莊 琦，靳帥帥，魏王穎，劉國慶，肖榮鴿

西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065

在原油的管道輸送過程中，隨著與外界環(huán)境的換熱，含蠟原油的溫度逐漸低于析蠟點，蠟晶會在管壁處沉積并析出［1］。當析蠟量達到2%～3%時，含蠟原油就會膠凝［2-3］，影響正常的管道輸送?；凇袄匣睓C制，蠟分子繼續(xù)在初始凝油層內擴散、析出和沉積，導致結蠟層的強度逐漸增大。然而，目前的蠟沉積模型主要集中于結蠟量、結蠟厚度和結蠟速率等方面［4-8］，關于結蠟層強度的研究則較少。

就原油管道輸送的清管作業(yè)而言，蠟沉積厚度和強度均要考慮在內，才能保證清管的效果。由于現(xiàn)場清管作業(yè)缺乏理論基礎支持，嚴重依賴于現(xiàn)場工作人員的經驗，使得蠟堵、卡球等事故時常發(fā)生。尤其現(xiàn)階段對結蠟層強度的研究不足，人們對蠟層破壞力的估計不足，致使在清管作業(yè)時實際的驅動力不足，無法克服清蠟阻力，最終造成卡球事故［9］。所以，本文綜述了目前管道結蠟層強度的成因及影響因素的研究進展，以期對含蠟原油的安全管道輸送起一定的指導作用。

1 管道結蠟層強度的研究

目前，對于管道結蠟層強度主要集中于定性和定量兩方面的研究。定性研究方面，通過冷指、環(huán)道等室內實驗探究不同實驗條件對沉積物中的高碳數(shù)組分的含量和含蠟量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，沉積物的高碳數(shù)組分含量和含蠟量越大，結蠟層強度越大［10］。定量研究方面，通過測量蠟沉積物的抗剪切強度定量表征結蠟層強度，蠟沉積物的抗剪切強度是指蠟沉積物在剪切速率下仍保持完好的情況下可以承受的最大剪應力，可用靜屈服應力表征［11-12］。

1.1 定性研究

1.1.1 沉積時間

對于沉積時間對結蠟層強度影響的重要性，學者的觀點已達成一致。即，隨著時間的延長，因為“老化”作用的存在導致了蠟沉積物的含蠟量增大，表明結蠟層強度隨沉積時間的延長而增大［13］。

1.1.2 溫度

關于溫度對結蠟層強度的影響，Mehrotra等［14］根據(jù)油溫與含蠟原油析蠟點的大小，分為油溫大于析蠟點的“熱流”條件和油溫小于析蠟點的“冷流”條件。在“熱流”條件時，范開峰［15］通過開展靜態(tài)和動態(tài)冷指研究后發(fā)現(xiàn)：在靜態(tài)實驗下，沉積物的含蠟量隨油溫的升高而增大；而在動態(tài)實驗下沉積物的含蠟量隨油溫的升高而減小，這是因為在動態(tài)實驗下沉積物中的蠟組分在高剪切作用下被剝離所導致的。全青［16］通過高溫氣相色譜分析沉積物的組分后發(fā)現(xiàn)：當油溫與壁溫這兩個條件中的一個固定時，沉積物的含蠟量均隨另一個溫度的升高而增大。在“冷流”條件時，胡志勇［17］在靜態(tài)和動態(tài)冷指實驗后發(fā)現(xiàn)，當油溫與壁溫這兩個條件中的一個固定時，沉積物的含蠟量均隨另一個溫度的升高而增大。Hoffmann 等［18］通過環(huán)道實驗也發(fā)現(xiàn)了同一規(guī)律。

關于溫度對結蠟層強度的影響可做如下解釋：當壁溫不變時，隨著油溫的升高，油壁溫差亦增大，從而溫度梯度增大，蠟分子的擴散能力增強，導致沉積物中高碳數(shù)組分的含量和含蠟量都增大，最終結蠟層強度增大；當油溫不變時，隨著壁溫的升高，油壁溫差則減小，從而溫度梯度減小，蠟分子擴散能力減弱，但較高的壁溫會使管壁周圍蠟晶溶解能力增強，最終導致沉積物中高碳數(shù)的組分含量和含蠟量都增大，結蠟層強度增大［15-17］。總之，關于溫度對結蠟層強度的影響需綜合考慮蠟分子擴散能力和蠟晶的溶解能力。

