陳志朋

中國石油華北油田公司合作開發(fā)項目部，河北任丘 062550

隨著我國陸上油氣田的深入開發(fā)，越來越多的凝析油從凝析氣田或油田伴生氣中分離出來[1]。凝析油多為C5及以上的重?zé)N組成，具有凝點(diǎn)低、含蠟量低、黏度小等特點(diǎn)，曾忠剛等[2]通過雙曲正切結(jié)蠟?zāi)Ｐ偷玫搅四鲇凸艿姥鼐€的結(jié)蠟分布，認(rèn)為其凝點(diǎn)低于輸送溫度，無需考慮清蠟操作；左潔等[3]對凝析氣的結(jié)蠟現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗研究，得到露點(diǎn)以上的氣相析蠟不受凝析油組成的影響。以上研究均未經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)驗證，也未考慮膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量對結(jié)蠟強(qiáng)度的影響。在凝析油組成中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)由極性基團(tuán)和長鏈烷烴組成，烷烴與蠟晶發(fā)生共晶作用，極性基團(tuán)吸附在蠟晶表面，兩者對凝析油和蠟晶之間的表面張力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響蠟沉積效應(yīng)?；诖?，利用環(huán)道實(shí)驗裝置確定不同因素對蠟沉積質(zhì)量及沉積速率的影響，利用1stOpt軟件對擬合參數(shù)進(jìn)行非線性回歸，最后通過現(xiàn)場清管作業(yè)驗證動力學(xué)結(jié)蠟?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性，為凝析油或輕質(zhì)原油管道的穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)際參考。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗裝置

環(huán)道實(shí)驗裝置包括油罐、流量計、攪拌系統(tǒng)、測試段、質(zhì)量流量計、泵和空壓機(jī)等，如圖1 所示。其中，油罐系統(tǒng)和測試段均與控溫水浴相連，由螺桿泵調(diào)節(jié)流量進(jìn)而控制流速。測試段長度2 m，管道規(guī)格D12 mm×1 mm。

圖1 環(huán)道實(shí)驗裝置示意

1.2 實(shí)驗步驟

1）實(shí)驗前，將油罐、測試段和所有保溫管段調(diào)至實(shí)驗溫度，維持30 min，保證各部分溫度不變，隨后將實(shí)驗所需的密封油樣倒入油罐中，啟動攪拌槳使油品充分混合。

2）啟動泵使油品在環(huán)道中循環(huán)流動。

3）每次實(shí)驗結(jié)束后先停泵，隨后將環(huán)道切換至空氣吹掃系統(tǒng)，啟動空壓機(jī)對管路進(jìn)行吹掃，吹掃壓力定為0.1 MPa，重復(fù)數(shù)次，直到管道內(nèi)無殘余原油。

4）將測試段拆卸并垂直放置，逐漸升高測試段溫度至80 ℃，利用燒杯收集高溫熔化的蠟沉積物，計算蠟沉積量，并獲取蠟沉積速率。

1.3 油品基本物性

分別在不同中央處理廠選取3 種不同物性的凝析油，物性參數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果見表1。3種凝析油的析蠟點(diǎn)差別不大，均在30 ℃以下，蠟含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為5.04%～5.55%，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）差異較大。

表1 凝析油基本物性參數(shù)

參照SY/T 0520—2008 測試凝析油流變性，見圖2。同一種凝析油在不同剪切速率下的黏溫曲線具有較好的一致性，表現(xiàn)為牛頓流體特性，1#凝析油的黏度變化較小，3#凝析油的黏度變化較大。

圖2 凝析油黏溫曲線（剪切速率100 s-1）

2 結(jié)果與討論

2.1 油壁溫差對析蠟特性的影響

為保持與實(shí)際工況一致，根據(jù)3 種油樣的析蠟點(diǎn)溫度，保持管壁溫度10 ℃、油流速度0.2 m/s，考察不同油壁溫差對析蠟特性的影響，見表2。當(dāng)油流溫度高于凝析油析蠟點(diǎn)時，未觀察到蠟沉積現(xiàn)象；隨著油流溫度的降低，沉積物質(zhì)量和蠟沉積速率逐漸增大。這一現(xiàn)象與蠟分子在油流中的溶解度有關(guān)，油壁溫差越大，蠟在油流中的溶解度越高，在沉積物中的溶解度越低，此時濃度梯度引發(fā)的分子擴(kuò)散是蠟沉積的主要動力，凝析油較好的油品物性對蠟也具有一定的溶解作用。

