王 富

(1.西南石油大學(xué),成都610500;2.勝利油田分公司海洋采油廠,山東東營257237)

埕島油田含水原油管線運(yùn)行狀況分析

王 富1,2

(1.西南石油大學(xué),成都610500;2.勝利油田分公司海洋采油廠,山東東營257237)

埕島油田的海三到海四?426 mm×9 mm、17.8 km輸油管線承擔(dān)著我國最大淺海油田——埕島油田上岸含水原油的輸送任務(wù),該管線原油含水50%～70%,粘度上升快,干線壓力升高,局部出現(xiàn)游離水,水質(zhì)礦化度高,輸送溫度高,結(jié)垢趨勢(shì)導(dǎo)致阻力增加。針對(duì)干線壓力升高原因,提出提高管線工作壓力、合理控制輸油溫度、提高外輸泵揚(yáng)程、敷設(shè)大口徑管線、管線防垢除垢、原油分水等措施和建議,提高含水原油輸送能力。

含水原油;流變性;粘度;管道;輸送能力

與凈化油相比較,含水原油由于其乳化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,流變性復(fù)雜,在管道輸送時(shí)呈現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn)。本文結(jié)合埕島油田海三到海四 ?426 mm× 9 mm輸油管線干線壓力升高的原因,對(duì)含水原油輸送規(guī)律進(jìn)行分析。

該管線承擔(dān)著我國最大的淺海油田——埕島油田上岸含水原油的輸送任務(wù),管線設(shè)計(jì)壓力215 MPa,設(shè)計(jì)輸量14 400 m3/h,經(jīng)濟(jì)輸量11 500～23 000 m3/h[1]。2008年輸油綜合質(zhì)量含水5111%,年輸液51315×104m3,平均排量590 m3/h。管線構(gòu)成與各站外輸設(shè)備狀況如表1～2。

1 問題的提出

2008年,埕島油田海三到海四 ?426 mm×9 mm管線排量為 600 m3/h,海三站出壓為 2.2 MPa。為了緩解單條管線運(yùn)行干線壓力大的問題, 2008-04投產(chǎn)了?325 mm×7 mm復(fù)線,投產(chǎn)后海三出站壓力下降為1.35 MPa,4臺(tái)泵排量上升到760～880 m3/h。但自 2008-12-20—2009-01-07,海三出站壓力又處于上升趨勢(shì),干線壓力始終在1.5 MPa以上,2009-01-20以后出站壓力達(dá)到1.9 MPa,排量580 m3/h,如圖 1。2條管線排量694 m3/h,來液最大瞬時(shí)排量為720 m3/h,達(dá)不到復(fù)線投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的760 m3/h,無法滿足提液需要,原因是管線干線壓力升高,因此有必要從含水原油管線運(yùn)行狀況分析干線壓力升高的原因。

表1 埕島油田海三到海四原油外輸管線狀況

表2 埕島油田海三到海四?426、?325 mm管線系統(tǒng)外輸設(shè)備參數(shù)

圖1 埕島油田海三到海四干線壓力-排量曲線

2 海三含水原油管線流變性分析

2.1 原油反相點(diǎn)

海三原油具有良好的乳化性能,50℃反相點(diǎn)70%,60℃反相點(diǎn)65%,70℃的反相點(diǎn)依然高達(dá)60%。

2.2 原油粘度

乳狀液中含水(鹽)量與粘度比關(guān)系如圖2[3],油水乳狀液一般呈現(xiàn)油包水型,其混合物粘度隨含水(鹽)率的增加而增加。當(dāng)含水(鹽)率>70%時(shí),轉(zhuǎn)相形成水(鹽水)包油型乳狀液,其粘度近似等于水(鹽水)的粘度。用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量不同溫度和不同含水(量)的原油粘度,如表3。

