油田清防蠟技術(shù)研究綜述

王衛(wèi)強 鮑天宇 賈宇童 杜勝男

摘 ?????要：利用微生物在油田中進行清防蠟是近幾年來發(fā)展的一門新技術(shù)，微生物可以有效地清除管道中的蠟沉積，對油田生產(chǎn)具有很大的經(jīng)濟效益。闡述了管道結(jié)蠟機理;分析了影響管道結(jié)蠟的影響因素;介紹了國內(nèi)外幾種常用的清防蠟技術(shù)，如機械清蠟技術(shù)、熱力清蠟技術(shù)、化學清蠟技術(shù)等;討論了幾種清防蠟技術(shù)的優(yōu)缺點及適用性?；诖?，著重對微生物清防蠟技術(shù)進行了綜述，對石油行業(yè)的清蠟、防蠟技術(shù)研究、提高油田生產(chǎn)效率，有一定的指導意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：原油;清蠟;微生物

中圖分類號：TE83 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0804-05

Abstract： It is a new technology developed in recent years to use microorganism to remove wax deposits in oil fields. In this paper， the mechanism of pipe waxing was described. The influencing factors of pipeline waxing were analyzed. Several commonly used wax removal techniques at home and abroad were introduced， such as mechanical paraffin removal， thermal paraffin removal and chemical paraffin removal techniques. The advantages， disadvantages and applicability of several wax removal techniques were discussed. Based on this， the technology of microorganism paraffin removal and paraffin prevention was summarized. The paper is of guiding significance to the study of paraffin removal and paraffin prevention in the petroleum industry and the improvement of oil field production efficiency.

Key words： Crude oil;Wax removal;Microbial

我國的含蠟原油儲量非常豐富，據(jù)統(tǒng)計90%原油的含蠟量在20%～40%之間[1]。高溫高壓條件下，蠟能全部溶解在原油中，但是隨著開采與運輸時外界條件的改變，溫度和壓力也隨之下降[2]。蠟的溶解力越來越差，石蠟逐漸在原油中析出，之后結(jié)晶、沉淀在油管、套管、井壁、抽油桿表面、抽油泵內(nèi)及地面輸油管線的管壁上[3]。原油結(jié)蠟后會使原油的黏度增加，減小流動面積，增加流動阻力，進一步增加能耗量，降低產(chǎn)量，嚴重時堵塞管路還會發(fā)生危險事故，影響石油生產(chǎn)，造成了不必要的經(jīng)濟損失[4]。因此，有效的清防蠟技術(shù)可以保證含蠟原油的正常生產(chǎn)，管線的正常輸送。

本文總結(jié)了國內(nèi)外常用的清防蠟技術(shù)，分析和對比了不同清防蠟技術(shù)的機理及適用性，為以后的實踐生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 ?管道結(jié)蠟原因及危害

1.1 ?管道結(jié)蠟機理

含蠟原油在管內(nèi)流動時，隨著溫度逐漸降低，管內(nèi)壁就會慢慢沉積石蠟及其包含的其他輕質(zhì)餾分的混合物[5]。分子擴散是管道蠟沉積的主要機理，即在管內(nèi)當原油溫度降低到析蠟點的臨界溫度時，管壁處的石蠟因溫度較低會先慢慢達到飽和而析出[6]。隨著溫度進一步降低，石蠟結(jié)晶后管壁與管中心之間形成濃度梯度，使石蠟分子向管內(nèi)壁處擴散，從而繼續(xù)結(jié)蠟，根據(jù)擴散定律，油流中的蠟分子借助于濃度梯度往管壁附近遷移，并且進而沉積下來[7]。蠟分子向管壁擴散的速率可由Fick擴散方程[8]給出：

1.2 ?管道結(jié)蠟因素

（1）含蠟量與溫度、壓力有關(guān)。原油在被開采的過程中，隨著溫度下降至析蠟點的臨界溫度時，蠟就會析出，并且溫度越低，結(jié)蠟現(xiàn)象就越嚴重[9]。與此同時，當原油中的壓力改變，溶解在原油中的氣相釋放時，原油溶解蠟能力再度下降，就會造成石蠟析出[10]。