表2 油壁溫差對析蠟特性的影響

1#和3#凝析油的沉積物蠟含量與蠟沉積速率發(fā)展趨勢有所不同，均在油壁溫差較小區(qū)間處出現(xiàn)蠟含量減小的情況，這可能與沉積物的形成過程有關(guān)，沉積物是蠟析出后包裹原油形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較小的原油量可能導(dǎo)致蠟含量的上升。

1#凝析油的蠟沉積速率明顯大于其余兩種凝析油，綜合表1的油品物性情況，其膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量明顯偏大。Yun 等[4]證明了瀝青質(zhì)的分散或絮凝程度對于蠟沉積存在一定影響，當(dāng)瀝青質(zhì)含量小于臨界濃度時，瀝青質(zhì)可以較好地分散在沉積物中，與石蠟完全合并；當(dāng)瀝青質(zhì)含量大于臨界濃度時，石蠟在瀝青質(zhì)粒子上結(jié)晶，形成無組織的石蠟-瀝青質(zhì)結(jié)垢，有利于降低沉積物的屈服特性，且在油流剪切作用下，沉積物更易發(fā)生脫落。研究表明，臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%[4]，1#凝析油的瀝青質(zhì)含量小于該值，2#、3#凝析油的瀝青質(zhì)含量大于該值，導(dǎo)致在相同沉積時間下析蠟特性有所差異?？紤]到膠質(zhì)是瀝青質(zhì)的良溶劑，兩者存在較明顯的交互協(xié)同作用，故膠質(zhì)對析蠟特性的影響與瀝青質(zhì)大致相同，不再冗述。此外，2#、3#凝析油的沉積物蠟含量明顯大于1#凝析油，這是由于高濃度膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在會加快沉積物的老化過程，促進(jìn)油流和沉積物之間蠟分子的擴(kuò)散和反擴(kuò)散，導(dǎo)致沉積物中的蠟含量增大，油流中的蠟含量減小。

綜上所述，不僅油壁溫差對析蠟特性產(chǎn)生影響，膠質(zhì)特別是瀝青質(zhì)的含量對于析蠟特性的影響也較大，1#凝析油的蠟沉積速率較大，清管周期較短；2#、3#凝析油的沉積物蠟含量較大，管壁處高碳數(shù)的烴類含量較大，蠟質(zhì)較硬，故此存在一定的清管卡堵風(fēng)險。

2.2 油壁溫度區(qū)間對析蠟特性的影響

保持油壁溫差10 ℃、油流速度0.2 m/s，考察不同油壁溫度區(qū)間對析蠟特性的影響，見表3。隨著油壁溫度區(qū)間的減小，沉積物質(zhì)量和蠟沉積速率呈增大趨勢。根據(jù)分子擴(kuò)散理論，當(dāng)壁溫低于油溫時，油流會與壁面形成徑向溫度梯度，溫度區(qū)間越低，蠟分子在油流和壁面處的溶解度越低，但此時油流主體與壁面處的蠟晶分子徑向濃度梯度卻未明顯減小，導(dǎo)致析蠟區(qū)間不斷增大，蠟沉積量有所增加。

表3 溫度區(qū)間對析蠟特性的影響

3種凝析油沉積物析蠟點(diǎn)和蠟含量的變化均與蠟沉積速率的發(fā)展趨勢相同，同樣1#凝析油的蠟沉積速率最大，蠟含量較小，原因與2.1節(jié)的分析相同。

2.3 油流流速對析蠟特性的影響

在油壁溫度區(qū)間18℃/8℃的條件下，考察不同油流流速對析蠟特性的影響，見表4。隨著油流流速的增加，沉積物質(zhì)量和蠟沉積速率先增大后減小，說明流速對蠟沉積的影響存在臨界狀態(tài)。這是由于流速增大初期，管壁處的蠟分子濃度梯度增大，相應(yīng)的蠟沉積速率增大；當(dāng)流速增加到一定程度后，油流對壁面沉積物的剪切作用增強(qiáng)，沉積物表層較軟的原油和蠟被沖刷掉，導(dǎo)致蠟沉積速率減小，傳熱和剪切作用的綜合作用影響蠟沉積速率[5]。此外，沉積物析蠟點(diǎn)和蠟含量隨油流速度的增加而增大，說明實(shí)際蠟沉積質(zhì)量受剪切作用的影響更大。