圖2 乳狀液含水(鹽)量與粘度比關(guān)系

表3 海三外輸原油不同含水量和不同溫度的粘度

一定溫度下含水原油粘度-含水關(guān)系曲線如圖3,可以看出,原油含水在50%～70%之間,粘度有2個(gè)峰值,即含水60%、70%時(shí);含水65%的粘度在60%～70%之間,不符合“油水乳狀液一般呈現(xiàn)油包水型,其混合物粘度隨含水(鹽)率的增加而增加”的一般規(guī)律。再次測(cè)量仍然發(fā)現(xiàn)含水60%粘度大于含水65%粘度。原因可能是含水從60%上升,一方面出現(xiàn)了水包油乳狀液,粘度降低;另一方面乳狀液顆粒變大,粘度又增加。到含水為65%時(shí),粘度減小因素占主導(dǎo)地位,因此粘度減小。到含水為70%時(shí),粘度增加因素占主導(dǎo)地位,因此粘度增加。

圖3 一定溫度下含水原油粘度-含水關(guān)系曲線

從不同含水原油粘度-溫度關(guān)系得出如下結(jié)論:

a) 海三外輸原油含水從50%上升到60%過程中,粘度急劇增加。例如 65℃時(shí),粘度從 92.9 mPa·s(含水50%)上升到450 mPa·s(含水60%)。

b) 粘度隨溫度變化明顯。60～75℃,含水60%原油,粘度從707 mPa·s(60℃)下降至144 mPa·s(75℃),每升高5℃,粘度下降50%。

c) 50%～70%的含水原油粘度規(guī)律復(fù)雜。整體趨勢(shì)是含水原油粘度隨含水增加而增加。含水原油在輸送過程中可能出現(xiàn)壓力波動(dòng),且上升。

2.3 外輸原油流變性分析

含水原油水力計(jì)算壓降公式分為牛頓流體和非牛頓流體,選用前需要進(jìn)行流變分析。

原油在不同含水量下的W/O試驗(yàn)流變曲線,選擇冪律方程為

τ=K·Yn式中,τ為剪切應(yīng)力,Pa;K為稠度系數(shù),Y為剪切速率,l/s;n為流變行為指數(shù)。

擬合流變曲線,結(jié)果如表4。

表4 含水原油乳狀液流變方程τ

含水30%、60℃時(shí),n=0.98,接近于1;含水較低、溫度較高時(shí),含水原油多為牛頓流體;含水高、溫度低時(shí),含水原油多為非牛頓流體。含水50%以上、輸油溫度高達(dá)65℃以上的流變曲線如圖4,可作為牛頓流體。

圖4 含水原油流變曲線

含水原油為牛頓流體時(shí),分為層流、紊流光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)、粗糙區(qū),壓降計(jì)算公式為

式中,Δp為沿程壓降,Pa;d為輸油管內(nèi)徑,m;v為含水油的流速,m/s;ρf為含水油的混合密度, kg/m3;λ為沿程水力摩阻系數(shù)。

以?325 mm管線與?426 mm管線并聯(lián)運(yùn)行計(jì)算壓降,可以驗(yàn)證牛頓流體假設(shè)的正確性。無論何種流態(tài),都會(huì)產(chǎn)生偏流,?325 mm管線輸油量小[1],只占22%～25%。取2009-03-30的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算, Δ=0.20 mm,k=0.8 kcal/(h·m2·℃),環(huán)境溫度0℃。海四壓力 0.46 MPa,68℃;海三壓力 1.7 MPa,排量624 m3/h,含水58%,70℃;海二壓力1. 2 MPa,排量18 m3/h,70℃;海五壓力1.78 MPa,排量50 m3/h,70℃。用式(1)計(jì)算出?325 mm管線的壓差為 1.31 MPa,實(shí)測(cè)為 1.24 MPa,誤差5%;計(jì)算出 ?426 mm的壓差為1.41 MPa,誤差12%。計(jì)算誤差≤15%,工程上可以接受,牛頓流體假設(shè)正確。

