復(fù)雜管道系統(tǒng)混輸稠油能力研究*

陳曦 劉霞 鄧道明 李洪福 薛潤斌 柴雷

1國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華東分公司

2新疆油田油氣儲運分公司

3中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室

4塔里木油田公司

稠油是瀝青質(zhì)或膠質(zhì)含量較高、黏度較大的原油。隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油的需求量增長迅速。雖然世界稠油探明儲量近6×1012bbl，但實際產(chǎn)量仍然很低[1-3]，這是由于稠油的高黏度、組分復(fù)雜，導(dǎo)致其生產(chǎn)、輸送和煉制都很困難。傳統(tǒng)的針對輕質(zhì)和中質(zhì)原油的輸送技術(shù)有時并不適用于輸送稠油，稠油的經(jīng)濟、安全輸送成為難題[4-7]。為降低管輸稠油的摩阻損失，在輸送之前必須降黏，其主要方法有加熱、摻稀、改質(zhì)、乳化和低黏液環(huán)[8-11]。以上方法均有各自的特點和適用范圍。研究認為，稠油的理想管輸黏度為小于400 mPa·s[12]。在稠油輸送管道中，稠油的黏度受溫度的影響明顯[13-15]，所以加熱輸送是一種普遍方法。原油被加熱后黏度降低，更容易被泵送。但在長輸管道生產(chǎn)中，加熱法耗能巨大且安全性較差。稀釋法是在原油中摻入黏度較低的烴，從而降低混合油的黏度和管輸壓力梯度[16]，其作用機理是通過稀釋劑降低瀝青膠質(zhì)的濃度，以減弱稠油中瀝青質(zhì)膠束間的相互作用[17]。摻稀輸送是一項節(jié)省建設(shè)投資、操作能耗低的有效輸送技術(shù)[18-19]。目前稠油長距離輸送的主要發(fā)展方向是摻稀或改質(zhì)常溫輸送。在稀釋劑不足或沒有合適稀釋劑的場合，稀釋法和加熱法通常配合使用。

新疆某稠油油田是國家“十二·五”期間在新疆建設(shè)的主力油田，生產(chǎn)溫度為50 ℃時脫氣黏度大于10 000 mPa·s 的特、超稠油油田。該油田稠油外輸工藝采用稀釋法和加熱法。油田產(chǎn)出的稠油首先摻入粗柴油后進入管線F 輸往102 km 外的K 市，然后部分摻柴稠油與K 市周邊各區(qū)塊生產(chǎn)的混合油（這里稱為0#原油）混合后利用管線L，經(jīng)過6 座輸油站，輸往295 km 以外的W 市。管線L 是按輸送稀原油設(shè)計的，已運行超過30 年，無法完成輸送稠油的任務(wù)。

由于該稠油油田的產(chǎn)量和稠油黏度不斷上升，且K 市煉廠需要擴能改造以及周期性檢修，因此會有更多的稠油需要利用管線L 輸往W 市，給管線L的安全、經(jīng)濟運行帶來很大壓力。受經(jīng)費、時間等條件限制，需充分利用現(xiàn)有設(shè)備對管線L 系統(tǒng)進行工藝改造。本文針對管線L 工藝改造后的實際情況，建立該管道系統(tǒng)的水力、熱力計算模型，探究不同季節(jié)下不同摻柴比、摻稀比、出站溫度對管線L 混輸稠油能力的影響。

1 管道系統(tǒng)

管線L 為全長295 km 的DN500 管道。管線各站布站方式見圖1。

圖1 管線L 熱泵站分布Fig.1 Distribution of pump stations and heat stations along Pipeline L

1#站庫區(qū)內(nèi)的油品通過管線L 輸送至W 市的油庫。全線共有6 座加熱站，除2#加熱站外，其余5座加熱站和泵站合建，1#站加熱爐為相變爐，其他各站加熱爐均為熱煤爐。1#站、2#站、6#站加熱爐總熱負荷分別為10 MW、6.9 MW、7.15 MW，3#站、4#站和5#站加熱爐總熱負荷均為5 MW。工藝改造后各站泵組合方式見圖2（圖中省略了閥門和加熱設(shè)施），各站外輸泵及其性能參數(shù)見表1。各輸油泵采用6 kV 高壓電動機驅(qū)動。改造后的離心泵、螺桿泵組合利用了各類泵的技術(shù)優(yōu)勢（離心泵具有較好調(diào)節(jié)能力和壓力限制能力，螺桿泵輸送高黏油品效率高）。

