管道蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度研究進(jìn)展

白成玉，魏 蕾（.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 0008；.北京中盈安信技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京 00083）

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管道蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度研究進(jìn)展

白成玉1，魏 蕾2
（1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028；2.北京中盈安信技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京 100083）

摘要：對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管過(guò)程中發(fā)生卡堵事故，但目前關(guān)于蠟沉積物性質(zhì)的研究很少。確定了影響蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的主要因素，包括固相蠟濃度、蠟的碳數(shù)分布、膠質(zhì)瀝青質(zhì)和管流剪切。并從宏觀和微觀機(jī)理的角度，介紹了各因素對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度影響的研究進(jìn)展。指出定量確定蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度亟待解決的主要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：管道；蠟沉積；抗剪切強(qiáng)度；影響因素；研究進(jìn)展

管道輸送含蠟原油過(guò)程中，在管壁上會(huì)形成蠟沉積物。隨著沉積時(shí)間的增加，蠟沉積物的厚度也增加，造成管道流通面積減小，管道輸送能力下降，甚至?xí)斐晒艿蓝氯?。尤其是管道周?chē)h(huán)境溫度較低時(shí)，該問(wèn)題更加突出，如海底管道（3 000 m海底水溫約為4 ℃）。據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，深度為400 m的海底管道，由于蠟堵造成的修復(fù)費(fèi)用高達(dá)100萬(wàn)美元/英里［1］，并隨水深的增加，修復(fù)費(fèi)用也增加，同時(shí)，蠟堵會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為解決蠟沉積產(chǎn)生的諸多問(wèn)題，需要定期清除管壁上的沉積物，目前普遍采用機(jī)械清管的方法清除沉積物［2-4］，并已確定了清管器剝離沉積物所需壓差與沉積物厚度和抗剪切強(qiáng)度的定量關(guān)系［5］。目前關(guān)于蠟沉積研究的主要焦點(diǎn)是諸多因素（如溫度、流速和時(shí)間等）對(duì)沉積物厚度和蠟含量的影響及對(duì)二者的定量預(yù)測(cè)，而對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的研究很少。事實(shí)上，沉積物的抗剪切強(qiáng)度會(huì)對(duì)清管器的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響，若沉積物的抗剪切強(qiáng)度很大，可能造成清管器發(fā)生卡堵事故。

1　蠟沉積物形成機(jī)理

蠟沉積物形成的機(jī)理包括分子擴(kuò)散［6-11］、剪切彌散［11］、布朗擴(kuò)散［12］和重力沉降［12］，目前比較一致的觀點(diǎn)認(rèn)為分子擴(kuò)散是造成蠟沉積的主要原因［6-10］。早期研究中，假定沉積物內(nèi)蠟含量不變［13-16］。Creek et al.［17］和Fogler et al.［6］等人從實(shí)驗(yàn)和理論方面，證實(shí)蠟沉積物內(nèi)的蠟含量隨沉積條件發(fā)生變化，從而關(guān)于蠟沉積物形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)取得新進(jìn)展。

Fogler課題組研究表明蠟沉積物的形成包括五個(gè)過(guò)程［18-20］：（1）管壁上形成初凝層；（2）大于臨界碳數(shù)的烷烴分子由油流向膠凝層擴(kuò)散；（3）部分烷烴分子在界面處析出，增加蠟沉積物厚度，部分烷烴分子向膠凝層內(nèi)擴(kuò)散；（4）擴(kuò)散進(jìn)入沉積層內(nèi)的烷烴分子析出；（5）膠凝層內(nèi)低于臨界碳數(shù)的烷烴分子向沉積層外反擴(kuò)散。由此蠟沉積物形成機(jī)理可知，蠟沉積物屬于膠凝油（蠟包裹液態(tài)油）。

2　各因素對(duì)沉積物抗剪切強(qiáng)度影響

影響蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的因素很多，主要因素包括沉積物的固相蠟濃度、蠟碳數(shù)分布、膠質(zhì)瀝青質(zhì)和管流剪切，其中固相蠟濃度受沉積時(shí)間、溫度、流速和壓力的影響。