1.1.3 剪切速率

關于剪切對結蠟層強度的影響，何莎莎［19］通過開展50～70 r/min 轉速下的冷指實驗發(fā)現(xiàn)，沉積物的含蠟量不隨轉速變化。范開峰［15］開展0～125 r/min 轉速下的冷指實驗發(fā)現(xiàn)，隨著轉速的增大，沉積物的含蠟量先增大后減小。胡志勇［17］開展50～120 r/min 轉速下的冷指實驗發(fā)現(xiàn)，沉積物的含蠟量隨轉速的增大而增大。這可能是由于所用動態(tài)冷指裝置的差異所導致，但大致存在以下規(guī)律：當剪切速率較低時，冷指溫度場隨剪切速率發(fā)生變化，隨著剪切速率的增大，油流整體溫度更加均衡但界面處的溫度梯度更大，分子擴散能力增強，并且在低剪切速率時會更多地剝離沉積物中的凝油，導致沉積物的含蠟量增大；當剪切速率進一步增大時，冷指溫度場已趨于穩(wěn)定且分子擴散能力不再隨剪切速率變化，但增大剪切速率會破壞蠟晶結構、剝離部分蠟組分，從而使沉積物的含蠟量減少。

1.2 定量研究

在定量研究中，由于現(xiàn)場管道中保持原始結構的蠟沉積物很難獲得，所以大多數(shù)學者將蠟沉積物或蠟混入原油制備膠凝油，進而代替現(xiàn)場管道中的蠟沉積物［20］。因為蠟沉積物主要是由石蠟、瀝青質、膠質、凝油、砂和其他雜質構成的混合物，屬于膠凝油的范疇，人工制備的膠凝油可以很好地呈現(xiàn)真實蠟沉積物的特性。白成玉［20］率先通過實驗研究證實了該方法的可靠性。而Venkatesan等［21］用礦物油和蠟制備膠凝油，使用蠟沉積物或蠟混入原油制備的膠凝油更接近現(xiàn)場實際的蠟沉積物。王文達［22］和劉陽進［23］用蠟沉積物和原油、任翌劼［24］和董雪［25］用0#柴油和蠟沉積物制備了不同強度的模擬沉積物，通過建立模擬沉積物的固相蠟濃度和蠟晶分形維數(shù)、蠟晶面積分數(shù)與顆粒個數(shù)、蠟晶圓度與長徑比等蠟晶微觀參數(shù)與屈服應力的關系式，實現(xiàn)了結蠟層強度的定量表征。

在定量研究中，準確測量沉積物的屈服應力至關重要。屈服應力可分為靜屈服應力和動屈服應力2 種。靜屈服應力表征結蠟層的結構強度，反映了管道停輸再啟動的難易程度；而動屈服應力被定義為平衡流變曲線外延與剪切應力軸的交點對應的剪切應力，反映了流動狀態(tài)下原油結構的特征值［26］。在研究結蠟層強度時，主要測量靜屈服應力，下文所講述的屈服應力均指靜屈服應力。

目前，主要采用流變儀搭載漿式轉子的屈服應力測量裝置來測定靜屈服應力。通過對沉積物施加剪切應力后觀測蠟沉積物的黏度或應變的變化從而確定屈服點，屈服點所對應的剪切應力即為屈服應力［12，27］。在剪切應力加載的初始階段，沉積物黏度較大，應變幾乎保持不變；隨著剪切應力進一步增大，沉積物結構被突然破壞，表現(xiàn)為沉積物的黏度突然減小、應變突然增大，屈服過程和屈服點的判斷如圖1所示，其中箭頭所指的剪切應力即為屈服應力。而屈服應力不僅與膠凝油的熱歷史、剪切歷史、靜置時間、原油組成等因素有關，還與應力加載時間、應力加載速率等測量條件有關。

