蘇嵯輸油管道蠟沉積規(guī)律研究

董 良 辰

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蘇嵯輸油管道蠟沉積規(guī)律研究

董 良 辰

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

采用差壓法設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)室內(nèi)環(huán)道管流設(shè)備，并以此設(shè)備對(duì)蘇嵯管道的不同工況進(jìn)行了室內(nèi)結(jié)蠟實(shí)驗(yàn)。參照蘇嵯輸油管線現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在通過計(jì)算得到管壁剪切率、蠟晶溶解度、油品粘度以及徑向溫度梯度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法回歸確立了適用于蘇嵯輸油管線的管道蠟沉積模型。在數(shù)據(jù)分析和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了流速、油溫以及壁溫等因素對(duì)蘇嵯輸油管道結(jié)蠟的影響，得出了該條管道的蠟沉積規(guī)律，為蘇嵯輸油管道的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提供了參考依據(jù)。

結(jié)蠟實(shí)驗(yàn)；蘇嵯輸油管線；蠟沉積模型

輸油管道結(jié)蠟是管道經(jīng)濟(jì)、合理、安全運(yùn)行的重要影響因素之一，輸油管道的結(jié)蠟是指油品在管道流動(dòng)過程中，當(dāng)含蠟油品的溫度低于油品的析蠟點(diǎn)時(shí)就會(huì)有蠟晶析出，并且其中部分蠟晶沉積在管壁上形成結(jié)蠟層[1]。結(jié)蠟層的產(chǎn)生一方面降低了管道的傳熱系數(shù)，對(duì)管道起到了有效的保溫作用；另一方面，結(jié)蠟層會(huì)增大管道摩阻，減小管道有效流通面積，導(dǎo)致管道對(duì)油品的輸送能力降低，如不進(jìn)行控制可能會(huì)造成管道堵塞，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。又因?yàn)槲覈?guó)多產(chǎn)“三高”原油，多數(shù)原油含蠟量在20%以上，有的甚至達(dá)到40%~50%，蠟沉積問題十分嚴(yán)重[4]，所以了解輸油管道蠟沉積影響因素及其規(guī)律，對(duì)確保輸油管道合理運(yùn)行有十分重要的意義。

蘇嵯混油輸送管道作為一個(gè)呼倫貝爾油田首條長(zhǎng)距離混油輸送管道，其任務(wù)為向嵯崗轉(zhuǎn)輸油總站輸送油品，承擔(dān)著呼倫貝爾油田的主要輸送任務(wù)，是其重要的地面工程之一。然而混油的油品組成情況會(huì)受其中各原油物性及摻混比例的影響，所以其基本物性相對(duì)于原油更為不穩(wěn)定，因此其結(jié)蠟規(guī)律也更加復(fù)雜，故通過研究其混油的結(jié)蠟規(guī)律，并以此對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供參考作用十分必要。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了分析蘇嵯混油在管道內(nèi)流動(dòng)過程中管壁的結(jié)蠟規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)環(huán)道管流設(shè)備（如圖1所示）。該設(shè)備主要包括：參比管段、測(cè)試管段、質(zhì)量流量計(jì)、差壓傳感器、溫度傳感器、螺桿泵、蠕動(dòng)泵和計(jì)算機(jī)。其中參比管段和測(cè)試管段的長(zhǎng)度和直徑是相同的，各管段外壁均有水套用來控溫，通過調(diào)節(jié)水套溫度來控制各管段管道的壁溫，讓其溫度低于測(cè)試管段內(nèi)的混油溫度及其析蠟點(diǎn)，從而導(dǎo)致測(cè)試管段內(nèi)壁上逐漸結(jié)蠟；同時(shí)，保證參比管段的壁溫高于混油油溫以確保其管內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生結(jié)蠟，通過對(duì)比測(cè)試管段和試驗(yàn)管道的壓差，隨時(shí)計(jì)算得到測(cè)試管段的蠟沉積厚度，并且可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄。

該實(shí)驗(yàn)裝置有以下特點(diǎn)：①混油結(jié)蠟實(shí)驗(yàn)在油流流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；②計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單地采集和記錄；③實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時(shí)通過對(duì)比兩管段壓差對(duì)蠟沉積厚度進(jìn)行計(jì)算；④該實(shí)驗(yàn)裝置使用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)油品，很大程度的保持了油品的物性。

2 結(jié)蠟?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)

