蠟沉積物對現(xiàn)場管道運(yùn)行影響研究

白成玉

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司， 北京 100028）

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蠟沉積物對現(xiàn)場管道運(yùn)行影響研究

白成玉

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司， 北京 100028）

摘 要：蠟沉積是流動保障關(guān)鍵問題之一，前人主要研究了溫度、流速等因素對沉積物厚度的影響，而關(guān)于蠟沉積物進(jìn)入原油后，對管道運(yùn)行影響研究報道較少。通過現(xiàn)場測試儲罐內(nèi)原油和管輸原油物性，研究了儲罐蠟沉積物和管道蠟沉積物進(jìn)入原油后，對管道運(yùn)行的影響。研究表明：加熱輸送含有蠟沉積物的原油，導(dǎo)致原油凝點(diǎn)顯著升高，給管道安全運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險，應(yīng)慎用加熱輸送方式；升高輸油溫度，使管道內(nèi)較松軟的蠟沉積物融化，蠟沉積物厚度減小，但由于蠟沉積物進(jìn)入原油，導(dǎo)致原油凝點(diǎn)升高。

關(guān) 鍵 詞：蠟沉積物；儲罐；現(xiàn)場管道；運(yùn)行

含蠟原油儲存和管輸過程中，遇到的主要問題之一是蠟沉積問題。蠟沉積會減小儲罐有效容積和管道流通面積。通常采用機(jī)械的方法清除蠟沉積物，清蠟涉及的主要問題包括：沉積物厚度、沉積物性質(zhì)、沉積物進(jìn)入原油后對管道運(yùn)行的影響等。

國內(nèi)外主要采用冷指或環(huán)道，研究了溫度、流速、沉積時間等因素，對蠟沉積物厚度及沉積物內(nèi)蠟含量的影響［1-6］，并建立了蠟沉積預(yù)測模型［7，8］，研究相對比較成熟。同時，對蠟沉積物性質(zhì)開展了部分研究［9］，還處于起步階段。關(guān)于蠟沉積物進(jìn)入原油后，對管道運(yùn)行影響的研究未見報道。

為研究蠟沉積物對現(xiàn)場管道運(yùn)行的影響，現(xiàn)場測試了蠟沉積物進(jìn)入原油后，儲罐原油和管輸原油的物性。分析測試結(jié)果，歸納出輸送含有蠟沉積物原油的啟示，供現(xiàn)場操作人員和研究人員借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

從原油儲罐的頂部，下放取樣器至罐內(nèi)不同位置，分別取罐內(nèi)不同位置處的原油樣品。從原油輸送管線上的取樣口，取管輸原油樣品，并對樣品進(jìn)行保溫。

采用石油產(chǎn)品凝點(diǎn)儀，依據(jù)SY/T 0541《原油凝點(diǎn)測定法》，測試了儲罐原油樣品和管輸原油樣品直接裝樣凝點(diǎn)。同時，測試了部分儲罐樣品在加熱條件下的凝點(diǎn)，測試過程如下：加熱樣品至55 ℃，恒溫30 min；樣品裝入預(yù)熱至55 ℃的凝點(diǎn)試管，測試凝點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 儲罐蠟沉積物對管道運(yùn)行影響

原油在儲存過程中，較重的顆粒在重力作用下，發(fā)生沉降，在罐底形成蠟沉積物。罐底蠟沉積物的主要組成為蠟和液態(tài)油，其蠟含量顯著高于原油的蠟含量。為增加儲罐的有效容積，需定期清除蠟沉積物。將沉積物按一定比例摻入原油，是處理沉積物的主要方法之一。然而，由于沉積物的高含蠟量，摻入原油后，改變原油性質(zhì)，進(jìn)而影響管道的安全運(yùn)行。

某長輸管道首站5萬m3儲罐接收來自2條管道的3種不同原油（其中有一條管道順序輸送2種原油），不同原油按比例在儲罐內(nèi)進(jìn)行混合。混合后的原油，冬季經(jīng)加熱、增壓后外輸，其余季節(jié)經(jīng)增壓后常溫輸送。儲罐長期運(yùn)行，在罐底形成了蠟沉積物。

為提高儲罐的有效容積，對3座儲罐進(jìn)行了清罐作業(yè)，清除的蠟沉積物全部摻入另一座儲罐原油中（該罐簡稱A罐）。在外輸A罐含有沉積物的原油前，取罐內(nèi)不同位置處的油樣，測試油樣的密度，及直接裝樣和加熱條件下油樣的凝點(diǎn)，測試結(jié)果見表1。