（2）含蠟量與原油的性質(zhì)有關(guān)。原油本身含有膠質(zhì)瀝青質(zhì)等輕質(zhì)餾分，當這些輕質(zhì)餾分含量越多，析蠟溫度就越低，即越不容易產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象，因為膠質(zhì)能夠吸附在蠟的晶體表面，抑制蠟晶體生長，當膠質(zhì)發(fā)生聚合后，又會形成瀝青質(zhì)，便促使蠟晶均勻分散[11]。同時，當膠質(zhì)瀝青質(zhì)大量存在時，沉積的蠟強度增加，又會促進結(jié)蠟[12]。

（3）結(jié)蠟與采油方式有關(guān)。采油時舉升方式的不同，也會影響到結(jié)蠟程度[13]。其次，實驗證明，流速與結(jié)蠟量的關(guān)系呈正態(tài)分布，在開采初期，隨著流速逐漸變大，結(jié)蠟量也越來越多，但當流速增加至達到臨界流速時，沖刷作用也越來越強，蠟晶就不容易沉積于管壁上，結(jié)蠟速度變慢[14]。

1.3 ?管道結(jié)蠟危害

原油含蠟量越高，結(jié)晶就越多，沉積也越來越多，可使油口、油管堵塞，最終導致停產(chǎn)[15]。所以，含蠟量的多少直接影響產(chǎn)量。其次，長時間沉積在套管、油管及抽油桿中的石蠟會使有效流通面積減少，抽油機效率降低，泵的載荷變大，地面管線回壓上升，還會造成管線穿孔，影響石油開采效率，造成能源、資源的浪費[16]。

在原油輸送中，管道結(jié)蠟會使管道運行能力下降，同時，油品質(zhì)量也會嚴重降低。對于含蠟熱油管道，管內(nèi)壁結(jié)蠟后對管道起到了保溫的作用，降低熱能消耗，尤其是在低輸量運行的情況下[17]。管內(nèi)壁因為結(jié)蠟后會導致內(nèi)徑越來越小，摩擦阻力增加，為了不影響輸量從而間接需要提高輸送壓力，所以，壓能消耗反而增加[18]。

2 ?油田常用清防蠟方法

（1）機械清蠟

在生產(chǎn)系統(tǒng)的油管部分，通常使用刮刀和刀具（如刮蠟片、清蠟鉆頭等）的上下、往復活動來清除油管壁上的石蠟，并隨液流帶走[19]。對于輸油管道來說，清管是處理蠟沉積最常用的方法，Wang等[20]人設計了試驗段為6.1 m、內(nèi)徑為0.076 2 m的40號鋼管，分別對常規(guī)清管和旁通清管方法做了實驗研究，結(jié)果表明，旁通清管在清蠟的過程中，可使蠟在旁通孔通過，從而前面的蠟變少，這是對管道安全運行至關(guān)重要的。

（2）熱力清蠟

熱力清蠟通常是以加熱的方式來達到除蠟效果，如熱油、熱水噴射、蒸汽噴射、電加熱管等[21]。將熱流體注入井筒后，提高了油管的溫度，可使蠟溶解在油中，從而起到清蠟的作用[22]。R.C.SARMENTO等[23]人采用瞬態(tài)熱傳導模型來預測管內(nèi)壁和石蠟中的溫度分布，為此，在實驗室進行了實驗研究，對被阻塞部分的管線加熱，這種水平截面完全堵塞而且化學劑也不能通過的情況，使用加熱的方法可使管線從堵塞變得流通。

（3）油管內(nèi)襯和涂層防蠟

涂料油管應用聚氨基甲酸酯類（目前應用較多）的涂料，將涂料涂在管內(nèi)壁上，固化后表面光滑，具有親水憎油能力[24]。M.E.R. Dotto等[25]人通過對比涂覆無定形碳和未涂覆材料的鋼板上形成的蠟沉積物，證明了蠟沉積物的數(shù)量強烈依賴于所用底物，并且涂料有利于減少石蠟的形成。F. A. Lahin等[26]，制備了一種氧化銅涂層，并對其防蠟性能進行了測試。結(jié)果顯示，防蠟涂層可將沉積在不銹鋼基板上的蠟減少50%～100%，其表面表現(xiàn)了良好的水潤濕性，將氧化銅涂料應用在管道內(nèi)壁中，可防止蠟沉積與管道堵塞。

