劉恩博

摘? ?要：原油在運輸過程中，由于內(nèi)在因素和外界環(huán)境因素的影響，會析出蠟，沉積的石蠟會減少有效流動面積甚至完全堵塞地面流動管線，有可能引起局部憋壓。針對某海上油田原油輸送管道所存在的結(jié)蠟堵塞問題，運用管線模擬軟件建立該油田集輸管網(wǎng)模型，通過改變管徑和外界溫度兩個因素進(jìn)行實驗，并分析含蠟原油管線結(jié)蠟機理，提出了預(yù)防結(jié)蠟堵塞管道的方法，對確保原油管道安全集輸原油具有重要意義。

關(guān)鍵詞：原油管道;結(jié)蠟機理;堵塞預(yù)測

1? ? 結(jié)蠟過程簡介

我國多產(chǎn)含蠟原油，易凝流動性差，在管道輸送過程中因為溫度等環(huán)境條件的改變會在管壁形成蠟沉積[1-3]。此外，隨著陸上油田和海上油田的開發(fā)進(jìn)入后期，采出物通常為多相混合物，考慮到經(jīng)濟性的問題，油田將會采用多相混和輸送的方式進(jìn)行管道輸送。多相通常為油水、油氣兩相，有時候甚至油氣水三相混輸，管輸介質(zhì)的復(fù)雜性使得多相流蠟沉積過程遠(yuǎn)比單相流蠟沉積過程復(fù)雜。而蠟沉積會在管道運輸過程中容易發(fā)生堵塞等安全問題。通過研究發(fā)現(xiàn)原油結(jié)蠟機理[4]：當(dāng)集輸管道內(nèi)壁處溫度低于輸送原油析蠟點，并且比油流溫度低時，靠近管道內(nèi)壁的原油中含有的蠟分子就容易隨著管道內(nèi)壁的結(jié)晶中心進(jìn)行結(jié)晶而析出，同時，影響到該處原油中含有的蠟分子濃度比油流中的濃度低，導(dǎo)致油流中的蠟分子根據(jù)濃度關(guān)系在集輸管道內(nèi)壁遷移，并進(jìn)行沉積形成結(jié)蠟。通過軟件進(jìn)行分析，可以提前規(guī)劃管網(wǎng)，避免出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞造成安全事故。

2? ? 結(jié)蠟規(guī)律實驗

A油田當(dāng)前日產(chǎn)液量為2 943 m3/d，目前環(huán)境溫度25 ℃，管徑為203.2 mm，管線總長約12 km，包含兩個油水分離器。針對該油田管網(wǎng)實際分布情況，建立集輸管網(wǎng)模型，如圖1所示。

2.1? 管道蠟沉積模型

在管道徑向方向，由于管道中心與管壁之間存在溫度梯度，導(dǎo)致油流中的蠟分子在濃度梯度作用下向著管壁方向不斷擴散，從而在低于析蠟點溫度的管壁上沉積下來[5]。蠟沉積層含蠟量計算公式如下：

（1）

式中，r為管內(nèi)有效半徑，m;FW為沉積層中固相蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ρgel為沉積層密度，kg/m3;CWS為蠟分子在油流中的溶解度，kg/m3;T為沉積層界面溫度，δ為無量綱化的沉積層厚度。

沉積層厚度δ有3種常用的測量方法，直接測量法、壓降法和LD-LD法。

直接測量法是將一部分試驗管段裝在實驗裝置上，在形成蠟沉積后，將管段拆下，通過加熱的方法使蠟沉積層融化，然后刮出融化后的蠟進(jìn)行質(zhì)量測定，從而得到等效沉積層厚度。

壓降法的主要原理是用兩段材料和性質(zhì)完全相同的管道在不同的溫度下進(jìn)行測試，測試管段的溫度低于蠟析出的臨界溫度，對比管段的溫度則高于析蠟溫度以確保其無蠟晶析出影響實驗的準(zhǔn)確性。然后通過兩管段的壓降差值，間接計算蠟沉積層厚度。

LD-LD法是將一定量的原油加入實驗管道中，然后多次記錄管路中原油體積及上升高度，從而算出各個位置的蠟沉積厚度及平均厚度。通常來說，記錄越頻繁，間隔越短，那么結(jié)果就更為準(zhǔn)確。

