低輸量含蠟原油管道清蠟若干問題分析

曹亞文，董 婧, 曹亞雄, 張世虎

低輸量含蠟原油管道清蠟若干問題分析

曹亞文1，董 婧1, 曹亞雄2, 張世虎3

（1. 長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710016； 2. 長慶油田分公司第四采油廠，陜西 靖邊 718500; 3. 長慶油田分公司第三采氣廠，陜西 西安 710016）

含蠟原油在低輸量下運行，既不經濟又不安全。從含蠟原油的流變性特點出發，結合熱油管道的管道特性，說明了含蠟原油管道低輸量運行下清蠟的必要性。為保證低輸量管道運行的經濟性，需要確定合理的清蠟周期和余蠟厚度，通過分析國內學者所做的研究，總結了清蠟周期和余蠟厚度計算的一般思路和需要考慮的條件。介紹了清管器清管過程所需壓差的估算方法，分析了蠟沉積物的影響因素和國內外的蠟沉積模型的研究進展，明確了后期的研究方向，為解決低輸量清蠟問題提供理論支持。。

低輸量；含蠟原油；蠟沉積；清蠟

低輸量是指低于加熱正輸允許最低的輸量。原油管道的設計輸量一般是按油田高產期的產量設計的。由于油田自然老化，原油外輸量減少，以及煉廠煉油能力下降等原因，使我國多數管道出現低輸量情況。截至2012年底，我國原油管道已達1.89萬 km[1]。 其中，西部原油管道和東北部分原油管道面臨低輸量運行問題的困擾，這主要是由我國國情和原油的物性決定的。我國年產原油2億t，80%以上是易凝高粘原油，高含蠟，高凝點，高粘度，流動性差，運行時大多采用加熱輸送工藝。管道出現低輸情況后，實際輸量低于設計輸量，甚至低于加熱正輸允許最低輸量，不僅增加輸油成本，而且管輸的熱力條件不能滿足，水力條件惡化，進入不穩定區，有凝管的危險。因此，含蠟原油管道低輸量下的安全經濟運行意義重大。

1 低輸量含蠟原油管道清蠟的必要性

含蠟原油低輸量運行時，流速較低，單位油流的散熱時間加長，軸向溫降加大，而含蠟原油流變性對溫度非常敏感，隨溫度降低,油的粘度顯著增大，而且流速越低，剪切速率越低，粘度隨溫度降低而增大的速度越快。同時在低流速下運行，管道溫降加快，油壁溫差加大，蠟分子濃度梯度加大，分子擴散作用加強，使結蠟強度增強。同時隨流速下降，層流管段加長，蠟沉積強度比紊流下增強[2-4]。而且流速降低減少了對凝油層的沖刷，管壁的凝油層加厚，油流的流通面積減小。兩者作用下，流通面積進一步減小。

當熱油管道粘度增大和當量管徑減小對摩阻的影響大于流量下降對摩阻的影響時，含蠟熱油的管路特性曲線出現隨輸量減小、摩阻逐漸上升的現象，此時管道進人低輸量不穩定區。而摩阻上升，泵需要提供的壓力上升，根據泵特性曲線，導致流量進一步下降，形成惡性循環，若處理不當就有凝管停輸的危險，造成重大事故。當結蠟厚度持續增加，出現輸量降低、壓力升高的背離趨勢且出站壓力達到允許值的90%時，低輸量管道必須清蠟[5-7]。

2 清蠟周期和經濟結蠟厚度

清蠟周期的確定和確定管線的結蠟厚度有關。清蠟周期過短則清管費用增大, 清蠟周期過長則輸油能力下降。而含蠟原油的結蠟對其低輸量運行存在兩方面相反的影響：一方面，降低管道總傳熱系數和熱損失，使熱力消耗減小；另一方面，使管道流通面積減小，動力消耗增加。因此，對于低輸量運行的含蠟原油管道應保持一定的結蠟厚度，因此存在一個經濟結蠟厚度或者是清管后的余蠟厚度[8,9]。

王岳等[10]考慮在其他條件相同的情況下，輸送每 t?km油品時有結蠟層比無結蠟層所節約的燃料費用和多消耗的動力費用，以節省的能耗費用構造目標函數，用C語言編程和對分法求解其最大值，得出低輸量運行時的經濟結蠟厚度。該模型在傳統模型[11]的基礎上，考慮了結蠟對能耗的影響，有一定的進步，但沒有把經濟結蠟厚度和清蠟周期聯系起來，限制了模型的應用。江國業等[12]提出先確定給定流量下的經濟余蠟厚度，再建立輸油成本（包括動力費用，燃料費用，清管費用）關于清管周期的函數。存在一組對應的余蠟厚度和清管周期下，使輸油成本最小。求解過程：一定流量下，給出一個余蠟厚度的初值，按時間步長逐步搜索最優清管周期得出其輸油成本，然后改變余蠟厚度，再計算最優清蠟周期和成本，直至余蠟厚度達到管堵的臨界結蠟厚度時停止搜索，比較其輸油成本，得出該流量下的經濟余蠟厚度和清蠟周期。