圖1 某模擬沉積物的屈服過程及屈服點［22］

2 管道結蠟層強度的影響因素

2.1 熱歷史

熱歷史指含蠟原油在形成膠凝結構之前經歷的所有與溫度有關的歷史條件［28］。熱歷史通常包括加熱溫度、降溫速率、測試溫度以及測試溫度下的靜置時間等。白成玉［20］通過測量管道的原始蠟沉積物在25 ℃下靜置10 h 的屈服應力值，并且將同樣的蠟沉積物先加熱至85 ℃，恒溫2 h 后降溫至25 ℃后再靜置10 h，再次測量其屈服應力值，結果發(fā)現(xiàn)：蠟沉積物被加熱后的屈服應力均顯著增大，且屈服應力值增大了近1 倍。李苗［27］通過測量管道的蠟沉積物加熱前后的屈服應力后發(fā)現(xiàn)，沉積物加熱熔化降溫后的屈服應力是蠟沉積物原樣的5～13倍。由此可見，熱歷史在很大程度上影響著蠟沉積物的強度。

2.2 剪切歷史

當含蠟原油溫度降至析蠟點以下時，蠟晶會逐漸在管壁處析出，這一過程會受到管流的剪切速率的影響，從而改變蠟晶的聚集、排列和分散程度，進而影響屈服應力，即結蠟層的強度。通常剪切歷史包括剪切強度、剪切時間和動冷終溫等。目前，學者從以下兩方面對其進行研究：①在降溫過程中施加一定的剪切速率或剪切應力來模擬管流對降溫過程中形成的沉積物施加的剪切速率；②在恒溫過程中施加一定的剪切速率或剪切應力［28］。根據(jù)剪切強度的大小劃分為蠕變范圍內的剪切（10-2s-1量級以下）、中速剪切（10-1～102s-1量級）和高速剪切（103s-1量級）［28-30］。Visintin等［29］通過實驗分析剪切應力對膠凝油結構的影響后發(fā)現(xiàn)，膠凝油的結構與剪切應力和屈服應力的相對大小有關。Venkatesan 等［21］通過剪切實驗分析剪切應力對膠凝油屈服應力的影響，結果發(fā)現(xiàn)：當剪切應力較小時，蠟晶顆粒聚集占主導地位，屈服應力增大；當剪切應力較大時，蠟晶顆粒破壞占主導地位，屈服應力減小。

2.3 原油組成

從宏觀上看結蠟層強度的差異主要在于含蠟原油的組成。當含蠟原油的蠟含量越大時，結蠟層的強度越大，即屈服應力越大。但需要注意膠凝油中的蠟由固相蠟和液相蠟構成，只有固相蠟影響蠟沉積物的屈服應力，而未析出的蠟（液相蠟）對沉積物的屈服應力沒有影響［20］。原油中的膠質、瀝青質等組分同樣對屈服應力存在影響，Kriz 等［31］認為瀝青質存在一個臨界濃度（為0.05%），當沉積物中瀝青質含量小于臨界濃度時，蠟晶網狀結構增強，屈服應力增大。Oh等［32］、Tinsley 等［33］和Venkatesan 等［34］發(fā)現(xiàn)，瀝青質會使膠凝油的屈服應力顯著減小。Bai等［35］研究發(fā)現(xiàn)，管道蠟沉積物中瀝青質濃度通常遠大于臨界瀝青質濃度，推測沉積物中瀝青質可以降低屈服應力。目前，關于瀝青質對屈服應力的影響還存在一定的爭議，而關于膠質對屈服應力影響的研究較少。

