左江偉，田一波，李漢成，鄭銳，許紅明，徐思瑩，楊子航

（中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部，新疆 庫爾勒 841000）

含蠟原油在長距離管輸過程中，油品自熱泵站流出后的出站油溫大于環(huán)境溫度，因熱傳遞導(dǎo)致油溫沿軸向和徑向不斷下降，當(dāng)油溫下降至析蠟點時，油品中的蠟晶分子開始析出，這些析出的蠟會逐漸附著在管壁上，并隨運行時間的增加在管道內(nèi)壁上形成蠟沉積層[1-2]。蠟沉積層的形成會造成管道流通面積減小、降低管道輸送能力并增加管道運行成本，還會對停輸再啟動造成巨大的困難，嚴(yán)重時會引發(fā)油品凝膠化，使管道發(fā)生凝管現(xiàn)象，造成堵塞停產(chǎn)事故。因此，管道蠟沉積問題是熱油管道輸送過程中必須面對的問題。

目前，針對熱油管輸管線中蠟沉積問題，石油生產(chǎn)和儲運企業(yè)最常采取的解決方法主要有添加化學(xué)防蠟劑、提高含蠟?zāi)鲇统稣緶囟?、管線設(shè)置保護層維溫、長輸管線設(shè)置加熱站、定期清管等。

含蠟油品的蠟沉積過程非常復(fù)雜[3]，迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者們相繼提出了分子擴散[4]、剪切彌散[5]、布朗擴散[6]、重力沉降[7]等沉積機理。近年來，學(xué)者們對于蠟沉積機理的認(rèn)識更加深入，又提出了“剪切剝離”[8]和“老化”[9]機理。對于蠟沉積速率影響因素的研究中，主要有油品的組成與性質(zhì)、膠質(zhì)與瀝青質(zhì)含量、油流溫度、管道壁面溫差、流量、運行時長、管壁粗糙度等，研究多基于蠟沉積冷指實驗與室內(nèi)蠟沉積環(huán)道裝置[10-12]開展，但流動環(huán)道內(nèi)進行的實驗易受壓力低、管徑小、場地受限等因素制約，因此國際上一些大型石油公司以及科研機構(gòu)專門開發(fā)了一些計算蠟沉積的商業(yè)軟件，如OLGA[13]、PVTsim[14]、Wax Flow[15]等，其模擬準(zhǔn)確度在大量環(huán)道實驗中已得到驗證，其中，OLGA蠟沉積模擬結(jié)果已被各大石油公司認(rèn)可。

基于上述背景，本文采用多相流瞬態(tài)仿真軟件OLGA蠟沉積模塊的Matzain 模型，以塔里木油田英買凝析油（高凝、高黏、高含蠟）和英牙凝析油管線為研究對象，探究管道運行中常見的管徑、管道起伏程度、入口溫度、出口壓力、輸油量等因素對蠟沉積影響，并結(jié)合英牙線實際運行參數(shù)情況進行了計算，模擬了英牙線凝析油在不同加熱站之間的析蠟厚度，明確了英牙凝析油管線高風(fēng)險管道運行段，有利于降低管道蠟堵事故，降低清管頻次，節(jié)約運行成本。

1 管道油品簡介與模擬步驟

1.1 英牙凝析油管道概況

英牙凝析油管線是塔里木油田英買油氣開發(fā)部凝析油外輸主要管線[16]，起點為英買首站，終點為牙哈裝車站，全長149.67 km。管線直徑219.1 mm，壁厚5.2 mm，設(shè)計壓力6.3 MPa，設(shè)計輸量5.1×105t·a-1，管道凈容積34.208 m3·km-1，管線防腐層為環(huán)氧粉末外防腐層，厚度350 μm；采用聚氨酯泡沫保溫，厚度50 mm；外護層為PE專用料黑夾克，厚度4 mm。當(dāng)前共設(shè)4座加熱站，如圖1所示。

圖1 英牙凝析油管線加熱站情況

1.2 英買油品物性

凝析油物性分析單由塔里木油田實驗檢測研究院測定提供，凝析油平均含蠟量在20%～28%之間，屬于高含蠟?zāi)鲇?，析蠟點在30～40 ℃之間。采用OLGA模擬時的油品物性文件由Multiflash軟件定義，油品的組分見表1。