2.1固相蠟濃度的影響

蠟沉積過(guò)程（3）～（5）使沉積物內(nèi)蠟含量增加，前人采用環(huán)道或冷指研究了沉積時(shí)間［8，18，19，21］、溫度［6，17，22-24］、流速［8，19，21，22，25-26］和壓力［27］對(duì)沉積物內(nèi)蠟含量的影響。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同，但多數(shù)結(jié)果表明，隨流速、壓力和沉積時(shí)間的增加，沉積物內(nèi)蠟含量增加，沉積物的硬度也增加；隨油壁溫差的增大，沉積物內(nèi)蠟含量減小，沉積物的硬度也減小。同時(shí)，建立了諸多蠟沉積預(yù)測(cè)模型［6，28-30］預(yù)測(cè)沉積物的厚度和蠟含量。

研究者主要從累積［18］和變形［21］的角度解釋了沉物內(nèi)蠟含量隨時(shí)間的變化。累積的觀點(diǎn)認(rèn)為沉積層內(nèi)徑向溫度梯度促使蠟分子向膠凝層內(nèi)擴(kuò)散及沉積層內(nèi)輕烴反擴(kuò)散，增加了沉積物內(nèi)蠟含量。變形的解釋認(rèn)為隨時(shí)間的增加，變形角增加，沉積物內(nèi)的液態(tài)油被擠出，導(dǎo)致沉積物內(nèi)蠟含量增加。

研究者主要從相對(duì)快慢［22］和傳熱傳質(zhì)［6，8］角度分析了溫度對(duì)沉積物內(nèi)蠟含量的影響。相對(duì)快慢觀點(diǎn)認(rèn)為較大的油壁溫差使沉積物內(nèi)蠟和液態(tài)油的量均增加，但液態(tài)油增加的速率較大。傳熱傳質(zhì)的解釋認(rèn)為隨油壁溫差的減小，形成厚度較小的沉積層，沉積層內(nèi)較大的溫度梯度促進(jìn)了蠟分子擴(kuò)散。

壓力將沉積物內(nèi)的液態(tài)油擠出，從而使蠟含量增加［27］。管流對(duì)蠟含量的影響在 2.4節(jié)詳細(xì)介紹。筆者認(rèn)為，將上述不同觀點(diǎn)結(jié)合在一起，能夠比較全面的認(rèn)識(shí)各因素對(duì)沉積物內(nèi)蠟含量的影響機(jī)理。

前人通過(guò)配制模擬油，研究了蠟濃度對(duì)抗剪切強(qiáng)度的影響［20，31，32］。事實(shí)上，沉積物內(nèi)固相蠟（結(jié)晶析出的蠟）才影響沉積物的抗剪切強(qiáng)度，而未析出的蠟并不影響沉積物抗剪切強(qiáng)度。探索管道沉積物固相蠟濃度的確定方法，是下一步研究的方向。

2.2烷烴碳數(shù)分布的影響

蠟沉積過(guò)程（2）臨界碳數(shù)決定了擴(kuò)散進(jìn)入沉積物烷烴的碳數(shù)分布，其主要受原油組成和溫度的影響［20］，因此，管道輸送組成不同或組成相同但輸送條件不同的含蠟原油，蠟沉積物中蠟的碳數(shù)分布也不同，如隨流速增加，沉積物內(nèi)蠟平均碳數(shù)增加［33］。諸多研究表明較大的蠟晶有助于增強(qiáng)膠凝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度［34-36］，而烷烴的碳數(shù)分布是影響蠟晶尺寸的一個(gè)重要因素。由此推測(cè)，蠟的碳數(shù)分布是影響沉積物抗剪切強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。

