含蠟原油集輸管道結蠟規(guī)律及清洗技術研究*

郭海生

（青海油田管道處，青海格爾木 816099）

隨著經濟社會的快速發(fā)展，全球對油氣資源的需求量也在逐年攀升[1-3]，近年來，油氣資源的勘探開發(fā)力度也在不斷加大，對高凝點、高黏度含蠟原油的利用率也在逐漸提高[4-6]。我國各大油田所產出的大部分原油中均含有較高濃度的蠟成分，高含蠟原油占比幾乎達到80%左右。此類原油中所含的蠟成分在油藏溫度和壓力條件下均處于溶解狀態(tài)，而當原油被采出地面，溫度降低到一定程度時，就會發(fā)生析蠟現象。并且在原油采用管道集輸的過程中，高含蠟原油極容易在管道壁上產生蠟沉積現象，尤其是當管道周邊溫度較低時，蠟沉積現象尤為嚴重[7-9]。蠟沉積不僅使管道內有效流通面積大幅減小，增大原油的流動阻力，嚴重時還可能造成集輸凝管事故，給原油的正常輸送帶來極大的安全隱患。因此，研究含蠟原油的結蠟規(guī)律，并針對性的采取清管措施，有助于提高含蠟原油的集輸效率。

蠟沉積通常是一個較為復雜的過程，容易受到多種因素的影響，主要包括原油中的蠟含量、油樣溫度、沉積時間、管道壁溫、原油流速以及管道材質等，前人的研究結果表明，蠟沉積的機理主要有分子擴散、剪切彌散、布朗擴散以及重力沉降[10]。另外，針對集輸管道結蠟現象，目前，國內外通常采取的管道清蠟方法主要包括機械清蠟法、化學清蠟法以及熱力清蠟法等[11-13]。本文針對西部某油田含蠟原油集輸管道易出現蠟沉積的現象等問題，實驗室采用冷指法蠟沉積模擬實驗裝置考察了油樣溫度、含蠟量以及碳數分布對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響，并在此基礎上，對目標含蠟原油集輸管道采取了熱清洗清管措施，以期為含蠟原油的高效輸送提供一定的技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要材料及儀器

0#柴油（廣西中油裕達石化有限公司）；成品石蠟（標號分別為50#、60#和70#濟南銘鋒生物科技有限公司）。

1000mL 燒杯（京能克工程有限公司）；保鮮膜（東莞市橫瀝乾昇包裝材料廠）。

冷指法蠟沉積模擬實驗裝置（主要由加熱裝置、溫度傳感器、磁力攪拌器、冷指、低溫恒溫槽、軟導管以及燒杯等組成，實驗室自組裝）；SQ-FA-2104 型精密電子分析天平（蘇州順強機電設備有限公司）；DK-S12 型電熱恒溫水浴鍋（上海儀天科學儀器有限公司）；PTTRX-24PT 型恒溫干燥箱（常州普天儀器制造有限公司）。

1.2 模擬油的配制

以0#柴油作為基礎油，以市售不同標號的石蠟（50#、60#和70#）作為溶質，配制成不同含蠟量和不同碳數分布的模擬油樣品。具體配制方法為：量取一定量的0#柴油放置于燒杯中，然后再稱取一定量的石蠟放入燒杯中，混合均勻后將其密封，再將燒杯放入恒溫干燥箱中70℃條件下加熱6h，確保石蠟完全溶解在柴油中，冷卻后將其密封在容器中，即得到實驗用模擬油樣品。

1.3 蠟沉積模擬實驗方法

（1）在水槽中注入一定量的自來水，調整磁力攪拌器和溫度傳感器，并設置溫度至一定值；（2）將1.2中配制好的模擬油預先加熱，并攪拌均勻，取一定量的油樣放入燒杯中，并將燒杯放在水槽的中間；（3）稱量結蠟前的冷指質量m0，并將冷指與低溫恒溫槽用軟導管連接，設置冷卻液的溫度，打開循環(huán)系統(tǒng)，并將冷指放入到油樣中，打開磁力攪拌裝置；（4）實驗進行一段時間后關閉循環(huán)系統(tǒng)，取出冷指并稱量結蠟后的冷指質量m1，測定蠟沉積后在冷指上的表面積S；（5）按公式（1）和公式（2）分別計算蠟沉積量△m和蠟沉積速率V。

