磁場(chǎng)作用對(duì)管道蠟沉積的影響研究

施 雯，李永雄，許觀嬌

（1.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

針對(duì)原油管輸過程中遇到的蠟沉積問題，最常用的是加熱防蠟法；但該法耗能極大，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也會(huì)受到使用條件、環(huán)境條件以及其他因素的限制.近年來，磁場(chǎng)防蠟技術(shù)不斷創(chuàng)新，在原油生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的防蠟降黏方面的效果明顯，得到更加廣泛的應(yīng)用［1］.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管道輸送蠟沉積研究較多，但對(duì)高壓低溫環(huán)境下的蠟沉積規(guī)律與機(jī)理研究相對(duì)較少，有關(guān)磁場(chǎng)作用下的蠟沉積研究則更少［2］. Tung 等 ［3］通過對(duì)比越南原油磁化前后沉積蠟中的碳數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)低碳數(shù)比例有所增加；研究表明磁場(chǎng)作用不但能減少沉積量，而且會(huì)使蠟沉積變軟，更利于清蠟. Zhang 等［4-5］開展了含蠟?zāi)M油室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)，研究表明磁場(chǎng)處理后，管道壓降與蠟沉積量均有所減??；在大慶原油集輸管道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)現(xiàn)了在低溫環(huán)境下高含蠟油的磁化輸送.以上研究均為實(shí)驗(yàn)研究，沒有結(jié)合對(duì)磁場(chǎng)作用下的蠟沉積模型對(duì)磁化輸送防蠟機(jī)理進(jìn)行研究.筆者以某一海底管道為例，利用OLGA 軟件對(duì)不同輸送條件下的管道蠟沉積規(guī)律進(jìn)行模擬分析；基于蠟沉積動(dòng)力學(xué)模型，考慮磁場(chǎng)因素，推導(dǎo)出磁處理油液中的蠟沉積速率計(jì)算公式；結(jié)合熱力學(xué)相平衡模型，分析原油磁化輸送蠟沉積機(jī)理.

1 管道蠟沉積模擬研究

1.1 算例條件

取一條長(zhǎng)8 000 m，170 mm×10 mm 的海底管道為算例.該管道中所輸送原油含蠟量為20.95%，析蠟點(diǎn)為50℃，凝點(diǎn)為34℃［6］.管道系統(tǒng)參數(shù)：壁面粗糙度為0.03 mm，鋼材的密度7 840 kg/m3，比熱容為500 J/（kg·K），導(dǎo)熱率為50 W/（m·K）；環(huán)境溫度為4 ℃.管道入口質(zhì)量流量為17.51 kg/s.

1.2 結(jié)果與分析

（1）設(shè)定管道入口溫度為60 ℃，利用OLGA 軟件分別模擬原油管道運(yùn)行1～7 天的蠟沉積規(guī)律，結(jié)果見圖1.

圖1 蠟沉積厚度在管道內(nèi)不同位置的變化分布

從圖1 可以看出，在管道中間一定溫度范圍內(nèi)，明顯表現(xiàn)出一個(gè)蠟沉積層厚度的高峰區(qū)域，而這個(gè)區(qū)域以后的管段蠟沉積層厚度，會(huì)逐漸下降直至消失.蠟沉積層厚度呈現(xiàn)出兩頭薄中間厚的現(xiàn)象.在管道入口處的油流溫度較高，因此在油流溫度較高的區(qū)域，蠟沉積的厚度較??；在距入口753 m 處蠟沉積層的厚度達(dá)到最大值.在往后的區(qū)域，由于油的流動(dòng)溫度和管壁處的溫度差在不斷減小，可以看出蠟的沉積層厚度在慢慢減小，在蠟沉積過程中作為主導(dǎo)因素的分子擴(kuò)散已失去作用［7］.

（2）分別設(shè)定入口油溫為30、40、50、60、70 ℃，管道蠟沉積分布見圖2.

圖2 不同溫度下管道內(nèi)蠟沉積的變化情況

入口油流溫度不同，蠟沉積厚度差別極大，其中70℃與60℃油溫蠟沉積最大厚度相差1.41 mm.入口油溫60℃至30℃的變化不大.這主要由于分子擴(kuò)散是含蠟原油蠟沉積的主要機(jī)制之一，該機(jī)制的驅(qū)動(dòng)是由管道中心與管壁處的溫差造成的濃度梯度引起的.溫度梯度的變化導(dǎo)致蠟沉積厚度發(fā)生巨大變化［8］.

影響蠟沉積厚度的主要因素是溫度，管道中心與管壁的溫差增大會(huì)使管壁的蠟沉積量增大.引起這個(gè)現(xiàn)象的原因是油壁溫差的提高使蠟分子在徑向的濃度梯度變大，此時(shí)分子擴(kuò)散作用增強(qiáng).從沿管道里程不同的原油管壁處蠟沉積的厚度的曲線可以看到，在圖像中存在一個(gè)管道厚度最大的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的蠟沉積速率較大.而當(dāng)原油的溫度不在蠟的沉積的高峰區(qū)域時(shí)，蠟沉積量較小.在管道中幾乎不結(jié)蠟的情況有兩種，一種是油流在管壁處的溫度高于析蠟點(diǎn)時(shí)，第二種是油流在管壁處的溫度低于凝點(diǎn)時(shí)［9］.這就解釋了為什么整條管道內(nèi)蠟沉積的位置集中在前半段，后半段幾乎沒有蠟沉積.當(dāng)油流溫度低于凝點(diǎn)時(shí)，油流溫度越低，黏度越大；此時(shí)油流中的蠟分子析出量很大，導(dǎo)致在油流中處于過飽和狀態(tài)，從而失去在油流中的擴(kuò)散能力，因此該情況下無法在管壁處形成蠟沉積.原油中形成具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的凝膠結(jié)構(gòu)從而使原油逐漸失去流動(dòng)性，并在輸油管道內(nèi)壁上發(fā)生蠟沉積［10］.原油流動(dòng)性的降低促進(jìn)了蠟沉積的發(fā)生，導(dǎo)致油流流動(dòng)性降低的原因是蠟晶顆粒在油流中形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