目前主要采用室內(nèi)配制模擬油的方法，研究C17以上烷烴碳數(shù)分布對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力（可表征抗剪切強(qiáng)度）的影響，但研究報(bào)道較少，且所用烷烴碳數(shù)分布比較簡(jiǎn)單，大多為兩種烷烴混合，尚未形成一致的觀點(diǎn)。Imai et al.［37］的研究表明，C32/C30可以共晶，形成粗糙的晶體表面，而C32/C28單獨(dú)結(jié)晶，形成光滑的晶體表面，前者屈服應(yīng)力約為后者的2倍。Senra et al.［38］的研究結(jié)果與之相反，認(rèn)為共晶使晶體結(jié)構(gòu)中形成缺陷，難以形成大的晶體，導(dǎo)致膠凝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減小。Guo et al.［39］研究表明C36/C32形成膠凝體系屈服應(yīng)力約為C36/C28的2倍，但作者未進(jìn)行解釋。

事實(shí)上，管道沉積物中的蠟是由 C17以上連續(xù)分布的烷烴組成，且不同沉積物內(nèi)蠟的碳數(shù)分布不同。預(yù)測(cè)沉積物內(nèi)蠟的碳數(shù)分布，并研究其對(duì)抗剪切強(qiáng)度的影響是未來(lái)的研究方向。

2.3膠質(zhì)瀝青質(zhì)的影響

根據(jù)對(duì)油田含蠟原油管道的分析統(tǒng)計(jì)，沉積物中一般含有10%-20%的膠質(zhì)瀝青質(zhì)［40］，但關(guān)于膠質(zhì)瀝青質(zhì)的沉積機(jī)理尚不清楚。

許多研究者用模擬油研究了瀝青質(zhì)對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響［32，41-43］，但各研究者并未得出一致的結(jié)論。某些研究結(jié)果［42］表明瀝青質(zhì)對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響存在臨界濃度，若瀝青質(zhì)的濃度小于臨界濃度時(shí)，隨瀝青質(zhì)濃度的增加，屈服應(yīng)力也增加；若瀝青質(zhì)的濃度大于臨界濃度時(shí)，隨瀝青質(zhì)濃度的增加，屈服應(yīng)力減小。某些研究未觀察到臨界濃度，結(jié)果表明瀝青質(zhì)使膠凝油的屈服應(yīng)力顯著減?。?2，41，43］。目前關(guān)于膠質(zhì)對(duì)屈服應(yīng)力的影響未見(jiàn)報(bào)道。

Kriz et al.［42］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青質(zhì)對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響存在臨界濃度（為0.05%）。認(rèn)為小于臨界濃度時(shí)，瀝青質(zhì)很好的分散，易被包裹在蠟晶中，同時(shí)由于瀝青質(zhì)與蠟在空間的相互作用，使蠟分子有更多時(shí)間結(jié)晶，形成強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。大于臨界濃度時(shí)，蠟晶結(jié)構(gòu)中沒(méi)有更多空間容納瀝青質(zhì)，部分瀝青質(zhì)在結(jié)構(gòu)外部發(fā)生聚集，形成大的瀝青質(zhì)顆粒，甚至是瀝青質(zhì)層，蠟-蠟之間的作用被瀝青質(zhì)-蠟之間作用所取代，形成弱的膠凝結(jié)構(gòu)。

Oh et al.［32］、Tinsley et al.［41］和Venkatesan et al.［43］的研究結(jié)果均表明，瀝青質(zhì)使膠凝油的屈服應(yīng)力顯著減小。作者均認(rèn)為瀝青質(zhì)改變了蠟晶形態(tài)，降低了膠凝油的屈服應(yīng)力。

雖然有研究者觀察到瀝青質(zhì)對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響存在臨界濃度，但該濃度一般小于0.1%，而管道沉積物中瀝青質(zhì)濃度一般遠(yuǎn)高于此臨界濃度。由此可以推測(cè)，沉積物中的瀝青質(zhì)可以降低其抗剪切強(qiáng)度。

2.4管流的影響

原油在管道內(nèi)流動(dòng)，對(duì)管壁沉積物產(chǎn)生剪切作用，管流剪切對(duì)沉積物抗剪切強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：影響沉積過(guò)程（1）中初始膠凝層的形成；管流剪切使沉積層內(nèi)蠟含量增加，增強(qiáng)了沉積物的抗剪切強(qiáng)度。

