董 良 辰

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蘇嵯輸油管道蠟沉積規(guī)律研究

董 良 辰

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

采用差壓法設(shè)計安裝了一個室內(nèi)環(huán)道管流設(shè)備，并以此設(shè)備對蘇嵯管道的不同工況進行了室內(nèi)結(jié)蠟實驗。參照蘇嵯輸油管線現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，在通過計算得到管壁剪切率、蠟晶溶解度、油品粘度以及徑向溫度梯度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法回歸確立了適用于蘇嵯輸油管線的管道蠟沉積模型。在數(shù)據(jù)分析和模擬實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了流速、油溫以及壁溫等因素對蘇嵯輸油管道結(jié)蠟的影響，得出了該條管道的蠟沉積規(guī)律，為蘇嵯輸油管道的實際生產(chǎn)運行提供了參考依據(jù)。

結(jié)蠟實驗；蘇嵯輸油管線；蠟沉積模型

輸油管道結(jié)蠟是管道經(jīng)濟、合理、安全運行的重要影響因素之一，輸油管道的結(jié)蠟是指油品在管道流動過程中，當含蠟油品的溫度低于油品的析蠟點時就會有蠟晶析出，并且其中部分蠟晶沉積在管壁上形成結(jié)蠟層[1]。結(jié)蠟層的產(chǎn)生一方面降低了管道的傳熱系數(shù)，對管道起到了有效的保溫作用；另一方面，結(jié)蠟層會增大管道摩阻，減小管道有效流通面積，導致管道對油品的輸送能力降低，如不進行控制可能會造成管道堵塞，導致嚴重的經(jīng)濟損失[2-3]。又因為我國多產(chǎn)“三高”原油，多數(shù)原油含蠟量在20%以上，有的甚至達到40%~50%，蠟沉積問題十分嚴重[4]，所以了解輸油管道蠟沉積影響因素及其規(guī)律，對確保輸油管道合理運行有十分重要的意義。

蘇嵯混油輸送管道作為一個呼倫貝爾油田首條長距離混油輸送管道，其任務(wù)為向嵯崗轉(zhuǎn)輸油總站輸送油品，承擔著呼倫貝爾油田的主要輸送任務(wù)，是其重要的地面工程之一。然而混油的油品組成情況會受其中各原油物性及摻混比例的影響，所以其基本物性相對于原油更為不穩(wěn)定，因此其結(jié)蠟規(guī)律也更加復雜，故通過研究其混油的結(jié)蠟規(guī)律，并以此對實際生產(chǎn)提供參考作用十分必要。

1 實驗裝置

為了分析蘇嵯混油在管道內(nèi)流動過程中管壁的結(jié)蠟規(guī)律，本文設(shè)計了一個室內(nèi)環(huán)道管流設(shè)備（如圖1所示）。該設(shè)備主要包括：參比管段、測試管段、質(zhì)量流量計、差壓傳感器、溫度傳感器、螺桿泵、蠕動泵和計算機。其中參比管段和測試管段的長度和直徑是相同的，各管段外壁均有水套用來控溫，通過調(diào)節(jié)水套溫度來控制各管段管道的壁溫，讓其溫度低于測試管段內(nèi)的混油溫度及其析蠟點，從而導致測試管段內(nèi)壁上逐漸結(jié)蠟；同時，保證參比管段的壁溫高于混油油溫以確保其管內(nèi)不會產(chǎn)生結(jié)蠟，通過對比測試管段和試驗管道的壓差，隨時計算得到測試管段的蠟沉積厚度，并且可以通過計算機對實驗數(shù)據(jù)進行采集和記錄。

該實驗裝置有以下特點：①混油結(jié)蠟實驗在油流流動狀態(tài)下進行，更符合現(xiàn)場實際情況；②計算機自動對實驗數(shù)據(jù)進行簡單地采集和記錄；③實驗過程中可以隨時通過對比兩管段壓差對蠟沉積厚度進行計算；④該實驗裝置使用蠕動泵驅(qū)動油品，很大程度的保持了油品的物性。

2 結(jié)蠟模型的預測

影響輸油管道結(jié)蠟的主要因素包括油品的粘溫特性、管道徑向的溫度梯度、油壁溫差、蠟晶溶解度系數(shù)、管壁附近的剪切應(yīng)力等[5]。根據(jù)實驗測試結(jié)果，通過差壓法計算出輸油管道運行時的蠟沉積量；根據(jù)熱平衡關(guān)系，計算管道的徑向的溫度梯度，再結(jié)合已知的油品粘度，可以計確定出管壁剪切應(yīng)力；依據(jù)溫降計算，得到析出的蠟晶濃度梯度；通再結(jié)合蘇嵯油品的基礎(chǔ)物性，建立蘇嵯輸油管線結(jié)蠟速率模型：

