含蠟原油蠟沉積特性與清蠟周期研究

劉雪峰 馬貴陽

摘 要：管道清管作為減小含蠟原油管輸安全隱患的主要措施，一直是工程安全研究的重要方面。對原油蠟沉積機理的分析，明確了蠟沉積過程中的主要影響因素，并對個因素的影響效果進行了評價，描述了幾種不同清蠟方法的作用效果，研究了含蠟原油管道清蠟周期的影響因素，為管道清管周期的確定提供理論支持。

關(guān) 鍵 詞：含蠟原油；蠟沉積；清管周期

中圖分類號：TE 624 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1834-03

Abstract： Pipeline pigging as the main measure to decrease the safety hidden trouble of waxy crude oil pipeline has been one of the most important aspects of the project safety research. In this paper， the mechanism of wax deposition was analyzed. The main influence factors in the process of wax deposition were investigated， and the influence level of these factors was evaluated. The effect of different paraffin removal methods was described. The influence factors of paraffin removal cycle of waxy crude oil pipeline were studied， which could provide theoretical support for determination of pipeline pigging period.

Key words： waxy crude oil； wax deposition； pigging period

含蠟原油一般有凝點高、粘度大、流動性較差等特性，在輸送工藝上一般選擇加熱輸送，此種輸送工藝往往存在輸送成本較高、輸量變化范圍要求較高、停輸再啟動較難的問題。在含蠟原油管道加熱輸送過程中，常會在管壁內(nèi)側(cè)形成蠟沉積層，從而減小管道流通截面、增大管道摩阻、降低輸送能力，為管道的安全輸送帶來隱患。工程上減小安全隱患的措施一般為定期清管[1]。因此，研究含蠟原油的蠟沉積特性和清蠟周期顯得尤為重要。

本文在分析含蠟原油蠟沉積特性的基礎(chǔ)上，調(diào)研了管道清蠟的主要方法，并比對了各方法間的優(yōu)缺點，分析了管道清蠟周期的影響因素，定義了余蠟厚度，并研究了余蠟厚度對清管周期的影響規(guī)律。

1 含蠟原油蠟沉積特性分析

1.1 蠟沉積機理

目前對于含蠟原油管道沉積機理的研究，主要包括四種沉積機理：分子擴散、剪切彌散、布朗擴散以及重力沉降[2]。

分子擴散作為蠟沉積的主要機理，其具體作用方法為：原油在管道中流動時，因散熱使得油品溫度降低，從而在油流與管壁間產(chǎn)生溫差，當(dāng)管壁的溫度低于原油的析蠟點時，蠟分子會析出，并逐漸沉積在管壁上，隨著沉積的進行，管壁處的蠟分子濃度逐漸減小，從而產(chǎn)生濃度差，油流中的蠟分子會逐漸向管壁遷移，并引起蠟沉積。

剪切彌散的機理描述為：在原油流動中，蠟分子析出結(jié)晶，晶體隨原油流動中，因存在的速度梯度會使蠟晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，并逐漸向速度較低的管壁進行橫向運動，并沉積于此。

布朗運動的機理描述為：蠟分子聚集的蠟晶顆粒存在著無規(guī)則運動，在油流中存在濃度梯度時，布朗運動使晶體由濃度高處流向濃度低的地方，在管壁處發(fā)生沉積作用。

重力沉降的機理描述為：隨著析出的蠟晶與原油間存在密度差，蠟晶也會由于重力的作用而沉降，從而產(chǎn)生蠟沉積。

1.2 蠟沉積影響因素

蠟沉積過程中，受多重因素影響，經(jīng)過調(diào)研，目前研究的成果中主要影響因素包括油流溫度、管壁和油流之間的溫差、流速、原油的成分、管壁材質(zhì)、運行時間等，且在發(fā)生蠟沉積過程中，不是某一種因素單獨影響，往往是多種因素共同影響[3]。

在原油管道運行過程中，隨管道油流溫度的降低、管壁與油流之間溫差增大、流速的減緩、管道運行初期，管壁的結(jié)蠟速度會變大，原因在于此些因素增大分子擴散、布朗擴散等的程度，增大結(jié)蠟速度。當(dāng)原油中的低分子量的輕烴含量較高時，蠟分子的溶解度較大，同等條件下蠟分子析出程度減弱，結(jié)蠟程度減弱。管壁的材質(zhì)和粗糙度影響蠟分子在管壁沉積的難易程度，管壁粗糙度的增大，會使得蠟沉積現(xiàn)象更容易。

2 原油管道清蠟方法研究

若想確保含蠟原油管道的安全運行，控制結(jié)蠟厚度是非常重要的因素。管道結(jié)蠟厚度較大時，不僅增加管道輸送能耗，對管道安全運行帶來隱患，還可能使得管道內(nèi)輸送原油發(fā)生冷卻并產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象，從而引發(fā)凝管事故的發(fā)生，為管道的正常輸送帶來巨大影響，耗費較大的人力物力，帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此定期為管道清蠟是十分必要的。管道清蠟的方法有很多種，包括清蠟劑法、機械處理方法、電加熱方法、微生物清蠟方法、超聲波清蠟法以及熱處理法等[4]。