根據(jù)管道蠟沉積規(guī)律，考慮磁場(chǎng)影響，推導(dǎo)磁場(chǎng)作用下的蠟沉積速率計(jì)算公式.

2 磁場(chǎng)中蠟沉積模型研究

2.1 磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)

基于Fick 擴(kuò)散定律的表達(dá)導(dǎo)出蠟分子的沉積速率：

f 值取決于多種條件，在實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生改變時(shí)，如油流剪切力、徑向溫度梯度和管壁的粗糙程度發(fā)生改變的時(shí)候，蠟沉積層的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生改變，所以不同條件下的蠟沉積層的蠟含量是不一樣的， f 值在這種情況下也是不一樣的.對(duì)于不同組分的油品，實(shí)驗(yàn)條件不同的情況下，假設(shè)ρL為常數(shù)，B 近似為常數(shù).

在原油輸送過程中，如果管道壁面的溫度和原油溫度降低，則會(huì)導(dǎo)致原油中蠟分子的溶解度降低.因此，原油中蠟分子的溶解度變化情況可以通過常見的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中 am，bm——無量綱常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得.

另外，磁場(chǎng)作用的防蠟效果和原油中石蠟與膠質(zhì)瀝青質(zhì)的比例也有密切聯(lián)系［13］.

2.2 熱力學(xué)相平衡模型分析

該模型中，磁場(chǎng)通過組分的體積磁化率和磁導(dǎo)率來影響組分的逸度，從而影響分子的沉積趨勢(shì).采用該模型預(yù)測(cè)了恒定磁場(chǎng)下3 種純蠟混合物（C10～C30）的析蠟點(diǎn)和析蠟量［14］，計(jì)算結(jié)果見表1、2.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，3 種樣品的析蠟點(diǎn)和析蠟量都隨之上升.由此可見，磁場(chǎng)作用增加了蠟晶形成的可能性.但對(duì)于管流狀態(tài)，沿管壁析出的蠟晶要形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才會(huì)形成蠟沉積.因此用該熱力學(xué)模型并不能完全描述磁化油流的蠟沉積.

表1 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)析蠟點(diǎn)的影響（壓強(qiáng) 105Pa）

表2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)析蠟量的影響（溫度275 K，壓強(qiáng) 105Pa）

3 原油磁化輸送蠟沉積機(jī)理

對(duì)于管輸原油，由于油流中的分子自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)的影響，蠟分子會(huì)發(fā)生無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和無序的排列方式.同時(shí)有很多因素會(huì)影響油流在管道中的流動(dòng)方式，比如有原油黏度的影響和管壁摩阻的影響，這些影響因素的存在使得油流在管壁處的流動(dòng)速度明顯低于油流在管道中心處的流動(dòng)速度.這樣的流速情況為無序分子產(chǎn)生了相對(duì)較大的力矩，隨著油流在管道中流動(dòng)時(shí)間的推移，管壁處的蠟沉積層越來越厚，甚至?xí)罱K阻塞原油的流動(dòng).這種現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重地降低原油輸送的效率.通過熱力學(xué)相平衡模型可知，磁場(chǎng)作用會(huì)促進(jìn)蠟晶的形核過程，使蠟分子在原本無法形核的條件下聚集成核；磁場(chǎng)還可以提高蠟的形核速率，原油內(nèi)部將會(huì)生成更多的蠟核.根據(jù)蠟沉積動(dòng)力模型的預(yù)測(cè)，在其他條件不改變的情況下，原油懸浮液中的析蠟量保持不變，蠟核的增多必然會(huì)減小蠟晶的顆粒尺寸［12］.磁場(chǎng)作用使得蠟晶不會(huì)在某一溫度區(qū)間內(nèi)大量析出，且析出的細(xì)小蠟晶易被油流沖走，不會(huì)在管壁迅速形成蠟晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防止蠟沉積堵塞管道的效果.

4 結(jié)論

（1）在管道輸送過程中的一定溫度范圍內(nèi)，會(huì)明顯表現(xiàn)出一個(gè)蠟沉積層厚度的高峰區(qū)域.而磁場(chǎng)對(duì)蠟晶的析出有促進(jìn)作用，促使蠟核加速形成；在該溫度范圍內(nèi)，油流中析出細(xì)小蠟晶，不會(huì)在管壁形成蠟沉積層.

（2）磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型基于Fick 擴(kuò)散定律，考慮管輸原油中蠟分子溶解度的經(jīng)驗(yàn)公式，并引入磁處理影響因子G推導(dǎo)得出，可以描述原油磁化輸送蠟沉積問題.而相平衡熱力學(xué)模型并不能完全描述原油管流問題，可以添加微觀層面分子間作用力與磁場(chǎng)對(duì)蠟分子取向作用關(guān)系的判別式等，進(jìn)一步完善.