利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)當作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對蘇嵯輸油管線結(jié)蠟速率模型的系數(shù)進行擬合。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 模擬的實驗參數(shù)

續(xù)表

蠟沉積速率/(g·m-2·h-1）管壁剪切應(yīng)力/Pa粘度/(mPa·s)蠟晶溶解系數(shù)，‰管壁溫度梯度/(℃·mm-1) 9.421.7616.920.562.68 8.713.3216.810.563.86 8.534.6516.580.564.67 8.216.5616.570.564.93 8.0410.1216.960.565.85 17.965.0422.752.524.52 11.263.8517.860.657.26 22.573.6919.331.827.26 16.552.9815.120.627.26 12.125.3929.312.62.67 11.781.7126.392.61.66

結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，通過采用最小二乘法對結(jié)蠟模型的系數(shù)進行擬合，回歸得到其中參數(shù)、、，=5.869 7，=-0.382 6，=-0.469 8，故蘇嵯輸油管線預測結(jié)蠟模型為：

3 蘇嵯混油蠟沉積特性

考慮到現(xiàn)場調(diào)控混油輸送的參數(shù)主要為油溫的控制和流量（即流速）的控制，本文主要對蘇嵯管線在不同輸量下、不同油溫下的結(jié)蠟規(guī)律進行了分析，從而為其在不同工況下導致的輸量變化和不同季節(jié)導致的油壁溫差變化的情況提供參考依據(jù)。

3.1 不同流量下的蠟沉積

3.1.1 夏季（平均環(huán)境溫度為12 ℃）流量變化對結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道結(jié)蠟速率會隨著輸量的增大而降低，當輸量增大時，終點油品溫度會較低輸量時升高，整條管路的油溫都會升高，從而導致油品對蠟晶的溶解能力變強，而且高輸量的油流對沉積的蠟有更好的沖刷作用，所以結(jié)蠟速率會降低。夏季混油輸送時油品輸量與結(jié)蠟速率關(guān)系如圖2所示。

圖2 夏季不同輸量下的結(jié)蠟速率

3.1.2 冬季（平均環(huán)境溫度為-4.5 ℃）流量變化對結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道冬季不同流量下的結(jié)蠟速率如圖3所示。

圖3 冬季不同輸量下的結(jié)蠟速率

冬季時結(jié)蠟速率受流量影響規(guī)律與夏季大體相似，隨著流量的不斷增大，蠟晶受到油流更高的剪切作用和油品的溶解，只是管壁溫度更低結(jié)蠟速率較夏季跟高一些。

3.2 不同油溫下的蠟沉積

3.2.1 夏季油溫變化對結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道在夏季不同油溫的情況下結(jié)蠟速率情況如圖4所示。

圖4 夏季不同油溫下的結(jié)蠟速率

如圖可知，油品夏季結(jié)蠟速率的高峰期是在40~50 ℃時，結(jié)蠟速率約為12.5 g/（m2·h）左右，油品溫度低于析蠟點，隨著油品溫度的逐漸降低，蠟晶會不斷析出，結(jié)蠟速率逐漸達到最大值。當油品溫度高于60 ℃左右以后，結(jié)蠟速率會逐漸降低，雖然此時油品溫度高于析蠟點，不過還是會有蠟晶在析出。

3.2.2 冬季油溫變化對結(jié)蠟速率的影響

蘇嵯混油管道在冬季不同油溫的情況下結(jié)蠟速率情況如圖5所示。

圖5 冬季不同油溫下的結(jié)蠟速率

由圖5可知，油品溫度對結(jié)蠟速率的影響與該管道夏季的趨勢大致相同，但油品輸送時由于冬季外界溫度較低，導致油壁溫差較大，由于分子擴散的影響，析出的蠟晶向管壁上蠟層的擴散能力變強，故冬季管道結(jié)蠟速率更高。

