管輸原油飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)測(cè)定與模擬預(yù)測(cè)

蔣賢 杜建芬 劉煌 郭平 王超祥

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

油品在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)儀器中，在規(guī)定的溫度條件下，液體與其蒸氣可達(dá)成一種動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)由液體分子變?yōu)闅怏w分子的數(shù)目與由氣體分子變成液體分子的數(shù)目相同，這種狀態(tài)稱為氣-液平衡。將處于氣-液平衡時(shí)的氣體稱為飽和蒸氣，液體稱為飽和液體[1-2]。任意溫度下原油達(dá)到穩(wěn)定后所具有的壓力稱為該溫度下原油的飽和蒸氣壓[3]。

管輸原油飽和蒸氣壓是原油穩(wěn)定設(shè)計(jì)和輸送管道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，在原油儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工處理的過程中，需要利用原油飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行輸油泵吸入深度校核和估算油罐蒸發(fā)損耗。同時(shí)，原油作為商品銷售時(shí)，飽和蒸氣壓是重要的質(zhì)量指標(biāo)[4-6]。目前，測(cè)量原油飽和蒸氣壓的方法有GB/T 8017-2012《石油產(chǎn)品蒸氣壓的測(cè)定 雷德法》和GB/T 11059-2011《原油蒸氣壓的測(cè)定 膨脹法》[7-11]，但這兩種測(cè)試方法均只測(cè)定原油在標(biāo)準(zhǔn)溫度(37.8 ℃)條件下的飽和蒸氣壓。我國油田大多分布于偏遠(yuǎn)地區(qū)，而原油消費(fèi)地主要集中于中、東部等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，因此原油需要經(jīng)過長距離的運(yùn)輸才能到達(dá)目的地。在我國內(nèi)陸，原油主要通過管道和儲(chǔ)罐運(yùn)輸[12-16]，管輸原油在輸送過程中會(huì)遇到不同的氣候環(huán)境，因此采用已有標(biāo)準(zhǔn)法(只針對(duì)37.8 ℃)所測(cè)得的飽和蒸氣壓結(jié)果并不能完全滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要,特別是對(duì)于存在高溫環(huán)境的地區(qū)，溫度的升高會(huì)使得原油飽和蒸氣壓變大，這對(duì)原油輸送設(shè)備的耐壓性和耐熱性提出了更高的要求。

本研究以確定我國某油田管輸原油飽和蒸氣壓為目標(biāo)，首先搭建了參比法測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)了該裝置在標(biāo)準(zhǔn)溫度(37.8 ℃)下的可靠性；然后分別測(cè)定了5個(gè)原油樣品分別在45.0 ℃、50.0 ℃、55.0 ℃和60.0 ℃下的飽和蒸氣壓；最后基于所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立綜合考慮溫度、原油基礎(chǔ)物性的目標(biāo)油田管輸原油飽和蒸氣壓預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和流程

對(duì)于雷德法測(cè)定管輸原油飽和蒸氣壓，在成熟的雷德蒸氣壓測(cè)定儀上參照GB/T 8017-2012進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于參比法測(cè)定管輸原油飽和蒸氣壓，采用自行建立的參比測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器主要由兩個(gè)測(cè)定釜組成，其中1個(gè)測(cè)定釜進(jìn)行樣品測(cè)試，1個(gè)測(cè)定釜進(jìn)行參比實(shí)驗(yàn)以排除空氣膨脹的影響。每1個(gè)測(cè)定釜包括1個(gè)氣體室、液體室和1個(gè)精密壓力表(見圖1)。參比測(cè)定儀放置于1個(gè)高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，該實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)過程提供不同工作溫度。裝置示意圖見圖2。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

本研究所用的5個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品均為從我國某油田現(xiàn)場(chǎng)取得的管輸原油樣品。將取得的油樣進(jìn)行色譜分析，得到它們的組成(見圖3)。由圖3可以看出，由于采用的是脫氣原油，樣品中C1(CH4)的含量低于色譜的檢測(cè)下線，即其含量被認(rèn)為是0。隨著碳原子數(shù)的增加，原油組分的含量逐漸變大，在碳原子數(shù)為10左右時(shí)，原油組分的含量最大，隨著碳原子數(shù)的進(jìn)一步增加，組分含量又逐漸減少。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.3.1參比法測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟

(1)樣品準(zhǔn)備：將樣品置于0～1 ℃的冰箱中，冷卻4 h以上，使樣品溫度與冰箱工作區(qū)域溫度一致。

(2)液體室的準(zhǔn)備：將打開并且直立的液體室與樣品轉(zhuǎn)移連接裝置(見GB/T 8017-2012)放入0 ℃的冰箱中，冷卻液體室 5 min,使液體室達(dá)到0 ℃。

(3)參比法測(cè)試過程為：①在冰箱內(nèi)將樣品用連接裝置轉(zhuǎn)移到液體室中，液面與液體室出口端持平，然后在冰箱內(nèi)快速將液體室與氣體室進(jìn)行連接(連接過程不超過10 s，以防止液體蒸發(fā))；②預(yù)設(shè)恒溫箱溫度為37.8 ℃，將準(zhǔn)備好的裝有樣品的測(cè)定釜放入恒溫箱中，作為實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)將另一套未裝樣品的測(cè)定釜也放入恒溫箱中，作為空白對(duì)照組；③待恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔5 min對(duì)實(shí)驗(yàn)組測(cè)定釜進(jìn)行搖動(dòng)振蕩，并觀察其壓力表讀數(shù)，待壓力表讀數(shù)不變時(shí)，記錄壓力p1，同時(shí)記錄對(duì)照組壓力p2，p1-p2即為當(dāng)前溫度下油樣飽和蒸氣壓；④改變恒溫箱溫度，重復(fù)步驟③，分別測(cè)試樣品在45.0 ℃、50.0 ℃、55.0 ℃和60.0 ℃下的飽和蒸氣壓。

