王鵬宇姚海元宮 敬楊 威周元欣劉慧姝

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室； 2.中海油研究總院）

油包水型乳狀液蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)研究*

王鵬宇1姚海元2宮 敬1楊 威1周元欣1劉慧姝1

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室； 2.中海油研究總院）

采用我國某油田生產(chǎn)的高含蠟原油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，利用蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了油包水型乳狀液蠟沉積量隨含水率和剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律。并結(jié)合高溫氣相色譜分析技術(shù)探討了沉積物碳數(shù)分布隨乳狀液含水率的變化規(guī)律，結(jié)果表明：剪切條件下油包水型乳狀液蠟沉積量隨含水率的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且隨著剪切強(qiáng)度的增加而不斷增大；含水率和剪切強(qiáng)度對沉積物的碳數(shù)分布具有重要影響，而沉積物的碳數(shù)分布對沉積層的硬度起著重要的作用，直接影響著清管的難易程度。這些研究結(jié)論為今后開展油-水兩相蠟沉積研究奠定了基礎(chǔ)。

油包水型乳狀液；蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)；含水率；剪切強(qiáng)度；碳數(shù)分布

我國原油的主要特點(diǎn)之一就是含蠟量高。隨著深海油田的開發(fā)和海底管線的建設(shè)，油氣多相混輸技術(shù)在海洋管道以及陸上礦場集輸管道中的應(yīng)用日趨廣泛，管道蠟沉積問題成為海內(nèi)外石油行業(yè)研究的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在世界范圍內(nèi)因結(jié)蠟問題已經(jīng)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境后果［1-3］。因此，研究多相流體系中的蠟沉積問題對于確保管道輸送安全具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對單相流動條件下的蠟沉積問題展開了多年的研究，對影響蠟沉積的因素及蠟沉積機(jī)理有了較為深刻的了解［4-14］。然而，由于油水兩相流動的復(fù)雜性，與單相管流中蠟沉積問題的研究相比，油水兩相流蠟沉積的研究開展得較晚，仍處于起步階段［15-20］。Couto等人［15］利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了油包水型乳狀液的靜態(tài)蠟沉積實(shí)驗(yàn)規(guī)律，結(jié)果表明：在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下，蠟沉積量隨著乳狀液含水率的增加而逐漸減少；并針對這一現(xiàn)象給出了4個可能的原因；但并沒有對可能導(dǎo)致蠟沉積量減少的原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和進(jìn)一步研究。Bruno等人［19］采用原油和凝析油2種油品分別進(jìn)行了不同含水率下油包水型和水包油型乳狀液的蠟沉積環(huán)道實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著含水率的增加，2種油品的蠟沉積厚度和沉積物的含蠟量均逐漸減小，而沉積物中的含水率逐漸增加。這是由于蠟僅溶解在油相中，分散相（水相）的均勻分布使蠟分子擴(kuò)散的通道發(fā)生扭曲，阻礙了蠟沉積的發(fā)生。Hoffmann［21］等人在Statoil的2吋環(huán)道上對油水兩相分層流進(jìn)行了蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)流量為5 m3／h時，蠟沉積量隨含水率的增加呈先減小后增加的規(guī)律；含水率越低，擴(kuò)散機(jī)理對沉積層形成的貢獻(xiàn)越大；反之，膠凝作用的貢獻(xiàn)大。

本文采用冷指實(shí)驗(yàn)裝置對油包水型乳狀液蠟沉積量隨含水率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，對膠凝現(xiàn)象發(fā)生的原因給出了解釋，并結(jié)合氣相色譜數(shù)據(jù)分析了沉積物碳數(shù)分布隨乳狀液含水率的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 動態(tài)冷指實(shí)驗(yàn)裝置

蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究通常采用環(huán)道和冷指2種方式來進(jìn)行。由于冷指實(shí)驗(yàn)裝置體積小、可操作性好，溫度控制精度高，故被廣泛采用。本次實(shí)驗(yàn)采用的冷指實(shí)驗(yàn)裝置中加入了具有剪切作用的攪拌槳，能夠模擬流動狀態(tài)下的蠟沉積條件，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)冷指實(shí)驗(yàn)裝置的不足。

如圖1所示，本次試驗(yàn)采用的蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)裝置由不銹鋼油罐、調(diào)速電機(jī)和錨式攪拌槳、冷指、熱浴溫控和冷浴溫控等組成。其中，冷浴溫控通過循環(huán)水來控制冷指壁面的溫度；熱浴溫控用來控制油罐內(nèi)乳狀液的溫度；錨式攪拌槳配有變速箱，用來調(diào)節(jié)槳的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)范圍為60～150 r／min；攪拌槳可為蠟沉積提供剪切條件，也可在實(shí)驗(yàn)中為配置油包水型乳狀液提供攪拌；不銹鋼油罐內(nèi)配有3個相同的冷指，他們互相呈120°角，分布在3個相同的徑向位置上，可浸沒于油中為沉積物提供附著面，也可提出液面測量蠟沉積物。

