輸油管道減阻劑研究進(jìn)展及應(yīng)用

鄧幫輝,張朋崗,馬孝亮,郭 瑛,田美霞,劉 強(qiáng)

(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司油氣運(yùn)銷事業(yè)部 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

油氣輸送過程中,流體內(nèi)部會產(chǎn)生紊流,紊流使流體粒子以混亂的方式移動,并將泵的能量重新定向到多個方向,產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致阻力。阻力降低管道流量和管輸效率,為了克服阻力問題,可以增加管輸能量,即沿線需要安裝泵站提供能量維持管輸效率,然而泵站安裝一次投入高且運(yùn)行維護(hù)成本高。另一種解決辦法是減阻。減阻方式主要包括兩類,物理減阻(非添加劑)和添加劑兩大類。

非添加劑較為環(huán)保,主要方法包括肋條、凹坑、震蕩管壁、柔性表面、微泡沫,其中肋條、凹坑、柔性表面通過改變介質(zhì)與管壁接觸面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減阻效果。鯊魚鱗片上的齒狀特征可以提升旋渦,降低橫向剪切應(yīng)力,降低阻力。有研究表明,采用振動管壁方法,當(dāng)振幅和振動頻率達(dá)到最佳時,可以達(dá)到45%的減阻率。

高分子添加劑是最有效最理想的減阻方法。Truong[1]認(rèn)為減阻要延長層流,延遲紊流的出現(xiàn)。通過添加少量減阻劑即可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。1949年,Bryan[2]首先發(fā)現(xiàn)聚合物可以用來減阻,添加10 ppm聚甲基丙烯酸甲酯到氯苯中,可以降低表面摩擦阻力30%～40%。這一發(fā)現(xiàn)使得研究人員開始研究減阻劑在工業(yè)界的應(yīng)用。

本文首先系統(tǒng)總結(jié)油田用減阻劑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀;選擇3種減阻劑在油田輸油管道進(jìn)行應(yīng)用效果評價;最后總結(jié)減阻劑在油田輸送的應(yīng)用場景。

1 減阻劑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

減阻劑(drag-reducing agent, DRA)包括水溶和油溶性兩類,水溶有聚丙烯酰胺、皂角籽、聚氧化乙烯,油溶性的有甲基丙烯酸酯、聚長鏈α-烯烴、聚異丁烯等。一般認(rèn)為減阻劑對層流不起作用,對過渡流效果有限,可以對紋理起到一定的減阻效果。在雷諾數(shù)介于6 000～1 000 000時,減阻效果最好,當(dāng)雷諾數(shù)進(jìn)一步增加時,效果減弱。減阻劑機(jī)理如圖1所示。

圖1 減阻劑機(jī)理

王力[3]等人研究了順序輸送過程中的成品油管道減阻效果評價方法,認(rèn)為摩阻系數(shù)較傳統(tǒng)的基準(zhǔn)壓力、流量換算更能反映減阻率和增輸率。周洪濤[4]等人研究了水力壓裂用聚丙烯酰胺及其衍生物高黏減阻劑,其優(yōu)異的攜砂能力、熱穩(wěn)定性、低儲層傷害性,在非常規(guī)油氣藏壓裂中施工效果良好。劉波[5]等人采用Stoner Pipeline Simulator軟件中的減阻劑加注模塊,對某常數(shù)管道減阻效果進(jìn)行評估。發(fā)現(xiàn)減阻劑在出站位置加注,可以減少站內(nèi)設(shè)備的剪切力,達(dá)到減阻增輸?shù)哪康?。李海榮[6]在伊拉克某油田進(jìn)行了減阻劑應(yīng)用研究。在管線老化,外輸泵無法提效情況下,加注20 mg/L減阻劑,達(dá)到減阻增輸效果,經(jīng)濟(jì)效益顯著。丁飛[7]等人研究了聚丙烯酰胺在水力壓裂過程中減阻效果。由于深層頁巖埋深大,溫度高,對減阻劑高溫性能要求高,純凈聚丙烯酰胺耐溫性能好,在含氧環(huán)境減阻劑發(fā)生氧化分解,減阻效果降低。通過聚合耐溫單體,可以顯著提高減阻效果。林永剛[8]等人在烏鄯線開展了減阻增輸研究,發(fā)現(xiàn)通過添加10 ppm減阻劑,增輸率達(dá)到9%～28%。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 管道概況