從微觀上看，結蠟層強度的差異主要在于其蠟晶微觀結構。學者普遍認為結蠟層強度隨蠟晶圓度、含蠟面積分數(shù)、蠟晶顆粒數(shù)、蠟晶邊界分形維數(shù)、蠟晶尺寸的增大而增大，隨蠟晶長徑比的增大而減?。?0，22，25］。而關于各因素對結蠟層強度的影響程度，白成玉等［20，35］研究發(fā)現(xiàn)，固相蠟濃度是造成管道徑向結蠟層強度變化的主要因素。Coutinho 等［36］和Masoudi 等［37］則發(fā)現(xiàn)，結蠟層強度隨著時間的增長主要是由于蠟晶顆粒尺寸的增大所引起的。高鵬［38］基于多元逐步回歸分析方法從統(tǒng)計學角度定量分析蠟晶微觀結構對含蠟原油屈服應力的影響后發(fā)現(xiàn)，它們對結蠟層強度的影響程度從大到小依次為蠟晶分形維數(shù)、蠟晶實際體積分數(shù)和原油平均分子量。董雪［25］基于灰色關聯(lián)理論分析因素對結蠟層強度的關聯(lián)度研究后發(fā)現(xiàn)，它們與結蠟層強度的關聯(lián)度從大到小依次為含蠟面積分數(shù)、固相蠟濃度、邊界分形維數(shù)、蠟晶顆粒數(shù)、蠟晶圓度和長徑比。

3 管道結蠟層強度的定量測量

目前，屈服應力測試方法包括葉輪法、應力松弛法、恒應變率法、控制應力法、U 形管法、模型管法和管路靜置法［26］。現(xiàn)在屈服應力主要基于流變儀采用控制應力法進行測試，常用的流變儀有Anton Paar Rheolab QC 旋轉流變儀、HAAKE RS150H 控制應力流變儀和TA DHR-1 流變儀［3］。但控制應力法仍存在一定缺陷，因為在測試過程中需要先加熱后降溫，這會改變樣品的初始結構，使得其屈服應力的測量不準確，且測量值偏大［3］。在采用控制應力法進行屈服應力測試時，為了有效防止測試樣品和樣品槽壁面發(fā)生滑移，李苗［27］設計了基于槳式轉子的實驗裝置，并通過比較光滑同軸圓筒、刻槽同軸圓筒與槳式轉子這3 種測量系統(tǒng)的屈服應力，證明了槳式轉子測量系統(tǒng)的可行性和準確度，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 基于槳式轉子的屈服應力測試實驗裝置結構示意［27］

3.1 測試步驟

綜合文獻［20，22，25］整理了相關測試步驟，包括以下4點。

1）消除樣品的熱歷史和剪切歷史。將樣品放入80 ℃（大于樣品析蠟點+20 ℃）的水浴中恒溫2 h，然后在室溫下靜置48 h，以此來認定已消除其熱歷史和剪切歷史。

2）樣品及流變儀預熱。將樣品加熱至80 ℃（熔蠟溫度）并恒溫30 min（熔蠟溫度下的靜置時間），使樣品全部溶解；同時預熱流變儀至80 ℃。

3）將預熱后的樣品倒入儀器同軸轉子系統(tǒng)，開啟降溫程序以1 ℃/min（降溫速率）降溫至測試溫度，并恒溫100 min（測試溫度下的靜置時間）。

4）開啟屈服測試程序測試屈服應力。在屈服應力測試過程中，控制應力法的加載方式有對數(shù)應力加載和恒速率加載［20］。對數(shù)應力加載的控制應力法因其使用范圍更大而被廣泛應用，但具體加載方式需根據(jù)實際情況選定。當采用對數(shù)加載的控制應力法時，設定初始加載應力后，還需設定2 個應力數(shù)量級之間的加載時間為100 s（應力加載時間）。

3.2 影響測試結果的因素

3.2.1 轉子插入次序的影響

在測試過程中，將轉子垂直插入樣品槽可能會擾動樣品，影響屈服應力的測試結果。因此，需分別進行兩組對照實驗：①樣品在降溫前，將轉子插入樣品槽內，轉子和樣品一同降溫；②樣品降溫后，再將轉子插入樣品槽。白成玉［20］基于3 種膠凝油、李苗［12，27］基于大慶原油采用對照試驗測試了不同溫度下的屈服應力，結果發(fā)現(xiàn)：降溫前后插入轉子對屈服應力的影響較小，而且轉子插入次序對屈服應力的影響可以忽略。