表1 A罐原油物性測試結(jié)果Table 1 Properties of crude oil in tank A

由表1可知：（1）罐內(nèi)油品分層嚴(yán)重，靠近罐底原油密度和凝點(diǎn)較高，下層與上層油品凝點(diǎn)相差達(dá)12 ℃，密度相差達(dá)44.2 kg/m3。（2）油品加熱后，凝點(diǎn)顯著升高，最大增加約40 ℃。前人研究表明，含蠟原油的性質(zhì)與其經(jīng)歷的熱歷史和剪切歷史有關(guān)［10-12］。加熱使原油內(nèi)懸浮的蠟沉積物顆粒發(fā)生溶解，在降溫過程中蠟重新結(jié)晶，形成較強(qiáng)的蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由上述結(jié)果可知，對于含有蠟沉積物的油品，加熱使油品凝點(diǎn)顯著增加，增加管道凝管風(fēng)險，因此，應(yīng)慎用加熱方式輸送。

采用常溫和加熱的方式輸送A罐油品，凝點(diǎn)不能滿足管輸要求。冬季儲存該油品，不僅影響該罐的正常使用，而且罐內(nèi)油品易發(fā)生膠凝，影響儲罐的安全。通過研究，制定可行的輸送方案是迫切需要解決的難題。

通過多次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，確定向A罐內(nèi)摻入低凝點(diǎn)原油，降低原油凝點(diǎn)后，再加熱原油的輸送方案。A罐摻入低凝點(diǎn)原油后，取罐內(nèi)不同位置處的原油進(jìn)行物性測試，測試結(jié)果見表2。

由表2可知，A罐摻入低凝點(diǎn)原油后，凝點(diǎn)顯著降低，在-3～-1 ℃之間。上層、中層、下層油樣等比例混合，加熱至55 ℃后，油樣的凝點(diǎn)為-2 ℃。

為確保管道的安全，輸送A罐原油時，在管道出站取樣口實(shí)時取樣，測試管輸原油的凝點(diǎn)，測試結(jié)果見表3。

表2 A罐摻入低凝點(diǎn)原油后物性測試結(jié)果Table 2 Properties of oil in tank A when mixed lower pour point oil

表3 出站取樣口所取外輸原油物性測試結(jié)果Table 3 Properties of oil obtained from sampling point at inlet of the pipeline

由表3可知，開始輸送A罐原油時，外輸原油凝點(diǎn)為17 ℃，顯著高于罐樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對比分析表1～表3中原油密度，外輸原油密度大于摻入低凝點(diǎn)原油后所取A罐油樣密度（見表2），小于所取A罐原油的初始密度（見表1），由此可以推測，外輸原油中含有上次所輸有較多蠟沉積物的原油，是造成上述結(jié)果的主要原因。

輸送約1.5 h后，雖然出站凝點(diǎn)顯著下降，但仍不能滿足輸送要求，于是對外輸原油添加降凝劑。由表3可知，添加降凝劑后，外輸原油凝點(diǎn)下降至1～5 ℃。繼續(xù)輸送約1.5 h后，為保障管道安全，放棄輸送A罐原油。由于管道沿線地溫隨時間不斷下降，最終綜合考慮，確定A罐原油在罐內(nèi)儲存過冬，第二年地溫回升后，采用常溫方式輸送。

從以上案例，可得出以下幾點(diǎn)啟示：（1）輸送含有蠟沉積物的原油，慎用加熱輸送方式，因加熱使原油凝點(diǎn)顯著升高，給管道的安全運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險；（2）對于罐底已形成蠟沉積物的儲罐，冬季維溫伴熱時，應(yīng)選取合理的伴熱溫度，防止蠟沉積物融化進(jìn)入原油，使原油的凝點(diǎn)顯著升高，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)；（3）應(yīng)制定合理的生產(chǎn)計劃，避免地溫較低時輸送含有沉積物的原油，影響管道的安全運(yùn)行。

1.2.2 管道蠟沉積物對管道運(yùn)行影響

管道輸送含蠟原油過程中，在徑向蠟分子濃度梯度作用下，管壁上形成蠟沉積物。在清管、升高出站溫度等情況下，管壁上的蠟沉積物進(jìn)入管輸原油，對原油的性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響管道的安全運(yùn)行。

某輸油管道全長109 km，管徑為529 mm，全線設(shè)有4座站場。管輸原油的凝點(diǎn)為29 ℃，密度為862 kg/m3，含蠟量為19.8%。管道自投產(chǎn)后，從未進(jìn)行清管作業(yè)。

