含蠟原油輸送管道的再啟動保護

賈雪松 王飛 趙海燕 (大慶石油學院)

含蠟原油輸送管道的再啟動保護

賈雪松 王飛 趙海燕 (大慶石油學院)

科特原油管道系統非計劃停輸三周后,成功地進行了再啟動。這是利用降凝劑為輸送含蠟原油的管道系統提供再啟動保護的成功范例。此例為實驗室所預測的數據和現場實際的再啟動數據之比較提供了資料。

含蠟原油 管道停輸 管道再啟動 降凝劑

1 背景

科特油田由兩個油藏組成,鉆探試驗取得的油樣評價表明,某些油井的原油傾點高達24℃,用模型管道測得0℃時的屈服值高達120 Pa。

由于科特原油的含蠟特性,以及受輸送管道和增壓泵的限制,制定了提供給海爾德A平臺原油的性能要求,最高傾點定為0℃,0℃時測得的最大屈服值為16.8 Pa。

受原油產量的限制,不可能在管道啟動之前進行廣泛的降凝劑室內實驗。不過,已篩選出一種有效的降凝劑,但需要的添加量大,處理成本高。

1984年荷蘭大陸石油公司首次從科特油田生產原油。為了研究可靠的方法和步驟,以定量蠟的嚴重影響程度,以及研制可使管道系統在最低成本下安全運行的降凝劑,該公司制定了一個實驗室計劃。該計劃主要集中于儀器和方法的研究,使實驗室測定的原油傾點和屈服值能代表和反映管道系統內原油的實際物性。這種方法一旦確定,便能評價賣方提供的或者室內研制的各種降凝劑,以確定最有效的廉價藥劑。

2 試驗方法的研究

2.1 傾點

以傾點來表示含蠟原油的特征,以及熱歷史對結果的影響已有廣泛的報道。在此項研究中,處理前后原油的傾點是用修改后的ASTM-D97試驗方法來確定 (該方法中修改了油樣的預熱溫度)。標準方法要求試驗期間 (在降溫之前)將試樣加熱至46℃。修改后的試驗方法是將試樣重新加熱至現場原油可能受到的最熱溫度,一般是油藏溫度或加熱爐 (處理器)溫度。根據室內和現場對大量原油的測定,包括科特原油在內,可以相信,修改后的方法更能精確地指示現場條件下的傾點。

對科特油而言,油藏溫度約為70℃,平臺處理溫度為74℃。因此,在修改后的方法中,試樣被加熱至74℃,持續2 h,然后冷卻,直至凝固,確定其傾點。在平臺上 (用地層原油)和試驗室對標準的和修改后的試驗方法進行了比較。在平臺上試驗時,用取自74℃的原油作為就地熱油試樣,然后冷卻,直至凝固。這樣總是得出最低的傾點,這種傾點稱為“實際傾點”。

試驗前,如果將這些試樣中的一部分降至環境溫度,然后重新加熱至46℃,通常會測得較高的傾點。另一方面,如果在實驗前將冷卻至環境溫度的一部分試樣重新加熱至74℃,便得到與實際傾點相近的結果。

室內實驗是在荷蘭和美國兩地進行的,同樣的溫度影響甚至比平臺上觀察到的更明顯。試樣被運送上岸及至美國的過程中,經歷了較大的溫度變化。對試樣進行了大范圍的預熱溫度試驗,然而,只有當試樣被重新加熱至現場溫度時,所測得的結果才與用地層原油測得的“實際傾點”相近。

2.2 屈服點

為了能預測管道系統所需的再啟動壓力,原油的屈服點或膠凝強度比其傾點更為有用,不足之處是缺少標準的工業測試方法,而且需要48 h或更長的測試時間,所需的原油用量也較大。

原油的屈服值由浸泡在溫控水域中的模型試驗管道測定。最初的試驗和方法研究在俄克拉荷馬州龐克城Conoco研究發展中心的模擬管路上進行,管道直徑25.4 mm,長3.05 m。然后建立了同樣的第二條模擬管路。建立第二條模擬管路是為了就地監控和實施屈服值特性的測試,同樣避免運送大量試樣到美國,節省了時間和費用。從技術觀點看,將第二條模擬管路就地安裝在平臺上是非常理想的,但由于受場地和人力的限制而未實施。