3.2.2 熔蠟溫度的影響

在測試過程中，當熔蠟溫度過低時，樣品可能無法全部溶化，這會影響屈服應力的測試結果。朱方達等［39］分別開展了熔蠟溫度為60、70 和80 ℃下的屈服應力測試后發(fā)現(xiàn)：當熔蠟溫度為60 ℃時，因蠟沉積物的溶解不完全，殘留在原油中的蠟晶顆粒會增大屈服應力；而熔蠟溫度為70 和80 ℃的屈服應力不同，則是由其所受熱歷史的不同所引起的。同時，通過蠟晶的顯微特性觀察發(fā)現(xiàn)，當加熱溫度升高時，蠟晶長徑比逐漸增大，蠟晶形狀也由橢圓形變?yōu)榫匦?，相對于橢圓形，矩形的端部與蠟晶表面之間的作用面積小，所以蠟晶顆粒之間的作用力也越?。浑S著加熱溫度升高，膠凝油內部的三維網絡結構逐漸減弱，從而導致屈服應力減小。由此可見，屈服應力隨熔蠟溫度的升高而減小。對于具體熔蠟溫度需根據(jù)蠟樣溶解情況來決定。

3.2.3 熔蠟溫度下靜置時間的影響

在測試過程中，當熔蠟溫度下的靜置時間過長時，樣品中的輕組分可能產生揮發(fā)現(xiàn)象，這會影響屈服應力的測試結果。朱方達等［39］分別開展了熔蠟溫度下的靜置時間為0、5.0、7.5、10.0、12.5 和15.0 h 下的屈服應力測試，結果發(fā)現(xiàn)：熔蠟溫度下靜置時間在5.0 h 內膠凝油的屈服特性是不變的；當靜置時間超過5.0 h 后，屈服應力隨著熔蠟溫度下靜置時間的延長而增大。這是由于靜置時間的延長，導致膠凝油中輕組分產生揮發(fā)，隨著膠凝油輕組分的揮發(fā)，增強了蠟晶之間的吸附作用，也加速了晶核的生長，導致蠟晶之間的網絡結構增強，從而導致屈服應力增大。為了避免膠凝油中輕組分的揮發(fā)，熔蠟溫度下的靜置時間不宜超過5.0 h。

3.2.4 降溫速率的影響

降溫速率對膠凝油屈服特性的影響規(guī)律一般為降溫速率越大，屈服應力越小。Venkatesan等［21］通過研究不同降溫速率下膠凝油的屈服特性后發(fā)現(xiàn)：當膠凝油以0.1～10 ℃/min 降溫速率靜態(tài)降溫時，隨著降溫速率增大，屈服應力逐漸減小。而且據(jù)蠟晶顯微特性測試發(fā)現(xiàn)，降溫速率越小，蠟晶尺寸越大、蠟晶數(shù)量越少。Cheng等［40］基于2種膠凝含蠟原油分別進行了0.5、1 和2 ℃/min 降溫速率的屈服應力測試，結果發(fā)現(xiàn)：隨著降溫速率減小，屈服應力增大。解青波等［28］發(fā)現(xiàn)降溫速率越小，蠟晶聚集體越大，蠟晶越容易發(fā)生交聯(lián)，蠟晶結構越強，從而屈服應力越大。這是因為當降溫速率越小時，相應的降溫時間得到延長，蠟晶有更多的時間生長、聚集，使得蠟晶尺寸增大，最終的屈服應力隨之增大。

在測試過程中，當降溫速率過快時，在重力的作用下，樣品可能在底部發(fā)生沉積，影響屈服應力的測試結果。白成玉［20］分別開展了降溫速率為0.5 和1 ℃/min 的差示掃描量熱法（DSC）測試和屈服應力測試，結果發(fā)現(xiàn)：兩樣品頂部和底部的析蠟點和含蠟量幾乎一致，可見在1 和0.5 ℃/min 的降溫速率下底部并未發(fā)生沉積；隨著降溫速率的減小，屈服應力增大。這是由于降溫速率的減小，蠟晶尺寸增大，有利于形成結構強度更大的蠟晶網絡，從而導致屈服應力增大。由于時間與成本的關系，通常降溫速率取1 ℃/min。