圖2 改造后管線L 各站泵組合方式Fig.2 Pump combinations of Pipeline L in each stations after transformation

表1 管線L 配備的外輸泵性能參數(shù)Tab.1 Export pump performance parameters for Pipeline L

2 工藝計算模型的建立

2.1 管道工藝計算模型

黏度較大的混合油在管內(nèi)流動需要考慮摩擦生熱的影響，利用蘇霍夫公式[20]計算熱油管道沿線的溫降。管段所輸油品的黏度和雷諾數(shù)由其平均溫度決定。管路的沿程摩阻損失按達西公式計算。在計算沿程摩阻系數(shù)λ之前，需要通過雷諾數(shù)來確定流態(tài)。層流區(qū)：Re＜2 000；層流和紊流的過渡區(qū)：2 000＜Re＜3 000，目前尚無準確相關(guān)式計算摩阻系數(shù)，這里取層流和紊流的摩阻系數(shù)的加權(quán)平均數(shù)；紊流區(qū)：Re＞3 000，摩阻系數(shù)按Blasius 公式計算[20-21]。摻稀稠油管道的流態(tài)不會超過水力光滑區(qū)，按層流和紊流的公式計算摩阻系數(shù)，會有較大的差異。

2.2 站工藝計算模型

在廠家給出的離心泵輸清水特性曲線的基礎(chǔ)上，利用國際標準化組織2005 年發(fā)布報告中的換算方法[22]，將其換算成輸送對應(yīng)黏度油品下的性能曲線。根據(jù)廠家提供的三條不同黏性油品下的性能曲線，利用插值法計算可得到螺桿泵輸送不同黏度油品時的特性曲線。最后可根據(jù)開泵方式和圖2 中泵的串、并聯(lián)關(guān)系得到每一種工況下各個站的泵特性曲線。

3 管線工藝計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和約束條件

管道沿線當?shù)匾荒晁募镜臍鉁刈兓^大，根據(jù)氣溫和管道外土壤環(huán)境的不同，選擇了能夠代表四個季度的三個典型季節(jié)來計算管道輸送能力參數(shù)，分別為春季（秋季）、夏季和冬季，各季節(jié)地溫由生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，管道總傳熱系數(shù)取值根據(jù)以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)反算確定。

本文討論的稠油中瀝青含量低、膠質(zhì)含量高。室內(nèi)實驗和近幾年的生產(chǎn)實踐表明，摻柴、摻0#原油能夠改進稠油流動性，管輸過程中不會出現(xiàn)瀝青質(zhì)析出問題。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，在摻柴質(zhì)量比（管線F 中柴油和稠油質(zhì)量流量之比）分別為0.10、0.15、0.20、0.25 和摻稀質(zhì)量比（管線L 中0#原油和稠油質(zhì)量流量之比）分別為0.62、0.94、1.40、2.14條件下測試了16 種稠油混合油的黏溫關(guān)系（圖3）。圖3 覆蓋了L 管線輸送的摻柴、摻稀稠油黏度范圍。當摻柴、摻稀較少時，在測試溫度范圍內(nèi)，稠油黏度受溫度的影響很大；隨著摻柴量增大，稠油黏度降低的幅度有所減?。粨讲癯碛蛽饺?#原油后黏度降低的幅度隨摻柴量增大而減小——即摻柴比小的稠油混合油摻入0#原油的降黏效果較摻柴比大的稠油混合油摻入相同配比的0#原油的降黏效果好[23]。

圖3 摻柴、摻烯稠油與0#原油的混合油的黏溫關(guān)系Fig.3 Viscosity-temperature relationship for diluted heavy crude with diesel，thin oil and crude 0#

由于管道外防腐層耐溫限制，設(shè)定最大出爐溫度不超過60 ℃。在模擬管線最大輸送能力時，限定管道最大操作壓力不超過4.3 MPa，各站進站壓力大于0.4 MPa，小于1.0 MPa。