Venkatesan et al.［34］、Visintin et al.［44］、Ding et al.［45］等人研究了剪切對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響，但未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。Venkatesan et al.［34］實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)體系施加剪應(yīng)力可導(dǎo)致蠟晶顆粒聚集和破壞，較小的剪應(yīng)力作用下，蠟晶顆粒聚集占主導(dǎo)，屈服應(yīng)力增加；較大的剪應(yīng)力作用下，蠟晶顆粒破壞占主導(dǎo)，屈服應(yīng)力顯著減小。Visintin et al.［44］實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明剪應(yīng)力對(duì)膠凝油結(jié)構(gòu)的影響與屈服應(yīng)力和剪應(yīng)力相對(duì)大小有關(guān)。Ding et al.［45］研究結(jié)果表明剪切對(duì)膠凝油屈服應(yīng)力的影響與剪切時(shí)油樣的溫度有關(guān)。環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨管流剪切的增加，沉積物的厚度減?。?，19，25］。綜合以上結(jié)果，可推測(cè)隨管流剪切的增強(qiáng)，更難形成初始膠凝層。

隨管流剪切的增加，沉積物內(nèi)的蠟含量增加，導(dǎo)致沉積物的硬度也增加［8，17，21-22］。研究者從兩個(gè)方面進(jìn)行解釋?zhuān)环矫骐S管流剪切的增加，形成的沉積層厚度減小，沉積層內(nèi)溫度梯度增加，促進(jìn)蠟分子的擴(kuò)散，導(dǎo)致沉積層內(nèi)的蠟含量增加。另一方面隨管流剪切的增加，液態(tài)油被擠出沉積層，導(dǎo)致沉積層內(nèi)蠟濃度增加，沉積層的抗剪切強(qiáng)度增加。

綜上所述，隨管流剪切的增加，更難形成初始膠凝層，沉積層的厚度減小，而沉積層內(nèi)的蠟含量增加，導(dǎo)致沉積物的抗剪切強(qiáng)度增加。

3　結(jié)束語(yǔ)

蠟沉積給管道安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，普遍采用機(jī)械清管的方法清除蠟沉積物。對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管器發(fā)生卡堵。但目前主要研究沉積物的厚度和蠟含量，而對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的研究很少。

蠟沉積物的抗剪切強(qiáng)度主要受固相蠟濃度、烷烴碳數(shù)分布、膠質(zhì)瀝青質(zhì)和管流剪切的影響。目前的研究普遍認(rèn)為，隨固相蠟濃度和管流剪切的增加，沉積物的抗剪切強(qiáng)度也增加；瀝青質(zhì)可以降低沉積物的抗剪切強(qiáng)度。關(guān)于蠟碳數(shù)分布和膠質(zhì)對(duì)沉積物抗剪切強(qiáng)度的影響還有待研究。如何定量表征這些因素對(duì)蠟沉積物抗剪切強(qiáng)度的影響，是另一亟待解決的問(wèn)題，解決該問(wèn)題對(duì)清管器運(yùn)動(dòng)模擬至關(guān)重要。

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Research Progress of the Shear Strength of Wax Deposit in Pipelines

BAI Cheng-yu1，WEI Lei2
（1.CNPC Offshore Engineering Company Limited，Beijing 100028，China；
2.Beijing JAS Technical Service Company Limited，Beijing 100083，China）

Abstract：A better understanding of the shear strength of wax deposit assists in making a suitable pigging schedule and preventing the pig from getting stuck in the pipelines.However，there is little study on the nature of the wax deposit.The main influencing factors of the deposit strength were determined，including solid wax content，carbon number distribution of wax，resins and asphaltenes and the flow rate.The research progress of the effect of these factors on the deposit strength was introduced from macroscopic and microscopic aspects.It's pointed out that，to quantitatively determine the deposit shear strength is the main issue that needed to be resolved.

Key words：pipeline；wax deposition；shearing strength；influencing factor；research progress

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0105-04

收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：白成玉（1985-），男，北京市人，工程師，博士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事總體設(shè)計(jì)及蠟沉積研究。E-mail：baicheng_yu@126.com。