表1 英買凝析油組分

1.3 OLGA模擬步驟

OLGA蠟沉積建模過程主要包含以下步驟：

1）定義油品組分。可通過Multiflash、Hysis、PVTsim等軟件進行組分定義。

2）生成流體計算包。采用Multiflash軟件生成.Wax文件和.Tab文件并導(dǎo)入OLGA模擬軟件中。

3）定義管線主要參數(shù)。OLGA中需要定義的管線參數(shù)主要包括管道材料、傳熱系數(shù)、管壁厚度、保溫材料及厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等。

4）定義管道長度，包括總長度及模擬分段數(shù)。

5）定義模擬步長。在軟件中設(shè)置起始時間步長、最大時間步長、最小時間步長等參數(shù)。

6）對OLGA輸入時注意在FILES中的WAXFILE選項指定包含蠟數(shù)據(jù)的文件；WAXDEPOSITION選項設(shè)置為ON并指定Matzain model進行模擬。

7）輸出模擬結(jié)果并保存。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 管徑與管線起伏程度對蠟沉積的影響

管徑是管線的主要參數(shù)，對流體溫降、壓降等有重要影響，繼而對蠟沉積造成一定的影響。在保證其他參數(shù)設(shè)置不變的情況下，選取200、300、400 mm的管徑探究不同管徑對蠟沉積的影響。管徑選取完成后，通過改變管線高程實現(xiàn)管線起伏程度的變化，探究管線起伏程度對析蠟的影響。各組模擬實驗中保溫層材料及厚度、環(huán)境溫度等均為定值，模擬試驗的參數(shù)設(shè)定值和結(jié)果如詳見表2。

表2 兩個因素下的模擬試驗參數(shù)設(shè)定值與結(jié)果匯總（實驗1～6）

模擬實驗1～3結(jié)果顯示，當(dāng)其他條件保持不變時，管徑越大，平均蠟沉積厚度越大。此外，管徑越大，蠟沉積出現(xiàn)的越早，分析主要原因是因為管徑越大，管內(nèi)油流溫降越快。

由實驗4～6可知，3種起伏程度下的管道在運行模擬了 7 天后，從管內(nèi)蠟沉積量沿管道的分布情況來看，不論是上傾還是下傾都會使得管內(nèi)沉積層厚度有所增加，且上傾管（高程100 m）下的平均析蠟厚度較下傾管厚，但無論哪種情況，油品析蠟厚度和析蠟高峰并未有明顯改變。

2.2 入口溫度、出口壓力和輸油量對蠟沉積的影響

在保證其他參數(shù)不變的情況下，分析不同入口溫度對蠟沉積的影響，因油品析蠟點為32.5 ℃，故選取管線入口溫度值分別為36、39、42、45 ℃共4組。油品析蠟點與壓力大小相關(guān)，管道系統(tǒng)壓力的變化也會對蠟沉積過程會產(chǎn)生一定的影響，采用控制變量法設(shè)置3組實驗分析管道出口壓力對管道結(jié)蠟分布的影響。在正常生產(chǎn)過程中，管線輸量是一個非常重要的運行參數(shù)，因此，明確輸油量對析蠟情況的影響規(guī)律十分必要，同樣采用控制變量法設(shè)置3組實驗進行分析。管線全長設(shè)為30 km，其余管道材料、厚度、傳熱系數(shù)、環(huán)境溫度及流量等參數(shù)保持相同。3個影響因素下的實驗?zāi)M設(shè)定值見表3，析蠟結(jié)果見圖2、圖3、圖4。

表3及圖2的結(jié)果表明，油流入口溫度越小，開始析蠟位置距離管道入口越近，主要是入口溫度越小，油流溫度就越快達到析蠟點。另外，不同入口溫度下對應(yīng)不同的析蠟高峰且分布在不同位置，若把總結(jié)蠟量平均到整條管道，會出現(xiàn)平均結(jié)蠟厚度隨入口溫度的升高而減小的現(xiàn)象。此模擬結(jié)論與文獻[17]得到的結(jié)論一致。

圖2 不同入口溫度下試驗的模擬結(jié)果

由表3及圖3的結(jié)果可知，當(dāng)管道出口壓力不同時，管道沿程結(jié)蠟分布變化規(guī)律不明顯，整體變化趨勢與管線起伏程度的變化規(guī)律類似。

圖3 不同出口壓力下試驗的模擬情況

表3 3個因素下的模擬試驗參數(shù)設(shè)定值與結(jié)果匯總（實驗7～16）

隨著出口壓力的升高，析蠟高峰值增加不大。將析蠟高峰平均分布到管線析蠟段后，平均析蠟厚度也變化不大，因此可以認(rèn)為管道出口壓力大小對管道結(jié)蠟影響不是特別明顯。但由于壓力不同時，油品的析蠟點隨壓力升高而降低，所以不同出口壓力下的析蠟位置有所不同，隨著出口壓力的增大，析蠟點降低，析蠟位置越接近管線出口。

