油包水乳狀液管流蠟沉積規(guī)律研究

楊居衡 米瑞雪 全 青 王鵬宇 宮 敬

1中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室

2中國石油西南油氣田分公司華油公司

3中國石油管道科技研究中心

油包水乳狀液管流蠟沉積規(guī)律研究

楊居衡1米瑞雪2全 青1王鵬宇3宮 敬1

1中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室

2中國石油西南油氣田分公司華油公司

3中國石油管道科技研究中心

以高含蠟原油、水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，探索了油包水乳狀液在管流實(shí)驗(yàn)條件下的蠟沉積規(guī)律，著重研究了溫度及含水率條件的影響，分別從沉積物質(zhì)量、碳數(shù)分布和含水量的角度，定量分析了油包水乳狀液管流蠟沉積的相關(guān)機(jī)理。結(jié)果表明：沉積物質(zhì)量隨含水率增加呈先增大后減小的趨勢，但沉積物含水量卻始終增大，同時(shí)沉積層厚度與含水率關(guān)系圖譜中拐點(diǎn)含水率隨溫度降低而前移，由此揭示了多相管流蠟沉積中膠凝作用的影響，這將為油水混輸管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理提供相關(guān)理論支持。

含蠟原油；油包水乳狀液；蠟沉積環(huán)道實(shí)驗(yàn)；含水率；蠟沉積

引言

我國產(chǎn)出的原油多為稠油和含蠟原油，在原油的輸送過程中，蠟沉積會導(dǎo)致管道有效流通面積減小，輸送壓力升高，降低了輸送效率；還會帶來防蠟、除蠟和清管等一系列問題。另外，蠟沉積還會給管道的停輸再啟動帶來困難，甚至引發(fā)堵管、棄管現(xiàn)象。目前蠟沉積研究主要集中在單相蠟沉積，對于多相蠟沉積的研究尚處于起步階段，對其沉積機(jī)理還沒有明確的認(rèn)識，尤其在油水兩相蠟沉積方面研究較少，且研究結(jié)論不一致。油水兩相流型復(fù)雜、穩(wěn)定性差是開展油水兩相蠟沉積的難點(diǎn)。隨著油田開采進(jìn)入中后期，原油中攜帶的產(chǎn)出水逐漸增多，受開采過程中加入的各類化學(xué)劑和油嘴等高剪切設(shè)備的影響，生產(chǎn)過程中極易形成油包水乳狀液。因此，利用環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置模擬現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，研究油包水乳狀液的蠟沉積規(guī)律對于保障油田現(xiàn)場的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

由于油水兩相蠟沉積影響因素的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外學(xué)者針對油包水乳狀液蠟沉積規(guī)律還沒有達(dá)成共識。Couto G.H.等人[1]利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置研究了油包水乳狀液的蠟沉積實(shí)驗(yàn)規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著乳狀液含水率的增加蠟沉積量減少。張宇等人[2]利用冷指裝置分別進(jìn)行了乳狀液總體積不變和油相總體積不變的含蠟油包水乳狀液蠟沉積實(shí)驗(yàn)，研究了冷指溫度、含水率和液滴大小及分布等因素對油包水乳狀液蠟沉積的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同含水率條件下，蠟沉積速率隨分散相液滴直徑的減小和小液滴數(shù)量的增加而降低；在相同的攪拌速度下，蠟沉積速率隨分散相體積分?jǐn)?shù)的增加、分散相中相對較小液滴數(shù)量的減少和相對較大液滴數(shù)量的增加而下降。王鵬宇等人[3]利用帶有攪拌功能的冷指實(shí)驗(yàn)裝置，研究了以高含蠟原油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的油包水乳狀液蠟沉積隨含水率和剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨含水率的增大蠟沉積量先減小后增大，且隨著剪切作用增強(qiáng)而逐漸減小。由此王鵬宇等人[3]提出在油包水型乳狀液蠟沉積過程中，膠凝作用存在不可忽視的影響。Hsu J．J．C．[4-5]等人利用高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)道，研究了紊流流態(tài)下水對蠟沉積的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著水相進(jìn)入環(huán)道，蠟沉積量明顯減少。然而，Gao C.[6]在圖爾薩大學(xué)1.5 in（38.1 mm）管徑的環(huán)道上做了含水率分別為25%、40%和75%的油水兩相蠟沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：油水兩相流動中的蠟沉積速率均高于單相流動下的蠟沉積速率。Bruno A.等人[7]采用原油和凝析油兩種油品分別進(jìn)行了不同含水率下油包水型和水包油型乳狀液的蠟沉積環(huán)道實(shí)驗(yàn)，然而兩種實(shí)驗(yàn)油品的反相實(shí)驗(yàn)卻觀察到了不同的現(xiàn)象：反相后，前者沒有蠟沉積發(fā)生，后者卻在管壁內(nèi)壁形成了薄沉積層。Sergio N.[8]利用環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究了油水兩相分別在分層流和環(huán)狀流流型下的蠟沉積規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在油水分層流流型下，蠟沉積僅發(fā)生在與油相接觸的管段內(nèi)壁的上部；在水環(huán)-油核的環(huán)狀流流型下，盡管水環(huán)隔離了含蠟油與管內(nèi)壁的接觸，但管內(nèi)壁仍然有蠟沉積發(fā)生。