式中m0：結蠟前冷指的質量，g；m1：結蠟后冷指的質量，g；△m：蠟沉積量，g；S：沉積在冷指上的蠟的表面積，cm2；t：沉積實驗時間，h；V：蠟沉積速率，g·（cm2·h）-1。

2 結果與討論

2.1 含蠟原油集輸管道結蠟規(guī)律分析

2.1.1 油樣溫度的影響 按照1.3 中的實驗方法，考察油樣溫度對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響，壁溫均設置為35℃（下同），含蠟量均為15%，石蠟標號均為60#，實驗結果見圖1、2。

由圖1 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同油樣溫度條件下的蠟沉積量均呈現出逐漸增大的趨勢，并且油樣溫度越高，蠟沉積量就越大。當油樣溫度為40℃時，50h 后的蠟沉積量可以達到6.7g，而當油樣溫度為50℃時，50h 后的蠟沉積量則可以增大至11.8g。這是由于當壁溫穩(wěn)定且油樣的溫度較低時，蠟晶會從模擬油樣中析出，并且大量的蠟晶會匯集到一起形成網絡狀結構，對原油形成包裹作用，使蠟不易擴散，進而阻止更多的蠟沉積到冷指上，使蠟沉積量較??；而當油樣的溫度較高時，模擬油樣與冷指之間的溫差就越大，蠟晶分子易于向管壁附近遷移，在相同的沉積時間內有更多蠟沉積到冷指上，造成蠟沉積量增大。

由圖2 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同油樣溫度條件下的蠟沉積速率呈現出先迅速增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，并且油樣溫度越高，蠟沉積速率就越大。當油樣溫度為40℃時，穩(wěn)定時的蠟沉積速率為0.0026g·（cm2·h）-1，而當油樣溫度為50℃時，穩(wěn)定時的蠟沉積速率則增大至0.0046g·（cm2·h）-1。這是由于在蠟沉積實驗初期，模擬油樣與冷指之間存在一定的溫度梯度，并且模擬油樣與冷指表面也存在一定的蠟濃度梯度，所以實驗初期蠟沉積速率上升的幅度較大，而隨著沉積時間的不斷延長，這種濃度梯度逐漸減小，造成蠟沉積速率上升的幅度減小。另外，油樣的溫度越高，蠟的擴散系數就越大，因此，蠟沉積的速率就越大。

圖2 油樣溫度對蠟沉積速率的影響Fig.2 Effect of oil sample temperature on wax deposition rate

綜合圖1、2 結果可見，油樣溫度越高，蠟沉積量和沉積速率就越大。在含蠟原油集輸過程中，當壁溫一定的情況下，應盡可能的降低原油溫度，以減少蠟沉積量，降低蠟沉積速率。

2.1.2 含蠟量的影響 按照1.3 中的實驗方法，考察含蠟量對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響，油樣溫度均為50℃，石蠟標號均為60#，實驗結果見圖3、4。

圖3 含蠟量對蠟沉積量的影響Fig.3 Effect of wax content on wax deposition

由圖3 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同含蠟量條件下的蠟沉積量均呈現出逐漸增大的趨勢，并且含蠟量越高，蠟沉積量就越大。當含蠟量為10%時，50h 后的蠟沉積量僅為5.6g，而當含蠟量增大至20%時，50h 后的蠟沉積量則可以增大至14.2g。

由圖4 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同含蠟量條件下的蠟沉積速率同樣呈現出先迅速增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，這與圖2 中的實驗結果趨勢相一致。并且含蠟量越高，蠟沉積速率就越大。當含蠟量為10%時，穩(wěn)定時的蠟沉積速率為0.0031g·（cm2·h）-1，而當含蠟量增大為20%時，穩(wěn)定時的蠟沉積速率則增大至0.0059g·（cm2·h）-1。這是由于在其他實驗條件均相同的情況下，模擬油樣中含蠟量越高，蠟晶在管壁表面的溶解度系數就越大，蠟分子更易在遷移動力的作用下擴散至冷指表面，使蠟沉積量和沉積速率均明顯增大，當沉積時間延長到一定程度時，管壁與模擬油樣中的蠟濃度梯度逐漸減小，使蠟沉積速率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 含蠟量對蠟沉積速率的影響Fig.4 Effect of wax content on wax deposition rate