圖1 蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 油包水型乳狀液的配制

實(shí)驗(yàn)中所用原油來自于我國某油田產(chǎn)出的高含蠟原油，油樣的具體物性參數(shù)如表1所示。

表1 蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)所用油樣物性參數(shù)

保持原油體積不變，改變體系中水的體積，實(shí)現(xiàn)不同含水率的原油-水乳狀液的配制。油水乳狀液體系中的原油在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過了長時間攪拌處理，可以認(rèn)定為組分穩(wěn)定的死油；體系中水的加入方式為一次性加入；水加入后按照實(shí)驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌2 h，使體系形成穩(wěn)定的乳狀液。攪拌結(jié)束后，從油罐的上部和下部分別取樣，然后測定油包水型乳狀液樣品的粘度，如果上下部分取得的乳狀液粘度相差不大，則認(rèn)為乳狀液已乳化充分。本次實(shí)驗(yàn)所配制的油包水型乳狀液粘溫曲線如圖2所示，可以看出，隨著含水率的增加，乳狀液粘度隨之增加。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）實(shí)驗(yàn)前啟動熱浴溫控，將溫度設(shè)定為65℃，預(yù)處理6 h，消除罐內(nèi)原油的剪切歷史，保證原油中析出的蠟晶充分溶解；

圖2 蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)所配制的油包水型乳狀液粘溫曲線

2）將熱浴溫控設(shè)定到實(shí)驗(yàn)所需的溫度值，冷浴溫控的設(shè)定值和熱浴溫控相同，并將冷指棒擦拭干凈；

3）觀察罐內(nèi)溫度傳感器，待乳狀液溫度達(dá)到設(shè)定值時開啟攪拌槳，將攪拌槳的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到該組實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，并將準(zhǔn)備好的水加入到油罐中，維持?jǐn)嚢? h，取上下部油樣，測定粘度值；

4）將3根冷指順序放置到預(yù)定的位置，將冷浴溫控的設(shè)定值調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)值，并迅速將冷浴溫控的循環(huán)水的溫度降低到實(shí)驗(yàn)值，蠟沉積實(shí)驗(yàn)開始；

5）蠟沉積實(shí)驗(yàn)進(jìn)行24 h后停槳，將3根冷指順序提到罐頂，并懸掛20 min；

6）在油罐上下部取樣，測定粘度值，并量取油罐內(nèi)油水乳狀液的液面高度，采用稱重法對3個冷指的沉積物進(jìn)行收集、稱重，并記錄；

7）對冷指表面的沉積物進(jìn)行取樣、保存，量取冷指上沉積物的厚度，并對3個冷指上的沉積物進(jìn)行稱重，取平均值，保留部分沉積物封存，為后續(xù)的高溫氣相色譜（HTGC）分析做準(zhǔn)備。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

選取高于析蠟點(diǎn)的溫度52.5℃作為乳狀液溫度，選取42.5℃作為冷指溫度，油壁溫差10℃，進(jìn)行了含水率15%～50%、轉(zhuǎn)速60～100 r／min的蠟沉積實(shí)驗(yàn)，共計(jì)24組。

2.1 含水率對蠟沉積的影響

圖3 不同剪切強(qiáng)度下油包水型乳狀液蠟沉積量隨含水率的變化規(guī)律

圖3為不同剪切強(qiáng)度下油包水型乳狀液蠟沉積量隨含水率的變化規(guī)律。從圖3可以看出，當(dāng)含水率小于30%時，隨著含水率的增加，蠟沉積量逐漸減小，這是因?yàn)椋孩儆捎谒嗟脑龆鄬?dǎo)致溶液傳熱特性改變，水相比原油具有更高的比熱容，從而使得冷指壁面和油流主體間的蠟分子濃度梯度變小，進(jìn)而減少了蠟沉積的驅(qū)動力；②隨著含水率增加，乳狀液的粘度增大，導(dǎo)致蠟分子擴(kuò)散系數(shù)減?。虎鬯肿拥拇嬖跍p小了蠟分子間的張力，減弱了蠟分子形成的結(jié)構(gòu)，增加了攪拌的剝離效果。當(dāng)含水率高于30%時，蠟沉積量不降反增，為此對油水乳狀液的傾點(diǎn)進(jìn)行了測試，并對沉積物進(jìn)行了高溫氣相色譜分析，結(jié)果見圖4～6。

圖4 冷指實(shí)驗(yàn)中油包水型乳狀液傾點(diǎn)隨含水率的變化規(guī)律

圖5 不同含水率條件下冷指實(shí)驗(yàn)沉積物中正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布圖（調(diào)節(jié)槳轉(zhuǎn)速60 r／min）

圖6 不同轉(zhuǎn)速條件下冷指實(shí)驗(yàn)沉積物中正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布圖（含水率為25%）

