大落差管道改性輸送工藝研究

王成林 梁 明 李鳳緒 尚增輝 李憲昭

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司）

三塘湖油田原油外輸管道位于新疆哈密地區(qū)， 起于牛圈湖聯(lián)合站， 止于鄯-蘭干線四堡泵站，管道全長193.5 km，管道規(guī)格為D273.1 mm×6.4 mm （7.1 mm）/D219.1 mm×5.2 mm， 管道材料L390，設(shè)計(jì)壓力8.5～12.0 MPa，管道埋深1.5 ～2.5 m，全線采用埋地保溫敷設(shè)方式。 管道設(shè)計(jì)輸量1 Mt/a，最小啟輸量為390 kt/a，最大輸量為1 150 kt/a。 全線設(shè)有首站、1#泵站、2#熱泵站、3#熱站、4#減壓站和末站6 座工藝站場。

三塘湖原油外輸管道翻越南、北天山，管道沿線呈馬鞍形：1#RTU（遠(yuǎn)程終端單元）位于北天山管道里程57.2 km 處，高程2 764 m；中間為盆地，盆地最低點(diǎn)管道里程68.4 km，高程1 998 m；2#RTU 在翻越南天山118.1 km 處，高程2 767 m；下坡段設(shè)置4#減壓站和末站， 低點(diǎn)高程706 m。該管線落差（2 061 m）大，且沿線地溫低（2#熱泵站與4#減壓站之間冬季最低地溫-4.5 ℃）。 2018年三塘湖采油廠原油產(chǎn)量為545 kt/a （超過管道最小啟輸量），達(dá)到管道投運(yùn)條件，為確保三塘湖原油外輸管道的安全投產(chǎn)與運(yùn)行，對三塘湖原油管道改性輸送的工藝條件進(jìn)行研究分析。

1 三塘湖原油物性現(xiàn)狀及輸送條件

三塘湖油田原油的基本物性數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)時(shí)期（2008 年）對應(yīng)的數(shù)據(jù)見表1。 由表1 可以看出，三塘湖油田原油的物性與原設(shè)計(jì)時(shí)期油田原油的物性相比發(fā)生了較大的變化。 其中，密度、黏度、凝點(diǎn)和蠟含量均增加，而瀝青+膠質(zhì)含量和析蠟點(diǎn)均降低。

三塘湖原油黏溫曲線如圖1 所示。 由圖1 可見，三塘湖原油黏度與原設(shè)計(jì)時(shí)期的相比，相同溫度下增大近一倍；溫度低于25 ℃時(shí)油品為非牛頓流體、高于25 ℃時(shí)為牛頓流體。 根據(jù)三塘湖管道輸油泵廠家建議， 泵在油品黏度100 mPa·s 以上的小范圍內(nèi)仍有較高的運(yùn)行效率，故輸送三塘湖原油時(shí)，泵入口溫度應(yīng)高于30 ℃。因此，1#泵站進(jìn)站溫度不低于30 ℃，其余各站進(jìn)站溫度高于凝點(diǎn)3 ℃以上（凝點(diǎn)為12 ℃）；鑒于三塘湖原油初餾點(diǎn)為72 ℃，各站出站最高溫度不應(yīng)超過67 ℃。

圖1 三塘湖原油黏溫曲線

三塘湖原油外輸管道的輸送工藝計(jì)算采用DNV-GL 公司的SPS （Synergi Pipeline Simulator）軟件來完成。 該軟件能夠完成長輸管線的離線實(shí)時(shí)模擬計(jì)算， 是全世界公認(rèn)的用于長距離輸油（氣）管道設(shè)計(jì)、計(jì)算和全線自動化控制模擬的高精度軟件［1，2］。 按最小啟輸量（390 kt/a）輸送油品時(shí)管道的工藝計(jì)算結(jié)果見表2。由表2 可知：在最小啟輸量390 kt/a 下，各站加熱系統(tǒng)均需工作，2#熱泵站出站溫度達(dá)到最高出站溫度（67 ℃）時(shí)，3#熱站進(jìn)站溫度為15.4 ℃（高于凝點(diǎn)3.4 ℃）；此工況下各站出站溫度均較高，能耗較大。 經(jīng)模擬計(jì)算， 安全停輸時(shí)間最短處為3#熱站進(jìn)站管道，其安全停輸時(shí)間為14.3 h（原設(shè)計(jì)安全停輸時(shí)間為28.7 h）。

