油－水兩相流蠟沉積機(jī)理探討與預(yù)測(cè)模型研究

谷醒林 高喆慧 季李超 王俊杰 王東

(1 西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

(2 中國石油大學(xué)（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油機(jī)械制造股份有限公司 河南 濮陽 457001)

(4 中原石油勘探局采油五廠油藏經(jīng)營管理四區(qū) 河南 濮陽 457001)

油－水兩相流蠟沉積機(jī)理探討與預(yù)測(cè)模型研究

谷醒林1高喆慧2季李超3王俊杰1王東4

(1 西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

(2 中國石油大學(xué)（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油機(jī)械制造股份有限公司 河南 濮陽 457001)

(4 中原石油勘探局采油五廠油藏經(jīng)營管理四區(qū) 河南 濮陽 457001)

在原油開采過程中往往伴有采出水，且隨著原油開采程度的深化，原油的含水率逐年增加。為大大簡(jiǎn)化油水集輸設(shè)施，可將油－水兩相混輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于海、陸集輸系統(tǒng)。我國生產(chǎn)的大多數(shù)原油是易凝超稠的含蠟原油，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)將發(fā)生蠟沉積現(xiàn)象，從而削弱管輸能力，導(dǎo)致管堵事故。目前，國內(nèi)外對(duì)于蠟沉積的研究主要集中在單相流動(dòng)條件下，油－水兩相流動(dòng)的蠟沉積研究起步較晚，其相關(guān)的研究文獻(xiàn)也較少，且主要集中在實(shí)驗(yàn)研究階段。油－水兩相流蠟沉積規(guī)律還未形成定論，其機(jī)理研究尚處于起步階段，仍然缺乏準(zhǔn)確合理的預(yù)測(cè)模型以指導(dǎo)油－水混輸管道的清管除蠟工作。筆者在實(shí)驗(yàn)室以往蠟沉積研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，就油—水兩相流蠟沉積的研究工作提出一些建議與看法，以期能更好的開展油－水兩相流蠟沉積的深入研究工作。

油水兩相流；蠟沉積；機(jī)理；模型；建議

管輸油－水兩相流因蠟沉積問題帶來的防蠟和清蠟成本很高，因此有必要在單相原油蠟沉積研究成果的基礎(chǔ)上開展油－水兩相蠟沉積研究工作，以降低防蠟、清蠟成本。受含蠟原油組分復(fù)雜和含蠟油－水兩相流動(dòng)流型辨識(shí)難度大等因素的影響，油－水兩相流動(dòng)蠟沉積研究僅僅停留在初步的探索中。本文在分析影響油－水兩相流蠟沉積主要因素的基礎(chǔ)上來探討蠟沉積機(jī)理，并在比較現(xiàn)有的蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究裝置的基礎(chǔ)上提出了建立準(zhǔn)確、合理的油－水兩相流蠟沉積預(yù)測(cè)模型的基本思路。

一、蠟沉積主要影響因素

在已較成熟的單相油流蠟沉積研究中可知影響管道蠟沉積速率的主要因素包括油溫、原油與管壁溫差、流速、原油組成、管壁材質(zhì)等。國內(nèi)外學(xué)者在油－水兩相流蠟沉積研究，發(fā)現(xiàn)影響油－水兩相流蠟沉積速率的主要因素除上述因素外，還有含水率、乳狀液穩(wěn)定性、分散相粒徑、液流流型等。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的管道，這些因素將共同作用，影響管道的蠟沉積速率。現(xiàn)定性分析含水率、乳狀液穩(wěn)定性、分散相粒徑、液流流型的影響：

1.含水率

Couto等通過冷指實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在油－水兩相體系中油水乳狀液里的蠟沉積量

隨含水率的增加而呈指數(shù)規(guī)律下降；H su等利用高壓環(huán)道實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著水相進(jìn)入環(huán)道，蠟沉積量明顯減少。