由圖4和表3顯示的模擬試驗結(jié)果可知，隨著輸油量的增加，管線結(jié)蠟厚度越大，分析原因是輸油量越大，油流整體的含蠟量較大，導(dǎo)致析出的蠟量也較低輸油量時多。但初始結(jié)蠟位置有所不同，主要是因為輸油量較小時，流體溫度較快降至析蠟點以下。此結(jié)論與文獻[18]的研究結(jié)論一致。

圖4 不同輸油量試驗下的模擬結(jié)果

2.3 英牙凝析油管線高風(fēng)險段確定

英牙凝析油管線自2007年投產(chǎn)以來，隨著英買凝析油蠟含量的逐漸增加及對英牙凝析油管道內(nèi)壁的蠟沉積層厚度不明確，發(fā)生了多次清管器卡阻和蠟堵事件。根據(jù)管線及油品參數(shù)，對管線全線析蠟情況進行模擬，依據(jù)全線配套的收發(fā)球裝置，將管線分為4個管段進行模擬，而每個管段又根據(jù)最冷月與最熱月的計算結(jié)果分兩次模擬，目的是找到全線清管作業(yè)的高風(fēng)險運行段，為英牙線制訂合理的清管周期提供指導(dǎo)。

各個管段的模擬所需要的數(shù)值和各管段的最終模擬析蠟情況見表4和圖5。

圖5 英買凝析油管線全段全年析蠟?zāi)M情況

表4 管道全線管段析蠟?zāi)M設(shè)定參數(shù)和結(jié)果匯總表

由表4和圖5能看出，英買凝析油管線在夏季運行時（運行28天），英買首站-英2加熱站段管線、英3加熱站-英5加熱站段管線不存在析蠟情況，而英2-英3段及英5-進站段管線存在析蠟情況，其中，英5-牙哈裝車站的析蠟情況最嚴(yán)重。在冬季運行時（運行28天），管道全線均存在析蠟情況，其中，英3加熱站-英5加熱站析蠟最不明顯，而英5-進站段管線析蠟最嚴(yán)重，最長析蠟段長9.907 km，最大析蠟厚度1.185 mm，總析蠟量達8.57 m3，這與當(dāng)前的清管結(jié)果基本符合。綜合來看，英牙凝析油管線在全年運行中，英5加熱站-牙哈裝車站段的析蠟情況最為嚴(yán)重，分析出現(xiàn)這種情況的原因首先是英5出站溫度較低，使油溫在未到達終點時過早的降至析蠟點，另一方面，英5-牙哈裝車站段管線為英牙線的最末端，管線和油品中的雜質(zhì)集聚到此段，加速了蠟晶分子的析出。因此，最終確定該段管線為高風(fēng)險運行段。

為避免因管道內(nèi)油品蠟沉積而導(dǎo)致管線在清管作業(yè)時發(fā)生清管器卡阻事故，在平時運行及清管作業(yè)時，主控室應(yīng)重點關(guān)注此管段的運行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)運行數(shù)據(jù)異常及時上報處理。其次，針對英牙凝析油管道安排清管作業(yè)時，應(yīng)將全線分為兩段分別進行兩次清管作業(yè)，首次從高風(fēng)險段（英5-進站段）開始清管，待清管器從終點取出后，再依次從首站開始第二次清管，盡可能避免高風(fēng)險段出現(xiàn)蠟堵，確保管線平穩(wěn)運行。

3 結(jié) 論

采用OLGA模擬方式，對幾個常見的管道運行因素對蠟沉積的影響規(guī)律進行了探究，進一步對英牙凝析油管線全線的析蠟情況進行了模擬，主要結(jié)論如下：

1）管徑與蠟沉積平均厚度呈正相關(guān)關(guān)系，管徑越大，平均析蠟厚度越大，析蠟出現(xiàn)的越早。

2）管道起伏程度和出口壓力對管道蠟沉積影響程度不明顯。

3）入口溫度、輸油量與管道平均析蠟厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4）經(jīng)OLGA模擬，英牙凝析油管線英5-進站段管線在全年運行中均為高風(fēng)險段，易出現(xiàn)蠟堵情況，在進行管線清管時應(yīng)將全線分兩次進行。