表4 油流流速對析蠟特性的影響

2.4 蠟沉積速率模型的參數(shù)回歸

黃啟玉等[6]認(rèn)為剪切彌散對蠟沉積的作用很小，分子擴(kuò)散和剪切剝離的作用較大，采用蠟沉積傾向系數(shù)對Fick 公式進(jìn)行了完善[7]，動力學(xué)蠟沉積速率模型見下式：

式中：W為蠟沉積速率，g/(m2·h)；f'為蠟沉積傾向系數(shù)；μ為油品黏度，mPa·s；τw為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；dC/dT為管壁處蠟晶溶解度系數(shù)，10-3/℃；dT/dr為管壁處徑向溫度梯度，℃/mm；k、m、n為根據(jù)原油物性和工況條件擬合得到的無量綱參數(shù)。

按照2.1～2.3 節(jié)的結(jié)果，蠟沉積速率、油溫、壁溫、油品黏度μ、管壁處剪切應(yīng)力τw、管壁處蠟晶溶解度系數(shù)dC/dT、管壁處徑向溫度梯度dT/dr、油流流速，分別設(shè)置為X0～X7。通過計算斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析不同變量之間的多重共線性，見表5。如果兩個變量的相關(guān)系數(shù)大于0.8，則認(rèn)為兩者間存在重復(fù)信息。X0與X1、X2、X4存在多重共線性，X1與X3存在多重共線性，X2與X4存在多重共線性，X3與X7存在多重共線性，X4與X7存在多重共線性。綜合分析，將油溫、壁溫、油流流速等變量刪除，剩余變量與式（1）的選取結(jié)果一致，證明了動力學(xué)蠟沉積模型參數(shù)選取的合理性。

表5 蠟沉積影響因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

對剩余變量采用另一種評價方法-方差膨脹因子（VIF）驗證變量篩選結(jié)果[7]，見表6。其中，剩余變量的VIF均小于10，說明此時每個變量可表示一種確切的物理意義，體現(xiàn)不同參數(shù)對蠟沉積速率的影響。

表6 剩余變量的共線性診斷結(jié)果

常規(guī)計算k、m、n參數(shù)的方法是通過變量替換將式（1）的非線性形式轉(zhuǎn)化為線性形式：

將式（2）兩邊取對數(shù)，見下式：

令lnf'=y、lnτw=x1、ln(dT/dr)=x2，則式（3）可轉(zhuǎn)化為：

通過對上式進(jìn)行多元線性回歸，即可解得k、m、n的參數(shù)值。但該模型存在以下問題，即解得的參數(shù)值為式（3）的最小二乘估計，不是原始式（2）的最小二乘估計，兩者存在不同源現(xiàn)象。在此采用1stOpt軟件進(jìn)行全局優(yōu)化求解，該軟件可在不使用待求參數(shù)初始估值的基礎(chǔ)上，根據(jù)最近兩次迭代差值的閾值限制確定最優(yōu)解[8]。該軟件中內(nèi)置了多種優(yōu)化算法，以1#凝析油為例，采用決定系數(shù)、均方差、平均相對誤差、最大相對誤差絕對值作為評價指標(biāo)，見表7。常規(guī)變量替換法中設(shè)置k、m、n的初值均為1，算法迭代容差值為1×10-9。除變量替換法外，其余算法的誤差范圍和等級均在相同水平內(nèi)，Levenberg-Marquardt 算法的誤差最小，模型精度最高，故采用該算法作為參數(shù)估計方法。同理，得到3種凝析油的參數(shù)估計值，見表8。