（4）強磁防蠟

磁防蠟技術(shù)是利用磁場，改變石蠟分子間作用力，從而破壞結(jié)晶條件不能成為晶體[27]。除此之外，磁場處理后的蠟質(zhì)狀態(tài)變得柔軟，也便于處理[28]。Nguyen Phuong Tung[29]等對越南兩種含蠟原油在磁力作用下進行了篩選研究，觀察其流動性，得出了黏度與磁力強度的關(guān)系，采用掃描電鏡（SEM）觀察了是石蠟晶體的變化，驗證了磁場對防止蠟沉積的可能性。2013年，Zhang等[30]人研究了磁場對流變學特性的影響，結(jié)果表明，經(jīng)磁化處理后，油黏度下降50%，沉積速率下降87.5%。

（5）化學清蠟

化學清蠟防蠟劑有三種液體型和一種固體型，液體型分別為：油溶型、水溶型和乳液型。使用化學藥劑進行油井清防蠟時需要注意，藥劑的配方和用量必須要根據(jù)油井的實際情況來進行具體配置，原油和石蠟的性質(zhì)都要參考，進行篩選。如果加入了不合適的配制方法，則會影響原油的濃度和其他作業(yè)，最終不符合設計要求[31]。Tretolite公司生產(chǎn)一種烷基芳基磺酸鹽產(chǎn)品，稱為Parod PD-3，是一種很好的分散劑，用于砂巖擠壓作業(yè)，分散劑的有效性在一定程度上取決于地層滲透性，可使石蠟晶體的尺寸變小[32]。

（6）冷流防蠟

1942年，Coberly提出冷流防蠟方法，該方法利用外來粒子降低了蠟晶體沉積的趨勢[33]。外來粒子充當成核位點，限制了實際吸附到壁面上的固體的數(shù)量，如果這種裝置設計并在海底管道中實施，可使所有蠟在遠離管壁的地方沉淀，這樣蠟就可以在沒有大量沉積的情況下運輸。D. Merino-Garcia等[34]通過冷流技術(shù)降低海底管線溫度，消除了熱油與冷壁間的溫度梯度，改變了蠟的相變與凝固趨勢，由此阻止管壁上的蠟沉積，證明了冷流技術(shù)是可行的，但如何有效降溫以及如何長距離輸送仍需作進一步研究。

（7）超聲波防蠟

Brian F.Towler等[35]人在管壁附近定位一個超聲頻率產(chǎn)生裝置，產(chǎn)生超聲頻率后，使蠟分解并抑制蠟附著在管壁上，通過實驗研究了120千赫的超聲波在原油管道流動過程中對蠟沉積的影響，結(jié)果顯示，超聲波在一定程度上減少了蠟沉積，需要更進一步的工作來確定最佳頻率。H. Hamidi等[36]人通過實驗研究超聲波在25 kHz、68 kHz、100 kHz、250 kHz和500 kHz條件下對石蠟、合成油與煤油黏度的影響，實驗分別在可控溫與不可控溫的管道中進行，結(jié)果表明，液體的黏度在超聲的作用下降低，在沒有溫度控制的情況下，管道的壓力梯度在超聲作用下降低，這是熱效應的結(jié)果，從而改善了液體的流動性。

3 ?微生物清防蠟技術(shù)介紹

3.1 ?微生物清防蠟機理

微生物防蠟技術(shù)將自己本身的新陳代謝特點與蠟沉積相結(jié)合，通過降解碳鏈的長度來達到防蠟的目的。它具有操作簡單，無污染、施工方便、來源廣、成本低等特點，最主要的是它持續(xù)時間長久[37]。微生物通過其生長繁殖與新陳代謝，將原油中的長碳鏈降解，與蠟晶分子相互作用，抑制石蠟晶體進一步生長，降低油水界面張力，另一方面，有些代謝產(chǎn)物為乙醇等有機物，增加了原油中組分的含量[38]。

3.2 ?國外微生物清防蠟技術(shù)研究進展及現(xiàn)狀

1980年美國提出微生物處理原油方法，從幾種碳氫化合物污染樣品中分離出菌株，成功地生物降解石蠟沉積物[39]。1988年，美國Attamont/Bluebell油田進行了微生物清蠟和重油降黏現(xiàn)場試驗，殘渣中蠟含量由60%降至48%，輕質(zhì)油采收率則由40%提高到52%[40]。