2.乳狀液穩(wěn)定性

在原油乳狀液中添加表面活性劑可以增加其穩(wěn)定性。Ahn等利用可以旋轉(zhuǎn)的冷板實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著非離子型表面活性劑H LB值的增加，蠟沉積量也隨之減少。由此可見，當(dāng)油－水兩相液流在管路中出現(xiàn)乳狀液一流型時(shí)，只要改變?nèi)闋钜合嗟姆€(wěn)定性便能改變蠟沉積量。

3.分散相粒徑

利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了在W/O型乳狀液中分散相粒徑對(duì)蠟沉積速率的影響：在相同含水率下，隨分散相液滴直徑的減小和小液滴數(shù)量的增多，蠟沉積速率減小。分析原因可能是蠟分子只能溶解在乳狀液油相中，并通過油相擴(kuò)散到管壁處，在相同的含水率條件下，乳狀液分散相初始液滴直徑越小、小液滴越多，蠟分子擴(kuò)散到冷指表面的阻礙越多，蠟沉積速率越小。

4.液流流型

油水兩相流動(dòng)中的流型是決定蠟沉積規(guī)律的重要因素。目前國內(nèi)外學(xué)者通過環(huán)道實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的流型有完全分層流、上層水包油分散流下層游離水、上層油包水分散流下層水包油分散流和相界面有混合的分層流等。目前就流型對(duì)兩相流蠟沉積的影響規(guī)律尚缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，這也大大限制了對(duì)兩相流蠟沉積的機(jī)理研究，因此，在下階段的兩相流研究當(dāng)中，應(yīng)專門考察不同流型下的蠟沉積規(guī)律，以確定流型在油—水兩相流蠟沉積中的影響效果。

二、蠟沉積機(jī)理探討

對(duì)于油－水兩相流蠟沉積機(jī)理，學(xué)者們只是沿用了單相管流的蠟沉積機(jī)理，并綜合了一些多相管流的特點(diǎn)來近似研究多相流動(dòng)條件下的蠟沉積規(guī)律，并未提出有意義的觀點(diǎn)，加之油－水兩相流管流的復(fù)雜性，多相管流蠟沉積理論研究還有待深入?，F(xiàn)已知的蠟沉積機(jī)理有分子擴(kuò)散、布朗運(yùn)動(dòng)、剪切彌散、重力沉降、剪切剝離與老化六種。對(duì)于這六種機(jī)理的具體實(shí)現(xiàn)內(nèi)容需要通過大量的蠟沉積實(shí)驗(yàn)來判斷，例如通過考察溫度對(duì)蠟沉積的影響來確定分子擴(kuò)散機(jī)理的作用，通過控制液流速度大小來確定剪切剝離機(jī)理，通過研究蠟沉積速率隨時(shí)間變化的規(guī)律來確定老化機(jī)理等。因此，在后續(xù)的油－水兩相流蠟沉積研究中需要通過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)合單相蠟沉積機(jī)理逐步認(rèn)識(shí)油－水兩相流動(dòng)蠟沉積機(jī)理。

三、蠟沉積實(shí)驗(yàn)方法

目前存在的關(guān)于蠟沉積研究的實(shí)驗(yàn)裝置有冷板裝置、冷指裝置、環(huán)道裝置。采用冷板法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，油和板的溫差比較容易控制，并且可以通過磁力攪拌器攪拌原油，但不能模擬液流在管道中的流動(dòng)情況；冷指法是在冷板法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)得以實(shí)現(xiàn)的，該方法與冷板法原理相同，只是改變了蠟沉積表面，該方法能基本模擬液流在管路中的蠟沉積情況，但與實(shí)際管路液流流動(dòng)還存在很大差距。為克服以上兩種實(shí)驗(yàn)方法的不足，建議采用環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置來研究油－水兩相流動(dòng)蠟沉積。Agrawal的環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在環(huán)道實(shí)驗(yàn)中要著重考察管路傾角管徑大小、混合液流速、含水率、管路傾角管徑大小、管壁的親水性以及流體物性(密度粘度和界面張力)等因素對(duì)蠟沉積速率的影響。

