管道結(jié)蠟堵塞預(yù)測(cè)研究

劉恩博

摘? ?要：原油在運(yùn)輸過(guò)程中，由于內(nèi)在因素和外界環(huán)境因素的影響，會(huì)析出蠟，沉積的石蠟會(huì)減少有效流動(dòng)面積甚至完全堵塞地面流動(dòng)管線，有可能引起局部憋壓。針對(duì)某海上油田原油輸送管道所存在的結(jié)蠟堵塞問(wèn)題，運(yùn)用管線模擬軟件建立該油田集輸管網(wǎng)模型，通過(guò)改變管徑和外界溫度兩個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析含蠟原油管線結(jié)蠟機(jī)理，提出了預(yù)防結(jié)蠟堵塞管道的方法，對(duì)確保原油管道安全集輸原油具有重要意義。

關(guān)鍵詞：原油管道;結(jié)蠟機(jī)理;堵塞預(yù)測(cè)

1? ? 結(jié)蠟過(guò)程簡(jiǎn)介

我國(guó)多產(chǎn)含蠟原油，易凝流動(dòng)性差，在管道輸送過(guò)程中因?yàn)闇囟鹊拳h(huán)境條件的改變會(huì)在管壁形成蠟沉積[1-3]。此外，隨著陸上油田和海上油田的開(kāi)發(fā)進(jìn)入后期，采出物通常為多相混合物，考慮到經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，油田將會(huì)采用多相混和輸送的方式進(jìn)行管道輸送。多相通常為油水、油氣兩相，有時(shí)候甚至油氣水三相混輸，管輸介質(zhì)的復(fù)雜性使得多相流蠟沉積過(guò)程遠(yuǎn)比單相流蠟沉積過(guò)程復(fù)雜。而蠟沉積會(huì)在管道運(yùn)輸過(guò)程中容易發(fā)生堵塞等安全問(wèn)題。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)原油結(jié)蠟機(jī)理[4]：當(dāng)集輸管道內(nèi)壁處溫度低于輸送原油析蠟點(diǎn)，并且比油流溫度低時(shí)，靠近管道內(nèi)壁的原油中含有的蠟分子就容易隨著管道內(nèi)壁的結(jié)晶中心進(jìn)行結(jié)晶而析出，同時(shí)，影響到該處原油中含有的蠟分子濃度比油流中的濃度低，導(dǎo)致油流中的蠟分子根據(jù)濃度關(guān)系在集輸管道內(nèi)壁遷移，并進(jìn)行沉積形成結(jié)蠟。通過(guò)軟件進(jìn)行分析，可以提前規(guī)劃管網(wǎng)，避免出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞造成安全事故。

2? ? 結(jié)蠟規(guī)律實(shí)驗(yàn)

A油田當(dāng)前日產(chǎn)液量為2 943 m3/d，目前環(huán)境溫度25 ℃，管徑為203.2 mm，管線總長(zhǎng)約12 km，包含兩個(gè)油水分離器。針對(duì)該油田管網(wǎng)實(shí)際分布情況，建立集輸管網(wǎng)模型，如圖1所示。

2.1? 管道蠟沉積模型

在管道徑向方向，由于管道中心與管壁之間存在溫度梯度，導(dǎo)致油流中的蠟分子在濃度梯度作用下向著管壁方向不斷擴(kuò)散，從而在低于析蠟點(diǎn)溫度的管壁上沉積下來(lái)[5]。蠟沉積層含蠟量計(jì)算公式如下：

（1）

式中，r為管內(nèi)有效半徑，m;FW為沉積層中固相蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ρgel為沉積層密度，kg/m3;CWS為蠟分子在油流中的溶解度，kg/m3;T為沉積層界面溫度，δ為無(wú)量綱化的沉積層厚度。

沉積層厚度δ有3種常用的測(cè)量方法，直接測(cè)量法、壓降法和LD-LD法。

直接測(cè)量法是將一部分試驗(yàn)管段裝在實(shí)驗(yàn)裝置上，在形成蠟沉積后，將管段拆下，通過(guò)加熱的方法使蠟沉積層融化，然后刮出融化后的蠟進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，從而得到等效沉積層厚度。

壓降法的主要原理是用兩段材料和性質(zhì)完全相同的管道在不同的溫度下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試管段的溫度低于蠟析出的臨界溫度，對(duì)比管段的溫度則高于析蠟溫度以確保其無(wú)蠟晶析出影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。然后通過(guò)兩管段的壓降差值，間接計(jì)算蠟沉積層厚度。

LD-LD法是將一定量的原油加入實(shí)驗(yàn)管道中，然后多次記錄管路中原油體積及上升高度，從而算出各個(gè)位置的蠟沉積厚度及平均厚度。通常來(lái)說(shuō)，記錄越頻繁，間隔越短，那么結(jié)果就更為準(zhǔn)確。

此外，還有一種新型的測(cè)量方法，熱脈沖厚度檢測(cè)方法。該方法是運(yùn)用加熱元件發(fā)射瞬時(shí)脈沖，溫度傳感器測(cè)量熱效應(yīng)，然后間接算出蠟沉積層厚度。