3.2.5 測試溫度的影響

測試溫度對膠凝油屈服特性的影響規(guī)律一般為測試溫度越低，屈服應力越大。當加熱溫度相同時，測試溫度越低，意味著析出的蠟晶數(shù)量越多、蠟晶結構越強，則屈服應力越大。Oh 等［32］基于膠凝油分別進行了測試溫度為5、10 和15 ℃的屈服應力測試，結果發(fā)現(xiàn)：5 ℃時的屈服應力為195～215 Pa，10 ℃時的屈服應力為115～135 Pa，而15 ℃時的屈服應力為55～75 Pa。由此可以看出，測試溫度從15 ℃降至10 ℃時，屈服應力增加了60 Pa，而從10 ℃降至5 ℃時，屈服應力增加80 Pa，可見屈服應力與測試溫度并不呈線性關系。李苗［27］基于2 條現(xiàn)場實際管道探究徑向不同位置處蠟沉積物的屈服應力，結果發(fā)現(xiàn)，屈服應力與測試溫度呈指數(shù)關系。白成玉［20］和王文達［22］則發(fā)現(xiàn)：測試溫度主要通過改變固相蠟濃度進而影響屈服應力，可用式（1）表示。

式中：τy為屈服應力，Pa；φs為固相蠟濃度，%；t為測試溫度，℃；φ為含蠟量，%；a為待定系數(shù)，℃-1；b、c、d為常數(shù)，無量綱（a、b、c、d可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得出）。

3.2.6 測試溫度下靜置時間的影響

在測試過程中，測試溫度下的靜置時間會影響屈服應力的測試結果。通常，隨著靜置時間的延長，屈服應力先增大后趨于穩(wěn)定。白成玉［20］分別開展了膠凝油在測試溫度下靜置時間為30～210 min 的屈服應力測試后發(fā)現(xiàn)，當靜置時間大于100 min 時，屈服應力保持不變。劉陽進［23］分別開展了測試溫度下靜置時間為30、60、90 和120 min 的屈服應力測試后發(fā)現(xiàn)，不同溫度下屈服應力的結果最大相對誤差僅為5.6%?？梢姡o置時間對屈服應力的影響不大。一般來說，為了避免測試溫度下靜置時間對屈服應力的影響，通常測試溫度下的靜置時間應不小于60 min。

3.2.7 應力加載時間的影響

在測試過程中，應力加載時間同樣會影響屈服應力的測試結果。在采用對數(shù)方式加載的控制應力法進行屈服應力測試時，2 個應力數(shù)量級之間的應力加載時間是固定不變的，所以應力加載速率隨著應力的增大而增大。王文達［22］分別開展了應力加載時間為50、100 和150 s 的屈服應力測試后發(fā)現(xiàn)：屈服應力隨應力加載時間的延長而減小，隨應力加載速率的增大而增大。而且，在100和150 s 應力加載時間下的屈服應力的相對誤差僅為5.48%，對于結構強度較大的樣品來說，應力加載時間對其屈服應力的影響很小。為了避免應力加載時間對屈服應力的影響，通常應力加載時間取100 s。

4 結語

本文分別從定性和定量兩方面綜述了管道結蠟層強度的研究進展，可以看出學者們取得了一定的成果，但在某些方面仍存在分歧或者研究較少。本文闡述了管道結蠟層強度的定量測量方法，并給出測量過程中參數(shù)的設置范圍，給后續(xù)學者定量研究管道結蠟層強度奠定了基礎。關于管道結蠟層強度的研究，未來仍可以從以下方面進行：

1）在定性研究管道結蠟層強度時，可采用不同含蠟量、瀝青質、膠質等組分的油品進行冷指、環(huán)道等室內實驗，探究原油組成對結蠟層強度的影響。

2）在建立管道結蠟層強度定量模型時，可通過蠟沉積物摻混原油、柴油等制備不同強度的模擬沉積物，綜合考慮固相蠟濃度和蠟晶微觀參數(shù)，建立相應的結蠟層強度模型。