低溫環(huán)境集輸油管道清防蠟技術(shù)研究綜述

孟凡斌 姜卉 魯鎮(zhèn)語 趙海謙 劉曉燕

摘? ? ? 要： 蠟沉積是原油集輸過程中面臨的重要的問題。蠟沉積于管道內(nèi)壁不僅降低了管道有效流通半徑，嚴(yán)重時還會堵塞管道，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在此背景下，國內(nèi)外學(xué)者對防蠟和清蠟機(jī)理與技術(shù)進(jìn)行了大量研究。將現(xiàn)有的冷流防蠟、化學(xué)清防蠟、管道材料及涂層防蠟、熱化學(xué)反應(yīng)清蠟、機(jī)械清蠟、熱力清蠟等清防蠟技術(shù)進(jìn)行回顧并對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以期為今后管道清防蠟技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)? 鍵? 詞：集輸油管道;清蠟;防蠟

中圖分類號：TE 832? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2377-05

Abstract： Wax deposition is an important problem in crude oil gathering and transportation. Wax deposition on the inner wall of the pipeline not only reduces the effective circulation radius of the pipeline， but also blocks the pipeline in severe cases， resulting in huge economic loss. Against that backdrop， domestic and foreign scholars have done a lot of researches on the mechanism and technology of wax prevention and removal. In this paper， the existing wax prevention and removal technologies such as cold flow wax inhibition， chemical wax removal and inhibition， pipeline materials and coating wax inhibition， thermochemical reaction wax removal， mechanical wax removal， thermal wax removal were reviewed and summarized， so as to provide reference for further research on the technology of wax removal and wax inhibition of oil gathering and transportation pipelines in the future.

Key words： Oil gathering and transportation pipeline; Wax removal; Wax inhibition

管道流動安全問題是原油集輸過程中面臨的重要問題。處于嚴(yán)寒地區(qū)的埋地集輸油管道或海底的集輸油管道，由于周圍的土壤或海水溫度較低，原油在輸送過程中會有大量的熱散失導(dǎo)致溫度逐漸下降。當(dāng)原油溫度低于析蠟點(diǎn)時，其中的蠟組分開始析出，并慢慢聚集、長大，最終沉積在管道內(nèi)壁上。隨著蠟沉積量的增多會降低管道的有效半徑，增加原油流動阻力，嚴(yán)重時甚至?xí)斐晒艿蓝氯?，帶來巨大的?jīng)濟(jì)損失。全世界范圍內(nèi)處理在原油開采、運(yùn)輸、儲存、加工過程中由于蠟沉積引起的問題，每年要花費(fèi)數(shù)億美元[1]。

面對集輸油管道的蠟沉積問題，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，以及大量的研究，提出了一些清防蠟方法與技術(shù)，部分技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要對冷流防蠟、化學(xué)清防蠟、管道材料及涂層防蠟、熱化學(xué)反應(yīng)清蠟、機(jī)械清蠟、熱力清蠟等清防蠟技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以期為今后的管道清防蠟技術(shù)研究提供參考。

1? 防 蠟

1.1? 冷流

對于結(jié)蠟問題較埋地輸油管道更為嚴(yán)重的海底輸油管道，Merino-Garcia和Correra探討了一種防止管壁上蠟沉積的技術(shù)—冷流。該技術(shù)的理論依據(jù)是在溫度梯度為零時，即使在析蠟點(diǎn)以下，管壁上的蠟沉積也是可以忽略的。冷流概念是基于Coberly （1942）的先期研究工作而提出的，其工作原理示意圖如圖1所示[2]。

該方法通過降低集輸油管道內(nèi)油流的溫度，使其與周圍海水的溫度相同，由此消除輸送介質(zhì)在管壁附近的溫度梯度，進(jìn)而防止蠟沉積，此時石蠟以固相形式分散于原油中。一些學(xué)者設(shè)計的應(yīng)用在輸油管段上能夠使油流溫度降低至與周圍海水溫度一致的裝置已經(jīng)獲得了專利。但是這些裝置都沒有在油田生產(chǎn)條件下進(jìn)行現(xiàn)場測試[3，4]。該技術(shù)在理論是可行的，但如何有效的降低輸送介質(zhì)的溫度以及長距離輸送這種冷漿體還需要進(jìn)一步研究。其中冷漿體的存在使管內(nèi)油的黏度大幅提升，這將對輸油壓力有很大影響，且當(dāng)停輸時此冷漿體更易膠凝等等，這些問題都是實(shí)施冷流技術(shù)之前需要研究解決的。