研究計劃進行到6個月,建立了第三條模擬管路,其直徑6.17 mm,長16 m,目的是從這條與工業上規模相近的模型管道得到對比數據。

對測試變量,如預加熱溫度、冷卻速率、剪切速率和測試溫度等影響的研究,證實了其他人所報道的一般趨勢和觀察結果。這些變量對科特原油也很重要。此外,不可能標定模型管路,因為文獻中幾乎沒有報道過相似條件下從現場管道系統和室內模擬管路測得的屈服值和再啟動壓力數據。另外,不可能得到標定模型管路所需的同樣液體測試試樣。現場模擬數據相當少并不奇怪,即使從室內得到數據相當容易,含蠟原油管道的操作人員并不愿意關閉幾天或數周去做這種實驗,不僅是由于產量減少而降低收益,若原油形成阻礙流動的膠凝結構,還要冒不能再啟動的風險。

最后,選取的測試條件最接近模擬現場原油所處的條件。

對11家藥劑商推薦的降凝劑進行了傾點和屈服值的性能評定。由于降凝劑只對特定原油有效,故在推薦之前,每個廠家都用其產品對科特原油進行了試驗。

所做的最后評定是在未處理原油中加入一個已知量的藥劑,按Conoco公司研究的方法測量傾點和屈服值,改變降凝劑濃度使之滿足性能要求。最后選取了Conoco公司的 Gelstop78降凝劑?？铺睾吐甯窕旌嫌偷奶幚碜钣行?。為了達到0℃時的傾點和0℃時所測的屈服值為16.8 Pa的要求,在科特和洛格混合油中只需體積濃度為 0.000 2～0.000 25的添加劑 (在單一的科特原油組分中需0.000 325～0.000 4)。為了確定溫度對原油屈服值的影響,模型管路除了在0℃測試外,還在3、6、9℃進行了測試,以確定降凝劑處理方案的安全邊界和觀察海底溫度季節性變化的影響。

兩條直徑不同的模型管路測得的結果在此屈服值范圍 (19 Pa)吻合得很好。在更高的屈服值范圍 (如未處理原油的屈服值),小直徑模型管路比大直徑模型管路測得的屈服值高2～3倍。冬季最低海底溫度為3～6℃,夏季為9～12℃。6℃時的屈服值比0℃的屈服值低一半多;9℃時的屈服值再小一半,故處理到3℃,即低于當時的海底溫度,應該是達到一定的界限了。

3 系統停輸

一艘長166 m的瑞典輪船在一次臺風中失控,大風和巨浪驅使該船漂向海爾德和黑爾姆平臺,該船在輸送管道處下沉,之后不久管壓突然下降,管道被迫停運。臺風過后的第三天,調查船證實,失事船的殘骸正橫臥在管道線路上。

當管道停運時,科特-海爾德管段內的原油含0.000 142的降凝劑。據估計,海水溫度為 6～7℃。

從荷蘭SGS試驗室搜集的歷史平均數據可以看出,科特和洛格混合油的屈服值在6℃時預測為

11.5 Pa。再啟動壓力由下式計算:

式中P——再啟動壓降,MPa;

Y——屈服值,Pa;

L——管道長度,km;

D——管道內徑,mm。

科特—海爾德管道長20.4 km,直徑286 mm,預計再啟動壓力為3.3 MPa。

4 系統的再啟動

修復管道用了24天,在失事船殘骸兩端將管道截斷,另敷設一段新管旁路連接。重新再啟動管道并嚴密監測壓力讀數。泵啟動10 min后,科特平臺上最高出口壓力為3.6 MPa,管道終端的相應表壓為0.2 MPa。故啟動時,管道上的最大壓降為3.4 MPa,這與預計的啟動壓力值3.3 MPa非常相近。

用處理過的原油將停輸期間管內的原油替換出來,并以此作為試樣,用兩種模型管路——荷蘭SGS試驗室大直徑模型管路和Conoco研究發展中心小直徑模型管路進行了測試。模型管路測得結果一般都有一定的差別,不過,在此屈服值范圍內,這些數據表明兩條模型管路給出的結果相差不大。此外確定了再啟動壓力應在2.1～3.5 MPa范圍。

5 結論

降凝劑可有效地用于輸送含蠟原油管道的再啟動保護。在科特管道非計劃停輸期間采用了這種處理方法,這是由于它能防止原油凝固,使原油迅速重新流動,不超過原油的再啟動壓力。然而,降凝劑只對特定的原油有效,故應仔細地進行篩選。

用模型管路可以預測再啟動壓力的大小。試驗條件對測試結果有很大影響,因此試驗條件應盡可能地符合現場條件。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.014

2009-05-21)