4 管線混輸稠油的能力

根據(jù)管線L 的實際情況，分別討論不同季節(jié)里不同摻柴（?。┍?、不同出站油溫對管線輸送摻柴混合油能力的影響。

4.1 摻柴比對混合油輸送能力的影響

取各站出爐溫度55 ℃，在滿足管道最大操作壓力和進站壓力的約束條件下，通過計算得到不同季節(jié)管線輸送能力與混合油的摻柴比之間的關(guān)系。

圖4 為三種季節(jié)溫度條件下，在摻稀比相同的情況下，隨著摻柴比的增大，管線輸送能力的變化規(guī)律。

圖4 三種季節(jié)下管線輸送能力與稠油摻混比的關(guān)系Fig.4 Relationship between of pipeline capacity and heavy oil dilution ratio in three seasons

在三個季節(jié)里，不同摻稀比條件下管道輸送能力隨摻柴比的變化規(guī)律基本一致。這里以春季為例，觀察不同摻稀比下，摻柴比從0.10 增大到0.25時管道輸送能力的變化規(guī)律：當摻稀比為0.62 時，輸送能力隨摻柴比明顯升高；當摻稀比為0.94 時，輸送能力隨摻柴比增大先增大后減?。划敁较”葹?.40 時，輸送能力著隨摻柴比的增大而緩慢下降；當摻稀比為2.14 時，輸送能力隨摻柴比增大而緩慢上升。

4 種摻稀比的混合油分別對應(yīng)4 個黏度范圍，這4 個黏度范圍有重疊，導(dǎo)致圖中曲線呈現(xiàn)的規(guī)律也有重疊。對應(yīng)4 個摻稀比的4 條曲線可得出管線輸送能力的整體規(guī)律：隨著輸送的稠油混合油黏度降低，管線輸送能力呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的變化情況，這是由于隨著混合油的黏度減小，管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)逐漸增大，管內(nèi)流態(tài)由層流逐漸過渡到紊流狀態(tài)，流體在管道內(nèi)的總摩阻發(fā)生變化，最終導(dǎo)致產(chǎn)生以上規(guī)律。

根據(jù)管線輸送能力的變化曲線，在季節(jié)不同時，不同摻稀比都會對應(yīng)一個最優(yōu)摻柴比，使得管線達到最大輸送能力。對于相同摻稀比的混合油，最優(yōu)摻柴比的大小隨季節(jié)變化的規(guī)律是：冬季＞春季＞夏季。綜合考慮，當摻稀比為0.94～2.14 時，較優(yōu)摻柴比約為0.15。

4.2 季節(jié)和摻稀比對混合油輸送能力的影響

三個不同季節(jié)里摻稀比對最大輸送能力的影響見圖5。

由圖5 可知，摻柴比為0.10～0.15 時，隨著摻稀比增大，管線輸送能力變化規(guī)律可分兩種：①在摻稀比較小，即黏度相對較大、雷諾數(shù)較小、管內(nèi)油品處于層流流動時，管線輸送能力隨摻稀比增大而明顯增大；輸送能力受季節(jié)的影響較明顯，呈現(xiàn)夏季＞春季＞冬季的規(guī)律；②當摻稀比較大，即黏度相對較低時，管線輸送能力隨摻稀比增大而略有下降，但受季節(jié)的影響較小。當摻柴比達到0.25 時，管線的輸送能力受摻稀比和季節(jié)影響都很小。不同摻柴比條件下，當摻稀比大于1.4 后，摻稀比和季節(jié)對管線輸送能力影響均不大。

圖5 不同季節(jié)下管線輸送能力與不同摻稀比的關(guān)系Fig.5 Relationship between pipeline transport capacity and crude oil dilution ratio in different seasons

對于不同摻柴比，根據(jù)季節(jié)的不同，較優(yōu)摻稀比范圍為0.6～1.4。

4.3 各站出爐溫度對管線輸送能力的影響

在這16 種油性的油品中，根據(jù)25 ℃時的黏度（長輸管道溫度遠低于注蒸汽熱采油藏和出油管道溫度，這里暫取本長輸管道的平均溫度管段附近的黏度為特征黏度），選擇三種具有代表性的混合油：摻柴比0.15、摻稀比0.94（1401mPa·s@25 ℃）、摻柴比0.20、摻稀比0.94（894 mPa·s@25 ℃）、摻柴比0.15、摻稀比1.40（401 mPa·s@25 ℃）探究三個季節(jié)時不同出爐溫度對管線L 輸送能力的影響規(guī)律。出爐溫度每2 ℃設(shè)定一個值，最高出爐溫度為58 ℃。