1.2? 化學(xué)防蠟

化學(xué)防蠟通過向管輸介質(zhì)中添加化學(xué)物質(zhì)以防止蠟沉積和蠟?zāi)z凝。按照其作用機(jī)制的不同，可將其分為化學(xué)防蠟劑、降凝劑（PPD）、石蠟分散劑三類。對原油析蠟溫度（WAT）產(chǎn)生影響的化學(xué)物質(zhì)通常被稱為防蠟劑或蠟晶改進(jìn)劑。對原油傾點(diǎn)產(chǎn)生影響的化學(xué)物質(zhì)稱為降凝劑或流動改進(jìn)劑。由于以上兩種化學(xué)物質(zhì)通過影響蠟的結(jié)晶過程而起作用，所以這兩類化學(xué)物質(zhì)有很大的重疊。即大多數(shù)防蠟劑也具有降凝劑的功能。蠟晶分散劑是一些表面活性劑，其可通過吸附在管道壁面和蠟晶上而起作用[5]。

1.2.1? 防蠟劑

防蠟劑是一類與原油中析出的石蠟有著相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。國內(nèi)外學(xué)者雖然對于防蠟劑的作用機(jī)制已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是到目前為止仍然沒有得到確切的解釋。大家提出的防蠟劑的作用機(jī)制主要有成核-隔絕理論、合并-攝動理論以及管壁吸附理論。其中合并-攝動理論被較多學(xué)者接受。該機(jī)理認(rèn)為當(dāng)介質(zhì)溫度低于析蠟溫度時，防蠟劑聚合物分子中與石蠟分子相似的部分插入到石蠟分子中，與其合并共晶，而聚合物分子中與石蠟分子結(jié)構(gòu)不同的部分則對石蠟分子的繼續(xù)聚集結(jié)晶形成阻礙，從而緩解了石蠟沉積[6]。

典型的防蠟劑是由一個或多個與蠟分子相似的碳鏈及極性組分構(gòu)成。這種化合物可以通過碳?xì)滏溑c蠟分子共同析出或共晶。同時，極性組分改變了蠟晶的形態(tài)，起到改性作用，在蠟晶間形成空間位阻，從而阻止蠟晶的進(jìn)一步長大及聚集[7]。蠟晶聚集并在壁面上沉積的過程及防蠟劑的作用原理及過程如圖2所示[8]。在微觀尺度上，防蠟劑已經(jīng)被證明對蠟晶體形態(tài)有顯著的影響：與純蠟通常表現(xiàn)的片狀生長不同，在防蠟劑作用下蠟晶呈現(xiàn)為高度分枝的微晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]。

目前應(yīng)用最廣泛且效果較好的防蠟劑是乙烯醋酸乙烯酯（EVA），其屬于乙烯共聚物，這種共聚物具有由聚乙烯部分組成的線性鏈，其長度隨共聚物（醋酸乙烯酯）的數(shù)量而變化。EVA的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗表明該共聚物的作用效果主要受其中醋酸乙烯酯的含量影響，其含量為25%～30%時，效果最佳[10]。

此外，EVA的分子量和多分散性對其防蠟效果也有一定影響。蔣慶哲等人[11]研究發(fā)現(xiàn)EVA產(chǎn)生最佳降凝效果的分子量是1.2×104。與此同時，石蠟的碳數(shù)分布也對EVA的作用效果有較大影響，Ashbaugh等人研究表明，在EVA添加量一定的情況下，石蠟分子碳數(shù)的降低會使EVA的作用效果減弱[12]。在油田生產(chǎn)過程中防蠟劑通常摻混在有機(jī)溶劑中使用，Lee 等人對EVA和不同有機(jī)溶劑的組成做了對比研究，得到EVA、丙酮、對二甲苯的最佳配置比例，以使防蠟效果達(dá)到最佳[13]。

梳狀聚合物型防蠟劑通常被認(rèn)為是最有效的一類防蠟劑。該類聚合物通常由（甲基）丙烯酸、馬來酸酐兩類單體中的一類制成，或兩者兼而有之。其結(jié)構(gòu)特征如圖4所示，它們可以通過在蠟狀鏈上為蠟晶體提供成核位置來與其共晶，而極性主鏈阻礙蠟晶網(wǎng)絡(luò)的形成，從而阻止其膠凝以及沉積[14]。

對梳狀聚合物作用效果的研究表明，對其影響最大的是其烷基側(cè)鏈的長度，而烷基側(cè)鏈的最佳長度由蠟中烷烴的長度決定[15]。一般來說，高分子量的蠟晶生長最容易被具有長側(cè)鏈的梳狀聚合物抑制[16]。烷基側(cè)鏈碳數(shù)大于18的梳狀聚合物在大多數(shù)情況下能夠有較好的防蠟效果，因為大多數(shù)蠟中的烷烴要長得多。然而，超過18個碳的醇（硬脂醇）的生產(chǎn)成本很高，因此，此種防蠟劑變得更加昂貴。