影響輸油管道結(jié)蠟的主要因素包括油品的粘溫特性、管道徑向的溫度梯度、油壁溫差、蠟晶溶解度系數(shù)、管壁附近的剪切應(yīng)力等[5]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，通過差壓法計(jì)算出輸油管道運(yùn)行時(shí)的蠟沉積量；根據(jù)熱平衡關(guān)系，計(jì)算管道的徑向的溫度梯度，再結(jié)合已知的油品粘度，可以計(jì)確定出管壁剪切應(yīng)力；依據(jù)溫降計(jì)算，得到析出的蠟晶濃度梯度；通再結(jié)合蘇嵯油品的基礎(chǔ)物性，建立蘇嵯輸油管線結(jié)蠟速率模型：

利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)當(dāng)作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)蘇嵯輸油管線結(jié)蠟速率模型的系數(shù)進(jìn)行擬合。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 模擬的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

續(xù)表

蠟沉積速率/(g·m-2·h-1）管壁剪切應(yīng)力/Pa粘度/(mPa·s)蠟晶溶解系數(shù)，‰管壁溫度梯度/(℃·mm-1) 9.421.7616.920.562.68 8.713.3216.810.563.86 8.534.6516.580.564.67 8.216.5616.570.564.93 8.0410.1216.960.565.85 17.965.0422.752.524.52 11.263.8517.860.657.26 22.573.6919.331.827.26 16.552.9815.120.627.26 12.125.3929.312.62.67 11.781.7126.392.61.66

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過采用最小二乘法對(duì)結(jié)蠟?zāi)Ｐ偷南禂?shù)進(jìn)行擬合，回歸得到其中參數(shù)、、，=5.869 7，=-0.382 6，=-0.469 8，故蘇嵯輸油管線預(yù)測(cè)結(jié)蠟?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

3 蘇嵯混油蠟沉積特性

考慮到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控混油輸送的參數(shù)主要為油溫的控制和流量（即流速）的控制，本文主要對(duì)蘇嵯管線在不同輸量下、不同油溫下的結(jié)蠟規(guī)律進(jìn)行了分析，從而為其在不同工況下導(dǎo)致的輸量變化和不同季節(jié)導(dǎo)致的油壁溫差變化的情況提供參考依據(jù)。

3.1 不同流量下的蠟沉積

3.1.1 夏季（平均環(huán)境溫度為12 ℃）流量變化對(duì)結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道結(jié)蠟速率會(huì)隨著輸量的增大而降低，當(dāng)輸量增大時(shí)，終點(diǎn)油品溫度會(huì)較低輸量時(shí)升高，整條管路的油溫都會(huì)升高，從而導(dǎo)致油品對(duì)蠟晶的溶解能力變強(qiáng)，而且高輸量的油流對(duì)沉積的蠟有更好的沖刷作用，所以結(jié)蠟速率會(huì)降低。夏季混油輸送時(shí)油品輸量與結(jié)蠟速率關(guān)系如圖2所示。

圖2 夏季不同輸量下的結(jié)蠟速率

3.1.2 冬季（平均環(huán)境溫度為-4.5 ℃）流量變化對(duì)結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道冬季不同流量下的結(jié)蠟速率如圖3所示。

圖3 冬季不同輸量下的結(jié)蠟速率

冬季時(shí)結(jié)蠟速率受流量影響規(guī)律與夏季大體相似，隨著流量的不斷增大，蠟晶受到油流更高的剪切作用和油品的溶解，只是管壁溫度更低結(jié)蠟速率較夏季跟高一些。

3.2 不同油溫下的蠟沉積

3.2.1 夏季油溫變化對(duì)結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道在夏季不同油溫的情況下結(jié)蠟速率情況如圖4所示。

圖4 夏季不同油溫下的結(jié)蠟速率

如圖可知，油品夏季結(jié)蠟速率的高峰期是在40~50 ℃時(shí)，結(jié)蠟速率約為12.5 g/（m2·h）左右，油品溫度低于析蠟點(diǎn)，隨著油品溫度的逐漸降低，蠟晶會(huì)不斷析出，結(jié)蠟速率逐漸達(dá)到最大值。當(dāng)油品溫度高于60 ℃左右以后，結(jié)蠟速率會(huì)逐漸降低，雖然此時(shí)油品溫度高于析蠟點(diǎn)，不過還是會(huì)有蠟晶在析出。