含水原油為非牛頓流體時(shí),水力計(jì)算也有層流與紊流之分。對(duì)于冪律流體,其判別準(zhǔn)則是穩(wěn)定性參數(shù) Z[4]。

3 管線系統(tǒng)干線壓力高原因分析

3.1 水力學(xué)原因

自?325 mm復(fù)線投產(chǎn)以來,海三外輸含水從50%上升到57%,在轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近。與國內(nèi)含水原油油水乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)在50%～70%[5-6]一致。如表5,現(xiàn)場(chǎng)中原油含水從55%上升到60%附近,粘度從70 mPa·s上升到314 mPa·s,壓降急劇上升,導(dǎo)致干線壓力增加,泵輸量降低。

表5 海三68℃不同含水原油表觀粘度

3.2 工藝流程原因

現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)現(xiàn)閥門故障,沿途油溫60℃以上,可排除由于工藝流程原因?qū)е赂删€壓力上升的因素。

3.3 管線結(jié)垢導(dǎo)致干線壓力上升

成垢離子是結(jié)垢的內(nèi)在因素,溫度、壓力、鹽量和p H值是成垢的外在條件。結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)[7]首先分析污水中的離子(如表6),然后通過計(jì)算得到不同條件下污水的結(jié)垢趨勢(shì)。

表6 海三、海五混合污水(海三∶海五為10∶1)離子分析結(jié)果

由表6看出,污水(即管線污水)中成垢離子為Ca2+、Sr2+、SO2-4、CO2-3、HCO-3。CaCO3、CaSO4、SrSO4三種結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)如表7。

表7 海三、海五混合污水(海三∶海五為10∶1)離子分析結(jié)果

由穩(wěn)定指數(shù)法SA I判斷,SA I=4～5時(shí)結(jié)垢嚴(yán)重[7-8]。50℃時(shí)污水的SA I=4.5,已經(jīng)結(jié)垢嚴(yán)重。

由表7看出,混合污水CaCO3結(jié)垢強(qiáng),隨溫度升高趨勢(shì)增強(qiáng);污水均有CaSO4結(jié)垢趨勢(shì),且隨溫度升高結(jié)垢趨勢(shì)升高;污水均有SrSO4結(jié)垢趨勢(shì)。2009-05在拆卸海三外輸流量計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)流量計(jì)法蘭結(jié)垢達(dá)10 mm。2009-04—07,海三到海四管線壓差平均上升0.05 MPa/月。垢一旦形成后有持續(xù)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

海三到海四含水油管線排量上升,壓力升高,但這不是壓力升高的主因。原油含水從50%升高到60%,一方面粘度增加,干線壓力上升;另一方面以水為外相的乳狀液顆粒越來越多,產(chǎn)生部分游離水,為結(jié)垢創(chuàng)造條件。輸油溫度從62℃升高到68℃(接近70℃),高溫又使污水結(jié)垢趨勢(shì)增強(qiáng),導(dǎo)致管線結(jié)垢嚴(yán)重。管線結(jié)垢使有效內(nèi)徑減小,輸量下降。

4 高含水期管線系統(tǒng)干線壓力趨勢(shì)

借助PIPEPHASE軟件,用牛頓流體水力計(jì)算公式,預(yù)測(cè)流量-壓差關(guān)系。表8為68℃含水60%時(shí)?325 mm和?426 mm管線并聯(lián)運(yùn)行流量-壓差預(yù)測(cè)結(jié)果。

表8 68℃含水60%時(shí)?325 mm和?426 mm管線并聯(lián)流量-壓差預(yù)測(cè)

含水70%以上時(shí),乳化液從W/O變成O/W,粘度降低,阻力減小,輸量上升。

5 提高管線系統(tǒng)輸油量的措施

5.1 選擇合適的輸油溫度

a) 考慮粘度和流態(tài)隨溫度的變化。含水55%原油溫度在55～60℃時(shí),粘度隨溫度急劇變化;60℃以上時(shí),粘度變化不明顯。因此含水55%的原油輸油溫度應(yīng)控制在60℃以上。

b) 考慮設(shè)備能否滿足要求。

c) 考慮結(jié)垢類型以CaCO3和CaSO4為主,溫度越高結(jié)垢趨勢(shì)越強(qiáng),因此應(yīng)降低溫度。

d) 考慮原油脫水溫度。

海三進(jìn)站溫度控制到62℃,夏季可以實(shí)現(xiàn)熱力越站輸送,同時(shí)優(yōu)選低溫脫水破乳劑,可實(shí)現(xiàn)全年熱力越站輸送。

