稠油摻稀管道輸送工藝特性

萬宇飛，鄧道明，劉霞，曾德春，李洪福，李立婉，薛君昭

（1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2新疆油田油氣儲運分公司，新疆 克拉瑪依 834002）

隨著稀油資源逐漸減少，稠油產(chǎn)量開始在全世界范圍內(nèi)上升。我國稠油資源豐富，主要分布于遼河油田、塔河油田、新疆油田以及一些海上油區(qū) 等[1]，據(jù)據(jù)相關(guān)資料表明，我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了70多個稠油區(qū)塊，已探明地質(zhì)儲量達到世界總石油探明量的15%～20%[2]，同時我國稠油年產(chǎn)量已達到全國原油總產(chǎn)量的14%[3]。隨著我國及世界稠油年產(chǎn)量不斷增加，稠油的開采和安全輸送問題也逐漸顯現(xiàn)出來。稠油由于高黏度使得輸送成為難題，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外形成的稠油輸送工藝有：加熱、摻稀、加劑、水環(huán)、乳化降黏、改質(zhì)等管道輸送方法[4]，各方法均有一定的適用范圍和特點。其中國內(nèi)外應(yīng)用較多的稠油外輸工藝是摻稀輸送法和改質(zhì)輸送法[5]。國內(nèi)某稠油油田近期產(chǎn)量將升高到400×104t/a，油田脫水站脫水后的稠油摻稀后，通過WK管道長距離外輸。本文針對WK稠油管道實際情況，計算分析其輸送工藝特性。

WK稠油管道全長約100km，設(shè)計壓力8.0MPa，末站進站壓力0.3kPa，全線采用DN450mm鋼管并保溫，設(shè)泵站一座。輸送工藝為加熱法和摻稀法，首站出口溫度取決于脫水站脫水溫度，一般為93℃，受后期其他脫水站來油影響，最低約為82℃。當?shù)厮募镜販夭顒e較大。

1 管道流動特性

1.1 水力和熱力計算

輸油管道的水力特性取決于沿程溫度分布。該稠油黏度對溫度敏感，由于黏度較大，考慮摩擦生熱的影響。利用考慮摩擦生熱的蘇霍夫溫降公式[6]計算本管道沿程溫度分布。

在計算沿程摩阻系數(shù)λ之前，需通過雷諾數(shù)Re來確定流動流態(tài)。認為當Re＜2100時為層流；當2100＜Re＜3000時為過渡流；當Re＞3000時為紊流[7]。稠油管道流態(tài)一般為層流，不會超過水力光滑區(qū)，不同流態(tài)分別采用不同摩阻系數(shù)公式計算水力坡度，見式（1）、式（2）。

層流區(qū)

紊流區(qū)

若流態(tài)處于過渡區(qū)，為了保證連續(xù)性，按層流和紊流加權(quán)平均計算摩阻系數(shù)。

1.2 水力特性分析

由于本稠油管道采取控制管道入口溫度和壓力運行方式，管道的壓降隨流量變化曲線可能呈現(xiàn)不穩(wěn)定流動區(qū)[6-9]。

隨輸量從零逐漸增高，加熱輸送的稠油管道壓降，首先表現(xiàn)為急劇增大到極高點后又急劇減小，直到一個極低點（對應(yīng)的輸量稱為臨界安全輸量[10]），在極高點之前和極高點與極低點之間分別稱為流動不經(jīng)濟區(qū)[11]和流動不穩(wěn)定區(qū)，最后壓降隨輸量提高而緩慢增大（穩(wěn)定工作區(qū)）[12]。當管道工作處于不穩(wěn)定區(qū)時，由于某種原因，導致輸量小幅度減小，將引起摩擦阻力急劇增大而可能會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象[13]，且出口壓力變化劇烈。因此為了安全起見，在實際運行中應(yīng)避免進入不穩(wěn)定區(qū)，即應(yīng)明確管道的安全輸送范圍，保證管道在臨界安全輸量[14-15]和管道最大承壓下的最大輸量之間運行。