3.2.2 冬季油溫變化對(duì)結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道在冬季不同油溫的情況下結(jié)蠟速率情況如圖5所示。

圖5 冬季不同油溫下的結(jié)蠟速率

由圖5可知，油品溫度對(duì)結(jié)蠟速率的影響與該管道夏季的趨勢(shì)大致相同，但油品輸送時(shí)由于冬季外界溫度較低，導(dǎo)致油壁溫差較大，由于分子擴(kuò)散的影響，析出的蠟晶向管壁上蠟層的擴(kuò)散能力變強(qiáng)，故冬季管道結(jié)蠟速率更高。

如圖，油品冬季結(jié)蠟速率的高峰期是在40~45℃，當(dāng)油品溫度小于40 ℃時(shí)，在油品溫度的下降過程中，油流與管壁的溫差逐漸縮小，蠟晶濃度梯度隨之縮小，因此油品溫度在40 ℃以下時(shí)，結(jié)蠟速率會(huì)逐漸降低。當(dāng)油品溫度高于45 ℃時(shí)，雖然油品與壁溫溫差增大，但高溫油流對(duì)蠟晶的溶解貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于蠟晶由于溫差導(dǎo)致的擴(kuò)散作用，所以結(jié)蠟速率同樣在逐漸降低。

4 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)差壓法，建立安裝了研究油品環(huán)道管輸模擬室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)蘇嵯混油輸送管線的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定了模擬環(huán)境溫度為夏季為12 ℃冬季為-4.5 ℃，油品溫度控制區(qū)間為35~75 ℃，輸量60~180 m3/h。模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中達(dá)到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄。

（2）本文利用仿真模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)蘇嵯混油在管路中的結(jié)蠟情況進(jìn)行模擬，并以此為依據(jù)，分析了符合蘇嵯輸油管道的結(jié)蠟規(guī)律。按照最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，確立了蘇嵯輸油管道內(nèi)混油的結(jié)蠟?zāi)Ｐ停梢砸源斯烙?jì)蘇嵯管道內(nèi)的結(jié)蠟情況。

（3）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果并參照結(jié)蠟預(yù)測(cè)模型得到，蘇嵯混油管道隨著管內(nèi)流量的增加，由于油品對(duì)結(jié)蠟層的剪切速率和剪切應(yīng)力、蠟晶在油流中的溶解程度和油壁溫差導(dǎo)致的油流徑向的溫度差等因素的共同作用，使其結(jié)蠟速率逐漸減小，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為蘇嵯輸油管道在實(shí)際運(yùn)行方案中提供相應(yīng)參考。

（4）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果并參照結(jié)蠟預(yù)測(cè)模型得到，隨著油流溫度的逐漸升高，管內(nèi)的結(jié)蠟速率先是增加，當(dāng)油溫達(dá)到40~50 ℃時(shí)是結(jié)蠟速率的高峰期，然后隨著混油的輸送里程增加，結(jié)蠟速率逐漸下降。綜合考慮不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的油壁溫差和油品溫度逐漸降低導(dǎo)致的蠟晶析出，才導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)蠟速率先增大后降低。蘇嵯現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中可參照此試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化來控制混油的加熱溫度，以爭(zhēng)取輸油管道經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行。

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Study on Wax Deposition Law of Suo-Cuo Oil Pipeline

DONG Liang-chen

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

A differential pressure method was used to design and install the ring pipe flow equipment; indoor wax deposition experiment of Sue-Cuo pipeline under different working conditions was carried out with this equipment. Referring to Sue-Cuo pipeline field operation data, wall shear rate, wax crystal solubility，oil viscosity, radial temperature gradient and other parameters were obtained by calculation, the wax deposition model suitable for Sue-Cuo oil pipeline was established by least square method. Based on data analysis and results of simulation experiments, effect of flow velocity, oil temperature, tube wall temperature, and other parameters on wax deposition of Sue-Cuo oil pipeline was analyzed, the wax deposition law of this pipeline was obtained.

wax deposition experiment; Suo-Cuo oil pipeline; model of wax deposition

TE 832

A

1671-0460（2016）06-1253-04

嚴(yán)寒地區(qū)高含蠟原油儲(chǔ)存工藝方案優(yōu)化技術(shù)研究，項(xiàng)目號(hào)：2014D-5006-0607。

2016-05-16

董良辰（1992-），男，黑龍江省大慶市人，東北石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：dongliangchen123@126.com。