表2 最小啟輸量時(shí)工藝計(jì)算結(jié)果（冬季輸送）

考慮到三塘湖管道沿線具有地溫較低、高落差等特點(diǎn)，若不采取措施，則無法保障管道的安全運(yùn)行。 為確保三塘湖原油外輸管道安全投產(chǎn)和運(yùn)行，有必要進(jìn)行改性輸送工藝的試驗(yàn)研究。

2 降凝試驗(yàn)

降凝劑是一種化學(xué)合成的聚合物或縮聚物，其分子中一般含有極性基因（或芳香核）和與石蠟基相類似的烷基鏈。 通常在含蠟原油中添加少許降凝劑就可以大幅降低原油的凝點(diǎn)（SP）、表觀黏度和屈服值，以達(dá)到改善原油在較低溫度下流動性的目的，又被稱為低溫流動改進(jìn)劑［3］。降凝劑的降凝機(jī)理涉及理論眾多［4～8］，影響降凝作用的因素繁雜［9～13］。 目前，向原油中添加降凝劑工藝比較成熟，已應(yīng)用于長呼原油管道、魏荊輸油管道等［14，15］。 基于三塘湖原油的基礎(chǔ)物性和流變性質(zhì)測試結(jié)果， 其凝點(diǎn)較高且20 ℃以下的黏度較大，需添加降凝劑進(jìn)行改性處理。

2.1 試驗(yàn)方法與條件

降凝劑改性效果的評價(jià)試驗(yàn)參照SY/T 5767—2016《原油管道添加降凝劑輸送技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。鑒于三塘湖原油初餾點(diǎn)為72 ℃，根據(jù)加藥溫度不能高于原油初餾點(diǎn)的原則，對降凝劑進(jìn)行篩選試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件如下：

待選藥劑 CE、EVA、EP-B1、EP-B3、GY-2、

BEM-3、BEM-5P、BEM-6N、BEM-Q、

DPD-1、DPD-2、DPD-3、DPD8861

加藥溫度 55、60 ℃

加藥量 50、100 mg/kg

攪拌轉(zhuǎn)速 180 r/min

測試溫度 5 ℃

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

降凝劑篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由表3 可知，加入降凝劑后， 在終冷溫度下三塘湖原油的黏度、凝點(diǎn)和屈服值均有所降低，凝點(diǎn)最大下降6 ℃，達(dá)不到SY/T 5767—2016 《原油管道添加降凝劑輸送技術(shù)規(guī)范》的要求——經(jīng)降凝劑改性處理后凝點(diǎn)至少要有8 ℃的降幅。

表3 降凝劑篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)篩選試驗(yàn)，13 種降凝劑中BEM-Q 的降凝效果最好，因此選取BEM-Q 進(jìn)行流變性質(zhì)測定。降凝前后三塘湖原油黏溫曲線如圖2 所示。 由圖2 可見，加入50 mg/kg BEM-Q 后，三塘湖原油在不同溫度下降黏率相差并不大，低溫時(shí)降黏率略高，高溫時(shí)降黏率略低，總體降黏效果有限。

圖2 降凝前后三塘湖原油黏溫曲線

3 摻混試驗(yàn)

摻混輸送主要用于含蠟高凝原油或稠油的輸送［16，17］，且摻混輸送比化學(xué)降黏、稠油改質(zhì)降黏等方式更具經(jīng)濟(jì)性和可行性［18］，已在國內(nèi)得到應(yīng)用，如日東原油管道、中洛線及烏鄯原油管道等［19～21］。

對高凝、高黏且降凝劑作用不明顯的三塘湖原油進(jìn)行摻混試驗(yàn)，摻混所需的稀油選取吐哈油田內(nèi)部的紅臺原油和塔里木原油。

3.1 三塘湖原油-紅臺原油的混合

三塘湖原油和紅臺原油在不同摻混比例下的物性測試結(jié)果見表4。由表4 可知，隨著紅臺原油摻入比例的增加，混合油的密度下降趨勢較為明顯，而凝點(diǎn)降幅有限。