2 WK管道工作特性分析

考慮到脫水站出口油溫、管道及其設(shè)備承壓、承溫能力、流態(tài)等約束，將該稠油分別摻入質(zhì)量分數(shù)為10%、15%、20%和25%的稀釋劑，研究WK管道在不同摻稀比下的輸送工藝特性。在實驗室條件下，依據(jù)《原油黏溫曲線的確定 旋轉(zhuǎn)黏度計法》（SY/T 7549—2000），利用德國HAKKE VT550流變儀，在30～95℃的范圍內(nèi)測試其黏度，并繪制成黏溫曲線，如圖1所示。測試數(shù)據(jù)顯示，稠油及不同配比摻稀稠油在30℃時仍然表現(xiàn)為牛頓性。從測試結(jié)果可以看出，稠油摻稀是一種有效的降黏輸送方法[16-17]。

以下基于WK管道的實際情況，分別討論不同摻稀比、不同季節(jié)和不同首站出站油溫[18-19]對該管道輸送特性的影響。

2.1 不同摻稀比

針對不同摻稀比稠油，外部環(huán)境按春季、夏季和冬季3種情況考慮（由于秋季和春季地溫相近，管道有保溫層，可以認為秋季外部環(huán)境和春季相同，故這里未考慮秋季工況）。取首站出站溫度93℃，依次改變管道輸量，得到管道的首站出站壓力和末站進站溫度隨輸量的變化情況，如圖2所示。

圖1 不同摻稀稠油黏溫曲線

圖2 不同季節(jié)、不同摻稀比稠油首站出站壓力和末站進站溫度與輸量關(guān)系

從圖2可以看出：輸送不同摻稀比稠油，首站出站壓力隨輸量變化曲線均存在不穩(wěn)定區(qū)，且當輸送摻稀15%～25%稠油時，在穩(wěn)定區(qū)的高輸量下會出現(xiàn)曲線斜率增大現(xiàn)象；隨摻稀比的增大，曲線斜率增大時對應(yīng)的流量愈明顯且向左偏移。這是由于當輸量較大時，隨摻稀比增大，黏度減小，油流流態(tài)由層流進入過渡流或紊流，而使得壓降顯著增大，這不利于管道在大輸量下經(jīng)濟運行。另外，同一季節(jié)，不同摻稀比稠油末站進站油溫隨摻稀比減小而增大，但相差不大。這主要是因為隨摻稀量減小，油品黏度增大，管道輸送沿程水力坡度增大，摩擦生熱增大。這也說明管道輸送黏度較大的稠油，其摩擦生熱較大，在實際計算中不宜忽略。

2.2 不同季節(jié)

為了確定季節(jié)對WK稠油管道工藝特性的影響，分別將輸送摻稀10%、15%、20%和25%稠油首站出站壓力和末站進站溫度隨輸量變化關(guān)系繪于圖3中(a)～(d)。

由圖3可以看出：①同一種摻稀比稠油在不同季節(jié)首站出站壓力和末站進站油溫相近，說明季節(jié)對WK稠油管道工藝參數(shù)影響不大，這主要是因為該管道實施了有效保溫的緣故；②當輸量較小時，末站進站油溫為夏季＞春季＞冬季；但當輸量增大到某一值后，末站進站溫度出現(xiàn)反轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)，為冬季＞春季＞夏季，但總體上相差均不大。這是因為摩擦生熱和環(huán)境共同作用的結(jié)果：小輸量時油品散熱較快，摩擦生熱相對不明顯，使得環(huán)境影響起主導作用，而呈現(xiàn)末站進站油溫夏季＞春季＞冬季現(xiàn)象；隨著輸量增大，摩擦生熱效應(yīng)愈明顯，在相同輸量下，冬季摩阻大，春季其次，夏季最小，使得水力坡度呈冬季＞春季＞夏季，即摩擦生熱冬季＞春季＞夏季，而引起末站進站油溫出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.3 出站油溫

隨著后期稠油開采進入發(fā)展期，部分油品不能及時輸送而進入儲罐儲存和一些稠油區(qū)塊距離WK管道首站較遠，使得進入WK管線的油溫有所降低，可能會降低至82℃。為了研究首站進站溫度（不考慮站內(nèi)溫降，即認為首站出站和進站油溫相同）對輸送特性的影響，以夏季摻稀15%稠油為例，分別就82℃、86℃、90℃和93℃這4個進站溫度進行計算，得到不同首站出站溫度下WK線首站出站壓力和末站進站溫度與輸量之間變化關(guān)系（圖4）。

