小[7,8]。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了油水乳狀液總體積不變和油相體積不變兩種實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)果表明這兩種方法沒(méi)有顯著差別，且蠟沉積量隨含水率的變化趨勢(shì)一致，即含水率增加導(dǎo)致蠟沉積量減少的原因與油相體積減小無(wú)關(guān)。

1.2 環(huán)道實(shí)驗(yàn)

盡管已建立的環(huán)道大小各異，但它們的原理、結(jié)構(gòu)相似，圖1為中國(guó)石油大學(xué)(北京)的多相蠟沉積環(huán)道流程。環(huán)道的實(shí)驗(yàn)原理為：通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試段內(nèi)循環(huán)水的溫度控制測(cè)試段壁溫，當(dāng)壁溫低于油溫且低于原油析蠟點(diǎn)溫度時(shí)，測(cè)試段內(nèi)將出現(xiàn)蠟沉積，使得管內(nèi)徑變小，差壓變大；同時(shí)將參比段水溫和實(shí)驗(yàn)油溫調(diào)節(jié)一致，此時(shí)參比段無(wú)蠟沉積，管內(nèi)徑不變。通過(guò)測(cè)得參比段和測(cè)試段的差壓值，可計(jì)算出測(cè)試段管徑，從而確定蠟沉積層厚度。

圖1 多相蠟沉積環(huán)道流程

Sergio N B在內(nèi)徑為25.4mm、總長(zhǎng)度為13.5m的環(huán)道上研究了油水兩相在分層流和環(huán)狀流流型下的沉積現(xiàn)象，結(jié)果表明：在分層流流型下，油相與管壁上部接觸，沉積只發(fā)生在管壁接觸處；在水環(huán)-油核的環(huán)狀流流型下，盡管油相沒(méi)有與管壁接觸，但管壁處仍有沉積出現(xiàn)[9]。圖2為水環(huán)-油核的環(huán)狀流與單相模擬油的沉積分布對(duì)比，實(shí)驗(yàn)使用模擬油，深色為水，白色為模擬油，從圖2a可看出水環(huán)-油核的環(huán)狀流下管壁周?chē)幸粚映练e，圖2b為單相實(shí)驗(yàn)對(duì)比。針對(duì)水層能否隔絕管壁蠟沉積的發(fā)生，各國(guó)學(xué)者仍在繼續(xù)研究。

a. 水環(huán)-油核的環(huán)狀流

b. 單向流

Bruno A等分別選取South Pelto原油和Garden Banks凝析油在多相蠟沉積環(huán)道上研究了含水率對(duì)油包水型乳狀液蠟沉積規(guī)律的影響，并首次探討了水包油型乳狀液(即反相)的蠟沉積現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著含水率的增大，兩種油品的粘度均增大，直到水變?yōu)檫B續(xù)相(即水包油)后，粘度急劇下降，之后隨含水率增大而減??；兩種油品在油包水型管流條件下，蠟沉積量與沉積物中的含水量均隨含水率的增大而減小；反相后，原油實(shí)驗(yàn)沒(méi)有觀察到蠟沉積，而凝析油實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了薄薄的一層蠟沉積[10]。這也說(shuō)明對(duì)于油水兩相蠟沉積的分析不能單純的沿用單相蠟沉積的機(jī)理，需要進(jìn)一步探索。

Anosike C F通過(guò)環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置研究了油水兩相的蠟沉積規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：油水兩相管流蠟沉積對(duì)流型的依賴很強(qiáng)，不同流型會(huì)形成不同的沉積層分布和特性，且隨著油相折算速度(水相折算速度)的增大，蠟沉積層的硬度增大而厚度減小[11]。在油水兩相分層流流型中，油相與管壁接觸處產(chǎn)生沉積，且在油水界面與管壁接觸處形成凸起(圖3a)；對(duì)于水包油/水分層流，水包油乳狀液接觸管壁處形成沉積(圖3b)，水包油乳狀液接觸的上半部分管壁上有沉積，且油水界面與管壁接觸處沒(méi)有出現(xiàn)凸起；對(duì)于水包油型乳狀液分散流，整個(gè)管壁周?chē)纬杀”∫粚映练e(圖3c)，類(lèi)似與單相管流形成的沉積，不過(guò)沉積層更薄。從圖3可以看出：即使在水連續(xù)相中，只要有油相與管壁接觸，沉積就有可能發(fā)生，這也是油水兩相蠟沉積理論研究的突破口。

a. 油水兩相分層流

b. 水包油/水分層流

c. 水包油型乳狀液分散流

Hoffmann R等用凝析油在環(huán)道上研究了低流速條件下的油水兩相分層流蠟沉積規(guī)律，結(jié)果表明：低流速條件下管壁的剪切作用很小，沉積層中高碳數(shù)組分較少，且接近于凝析油本身的碳數(shù)分布，因此在低流速條件下，膠凝是除了分子擴(kuò)散以外形成蠟沉積層的另一重要原因；隨著含水率的增大，沉積層厚度先減小后增大，但均比同條件下的單相沉積厚度小[12]。實(shí)驗(yàn)研究流量為5、15m3/h時(shí)蠟沉積量隨乳狀液含水量的變化規(guī)律(圖4)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一含水率，流速越小，相應(yīng)的沉積量越多，且低流速條件下沉積量隨含水率的變化比較明顯。

圖4 兩種流量時(shí)沉積量隨乳狀液含水量的變化

Kasumu A S和Mehrotra A K使用模擬油在環(huán)道上研究了在湍流條件下油水乳狀液的蠟沉積規(guī)律，結(jié)果表明：隨著雷諾數(shù)、乳狀液溫度和冷卻液溫度的升高，蠟沉積量均減小；此外含水率的增大導(dǎo)致蠟沉積量先增大后減小，且沉積物中的含水量與相應(yīng)乳狀液中的含水率無(wú)關(guān)[13]。