1.3.2雷德法測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)試過程按GB/T 8017-2012執(zhí)行，將處理好的樣品放入雷德式飽和蒸氣壓測(cè)定器，測(cè)定5個(gè)油樣在37.8 ℃下的飽和蒸氣壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品測(cè)定結(jié)果分析

考慮到原油運(yùn)輸設(shè)備所處環(huán)境的不確定性[17-18]，在此采用前面所述的參比法分別測(cè)定了樣品1～樣品5在37.8 ℃、45.0 ℃、50.0 ℃、55.0 ℃和60.0 ℃下的飽和蒸氣壓。為了進(jìn)一步證明本研究所用實(shí)驗(yàn)裝置和方法的可靠性，同時(shí)采用雷德法對(duì)5個(gè)油樣進(jìn)行了測(cè)定。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。從表1可以看出,在37.8 ℃下，采用參比法和雷德法所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)偏差均在1%以內(nèi)，具有很好的一致性。隨著溫度的升高，原油的飽和蒸氣壓逐漸增大。以樣品1為例，當(dāng)溫度從37.8 ℃升至60.0 ℃時(shí)，其飽和蒸氣壓從41.7 kPa升高到了76.6 kPa，增長幅度達(dá)到83.7%，說明環(huán)境溫度的變化對(duì)原油運(yùn)輸過程飽和蒸氣壓的影響不能忽視。

表1 原油樣品在不同溫度下飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)值Table 1 Experimental values of saturated vapor pressure of crude oil samples at different temperatures實(shí)驗(yàn)方法溫度/℃飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)值/kPa樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5雷德法37.841.624.436.729.014.6參比法37.841.724.436.829.214.745.052.131.548.137.819.450.057.935.055.543.023.255.066.240.262.448.426.360.076.645.771.555.930.6

2.2 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式建立

飽和蒸氣壓是物質(zhì)最基本的物性數(shù)據(jù)之一，它在描述原油的PVT行為、計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)和推算氣液平衡等方面起著重要的作用[19-20]。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，模擬計(jì)算要簡(jiǎn)便得多。計(jì)算流體的蒸氣壓有很多公式[21-24]，目前常采用Antoine方程(如式(1))來計(jì)算流體的飽和蒸氣壓[25]。該計(jì)算公式為壓力p與溫度t之間的函數(shù)關(guān)系，在采用該公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不同的流體對(duì)應(yīng)不同的系數(shù)A、B和C[26]，對(duì)于混合流體，Antoine方程沒有考慮流體物性的影響。本研究擬在所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)油田管輸原油飽和蒸氣壓預(yù)測(cè)建立一個(gè)較通用的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。經(jīng)過一系列的擬合計(jì)算，最終建立了預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式(如式(2))。

(1)

lnp=x(1)+x(2)×t+x(3)×y(C2)+

x(4)×y(C3)+x(5)×(y(i-C4)+y(n-C4))+

x(6)×(y(i-C5)+y(n-C5))+x(7)×y(C6)+

(2)

式中：p為飽和蒸氣壓，kPa；t為溫度，℃；x(1)～x(10)為系數(shù)，具體數(shù)值列于表4中；其余符號(hào)所代表的意義見表2、表3所列。

表4 系數(shù)x(1)～x(10)數(shù)值Table 4 Values of coefficients from x(1) to x(10)系數(shù)數(shù)值系數(shù)數(shù)值x(1)1.499 5x(6)7.867 2x(2)2.946 8×10-2x(7)1.133 9x(3)41.986 5x(8)4.827 5x(4)-1.145 1x(9)-0.919 1x(5)-30.846 9x(10)0.581 5

可以看出，本研究所建關(guān)聯(lián)式綜合考慮了溫度、原油組成和組分基礎(chǔ)物性對(duì)原油飽和蒸氣壓的影響。圖4給出了采用本研究所建預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式所得模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合很好。用本研究所建立的關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到5個(gè)油樣飽和蒸氣壓模擬值與實(shí)驗(yàn)值在不同溫度下的相對(duì)平均偏差，即：樣品1為2.06%、樣品2為1.59%、樣品3為2.05%、樣品4為1.67%、樣品5為3.03%，所有偏差均在5%以內(nèi)，說明該關(guān)聯(lián)式有較好的適用性。

3 結(jié)論

本研究測(cè)定了我國某油田5個(gè)管輸原油樣品在多個(gè)不同溫度下的飽和蒸氣壓，并進(jìn)一步建立了相應(yīng)的飽和蒸氣壓預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。得到了如下認(rèn)識(shí)：

(1)溫度是影響管輸原油飽和蒸氣壓的重要因素。隨著溫度升高，原油飽和蒸氣壓快速上升。

(2)管輸脫氣原油中C2～C6組分含量很少，C7～C15等中間烴組分占很高的比重，其含量是影響管輸原油飽和蒸氣壓的另一因素，這些組分含量之和的增加會(huì)一定程度降低管輸原油的飽和蒸氣壓。

(3)基于所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本研究進(jìn)一步建立了綜合考慮溫度、原油基礎(chǔ)物性的管輸原油飽和蒸氣壓預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，預(yù)測(cè)模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。在不方便使用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定時(shí)，本研究所建立的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式為預(yù)測(cè)目標(biāo)油田管輸原油在不同溫度下的飽和蒸氣壓提供了很好的選擇性。