由圖4可以看出：①隨著風城首站出站溫度升高，臨界流量稍右移，即隨首站出站溫度升高，不穩(wěn)定區(qū)區(qū)間略有增大；②當首站出站溫度從90℃變?yōu)?3℃時，首站出站壓力曲線在輸量接近最大輸量情況下出現(xiàn)斜率增大現(xiàn)象。這主要是因為，隨輸量增大和首站出站溫度升高，混合油黏度減小，使得雷諾數(shù)增大，出站一段管線流態(tài)由層流進入過渡區(qū)或紊流區(qū)。而首站出站溫度82℃和86℃下整個管段仍處于層流流動。綜合以上分析，可以認為在某一首站出站溫度溫度下（這里約90℃），管道的最大輸送能力最大。

圖3 不同摻稀比稠油在不同季節(jié)首站出站壓力和末站進站溫度與輸量關(guān)系

圖4 不同首站出站溫度下首站出站壓力與末站進站溫度與輸量關(guān)系

3 輸送能力計算

3.1 臨界安全輸量

加熱輸送的WK稠油管道存在不穩(wěn)定區(qū)，這對管道的安全運行是一個不利因素。不穩(wěn)定區(qū)末點對應(yīng)的輸量即為管道運行的臨界安全輸量，在實際運行中，應(yīng)保證管道輸量大于該臨界安全輸量。計算得到不同工況下WK稠油管道臨界安全輸量見 表1。

可以看出：總體上，對于同一季節(jié)，摻稀比越小，臨界安全輸量越大；而對于同一種摻稀稠油在不同季節(jié)臨界輸量呈現(xiàn)為冬季＞春季＞夏季趨勢，但相差不大。

3.2 最大輸送能力

管道最大輸送能力即輸送壓力達到管道設(shè)計壓力時的管道輸量。計算得到的不同季節(jié)、不同首站出站溫度下最大輸送能力見表2。

從表2可以看出：①同一季節(jié)，隨摻稀量增大，最大輸量并非單調(diào)遞增，在相同首站出站油溫93℃下，摻稀15%和摻稀25%輸送能力相近且最大；② 同一摻稀比稠油，在不同季節(jié)最大輸送能力相差不大；③隨著首站出站溫度升高，管道最大輸送能力并非單調(diào)遞增，對于同一種油品（摻稀15%稠油），在首站出口溫度93℃和86℃時相近，在首站出站溫度約90℃時最大。

表1 不同工況下WK稠油管道臨界安全輸量

表2 不同工況下WK線安全輸送的最大輸量

4 結(jié) 論

稠油加熱輸送管道的安全運行需要研究管道的工藝操作特性，為此考慮不同稀釋比，在不同季節(jié)和不同出站油溫下，對WK稠油管道的輸送特性和安全輸送能力進行計算分析，得出如下結(jié)論。

（1）加熱輸送的WK稠油管道存在隨輸量減小壓降急劇增大的不穩(wěn)定區(qū)，實際操作時應(yīng)避免 進入。

（2）隨摻稀比增大，管道輸送工藝特性不穩(wěn)定區(qū)右邊界左移，安全輸送的臨界輸量略有減小，這有利于管道在低輸量下安全輸送。

（3）在WK管道的穩(wěn)定工作區(qū)接近最大輸量工況，隨摻稀比增大或首站出站油溫升高，管道壓損-流量曲線出現(xiàn)斜率增大現(xiàn)象，使得最大輸送能力并非隨摻稀比或首站出站油溫單調(diào)遞增。在某一摻稀比和首站出站油溫下，管道輸送能力最大。

（4）WK線的整體壓降受摻稀比、輸量的影響較大，但季節(jié)對壓降的影響很小；WK線的整體溫降主要受輸量影響，但摻稀比、季節(jié)對整體溫降的影響不大。

（5）WK管線在不同季節(jié)輸送同一種摻稀比 稠油時的首站出站壓力、末站進站油溫、臨界安全輸量以及最大輸送能力相近，即季節(jié)對WK線工作特性影響很小。

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