本文重點(diǎn)關(guān)注含水率、溫度對油包水乳狀液蠟沉積的影響規(guī)律，重在揭示膠凝作用在管流剪切條件下的影響，提出從沉積物厚度、碳數(shù)分布及沉積物中含水量的變化角度進(jìn)行綜合分析和研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

多相蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道主要包括油品供給系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測試段、參比段、局部取樣段、快關(guān)段、分離系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 多相流動蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道示意圖

環(huán)道總長25 m，采用DN25不銹鋼管。進(jìn)入測試段之前的穩(wěn)定直管段為4.4 m，以保證實(shí)驗(yàn)測試段中為充分發(fā)展的流動。該環(huán)道能夠?qū)崿F(xiàn)單相油流、油水乳狀液和油氣兩相流動條件下的蠟沉積實(shí)驗(yàn)。利用該蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道，能夠方便地研究流體溫度、壁溫、溫度區(qū)間、氣液流速、流型和沉積時(shí)間等因素對蠟沉積的影響。

本次研究實(shí)驗(yàn)油樣物性參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)油品物性

實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定：測試段入口油溫度和測試段冷卻液溫度分別控制在50、30℃，50、25℃和45、25℃；流量均為2 000 kg/h；沉積時(shí)間均為24 h。用高溫氣相色譜（Agilent-7890A）對沉積物碳數(shù)分布進(jìn)行分析，用局部取樣器對環(huán)道中的油包水乳狀液進(jìn)行取樣，用黏度儀（HAAKE-VT550）測量其黏溫特性，如圖2所示?？梢钥闯?，乳狀液黏度隨含水率的增加而增加，且含水率越高，增加的幅度越大。采用顯微鏡觀測其液滴分布情況，結(jié)果顯示含水率相同時(shí)，不同溫度條件下的粒徑差別很小，如圖3所示，因此液滴粒徑及其分布的影響不做討論。

圖2 乳狀液黏溫特性曲線（剪切率設(shè)為200 s-1）

圖3 液滴粒徑分布

2 結(jié)果與討論

選取50、30℃，50、25℃和45、25℃三個溫度條件，對每個溫度條件開展含水率為0～40%范圍內(nèi)的油包水乳狀液蠟沉積實(shí)驗(yàn)。乳狀液的含水率間隔為5%，且針對某一溫度區(qū)間和含水率都進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。上述油包水型乳狀液環(huán)道蠟沉積實(shí)驗(yàn)共計(jì)開展了54組。

2.1 乳狀液的穩(wěn)定性

乳狀液的穩(wěn)定性對本實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。只有乳狀液在整個實(shí)驗(yàn)過程中保持相對穩(wěn)定，才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。通過攪拌槳和過泵剪切作用，將水相充分分散到油中，形成油包水型乳狀液。沉積實(shí)驗(yàn)開始前，每間隔一段時(shí)間通過取樣器對管道不同徑向位置的乳狀液進(jìn)行取樣。通過比較不同時(shí)間所取樣品的粒徑分布情況，判斷乳狀液穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化。比較不同徑向位置所取樣品粒徑分布的目的是判斷分散相在管道徑向位置的分散是否均勻，見圖4。當(dāng)上述參數(shù)基本保持不變時(shí)，開始進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)。沉積實(shí)驗(yàn)過程中，定期對流動介質(zhì)進(jìn)行取樣分析，確保在整個沉積過程中乳狀液粒徑分布保持統(tǒng)一。

圖4 乳狀液顯微照片

2.2 乳狀液黏度和傾點(diǎn)

Visintin R．F．G．9]和De Oliveira M．C．K．[10]的研究分別證明了乳狀液傾點(diǎn)和黏度的增加會導(dǎo)致膠凝風(fēng)險(xiǎn)的增加，因此，對環(huán)道中乳狀液進(jìn)行黏度和傾點(diǎn)的測量尤為重要，測試的乳狀液通過環(huán)道上的取樣器取樣獲得。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，乳狀液黏度隨含水率的增加而增加，且含水率越高，增加的幅度越大。表2的結(jié)果顯示，傾點(diǎn)也出現(xiàn)了隨含水率的增加而增加的趨勢。