如圖，油品冬季結(jié)蠟速率的高峰期是在40~45℃，當油品溫度小于40 ℃時，在油品溫度的下降過程中，油流與管壁的溫差逐漸縮小，蠟晶濃度梯度隨之縮小，因此油品溫度在40 ℃以下時，結(jié)蠟速率會逐漸降低。當油品溫度高于45 ℃時，雖然油品與壁溫溫差增大，但高溫油流對蠟晶的溶解貢獻要遠大于蠟晶由于溫差導致的擴散作用，所以結(jié)蠟速率同樣在逐漸降低。

4 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)差壓法，建立安裝了研究油品環(huán)道管輸模擬室內(nèi)實驗裝置，根據(jù)蘇嵯混油輸送管線的現(xiàn)場實際工況和運行實測數(shù)據(jù)，確定了模擬環(huán)境溫度為夏季為12 ℃冬季為-4.5 ℃，油品溫度控制區(qū)間為35~75 ℃，輸量60~180 m3/h。模擬實驗進程中達到了實驗數(shù)據(jù)的實時采集和記錄。

（2）本文利用仿真模擬實驗設(shè)備，針對蘇嵯混油在管路中的結(jié)蠟情況進行模擬，并以此為依據(jù)，分析了符合蘇嵯輸油管道的結(jié)蠟規(guī)律。按照最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行回歸，確立了蘇嵯輸油管道內(nèi)混油的結(jié)蠟模型，可以以此估計蘇嵯管道內(nèi)的結(jié)蠟情況。

（3）從實驗結(jié)果并參照結(jié)蠟預測模型得到，蘇嵯混油管道隨著管內(nèi)流量的增加，由于油品對結(jié)蠟層的剪切速率和剪切應(yīng)力、蠟晶在油流中的溶解程度和油壁溫差導致的油流徑向的溫度差等因素的共同作用，使其結(jié)蠟速率逐漸減小，該實驗結(jié)果可為蘇嵯輸油管道在實際運行方案中提供相應(yīng)參考。

（4）從實驗結(jié)果并參照結(jié)蠟預測模型得到，隨著油流溫度的逐漸升高，管內(nèi)的結(jié)蠟速率先是增加，當油溫達到40~50 ℃時是結(jié)蠟速率的高峰期，然后隨著混油的輸送里程增加，結(jié)蠟速率逐漸下降。綜合考慮不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化導致的油壁溫差和油品溫度逐漸降低導致的蠟晶析出，才導致管內(nèi)結(jié)蠟速率先增大后降低。蘇嵯現(xiàn)場實際運行過程中可參照此試驗結(jié)果，針對不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化來控制混油的加熱溫度，以爭取輸油管道經(jīng)濟、合理的運行。

［1］ 韓興平. 埋地管線腐蝕、涂層缺陷檢測技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè)，2001，21(1)：108-111.

［2］ Moritis G. Flow assurance challenges production from deeper water [J]. Oil & Gas J., 2001, 99：66-71.

［3］ Azevedo L F A, Teixeira A M. A critical review of the modeling of wax deposition mechanisms [J]. Pet. Sci. Tech., 2003, 21：393-408.

［4］ 馮耀榮. 油氣輸送管道工程技術(shù)進展[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2006：182-183.

［5］ 馬偉平，王艦，王禹欽，等. 任京線正反輸運行長期不清管條件下的結(jié)錯規(guī)律[J]. 石油工程建設(shè)，2012，37(6)：7-11．

Study on Wax Deposition Law of Suo-Cuo Oil Pipeline

DONG Liang-chen

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

A differential pressure method was used to design and install the ring pipe flow equipment; indoor wax deposition experiment of Sue-Cuo pipeline under different working conditions was carried out with this equipment. Referring to Sue-Cuo pipeline field operation data, wall shear rate, wax crystal solubility，oil viscosity, radial temperature gradient and other parameters were obtained by calculation, the wax deposition model suitable for Sue-Cuo oil pipeline was established by least square method. Based on data analysis and results of simulation experiments, effect of flow velocity, oil temperature, tube wall temperature, and other parameters on wax deposition of Sue-Cuo oil pipeline was analyzed, the wax deposition law of this pipeline was obtained.

wax deposition experiment; Suo-Cuo oil pipeline; model of wax deposition

TE 832

A

1671-0460（2016）06-1253-04

嚴寒地區(qū)高含蠟原油儲存工藝方案優(yōu)化技術(shù)研究，項目號：2014D-5006-0607。

2016-05-16

董良辰（1992-），男，黑龍江省大慶市人，東北石油大學在讀碩士研究生，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：dongliangchen123@126.com。