從以上測試結(jié)果可以看出，當(dāng)油包水型乳狀液的含水率高于30%時，沉積物中石蠟（C17～C35正構(gòu)烷烴）所占的比例隨含水率的增加逐漸減小。按照蠟沉積“老化”概念［22-23］，在蠟沉積發(fā)生的開始階段，會在壁面處形成一層初始凝油層。隨著沉積時間的推移，高于臨界碳數(shù)的分子不斷向凝油層中擴(kuò)散，低于臨界碳數(shù)的分子不斷向凝油層中反擴(kuò)散，并在凝油層的基礎(chǔ)上形成新的沉積層。目前，計(jì)算初始凝油層厚度的模型尚未建立，但隨著含水率的進(jìn)一步增加，乳狀液的粘度和傾點(diǎn)繼續(xù)增大，初始凝油層的厚度也隨之增加，而剪切強(qiáng)度的增加不足以剝離沉積物表面的凝油，所以蠟沉積量受初始凝油層的影響較大，且含水率越高，受初始凝油層的影響越大。Visintin等人［24］通過研究發(fā)現(xiàn)，含水率的增加會導(dǎo)致乳狀液傾點(diǎn)的增加，管道發(fā)生膠凝的可能性增大。Oliveira［25］對不同含水率的乳狀液粘度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出乳狀液粘度隨含水率的增加而增大，導(dǎo)致膠凝的風(fēng)險(xiǎn)增加。Visintin和Oliveira的工作是對油包水型乳狀液蠟沉積研究的補(bǔ)充。但是，較高的粘度不利于蠟分子的擴(kuò)散，且沉積層中夾帶大量凝油，導(dǎo)致沉積層中蠟所占的比例隨含水率的增加而降低。

2.2 剪切強(qiáng)度對蠟沉積的影響

從圖3及圖6可以看出，在含水率相同的條件下，轉(zhuǎn)速越高、剪切強(qiáng)度越強(qiáng)，沉積物的質(zhì)量越小，沉積層中的蠟含量越高。對這一現(xiàn)象的解釋是：隨著剪切強(qiáng)度的增強(qiáng)，沉積層表面受剪切剝離作用更加明顯，導(dǎo)致沉積物的質(zhì)量減少；剪切強(qiáng)度越高，越不利于初始凝油層的形成和膠凝作用的發(fā)生，導(dǎo)致沉積層中的蠟含量越高。需要指出的是，沉積物中含蠟量的多少與沉積層的硬度密切相關(guān)，并直接影響清管的難易程度。因此，不能僅關(guān)注沉積層的厚度，未來應(yīng)將沉積層厚度與硬度相結(jié)合進(jìn)行研究。

3 結(jié)論與建議

1）本文實(shí)驗(yàn)采用我國某油田產(chǎn)出的高含蠟原油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。與Couto等人［15］的研究結(jié)論不同的是，乳狀液的蠟沉積量隨著含水率的增加而出現(xiàn)先減小后增加的趨勢，其原因是原油組分以及油水兩相流的復(fù)雜性。

2）在油包水型乳狀液蠟沉積實(shí)驗(yàn)中，隨著含水率的增加，乳狀液粘度和傾點(diǎn)隨之增加，導(dǎo)致膠凝在蠟沉積中發(fā)揮很大作用。凝油的多少直接影響了沉積物的碳數(shù)分布。碳數(shù)分布與沉積層的硬度密切相關(guān)，直接影響清管的難易程度。

3）剪切強(qiáng)度的增加導(dǎo)致油流對沉積層剝離作用的增強(qiáng)。沉積物的質(zhì)量表現(xiàn)出隨剪切強(qiáng)度增加而減小的趨勢，但沉積物中重組分的含量卻隨之增加。只有將沉積層的厚度與硬度研究相結(jié)合，才能更好的為工程實(shí)際服務(wù)。因此，該方面研究勢必成為未來蠟沉積研究的熱點(diǎn)。

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Study on the cold finger experiment of wax deposition of water-in-oil emulsions

Wang Pengyu1Yao Haiyuan2Gong Jing1Yang Wei1zhou Yuanxin1Liu Huishu1
（1.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety in China University of Petroleum，Beijing，102249；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

The laws of wax deposition in w／o emulsion were studied with highly waxy crude oil produced in an oilfield of China as the experimental media under conditions of different water cut and shear strength．The influence of different water cut on carbon number distributions of deposits was discussed with the help of high temperature gas chromatography（HTGC）technology．The results showed that deposition mass decreased and then increased with water cut increasing under shear conditions，but increased and then decreased with shear strength increasing．The water cut and shear strength have important influence on carbon number distribution and the deposition layer hardness so that the difficulty of pigging is affected．The study has laid a foundation for further study on oilwater two-phase wax deposition．

w／o emulsion；cold finger experiment of wax deposition；water cut；shear strength；carbon number distribution

2013-01-21改回日期：2013-11-05

（編輯：葉秋敏）

*國家科技重大專項(xiàng)課題子課題“深水流動安全設(shè)計(jì)與流動管理技術(shù)（編號：2011z X05026-004）”和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“深水環(huán)境下易凝高黏原油-天然氣輸送系統(tǒng)流動保障基礎(chǔ)問題研究（編號：51134006）”部分研究成果。

王鵬宇，男，中國石油大學(xué)（北京）在讀博士，主要從事流動安全保障和原油蠟沉積方面的研究。E-mail：pengyuwang＠hotmail．com。