該管道其中兩站之間的站間距為31 km，正常運(yùn)行時，出站溫度為45 ℃。由于距進(jìn)站4 km至19 km之間管道位于建筑物下，對管道維搶修作業(yè)及管道周圍居民的安全造成重要影響，決定對該管段進(jìn)行改線。4 km至19 km之間新鋪設(shè)的管道，采用帶壓、冷管直接投產(chǎn)方式。為提高新管道投產(chǎn)安全性，投產(chǎn)前將出站溫度升高至70 ℃，并注入降凝劑。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加劑后原油凝點(diǎn)為20 ℃。

為了保障投產(chǎn)順利進(jìn)行，投產(chǎn)前一天對進(jìn)站原油進(jìn)行取樣，測試了原油物性，管輸原油凝點(diǎn)隨時間變化見圖1。第二天投產(chǎn)管道割開后，從割口處觀察到：管道蠟沉積嚴(yán)重，19 km處蠟沉積層厚度達(dá)153 mm；沿管道軸向方向，蠟沉積層厚度變化較大，4 km、19 km處蠟沉積層厚度分別約為6 mm和153 mm；靠近管中心的蠟沉積物較松軟，而靠經(jīng)管壁處的蠟沉積物較硬。

圖1 進(jìn)站凝點(diǎn)隨時間變化Fig.1 Variation of pour point of oil at outlet of the pipeline with time

圖1表明：

（1）出站溫度由45 ℃（正常運(yùn)行）升高至70 ℃（投產(chǎn)階段），開始時刻進(jìn)站凝點(diǎn)從29 ℃增加至33℃。密度測試結(jié)果表明，進(jìn)站原油密度從862 kg/m3增加至863 kg/m3。主要是因?yàn)槌稣緶囟壬?，使管道?nèi)表層蠟沉積物融化，進(jìn)入原油，增加了原油的含蠟量（4 km、19 km處表層蠟沉積物的含蠟量分別為32.0%和30.7%），從而導(dǎo)致原油密度和凝點(diǎn)增加。

（2）一段時間后，進(jìn)站凝點(diǎn)逐漸下降，接近室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要因?yàn)橐欢螘r間后，加劑原油到達(dá)進(jìn)站處，并隨著管內(nèi)表層較松軟蠟沉積物量的減少，融入原油的蠟沉積物不斷減少，原油凝點(diǎn)經(jīng)歷逐漸降低的過程。

從以上案例，可得出如下啟示：升高輸油溫度，使管道內(nèi)表層較松軟的蠟沉積物發(fā)生融化，減小蠟沉積物的厚度。同時，融化的蠟沉積物進(jìn)入原油，導(dǎo)致原油凝點(diǎn)升高，增加了管道的凝管風(fēng)險。

2 結(jié) 論

通過現(xiàn)場管道運(yùn)行實(shí)例，研究了儲罐蠟沉積物和管道蠟沉積對管道運(yùn)行的影響。此外，基于現(xiàn)場管道運(yùn)行實(shí)例，得出輸送含有蠟沉積原油的幾點(diǎn)啟示。主要結(jié)論如下：

（1）加熱輸送含有蠟沉積物的原油，使原油凝點(diǎn)顯著升高，給管道安全運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險，應(yīng)慎用加熱輸送方式；

（2）對罐底已形成蠟沉積物的儲罐，冬季維溫伴熱時，應(yīng)選取合理的伴熱溫度，防止蠟沉積物融化進(jìn)入原油，使原油的凝點(diǎn)顯著升高，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)；

（3）升高輸油溫度，使管道內(nèi)表層較松軟的蠟沉積物發(fā)生融化，減小蠟沉積物的厚度，但融化的蠟沉積物進(jìn)入原油，導(dǎo)致原油凝點(diǎn)升高，增加了凝管風(fēng)險。

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Study on Effect of Wax Deposit on Field Pipeline Operation

BAI Cheng-yu
（CNPC Offshore Engineering Company， Beijing 100028，China）

Abstract:Wax deposition is one of the most important flow assurance problems. The previous studies mainly examined the effect of temperature， flow velocity and other factors on the thickness of wax deposit. However， it is seldom investigated that the influence of wax deposit mixed into the oil on the pipeline operation. In order to study the effect of wax deposit on the pipeline operation， the properties of oil with wax deposit in storage tank and in pipeline were measured. The results show that heating the oil with wax deposit leads to the great increase of the pour point of oil， which can increase the pipeline operation risk. The heating transportation method should be carefully used for transporting the oil with wax deposit. Although increasing the oil temperature can reduce the thickness of wax deposit in field pipeline， the pour point of oil is increased because the soft wax deposit on the pipe wall is melted at high temperature.

Key words:Wax deposit； Storage tank； Field pipeline； Operation

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0276-03

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：白成玉（1985-），男，北京人，工程師，博士，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事總體設(shè)計及蠟沉積研究。E-mail：baicheng_yu@126.com。