表2 乳狀液的傾點(diǎn)

2.3 蠟沉積量分析

從圖5中可以看出，在三種實(shí)驗(yàn)溫度條件下，蠟沉積量均出現(xiàn)隨含水率的增加先減小后增加的現(xiàn)象，且實(shí)驗(yàn)溫度越低，沉積量由減小轉(zhuǎn)為增加所對應(yīng)的含水率也越低。

導(dǎo)致沉積量隨含水率增加而減小的因素較多，Couto G．H．[1]在他的研究中給出了四種可能導(dǎo)致沉積量隨含水率增加而減小的原因。隨著含水率的繼續(xù)增加，沉積量隨含水率的增加而增加的現(xiàn)象在之前學(xué)者的研究中很少被提及。在油水兩相蠟沉積中，較低的流速和較高的含水率會使膠凝作用更加顯著。本研究所有實(shí)驗(yàn)均在層流下進(jìn)行，且流速較低，黏度和傾點(diǎn)隨含水率的增加顯著增加，膠凝作用成為導(dǎo)致沉積量增加最可能的原因。為了進(jìn)一步對膠凝作用進(jìn)行討論，對沉積物的含水率進(jìn)行了測定。

圖5 乳狀液環(huán)道實(shí)驗(yàn)蠟沉積厚度

表3 沉積物含水率

從表3沉積物含水率的測試結(jié)果中不難看出，實(shí)驗(yàn)溫度越高，沉積物中的含水率越低。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低和乳狀液含水率的增加，沉積物中的含水率也隨之增加。

Singh P．111]認(rèn)為蠟沉積開始前含蠟原油在低溫表面形成一層凝油層（初始凝油層），初始凝油層由蠟晶形成的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和被包裹的90%～95%液態(tài)油組成。本實(shí)驗(yàn)中，初始凝油層的形成被認(rèn)為與乳狀液的膠凝特性密切相關(guān)。對于油包水型乳狀液蠟沉積而言，蠟晶形成的3D結(jié)構(gòu)包裹的不是原油而是乳狀液。因此，沉積物中的含水率在一定程度上反映了膠凝的程度。因?yàn)橄灧肿觾H溶解在油相中且僅在油中擴(kuò)散，擴(kuò)散過程中被認(rèn)為沒有水的參與，所以沉積物中所含的水被認(rèn)為是包裹的乳狀液中所攜帶的，而沉積物中蠟含量的增加則是分子擴(kuò)散和老化作用所致，這也是沉積物的含水率小于乳狀液含水率的原因。分子擴(kuò)散作用越強(qiáng)，沉積物中的含水率越低。

2.4 沉積物組分分析

在本研究中使用HTGC來分析沉積物碳數(shù)分布。本文對50、30℃溫度條件下生成的沉積物碳數(shù)分布進(jìn)行了分析。從圖6中可以看出，當(dāng)乳狀液含水率大于30%時(shí)，分子擴(kuò)散作用大大減弱，可以看到隨油包水乳狀液含水率的增加，沉積物重組分的含量逐漸減少，而輕組分的含量卻有上升的趨勢。這是因?yàn)?，含水?0%的乳狀液傾點(diǎn)為29℃，而實(shí)驗(yàn)設(shè)定的冷浴溫控溫度為30℃，隨著乳狀液傾點(diǎn)逐漸增加并接近冷浴溫控的設(shè)定溫度，膠凝在沉積層形成中發(fā)揮的作用逐漸顯著。

圖6 不同含水率乳狀液蠟沉積物碳數(shù)分布（50、30℃）

3 結(jié)論與建議

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膠凝作用在油包水型乳狀液蠟沉積過程中的重要作用，發(fā)現(xiàn)了蠟沉積厚度隨乳狀液含水率的增加存在由減小轉(zhuǎn)為增加的趨勢，闡明了油包水型乳狀液蠟沉積機(jī)理是分子擴(kuò)散和膠凝兩者共同作用的結(jié)果。由此提出，今后應(yīng)側(cè)重于建立綜合考慮分子擴(kuò)散和膠凝的新型蠟沉積機(jī)理模型，從而在油田生產(chǎn)后期產(chǎn)出水增加情況下，提高對集輸管道油包水乳狀液蠟沉積預(yù)測的準(zhǔn)確性，這對確保油田安全生產(chǎn)具有重要意義。

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（欄目主持 紀(jì)嫦杰）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.004

楊居衡：中國石油大學(xué)（北京）博士在讀，從事多相流蠟沉積模型研究。

2015-03-25

15801252348、15801252348@126.com