2 油氣兩相蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究

相比于油水兩相蠟沉積的研究，氣液兩相管流蠟沉積的研究才剛起步，發(fā)表的文獻(xiàn)比較少，主要研究不同流型(氣相流速與液相流速)對(duì)蠟沉積量和分布的影響。

Matzain A等使用原油和天然氣研究在水平管和垂直管中，油氣兩相管流蠟沉積與流型的關(guān)系[14]。在水平管中觀察到分層光滑流、分層波浪流、間歇流和環(huán)狀流4種流型下的沉積層特點(diǎn)(圖5a)，分層流流型下形成的沉積層比較軟且厚，與單相蠟沉積分布比較相似呈新月牙型，分層波浪流還會(huì)在油-氣界面與管壁接觸處形成沉積且凸起，這與油水分層流中油水界面與管壁接觸處的沉積相似；間歇流與環(huán)狀流流型下的沉積分布整個(gè)管壁且沉積層的硬度相似，間歇流上厚下薄，而環(huán)狀流分布比較均勻。在垂直管中觀察到泡狀流、間歇流和環(huán)狀流3種流型下，沉積層的分布形狀基本相同，均勻覆蓋整個(gè)管壁(圖5b)。在間歇流流型下，隨著氣相折算速度Vsg的增大，沉積層硬度增大而厚度基本不變；在環(huán)狀流流型下，隨著液相折算速度Vsl的增大，沉積層厚度增大而硬度輕微減小。

a. 水平管

b. 垂直管

Gong J等以高含蠟原油和空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在確定的流型區(qū)域內(nèi)，對(duì)影響氣液兩相流動(dòng)條件下蠟沉積規(guī)律的關(guān)鍵因素展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究，得到了分層流流型和間歇流流型下蠟沉積層厚度隨液體折算速度Vsl和氣體折算速度Vsg的變化規(guī)律[15]。在分層流流型中，蠟沉積僅發(fā)生在與油品接觸的管壁下部，形狀呈半月型，當(dāng)液體折算速度Vsl為0.062 6、0.093 9m/s時(shí)，隨著氣體折算速度Vsg的增大，蠟沉積厚度增加(圖6a)；當(dāng)氣體折算速度Vsg分別為8.5、10.3、11.4、12.5m/s時(shí)，蠟沉積層厚度隨液體折算速度Vsl的增大而增加(圖6b)。在間歇流流型中，管壁環(huán)向均有蠟沉積發(fā)生，沉積物在管壁環(huán)向分布較為均勻，當(dāng)液相折算速度Vsl分別為0.376、0.501、0.626、0.939、1.252m/s時(shí)，蠟沉積層厚度隨氣體折算速度Vsg的增大而減小，與分層流流型下得到的規(guī)律相反(圖7a)；當(dāng)氣體折算速度Vsg分別為3.0、5.0、6.5m/s時(shí)，蠟沉積層厚度先隨液體折算速度Vsl的增大先增加后減小(圖7b)。

a. Vsl=0.0626、0.0929m/s

b. Vsg=8.5、10.3、11.4、12.5m/s

a. Vsl=0.376、0.501、0.626、0.939、1.252m/s

b. Vsg=3.0、5.0、6.5m/s

3 結(jié)論與建議

相比于單相蠟沉積問(wèn)題，多相蠟沉積問(wèn)題比較復(fù)雜，涉及多相流、傳熱學(xué)、流變學(xué)、膠體及界面化學(xué)等學(xué)科，屬于多學(xué)科多交叉研究領(lǐng)域，因此多相蠟沉積的研究不僅要從理論深入探討，而且還要大量運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析和驗(yàn)證。雖然油水、油氣兩相蠟沉積研究有了初步進(jìn)展，但在油氣水三相蠟沉積方面的研究幾乎沒(méi)有，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)從以下幾方面著手：

a. 多相管流蠟沉積機(jī)理研究。目前兩相蠟沉積的研究都是沿用單相蠟沉積的機(jī)理，不能完全解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如在水環(huán)-油核環(huán)狀流流型下，油相與管壁被水相隔離，但管壁仍會(huì)出現(xiàn)沉積。

b. 流型是多相流流動(dòng)特性的研究重點(diǎn)，也是多相管流蠟沉積區(qū)別與單相蠟沉積的標(biāo)志，從油水、油氣兩相管流蠟沉積可以看出流型對(duì)沉積層的影響非常大，必須針對(duì)確定流型分析。

c. 影響多相蠟沉積的因素較多且相互干擾，因此應(yīng)該通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)尋找影響多相蠟沉積的主要因素，對(duì)多相蠟沉積問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。

d. 原油組分復(fù)雜，不同組分對(duì)蠟沉積的影響不同。因此，在研究蠟沉積問(wèn)題之前，應(yīng)對(duì)原油組分進(jìn)行詳細(xì)分析。此外，沉積物中含水量、含蠟量及硬度等參數(shù)的測(cè)量有待進(jìn)一步確定。

總之，多相管流蠟沉積問(wèn)題的研究應(yīng)從蠟沉積機(jī)理入手，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)尋求多相混輸過(guò)程中影響蠟沉積行為的關(guān)鍵因素，并結(jié)合多相流動(dòng)規(guī)律和油水、油氣兩相流蠟沉積的研究成果，逐漸展開(kāi)油氣水三相蠟沉積的研究。

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