表7 不同參數(shù)估計算法的結(jié)果及誤差分析（1#凝析油）

表8 3種凝析油的參數(shù)估計值

3 管道沿線蠟沉積預(yù)測

3.1 蠟沉積預(yù)測

以一條實(shí)際管道為例，利用回歸得到的參數(shù)估計值建立蠟沉積速率模型，預(yù)測管道沿線的結(jié)蠟情況。管道全長63.5 km，管徑254 mm，壁厚9.5 mm，起點(diǎn)溫度30 ℃、末點(diǎn)壓力0.5 MPa，輸量150 × 104t/a。管道為不保溫埋地鋪設(shè)，從內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)形式依次為鋼管、環(huán)氧粉末涂層、膠黏劑和聚乙烯，根據(jù)夏季、春秋季和冬季土壤溫度的不同，利用蘇霍夫公式反算總傳熱系數(shù)分別為0.751、1.654、2.885 W/(m2·K)，對以上3 種總傳熱系數(shù)的蠟沉積情況進(jìn)行預(yù)測[9]，見圖3。不同季節(jié)蠟沉積厚度變化趨勢大致相同，1#凝析油的蠟沉積層厚度最大，3#凝析油的蠟沉積厚度最小。以夏季為例，在管道沿線起始10 km 內(nèi)，油流主體溫度高于析蠟點(diǎn)，此時無蠟沉積產(chǎn)生；之后受溫度對流換熱的影響，油流溫度下降至析蠟點(diǎn)及以下，蠟分子開始析出，并在13 km 附近逐漸達(dá)到高峰，該管段的油壁溫差最大，分子擴(kuò)散作用最強(qiáng)；之后盡管油流和管壁溫度均低于析蠟點(diǎn)，但蠟沉積速度有所減緩并逐漸減小至0。不同季節(jié)的總傳熱系數(shù)不同，總傳熱系數(shù)越小，油流的散熱損失越小，蠟沉積開始位置和峰值位置向管道后方移動，且峰值大小逐漸減?。环逯滴恢们肮芏蔚南灣练e厚度增加幅度要大于后管段的蠟沉積厚度減小幅度。綜上所述，1#凝析油在冬季時的結(jié)蠟風(fēng)險較高，應(yīng)予以著重防護(hù)。

3.2 結(jié)果驗證

對3.1 節(jié)中的管道在運(yùn)行15 d 后進(jìn)行清管操作，采用射流清管器，清管器與管壁摩擦力為1 000 N，清管器質(zhì)量150 kg，旁通率15%，在首站發(fā)球、末站接球，根據(jù)首末站的壓差確定沿程摩阻情況，并反算當(dāng)量蠟沉積厚度[10]，將其作為實(shí)際蠟沉積厚度，與本文動力學(xué)蠟沉積速率計算的蠟沉積厚度進(jìn)行對比，見表9。當(dāng)量蠟沉積厚度和模型蠟沉積厚度均先增大后減小，兩者的峰值厚度分別在5.604 km 和7.548 km 處。除在清管器到達(dá)管道末端的時間外（37 h），其余位置處蠟沉積厚度的相對誤差范圍在[-18.63%,27.35%]，平均相對誤差絕對值為6.12%，滿足工程實(shí)踐的需求，進(jìn)而證明了動力學(xué)蠟沉積模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表9 蠟沉積厚度結(jié)果驗證

4 結(jié)論

1）利用環(huán)道實(shí)驗裝置，探討了不同因素對凝析油析蠟特性的影響，油壁溫差越大、油壁溫度區(qū)間越小，沉積物質(zhì)量和蠟沉積速率越大，油流流速對蠟沉積的影響存在臨界狀態(tài)；膠質(zhì)特別是瀝青質(zhì)的含量對于析蠟特性的影響也較大，1#凝析油的蠟沉積速率較大，2#、3#凝析油的沉積物中蠟含量較大，蠟質(zhì)較硬存在一定的清管卡堵風(fēng)險。

2）分別通過相關(guān)系數(shù)矩陣和方差膨脹因子驗證了動力學(xué)蠟沉積速率模型中參數(shù)選取的準(zhǔn)確性，并通過全局優(yōu)化求解方法對無量綱參數(shù)進(jìn)行求解，其中Levenberg-Marquardt 算法的誤差最小、模型精度最高。

3）通過現(xiàn)場清管作業(yè)，對比了當(dāng)量蠟沉積厚度和模型蠟沉積厚度，相對誤差范圍在[-18.63%，27.35%]，平均相對誤差絕對值為6.12%，滿足工程實(shí)踐的需求，證明了動力學(xué)蠟沉積模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。