某輸油管道是某油田原油唯一外輸管道,全長161.525 km,管道設(shè)計壓力6.27 MPa,材質(zhì)為X56,規(guī)格為508 mm×7/8 mm。輸送介質(zhì)為原油和凝析油,采用密閉常溫一泵到底的輸送工藝,沿線共有3座截斷閥室和1座轉(zhuǎn)球閥室,出站最大壓力為5.8 MPa。管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1,站場閥室分布情況見表2,首站外輸泵為MSN6*6*11H型,輸油泵的參數(shù)見表3,沿線高程分布如圖2所示。

表1 某輸油管道復(fù)線基礎(chǔ)信息

表2 某輸油管道沿線閥室分布及高程信息

表3 首站外輸泵情況

圖2 某輸油管道復(fù)線里程高程圖

該管道設(shè)計年輸量為5×106t,2021年實(shí)際外輸量4.67×106t,接近設(shè)計輸量。根據(jù)油田公司規(guī)劃,到2025年需要通過該輸油管道年外輸6.9×106t原油,到2031年需要通過該輸油管道年外輸8.04×106t原油,該管道輸送能力遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)劃要求。

因此,擬進(jìn)行減阻劑加注試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)減阻增輸?shù)哪康摹１敬尾捎玫臏p阻劑為油溶性減阻聚合物,3種減阻劑均為超高分子量的α-烯烴聚合物,尤其是1-辛烯、1-癸烯的均聚物或共聚物。

對油品的基礎(chǔ)信息進(jìn)行測試,結(jié)果見表4。

表4 油品基礎(chǔ)信息

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

首先對ABC 3種減阻劑開展配伍試驗(yàn),按照試驗(yàn)濃度的減阻劑與現(xiàn)場油品混合,確保減阻劑與油品混合后,不發(fā)生沉淀、發(fā)熱等不良反應(yīng)。

減阻劑加注點(diǎn)為輸油管道發(fā)球區(qū)取樣口,加注濃度均為40 ppm。加注減阻劑后,含有減阻劑的與油頭到達(dá)末站后穩(wěn)定運(yùn)行12 h,以穩(wěn)定運(yùn)行期間的參數(shù)作為效果評價依據(jù)。

2.3 試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)前,首站油品溫度為36 ℃,壓力為3.75 MPa,末站溫度為25 ℃,壓力為0.233 MPa。

加注過程如圖3所示,A、B、C減阻劑分別加注1 609.05、1 677.85、1 764.6 L,根據(jù)加注期間原油外輸量計算,加注濃度均為40 ppm左右。同時,為防止減阻劑相互干擾,每組減阻劑試驗(yàn)后,輸送原油品待充滿管道后,再進(jìn)行下一組減阻劑試驗(yàn)。采用減阻劑加注穩(wěn)定運(yùn)行期間的平均值進(jìn)行對比,對比情況見表5。

表5 輪庫輸油管道減阻劑試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比情況

圖3 加注過程減阻劑累積注入量和流量變化

確定試驗(yàn)的增輸率和減阻率時,采用以現(xiàn)場數(shù)據(jù)反算摩阻系數(shù)、進(jìn)而得到增輸率和減阻率的方法,摩阻系數(shù)確定方法如下:

(1)

式中:λ為沿程摩阻系數(shù),無因次;g為重力加速度,9.8 m/s2;D為管道內(nèi)徑,m;L為管道長度,m;V為流體速度,m/s;P1為上游壓力,Pa;P2為下游壓力,Pa;ρ為油品密度,kg/m3;Z1為起點(diǎn)高,m;Z2為終點(diǎn)高,m。

通過計算,不加減阻劑以及加注3家減阻劑穩(wěn)定運(yùn)行期間的沿程摩阻系數(shù)見表6。

表6 減阻劑沿程摩阻系數(shù)

1)實(shí)際增輸率

根據(jù)SY/T 6578—2016《輸油管道添加減阻劑輸送技術(shù)規(guī)范》第5.7.1增輸率計算公式:

(2)

式中:TI為增輸率,無因次;Q0為未加劑時的管道輸量,m3/h;QDR為加劑后管道輸量,m3/h。

將加劑后的λ、首末站壓力設(shè)置為基礎(chǔ)流量下數(shù)值代入式(1),可以計算出QDR,再將QDR代入式(2)根可以計算出TI,結(jié)果見表7。

表7 增輸率對比 m3·h-1

2)實(shí)際減阻率

根據(jù)SY/T 6578—2016《輸油管道添加減阻劑輸送技術(shù)規(guī)范》第5.7.2減阻率計算公式:

(3)

式中:DR為減阻率;ΔP0為未加減阻劑的壓降,kPa;ΔPDR為加入減阻劑的壓降,kPa。

同理,將加劑后的λ,流速V設(shè)置為基礎(chǔ)流量下的數(shù)值并代入式(1),可以計算出ΔPDR,再將ΔPDR代入式(3)可以計算出DR,結(jié)果見表8。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析,得出加注濃度40 ppm情況下3種減阻劑在某輸油管道上的增輸率分別47.76%、42.84%、63.96%,減阻率分別是46.89%、44.07%、54.52%。3種減阻劑均具有一定的減阻增輸效果,其中C減阻率和增輸率較高,A減阻劑次之,B減阻劑再次之。

聚α烯烴減阻劑是具有粘彈性的高分子聚合物,將其注入管道后,聚合物分子充分展開呈流狀與油品的紊流相互作用, 減少徑向力,從而減少無用功的消耗,達(dá)到減少摩擦阻力的效果。通常情況下,減阻劑分子量越大,減阻效果越好?，F(xiàn)場為了獲得較好的減阻效果,可以先進(jìn)行室內(nèi)圓盤或者環(huán)道試驗(yàn),選擇性能優(yōu)異的減阻劑再進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試。本次現(xiàn)場試驗(yàn)減阻劑效果顯著,性能差異主要是由于減阻劑分子量不同,其中C劑分子量最大,B劑最小。

3 應(yīng)用探索

本次試驗(yàn)驗(yàn)證了減阻劑在輸油管道上具有一定的減阻增輸效果,結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際,減阻劑加注可以一定程度解決以下問題:

1)解決外輸瓶頸 輸油管道輸送能力達(dá)不到外輸需求時,加注減阻劑可以一定程度上起到增輸效果[9-11]。

2)提質(zhì)增效 根據(jù)原油價格調(diào)整情況,在價格處于高位時,可以通過加注減阻劑間歇增輸,提升效益。

3)應(yīng)急搶險 六級外輸泵故障,四級泵外輸量小于上游來油量,造成末站液位不斷升高,可以加注減阻劑增加外輸排量,降低高液位壓力。

4)降壓運(yùn)行 當(dāng)管道整體承壓能力不足,但又不具備有效檢測修復(fù)方式時(例如缺陷在鐵軌下方、大型河流穿越段),可以加注減阻劑實(shí)現(xiàn)輸量不變的情況下降低運(yùn)行壓力。

5)提升介質(zhì)流速,配合內(nèi)檢測作業(yè) 當(dāng)輸油管道流速低、清管周期超過內(nèi)檢測器待機(jī)時間時,可以加注減阻劑提升介質(zhì)流速,保證介質(zhì)流速和內(nèi)檢測運(yùn)行時間達(dá)到檢測器性能要求。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外減阻劑研究現(xiàn)狀并選擇3種減阻劑在某輸油管道進(jìn)行了試驗(yàn),可以得到以下結(jié)論:

1)減阻劑在國內(nèi)外原油和成品油管道上以及壓裂作業(yè)上均得到應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)減阻增輸。

2)在某輸油管道上進(jìn)行3種聚α烯烴型減阻劑效果評定試驗(yàn),減阻劑增輸率能達(dá)到42.84%～63.96%,減阻率能達(dá)到44.07%～54.52%,能起到一定的減阻增輸效果。

3)減阻劑不僅可以用于減阻增輸,還可以在提質(zhì)增效、應(yīng)急搶險、降壓運(yùn)行、臨時性介質(zhì)提速等方面應(yīng)用。