2.2? 管道沿線溫度分布計(jì)算公式

計(jì)算沿線溫度分布通常采用考慮摩擦熱的軸向溫降公式，軸向溫降公式的推導(dǎo)。

基本假設(shè)如下。

（1）穩(wěn)定工況。包括熱力、水力條件穩(wěn)定，即各站的進(jìn)出站溫度不隨時(shí)間變化，輸量也不隨時(shí)間變化。

（2）油流至周?chē)橘|(zhì)的總傳熱系數(shù)K沿線為常數(shù)。

（3）沿線地溫T0和油品的比熱C為常數(shù)，該溫降公式也稱為文賓宗溫降公式：

（2）

（3）

式中：G表示油品質(zhì)量流量，kg/s。

c表示油品比熱，J/kg ?℃。

D表示管道外徑，m。

t0表示管中心埋深處自然地溫，℃。

L表示管道輸送的長(zhǎng)度，m。

K表示出站管道總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）。

tR表示出站溫度，℃。

tL表示出站距離L處的油溫，℃。

i表示油流的水力坡降m/m。

a，b表示參數(shù)。

g表示重力加速度，m/s2。

原油在流動(dòng)過(guò)程中存在摩阻，流速過(guò)快會(huì)使油品升溫，外界環(huán)境溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)外溫差過(guò)大，熱交換增加，蠟晶更容易析出。但流速過(guò)快，會(huì)在管壁產(chǎn)生剪切力，使蠟不容易集結(jié)造成堵塞，故綜合考慮兩方面因素，通過(guò)軟件模擬，觀察結(jié)蠟堵塞與原油流速之間的關(guān)系，為管道安全輸送原油提供支撐。

2.3? 模擬過(guò)程

（1）通過(guò)實(shí)際情況，建立A油田區(qū)塊生產(chǎn)集輸管網(wǎng)模型，輸入對(duì)應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)集輸管網(wǎng)。

（2）固定管徑為6 in，設(shè)置環(huán)境溫度為10 ℃，此溫度表示該地區(qū)常年的最低溫度，通過(guò)改變流量即流速進(jìn)行管道輸送模擬，觀察管道運(yùn)輸情況，記錄此環(huán)境溫度管道堵塞情況。

（3）改變環(huán)境溫度依次降低為5 ℃，3 ℃，0 ℃，重復(fù)步驟（2），求出對(duì)應(yīng)臨界流速。

（4）作出不同溫度下，臨界流速圖表。

2.4? 模擬結(jié)果分析

（1）當(dāng)管徑為6 in，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，隨著體積流量的減小，當(dāng)流量減小至5 250 m3/d左右時(shí)管道堵塞情況消失。

（2）隨著環(huán)境溫度的上升，在溫度為10 ℃時(shí)，流量由6 580 m3/d減小到3 180 m3/d時(shí)，管道堵塞情況才消失。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

（1）蠟的固相含量隨外界溫度的降低（即管壁內(nèi)外溫差越大）而增加。

（2）在同一流量下，隨著環(huán)境溫度的降低，管道會(huì)逐漸開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞的現(xiàn)象。

（3）在同一環(huán)境溫度下，雖然流速快不容易形成蠟堆積，但是流量過(guò)大時(shí)，輕微的蠟堆積也會(huì)導(dǎo)致局部堵塞。

（4）當(dāng)管徑較小時(shí)，輕微的結(jié)蠟就有可能導(dǎo)致局部憋壓，壓裂管道，因此，可以通過(guò)上述方法，確定不同管徑、不同環(huán)境溫度下時(shí)的臨界流量，避免出現(xiàn)結(jié)蠟堵塞管道的情況。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔡洪，黃成.高含蠟?zāi)鰵饩灣练e實(shí)驗(yàn)研究[J].石油化工應(yīng)用，2011（3）：20-22.

[2]于宏慶，馬云.高原原油集輸管道結(jié)蠟規(guī)律及防護(hù)技術(shù)[J].油氣田地面工程，2014（10）：94-95.

[3]孫雪姣，呂濤，肖榮鴿.含蠟原油管道結(jié)蠟機(jī)理及清蠟技術(shù)研究[J].清洗世界，2014（4）：31-34.

[4]呂朝旭，邢曉凱，柯魯峰.多相流蠟沉積研究進(jìn)展[J].油氣田地面工程，2018（4）：36-41.

[5]彭陽(yáng).含蠟原油管道輸送蠟沉積預(yù)測(cè)模型研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

Study on the prediction of the blockage of wax in the pipeline

Liu Enbo

（Chongqing Gas Group Co.， Ltd.， Chongqing 400020， China）

Abstract：During the transportation of crude oil， due to internal factors and external environmental factors， wax will be precipitated. The deposited paraffin will reduce the effective flow area or even completely block the ground flow pipeline， which may cause local rolling pressure. Aiming at the problem of wax blockage in the crude oil pipeline of a certain offshore oilfield， the pipeline simulation software was used to establish the model of the oilfield pipeline network. The experiment was carried out by changing the diameter of the pipeline and the external temperature， and the waxing mechanism of the waxy crude oil pipeline was analyzed. It is proposed to prevent the wax from clogging the pipeline， which is of great significance for ensuring the safe collection and transportation of crude oil from crude oil pipelines.

Key words：crude oil pipeline; waxing mechanism; wax formation forecast