2010年，Dolly Pal Rana[41]研制了具有高蠟降解能力的FIB-19細菌體，并在艾哈邁達巴德地面管線進行現(xiàn)場試驗，取得了較好效果，降低了管線壓力，減少清管時間4-5個月。2012年，Xiao等[42]人分別采用了生物表面活性劑N2和非生物表面活性劑KB18對不銹鋼表面蠟沉積進行處理，結(jié)果顯示，生物表面活性劑可以改變不銹鋼的潤濕性，使其水濕化，并通過形成乳化液體系使其水相變薄，N2還可以附著在油滴表面，抑制其凝聚，非生物表面活性劑的除蠟率可達79%。印度Susanta Kumar Biswas等[43]對嚴重蠟沉積的Mehsana Asset油井進行了細菌聚生體蠟降解研究，可防止管線中的蠟沉積。該技術(shù)已在Mehsana Asset的45口井成功應用。

2015年，Marcos J. Chapr?o等[44]測試并鑒定了兩種生物表面活性劑去除土壤中機油的能力，兩種生物表面活性劑由酵母念珠菌和芽孢桿菌產(chǎn)生，對比發(fā)現(xiàn)，由酵母念珠菌（Candida sphaerica）產(chǎn)生的表面活性劑能夠提高采收率。2018年，Ali Reza Solaimany Nazar等[45]為了評估微生物對含蠟原油的石蠟外觀溫度（WAT）的影響，在被石油污染的樣品中篩選出四種合適的菌株，將這些菌株放在碳氫化合物的環(huán)境中生長，這些菌株產(chǎn)生了生物抑制劑，并評估了微生物抑制劑對蠟沉積的預防和石蠟外觀溫度的影響。

3.2 ?國內(nèi)微生物清防蠟技術(shù)研究進展及現(xiàn)狀

國內(nèi)微生物清防蠟技術(shù)的應用始于新世紀初期，電視新聞報道了冀東油田油井內(nèi)的現(xiàn)場試驗，微生物降黏試驗成功[46]。孤島渤3斷塊高含蠟生產(chǎn)井放棄化學清防蠟劑和熱洗，改為定期加入微生物菌液，解決了蠟卡現(xiàn)象[47]。2011年，張厚順[48]篩選出了適用于北三臺油田的微生物菌種，通過向油井注入微生物，能夠保證油井正常作業(yè)，較以前的熱洗清蠟技術(shù)每口井每年節(jié)約大約兩萬元。2012年，張志剛等[49]對文南油田區(qū)塊的6口油井進行微生物清防蠟試驗，歷時6個月，試驗井均有較好的清蠟效果，抽油泵工況明顯改善，施工效率高，避免了洗排液對環(huán)境的污染及油井產(chǎn)量的影響，經(jīng)濟效益增加。2013年，劉江紅，賈云鵬等[50]將清防蠟菌種產(chǎn)表面活性劑的菌種復配比為5：3時，對大慶外圍榆樹林油田的油井進行現(xiàn)場試驗，結(jié)果顯示，產(chǎn)油量增加，清蠟率、防蠟率均較高，洗井周期延長。

2015年，劉淼，李宏坤[51]，對TH油田某輸油管道的三條管段進行現(xiàn)場試驗，通過對比表明，微生物防蠟效果較明顯，可以替代化學清蠟技術(shù)，增加了管道的日輸量，延長了管道的清管周期。2017年，劉冬梅[52]在室內(nèi)培養(yǎng)一種KL-20菌液后，對準噶爾盆地腹部油井的原油進行降黏試驗研究，效果較好，油井產(chǎn)量增加，檢泵周期延長，熱洗頻率減少。2018年，程少勇[53]在子長油田采用微生物技術(shù)對15口井進行模擬實驗和現(xiàn)場試驗，原油的平均黏度下降率很高，單井的熱洗周期有明顯的延長，采油量提高顯著，原油含水量下降率較高。不同清防蠟技術(shù)優(yōu)缺點及適用性對比如表1。

4 ?總 結(jié)

結(jié)蠟問題給石油行業(yè)帶來了諸多困難，我國原油大部分蠟含量較高，為保證油井正常作業(yè)、管道輸送正常運行，必須結(jié)合實際情況來確定合適的清防蠟方法。每種清防蠟技術(shù)都有其各自的優(yōu)點及適用性，未來的研究方向可以對現(xiàn)有的清防蠟技術(shù)進行組合使用，來提高清防蠟效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。此外，仍需進一步研究清防蠟作用機理，積極探索新方法，以開發(fā)出投資小、工藝簡單、操作方便、安全性高的清防蠟技術(shù)。

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