目前，為了增強(qiáng)梳狀聚合物型防蠟劑的作用效果，針對含有不同碳數(shù)及比例分布的不同原油，合成一系列有效的梳狀聚合物以供選用，這一工作是十分重要的。而這也是防蠟劑應(yīng)用的一個主要缺點(diǎn)，它們在不同的防蠟問題中不是普遍有效的，因此需要使用試錯法來找到合適的產(chǎn)品。顯而易見，這項工作的工作量是巨大的。因此，現(xiàn)在急需研究并建立能夠?qū)⒕酆衔镄拖灳Ц男苑老瀯┑姆肿咏Y(jié)構(gòu)與其防蠟效果關(guān)聯(lián)起來的模型[17]。

1.2.2? 石蠟分散劑

石蠟分散劑是一種經(jīng)過篩選的表面活性劑。分散劑可以吸附在管壁上，改變管壁的可濕型，使其成為親水表面，以減少石蠟的吸附或者使沉積在管壁上的石蠟較為松軟容易剝落，又或者吸附在蠟晶表面以減少蠟晶相互粘結(jié)的趨勢[5]。

分散劑已經(jīng)被成功地用于促進(jìn)防蠟劑的作用效果，因為它們能夠阻礙蠟的沉積。典型的、低成本的、應(yīng)用較廣泛的蠟分散劑包括烷基磺酸鹽、烷基芳基磺酸鹽、脂肪胺聚氧乙烯脂等。然而，分散劑通常需要和防蠟劑混合使用，以提高防蠟性能。否則，分散劑的防蠟效果是有限的。

1.3? 管道材料及涂層

應(yīng)用塑料管道或在金屬管道內(nèi)涂上塑料涂層的方法已被提出以減少蠟沉積。雖然在塑料管道上石蠟沉積的速度比在鋼制管道上要慢，但在塑料管道上覆蓋一定的石蠟層后，蠟沉積的積累速度將與鋼表面的石蠟沉積速度相同。當(dāng)沉積物積累到一定程度時，必須從塑料或涂有塑料涂層的鋼管中清除，而且必須考慮清蠟問題。

機(jī)械、熱力、化學(xué)等清蠟技術(shù)可能損壞塑料管道或涂層。 因此，目前該方法主要用于消除腐蝕[8]。

1.4? 微生物防蠟

微生物清防蠟技術(shù)于上世紀(jì)80年代由美國、加拿大等國家發(fā)展而來[18，19]。該技術(shù)所使用的微生物清防蠟劑是石油烴降解菌混合菌，此種微生物由多種厭氧及兼性厭氧菌組成。其具有很強(qiáng)的粘附性，可附著在金屬等潤濕物體表面且生長繁殖速度快，在壁面形成一層薄而致密的親水疏油保護(hù)膜，起到防蠟作用[20]。

此種微生物還對原油烴類物質(zhì)具有生物降解功能，使原油中的長碳鏈烴轉(zhuǎn)化為短碳鏈烴從而降低原油的凝點(diǎn)，進(jìn)而起到防蠟作用。此外，還能通過新陳代謝產(chǎn)生生物表面活性物，阻止蠟晶生長[21]。該技術(shù)結(jié)合蠟沉積機(jī)理和微生物本身及其代謝過程的特點(diǎn)，通過篩選合適的菌種達(dá)到原油集輸防蠟的目的。Rana等人（2010）開發(fā)了石蠟降解細(xì)菌團(tuán)系統(tǒng)，通過營養(yǎng)補(bǔ)充和生長促進(jìn)劑的添加來維持細(xì)菌團(tuán)系統(tǒng)進(jìn)而控制井筒和流動管線的蠟沉積。他們實(shí)驗結(jié)果表明，他們的系統(tǒng)是非常有效的，消除了在幾個月內(nèi)反復(fù)刮蠟的需要[22]。

微生物清防蠟劑無毒無害無味，安全環(huán)保，該技術(shù)與其他技術(shù)相比一般不需要附加設(shè)備，易于實(shí)施，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)用前景較好。但是不同種類的原油對不同的菌種有一定的選擇適應(yīng)性，因此需要根據(jù)不同采油區(qū)塊原油的蠟質(zhì)情況篩選出適宜的菌種進(jìn)行使用。

2? 清 蠟

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