長輸管道L 未設(shè)保溫層，輸送混合油的黏度對溫度比較敏感，所以輸送溫度對管線輸送能力的影響比較明顯。圖6 中三種摻混比的混合油代表了三種情況：①管道輸送摻柴比0.15、摻稀比0.94 的混合油，在最大出爐溫度58 ℃的限制下，管線輸送能力隨著出爐溫度增大而增大（圖6a）；②管道輸送摻柴比0.20、摻稀比0.94 的混合油，在出爐溫度達到58 ℃之前，隨著出爐溫度的升高，管道輸送能力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢（圖6b）；③管道輸送摻柴比0.15、摻稀比1.40 的混合油，在出爐溫度達到58 ℃之前，管道輸送能力隨著出爐溫度的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小、再增大規(guī)律（圖6c）。

圖6 三個季節(jié)下管線最大輸量與出爐溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between pipeline transport capacity and station outlet temperature in three seasons

第②、第③種情況的最優(yōu)出爐溫度還受季節(jié)影響，按季節(jié)將最優(yōu)出爐溫度大小排序為：冬季＞春季＞夏季。

因為流態(tài)的原因，不同黏度混合油的管線輸送能力隨出爐溫度呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。第①種情況下，管內(nèi)混合油流態(tài)處于層流，在第②、③種情況下，隨著出爐溫度的升高，部分管段的流態(tài)不再是層流。這是因為管徑一定時，影響流態(tài)的重要因素是油品的黏度，而本文研究的摻柴、摻0#原油稠油的黏度范圍處于對L 管線流態(tài)影響比較敏感的范圍，加熱輸送的摻稀稠油的黏度常常處于這個范圍。在這個范圍內(nèi)，溫度升高時，管線內(nèi)稠油黏度降低，管內(nèi)流態(tài)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，流動摩阻明顯增大；溫度降低時，管線內(nèi)稠油黏度增大，管內(nèi)流態(tài)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，摩阻減小，反而有利于管道輸送。

綜上所述，管道達到最大輸量時對應(yīng)的出爐溫度受油性和季節(jié)的影響，并且變化范圍廣。混合油黏度越小，管道達到最大輸量對應(yīng)的出爐溫度則越低。要想充分利用原油管線L 的輸送能力，并不是出爐溫度越高越有效，而是存在一個最佳出爐溫度使得管線輸量最大。這和簡單摻柴稠油管道結(jié)論一致[21]。找到這個溫度，對高黏油熱輸管道的經(jīng)濟輸送有著重大的意義。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)稠油的管道輸送，常采用摻稀和加熱的方法來降低油品黏度。一般認為，隨著摻稀比增大，加熱爐升溫變大，油品黏度降低，油品更容易泵送。但并非一直如此，即在一個合理的摻混比和最佳出爐溫度條年下，管道L 輸送摻稀稠油的能力達到最大。研究得到：

（1）隨著稠油中的摻稀油量增大，管道的輸送能力不一定會隨著摻稀量的增大而單純增大。

（2）管線在不同季節(jié)達到最大輸量時，每一個摻稀比都會對應(yīng)一個最佳的摻柴比?？紤]經(jīng)濟因素和輸量，當摻稀比為0.94～2.14 時，較優(yōu)摻柴比約為0.15。

（3）對于不同黏度的混合油，管道的輸送能力隨出爐溫度的變化規(guī)律不同。對于1 401 mPa·s@25 ℃的混合油，出爐溫度越高，管道輸送能力越大；對于894 mPa·s@25 ℃的混合油，管道輸送能力隨出爐溫度升高呈現(xiàn)先增大后下降規(guī)律；對于401 mPa·s@25 ℃的混合油，管道輸送能力隨出爐溫度升高呈現(xiàn)增大—下降—再增大趨勢。管道最佳出爐溫度與季節(jié)和摻混比例均有關(guān)系，越冷的季節(jié)，最佳出爐溫度越高；混合油黏度越大，最佳出爐溫度越高。

（4）高黏混合稠油處于層流狀態(tài)輸送更節(jié)能。