四、模型研究

已存在的蠟沉積預(yù)測(cè)模型有兩類，分別為蠟沉積熱力學(xué)模型與蠟沉積動(dòng)力學(xué)模型，但由于熱力學(xué)模型具有計(jì)算精度較低、適用范圍較窄、實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜等缺點(diǎn)，一般利用動(dòng)力學(xué)模型來研究單相或多相的蠟沉積模型。研究蠟沉積規(guī)律一般是從理論分析入手，結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，建立半理論半經(jīng)驗(yàn)的蠟沉積模型，并在更寬的范圍和條件下對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。目前黃啟玉模型是研究單相原油蠟沉積最可靠精確地模型，其模型公式為：

式中 f'——蠟沉積傾向系數(shù),與管壁剪切應(yīng)力T w、管壁溫度梯度有關(guān);

W——蠟沉積速率。

Couto假設(shè)油水充分混合（乳化），用油水混合物的物性（表觀粘度、密度、比熱容、摩爾質(zhì)量等）代替單相油品的物性，然后將其代入黃啟玉模型來建立油—水兩相蠟沉積模型。該模型能較好地預(yù)測(cè)油包水型乳狀液的蠟沉積速率，但精度仍然不高。

1.在總結(jié)國內(nèi)外建立單相原油蠟沉積模型手段的基礎(chǔ)上，筆者提出了不同于Couto兩相模型的油—水兩相蠟沉積預(yù)測(cè)模型，該模型通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，比Couto兩相模型具有更高的預(yù)測(cè)精度。其基本思路如下：

（1）在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置；

（2）進(jìn)行油－水兩相流蠟沉積實(shí)驗(yàn)，研究溫度、流速、油壁溫差、含水率、表面活性劑、分散相粒徑等因素對(duì)蠟沉積速率的影響；

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，基于利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立模型具有預(yù)測(cè)誤差小,模型精度高的特點(diǎn)，與利用逐步回歸分析法具有能表達(dá)蠟沉積速率與其影響因素之間親疏關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),在建立蠟沉積速率模型時(shí),先用逐步回歸分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到蠟沉積速率的主要影響因素,然后再把蠟沉積速率的主要影響因素作為神經(jīng)元的輸人,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立蠟沉積速率模型；

（4）利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)所得模型進(jìn)行校驗(yàn)，并與Couto油-水兩相預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以優(yōu)選最佳預(yù)測(cè)模型。

結(jié)論

1.要深化對(duì)油-水兩相流蠟沉積機(jī)理的認(rèn)識(shí)，應(yīng)從分析影響油-水兩相流蠟沉積速率的因素上著手，結(jié)合單相油流蠟沉積的影響因素與油-水兩相流的流動(dòng)特點(diǎn)來分析兩相流蠟沉積的影響因素。

2.當(dāng)油-水兩相流在管輸過程存在乳狀液流型（W/O型或O/W型）時(shí)，應(yīng)考慮乳狀液作為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系其不穩(wěn)定性對(duì)蠟沉積的影響。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)考察影響乳狀液穩(wěn)定性的因素如乳化劑量、分散度、水質(zhì)、時(shí)間等對(duì)蠟沉積的影響規(guī)律。

（3）在建立油-水兩相流蠟沉積速率模型時(shí)，應(yīng)選擇模擬實(shí)際管流蠟沉積情況較好的環(huán)道裝置作為實(shí)驗(yàn)工具，充分發(fā)揮環(huán)道可以靈活控制油-水兩相流流型的優(yōu)勢(shì)，考察流型的影響規(guī)律。在新建立的預(yù)測(cè)模型中應(yīng)該盡可能多的包含各影響因素，且盡可能少的含有變量參數(shù)，通過結(jié)合逐步回歸法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來平衡二者的矛盾，提高預(yù)測(cè)模型的精度。

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