綜合圖3、4 結果可見，原油中含蠟量越高，蠟沉積量和沉積速率就越大。針對含蠟量較高的原油，在集輸的過程中應注意監(jiān)測管道內的蠟沉積量，以防止蠟沉積堵塞管道。

2.1.3 碳數分布的影響 按照1.3 中的實驗方法，考察碳數分布（不同石蠟標號）對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響，含蠟量均為15%，油樣溫度均為50℃，實驗結果見圖5、6。

圖5 碳數分布對蠟沉積量的影響Fig.5 Effect of carbon number distribution on wax deposition

由圖5 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同碳數分布條件下的蠟沉積量均呈現出逐漸增大的趨勢，并且石蠟的碳數越高，蠟沉積量就越大。50#、60#和70#石蠟在50h 后的蠟沉積量分別為10.9g、11.8g和12.5g。

由圖6 可見，隨著沉積時間的不斷延長，不同碳數分布條件下的蠟沉積速率同樣呈現出先迅速增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，且石蠟的碳數越高，蠟沉積速率越大。50#、60#和70#石蠟在50h 時的蠟沉積速率分別為0.0037、0.0046 和0.0051g·（cm2·h）-1。分析原因是由于模擬油樣中石蠟的碳數越高，其在模擬油樣中的溶解度相對就越低，使其更容易在管壁表面沉積，造成蠟沉積量和蠟沉積速率均有所增大。但綜合來看，相比較于油樣溫度和含蠟量來說，石蠟的碳數分布對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響相對較小一些。

圖6 碳數分布對蠟沉積速率的影響Fig.6 Effect of carbon number distribution on wax deposition rate

綜合圖5、6 結果可見，原油中蠟的碳數越高，蠟沉積量和沉積速率就越大。同樣的，針對碳數較高，并且含蠟量較高的原油，在集輸的過程中應注意監(jiān)測管道內的蠟沉積量，必要時還應采取清防蠟措施，以保障原油集輸管道的正常運行。

2.2 含蠟原油集輸管道熱清洗技術研究

含蠟原油集輸管道在原油輸送過程中不可避免的會發(fā)生結蠟沉積的現象，從而造成管道內有效流通面積的減小，增大了流動阻力，使原油輸送能力大幅度下降，進而造成原油的輸送成本升高。因此，對含蠟原油集輸管道進行清管作業(yè)十分有必要。另外，由于現場含蠟原油的成分往往較為復雜，原油從井口到集輸管道之間的蠟沉積情況也比較復雜，根據現場實際情況，確定合理的清管周期十分重要。

本文采用熱清洗技術對西部某含蠟原油集輸管道進行了清管作業(yè)，分析了原油集輸量、含水率以及含蠟量等因素與清管周期的關系，確定出適合的清管周期。然后結合現場的實際情況，建立管線熱清洗能量平衡模型，并優(yōu)化了熱清洗參數，主要包括熱清洗水量、熱清洗溫度以及清洗時間等。根據研究結果對目標含蠟原油集輸管道進行了熱清洗現場實驗，結果見表1。

表1 含蠟原油集輸管道熱清洗現場實驗結果Tab.1 Field experimental results of thermal cleaning of waxy crude oil gathering and transportation pipeline

由表1 可見，含蠟原油集輸管道采取熱清洗技術措施后，管道輸送壓力均出現明顯的降低，清洗前管道壓力在1.3～1.6MPa 之間，而清洗后壓力則降低至0.5～0.7MPa，熱清洗效果較好。并且根據現場反饋結果，目標含蠟原油集輸管道采取熱清洗措施30d 后，管道輸送壓力仍低于1MPa，有效期較長。

3 結論

（1）采用冷指法蠟沉積模擬實驗裝置考察了油樣溫度、含蠟量以及碳數分布對蠟沉積量和蠟沉積速率的影響，結果表明，隨著油樣溫度、含蠟量以及碳數分布的升高，蠟沉積量和蠟沉積速率均呈現出逐漸增大的趨勢。并且在實驗初期（沉積時間小于20h 時），蠟沉積速率上升的幅度較大，而在實驗后期，蠟沉積速率逐漸趨于平穩(wěn)。

（2）采用熱清洗技術對目標含蠟原油集輸管道進行了清管措施，結果表明，含蠟原油管道熱清洗后輸送壓力顯著降低，并且有效期比較長，能夠顯著提高含蠟原油的集輸能力，降低原油的集輸成本。