表4 不同比例的三塘湖-紅臺混合油物性測試結(jié)果

該混合油品黏溫曲線如圖3 所示。 由圖3 可見，摻混紅臺原油后，可顯著降低25 ℃以下的混合油黏度， 與三塘湖原油的黏度相比，20 ℃的混合油黏度降低了58.6%，但25 ℃以上的混合油黏度降幅較小。

圖3 三塘湖∶紅臺=10∶1 摻混后油品黏溫曲線

3.2 三塘湖原油-塔里木原油的混合

三塘湖原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結(jié)果見表5。由表5 可知：要使混合油的密度降至870 kg/m3以下， 需摻入近30%的塔里木原油； 要使混合油的凝點(diǎn)降至0 ℃以下，則塔里木原油的摻入比例不能低于50%。

表5 不同比例的三塘湖-塔里木混合油的物性測試結(jié)果

3.3 三塘湖原油-紅臺原油-塔里木原油的混合

由前兩節(jié)測試結(jié)果可知，紅臺原油的降密效果較好，而塔里木原油的降凝效果較好。 綜合考慮降密和降凝的需求，將三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油進(jìn)行混合，鑒于三塘湖原油和紅臺原油的產(chǎn)量比為10∶1，故固定其比例為10∶1。

三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結(jié)果見表6。 由表6可知：當(dāng)塔里木原油的摻入量達(dá)到15%時(shí)，混合油的密度可降至870 kg/m3以下； 當(dāng)塔里木油的摻入量超過20%時(shí)，可使混合油的凝點(diǎn)降至4 ℃以下，凝點(diǎn)降幅可達(dá)8 ℃。

表6 不同比例的三塘湖-紅臺-塔里木混合油的物性測試結(jié)果

摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線如圖4所示。由圖4 可見，隨著向三塘湖∶紅臺=10∶1 的混合油品中添加的塔里木油量增加，混油的黏度逐漸降低。

圖4 摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線

對（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油品進(jìn)行流變性質(zhì)的測定，結(jié)果如圖5 所示。由圖5可見，當(dāng)油品按（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2混合時(shí)，溫度高于14 ℃呈牛頓流體，此時(shí)黏度為123.5 mPa·s， 與三塘湖原油黏度相比降低了88.2%，降黏效果顯著。

圖5 （三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2混合油品的黏溫曲線

3.4 摻混輸送工藝計(jì)算

從摻混塔里木原油拉運(yùn)輸送的經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，并綜合考慮降凝和降黏因素，選?。ㄈ梁眉t臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油，再結(jié)合輸油泵效率這一因素，設(shè)定1#泵站進(jìn)站溫度不低于14 ℃，其余各站進(jìn)站溫度不低于7 ℃（凝點(diǎn)4 ℃）。輸送該油品時(shí)，管道最小啟輸量可降至290 kt/a，其工藝計(jì)算結(jié)果見表7。由表7 可知，牛圈湖首站和4#減壓站可實(shí)現(xiàn)熱力越站， 僅有2#熱泵站和3#熱站的加熱系統(tǒng)工作，能耗較低。 經(jīng)模擬計(jì)算，安全停輸時(shí)間最短處仍為3#熱站進(jìn)站管道，但其安全停輸時(shí)間延長至43.7 h。

表7 最小啟輸量時(shí)工藝計(jì)算結(jié)果（冬季輸送）

4 結(jié)論

4.1 從2008 年到2018 年，三塘湖原油物性變化較大，黏度、凝點(diǎn)和含蠟量均增大，經(jīng)工藝核算，宜采取降凝降黏輸送工藝。

4.2 三塘湖原油對降凝劑的感受性不強(qiáng)，降凝劑的加入對降低三塘湖原油的凝點(diǎn)和黏度均有限。

4.3 紅臺原油對降低三塘湖原油密度效果明顯，且能顯著降低25 ℃以下的三塘湖原油黏度，但降低其凝點(diǎn)有限。

4.4 塔里木原油對降低三塘湖原油凝點(diǎn)和黏度效果明顯，但降低其密度有限。

4.5 當(dāng)輸送（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油時(shí)，管道的最小啟輸量可降至290 kt/a，此工況下，管道的安全停輸時(shí)間可延長至43.7 h。