此外，還有一種新型的測量方法，熱脈沖厚度檢測方法。該方法是運用加熱元件發(fā)射瞬時脈沖，溫度傳感器測量熱效應(yīng)，然后間接算出蠟沉積層厚度。

2.2? 管道沿線溫度分布計算公式

計算沿線溫度分布通常采用考慮摩擦熱的軸向溫降公式，軸向溫降公式的推導(dǎo)。

基本假設(shè)如下。

（1）穩(wěn)定工況。包括熱力、水力條件穩(wěn)定，即各站的進(jìn)出站溫度不隨時間變化，輸量也不隨時間變化。

（2）油流至周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)K沿線為常數(shù)。

（3）沿線地溫T0和油品的比熱C為常數(shù)，該溫降公式也稱為文賓宗溫降公式：

（2）

（3）

式中：G表示油品質(zhì)量流量，kg/s。

c表示油品比熱，J/kg ?℃。

D表示管道外徑，m。

t0表示管中心埋深處自然地溫，℃。

L表示管道輸送的長度，m。

K表示出站管道總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）。

tR表示出站溫度，℃。

tL表示出站距離L處的油溫，℃。

i表示油流的水力坡降m/m。

a，b表示參數(shù)。

g表示重力加速度，m/s2。

原油在流動過程中存在摩阻，流速過快會使油品升溫，外界環(huán)境溫度過低會導(dǎo)致管內(nèi)外溫差過大，熱交換增加，蠟晶更容易析出。但流速過快，會在管壁產(chǎn)生剪切力，使蠟不容易集結(jié)造成堵塞，故綜合考慮兩方面因素，通過軟件模擬，觀察結(jié)蠟堵塞與原油流速之間的關(guān)系，為管道安全輸送原油提供支撐。

2.3? 模擬過程

（1）通過實際情況，建立A油田區(qū)塊生產(chǎn)集輸管網(wǎng)模型，輸入對應(yīng)實際數(shù)據(jù)，模擬現(xiàn)場集輸管網(wǎng)。

（2）固定管徑為6 in，設(shè)置環(huán)境溫度為10 ℃，此溫度表示該地區(qū)常年的最低溫度，通過改變流量即流速進(jìn)行管道輸送模擬，觀察管道運輸情況，記錄此環(huán)境溫度管道堵塞情況。

（3）改變環(huán)境溫度依次降低為5 ℃，3 ℃，0 ℃，重復(fù)步驟（2），求出對應(yīng)臨界流速。

（4）作出不同溫度下，臨界流速圖表。

2.4? 模擬結(jié)果分析

（1）當(dāng)管徑為6 in，環(huán)境溫度為0 ℃時，隨著體積流量的減小，當(dāng)流量減小至5 250 m3/d左右時管道堵塞情況消失。

（2）隨著環(huán)境溫度的上升，在溫度為10 ℃時，流量由6 580 m3/d減小到3 180 m3/d時，管道堵塞情況才消失。

3? ? 結(jié)語

（1）蠟的固相含量隨外界溫度的降低（即管壁內(nèi)外溫差越大）而增加。

（2）在同一流量下，隨著環(huán)境溫度的降低，管道會逐漸開始出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞的現(xiàn)象。

（3）在同一環(huán)境溫度下，雖然流速快不容易形成蠟堆積，但是流量過大時，輕微的蠟堆積也會導(dǎo)致局部堵塞。

（4）當(dāng)管徑較小時，輕微的結(jié)蠟就有可能導(dǎo)致局部憋壓，壓裂管道，因此，可以通過上述方法，確定不同管徑、不同環(huán)境溫度下時的臨界流量，避免出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞管道的情況。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔡洪，黃成.高含蠟?zāi)鰵饩灣练e實驗研究[J].石油化工應(yīng)用，2011（3）：20-22.

[2]于宏慶，馬云.高原原油集輸管道結(jié)蠟規(guī)律及防護(hù)技術(shù)[J].油氣田地面工程，2014（10）：94-95.

[3]孫雪姣，呂濤，肖榮鴿.含蠟原油管道結(jié)蠟機理及清蠟技術(shù)研究[J].清洗世界，2014（4）：31-34.

[4]呂朝旭，邢曉凱，柯魯峰.多相流蠟沉積研究進(jìn)展[J].油氣田地面工程，2018（4）：36-41.

[5]彭陽.含蠟原油管道輸送蠟沉積預(yù)測模型研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

Study on the prediction of the blockage of wax in the pipeline

Liu Enbo

（Chongqing Gas Group Co.， Ltd.， Chongqing 400020， China）

Abstract：During the transportation of crude oil， due to internal factors and external environmental factors， wax will be precipitated. The deposited paraffin will reduce the effective flow area or even completely block the ground flow pipeline， which may cause local rolling pressure. Aiming at the problem of wax blockage in the crude oil pipeline of a certain offshore oilfield， the pipeline simulation software was used to establish the model of the oilfield pipeline network. The experiment was carried out by changing the diameter of the pipeline and the external temperature， and the waxing mechanism of the waxy crude oil pipeline was analyzed. It is proposed to prevent the wax from clogging the pipeline， which is of great significance for ensuring the safe collection and transportation of crude oil from crude oil pipelines.

Key words：crude oil pipeline; waxing mechanism; wax formation forecast