5.2 提高外輸壓力

更換外輸泵組,提高管道工作壓力,也是一種增輸方法。2009-07海三更換4臺(tái)J S250-300型外輸泵后,外輸泵額定揚(yáng)程從240 m提高到300 m,外輸能力從600 m3/h提高到750 m3/h。

5.3 敷設(shè)?426 mm×9 mm復(fù)線

結(jié)合下游改氣工程,應(yīng)敷設(shè)一條?457 mm×9 mm復(fù)線以提高輸量,將原有?426 mm×7 mm管線作為備用或者輸氣。

5.4 化學(xué)破乳降粘輸送

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同含水的原油對(duì)應(yīng)加入0.05% SH-1型破乳劑,使其由油包水向水包油型轉(zhuǎn)變,形成穩(wěn)定的水包油型乳狀液。流變方程如表9。

表9 不同含水量的O/W乳狀液流變方程τ

在40%<含水量<70%的情況下,可投加O/ W型乳化劑,乳化降粘輸送在低溫下增輸效果更為明顯。在含水量>70%的情況下呈O/W態(tài),不需要投加乳化劑來增加輸量。由于含水上升,純油量減少,此時(shí)已不能滿足生產(chǎn)要求。

5.5 優(yōu)化工藝防垢清垢

為避免溫度過高出現(xiàn)結(jié)垢高峰區(qū),對(duì)管線源頭進(jìn)行水性配伍試驗(yàn),加強(qiáng)緩蝕劑的篩選與應(yīng)用。

5.6 分水降低原油粘度

結(jié)合埕島油田中心三號(hào)平臺(tái)規(guī)劃,如果海三分水使其外輸含水在10%以下,原油粘度可由300 mPa·s下降到120 mPa·s,其管線輸油能力將大幅度上升。

6 結(jié)語

含水原油由于其乳化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,粘度隨含水率、溫度、原油物性等變化明顯,流變性復(fù)雜,原油中含有游離水,在管道輸送時(shí)呈現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn),只有掌握這些規(guī)律,才能降低能耗、提高輸量,最大限度地發(fā)揮管道輸送的效益。

[1] 油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)編寫組.油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[K].北京:石油工業(yè)出版社,1994:686.

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[8] 馮永訓(xùn).油田采出水處理設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京:中國石化出版社,2008:365.

Analysis on Pipeline of Water Cut Oil in Chengdao Oilfield

WANG Fu1,2
(1.Southwest Petroleum Uniersity,Chengdu610500,China; 2.Of f shore Oil Production Plant,Shengli Oilf ield Company,Dongying257237,China)

Pipeline of water cut oil from Hisan to Hisi transports oil from Chengdao oilfield.Pressure drop rises because of rapidly ascending of viscidity of crude oil water emulsion 50%～70% water-cut.Dissociate water partly because of high water-cut,high mineralization,and high temperature of oil online,trend of scale in pipeline is strong.Recommendations are made to improve the water-bearing capacity of crude oil,such as increasing the pipeline pressure,reasonable control of temperature,increasing the pump head,laying large diameter pipelines,pipeline descaling scale,oil water separation and other measures.

water cut oil emulsion;rheologic behavior;viscidity;pipeline;transportation capacity

1001-3482(2010)04-0037-06

TE973

A

2009-11-28

王 富(1969-),男,山東海陽人,高級(jí)工程師,在職博士研究生,2002年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè),從事海上油田的采油工程技術(shù)與管理工作,E-mail:wangfu@slof.com。