2.1 清蠟劑法

此種方法的作用機理在于，向運行中的管道中注入清蠟劑，令已經(jīng)沉積的蠟層進行分解或者溶解，形成細小的懸浮顆粒，使得管道中蠟沉積現(xiàn)象減輕。對于此種清管方法，使用的清蠟劑主要分為水基清蠟劑以及油基清蠟劑，兩種類型的清蠟劑在作用機理上略有不同，但都能在一定程度上減緩蠟沉積現(xiàn)象，保證管道的安全運行。

2.2 機械處理法

此種處理方法是最為常用的一種清管方法，其作用機理在于，向原油管道中投放清管裝置，利用管道運行的動力比借助動力流體的推動效果，使其在管道中運行，達到清除管道內(nèi)壁沉積蠟的作用。清管器在工作過程中，主要依靠自身對于管道的摩擦、劃撥作用，將管壁上沉積的蠟層通過物理作用剝離，達到清管的目的。

2.3 熱處理方法

熱處理法在實際操作中主要包括熱水處理法以及熱油處理法，對比來說，熱油處理方法的清除蠟層的效率較高，其主要作用機理在于，將原油加熱到某一特定溫度后注入到運行的管道中，通過油流的溫度將管壁上的蠟沉積層溶解并隨油流排出管道。熱處理法的處理成本相對幾種其他方法較低，但是在實際操作國臣各種，原油的部分輕組分會有所流失，且存在一定的危險性，在管輸過程中，也可能因流動中溫度的降低，使得管道后部的蠟沉積現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

2.4 微生物清蠟方法

微生物清蠟法的作用機理在于，通過利用部分特殊微生物的代謝作用，使得管壁處的沉積蠟分解，從而減輕管道的蠟沉積現(xiàn)象。此種方法應(yīng)用起來比較經(jīng)濟，而且環(huán)保，目前在我國部分管道已經(jīng)有所應(yīng)用。

3 含蠟原油管道清管周期研究[5]

3.1 管道清管周期影響因素分析

管道清管周期是受多方面因素影響的，主要衡量清管成本和運行成本之間的關(guān)系，清管周期越長，因每次清管的費用一般固定，相對來講在一段時間內(nèi)的清管費用越少。影響清管周期的因素一般包括運行溫度、輸量、季節(jié)。

一般來說，隨進站溫度的增加，清管周期會增大，原因在于進站溫度較低時蠟沉積的時間較早，運行過程中產(chǎn)生的蠟沉積物較多，而此時清管的周期也會越短；伴隨輸量的不斷減小，清管周期會增大，是因為在輸量減小而其他條件不變時，管道產(chǎn)生的蠟沉積會減小，從而對應(yīng)的清管周期會增長；隨著季節(jié)的更替，當(dāng)?shù)販卦黾訒r，清管周期會變短，因為地溫增加以后，其管道運行的出站溫度會降低，管道沿線過程中產(chǎn)生蠟沉積效應(yīng)的時間會提前，雖然管道中蠟沉積層的厚度的最大值減小，但是針對長輸管道，蠟沉積的總量是增大的，從而清管周期會變短。對管道清管周期影響因素的確定后，可結(jié)合相關(guān)模型建立清管周期計算模型，其中一種清管周期計算程序如圖1所示。

3.2 余蠟厚度對清管周期的影響

在對現(xiàn)場管道運行的清管過程中，往往將管道中的沉積蠟全部清掉。但在運行以及研究中發(fā)現(xiàn)，一定厚度的蠟沉積能對管道具有較好的保溫作用，能夠有效的減少管道散熱帶來的損耗，從而節(jié)省燃料費用，尤其在冬季管道輸油過程中，這種效用會更加明顯。針對某一特定管道，在其他條件一定時，存在某一最佳余蠟厚度，在此厚度下運行時，管道的日平均費用最低。

在清管時考慮余蠟厚度，可使管道清管周期相較正常清管周期略有延長。在固定了進站溫度后，因影響出站溫度的因素主要包括總傳熱系數(shù)、輸量、管道內(nèi)徑等，對于長輸管道，其內(nèi)徑一般較大，余蠟厚度相較較小，對出站溫度影響較小。對于同一余蠟厚度，出站壓力伴隨著溫度的上升而降低。

4 結(jié) 論

通過對原油蠟沉積機理的分析，明確了分子擴散、剪切彌散、布朗擴散、重力沉降對含蠟原油管道蠟沉積的作用原理；分析了蠟沉積過程中的主要影響因素，并對個因素的影響效果進行了評價；描述了清蠟劑法、機械處理法、熱處理法、微生物清蠟法等幾種清蠟方法的作用效果；研究了含蠟原油管道清蠟周期的影響因素，并對余蠟厚度進行了描述，分析了管道清蠟過程中留有余蠟厚度的重要意義。

參考文獻：

[1] Roninggen H P. Production of Waxy Oils on the Norwegian Continental Shelf： Experiences， Challenges， and Practices[J]. Energy Fuels， 2012， 26（7）：4124-4136.

[2] 孟令德. 含蠟原油管道結(jié)蠟規(guī)律與清管周期確定[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2012.

[3] 范志敏. 管輸含蠟原油經(jīng)濟清管周期研究[D]. 西安石油大學(xué)， 2013.

[4] 田震. 含蠟原油管道蠟沉積特性及清防蠟對策研究[D]. 南充：西南石油大學(xué)，2015.

[5] 周詩崠，王樹立，趙會軍，等. 熱含蠟原油管道經(jīng)濟清蠟周期計算[J]. 油氣儲運，2006，25（8）：15-17.