從前人的研究中看出，清蠟周期的確定一般以輸油成本最小為目標建立關于余蠟厚度和清蠟周期的成本模型，通過搜索法、數值方法、枚舉、結合管道運行數據等方法得出一個最優余蠟厚度下對應的清蠟周期[13-15]。

3 清管器清管過程所需壓差分析

含蠟原油清蠟方法目前最普遍的是采用清管器，但清蠟主要憑經驗，缺乏理論支撐。制定清管方案過程中很重要的一項是估算清管過程中所需的壓差，因此需要對清管器所受到的阻力進行評價。如過低估計蠟沉積物的阻力，可能會造成清管器發生“卡堵”事故，而過高估計蠟沉積物的阻力，又會增加清管頻率，給企業帶來不必要的經濟支出。

3.1 壓差估算方法

清管器前后壓差中一部分用于剝離蠟沉積物。剝離蠟沉積物所需壓差與蠟沉積物厚度、沉積物抗剪切強度和清管器類型有關。假設蠟沉積物厚度均勻，清管器對蠟沉積物的作用力均勻分布在接觸面上，采用圓盤清管器，則清管器前后由于用于克服蠟沉積物剪切應力而產生的壓差 與蠟沉積物內最大剪應力 的關系如公式（1）所示[16]：

式中： Δp1——克服蠟沉積物剪切應力而產生的壓差，Pa）

δ——蠟沉積物的厚度，m；

D——管道內徑，m。

在清管器作用下，蠟沉積物內最大剪應力大于或等于其抗剪切強度時，蠟沉積物結構失效，從管壁上剝離。式（1）表明，清管器剝離蠟沉積物所需壓差計算的關鍵是確定蠟沉積物的抗剪切強度和厚度。

3.2 蠟沉積物抗剪切強度的影響因素

（1）溫度對蠟沉積物抗剪切強度的影響

當油壁溫差和流速不發生變化時，由于油溫的升高，原油粘度減小，管壁處凝油層中蠟分子部分重新回到原油中使得濃度梯度降低，擴散系數變大，而管壁處溫度梯度基本不發生變化，管壁剪切應力減小，油流對蠟沉積層的沖刷作用減弱[17]。

（2）流速對蠟沉積物抗剪切強度的影響

管流流速增大，管壁處剪切應力增大，管流對蠟沉積物沖刷作用增強，管壁蠟沉積減弱，雷諾數越大，蠟沉積越少，層流蠟沉積相對于紊流嚴重。因此紊流狀態下，加大管輸流量，粘性底層厚度減少，油溫和管壁溫差減小，管壁處剪切應力對蠟沉積物的剪切作用增強，這些因素都將沖刷掉部分管壁上的蠟沉積物。

（3）沉積時間對蠟沉積物抗剪切強度的影響

沉積時間對蠟沉積物抗剪切強度的影響包括：蠟含量的增加和蠟晶形態的改變。大多文獻認為，隨沉積時間的增加，蠟沉積物的蠟含量增加，導致沉積物變硬。此外，隨沉積時間的增加，沉積物內蠟晶的形態會發生改變，增大了蠟沉積物的抗剪切強度。

（4）原油組成對蠟沉積物抗剪切強度的影響

原油組成對蠟沉積物抗剪切強度的影響主要表現在以下幾個方面：原油組成影響臨界碳數，從而影響了蠟沉積物的碳數分布，也就是說，原油組成不僅影響蠟沉積物內蠟的碳數分布，也影響沉積物內液態油的碳數分布；原油的組成影響蠟的溶解度，進而影響沉積物的老化速率；沉積過程初始膠凝層中的液相來源于管輸原油，原油中的一些重要組分，如瀝青質，也會顯著影響蠟沉積物的抗剪切強度。

國內外很多學者開展了對蠟沉積物抗剪切強度的理論研究，取得的成果有助于認識蠟沉積物的性質。然而，前人得到的結論多為定性或間接結論，未定量確定蠟沉積物的抗剪切強度。同時，前人多采用環道或冷指研究蠟沉積，由于室內實驗裝置與現場管道的操作條件存在顯著差異，導致蠟沉積物的性質也可能不同。因此，要定量確定現場管道蠟沉積物抗剪切強度，仍需開展大量研究。

3.3 蠟沉積模型

國外 Fogler[18,19]課題組在蠟沉積研究上做出了突出貢獻，提出了蠟沉積物的形成包括五個過程，即① 管壁上形成初凝層；② 大于臨界碳數的烷烴分子由油流向膠凝層擴散； ③ 部分烷烴分子在油流-沉積物界面處析出，增加蠟沉積物厚度，部分烷烴分子向膠凝層內擴散； ④ 擴散進入沉積層內的烷烴分子析出； ⑤ 膠凝層內低于臨界碳數的烷烴分子向沉積層外反擴散。由以上蠟沉積物的形成機理可知，蠟沉積物并非完全由蠟組成，主要為蠟晶網絡包裹液態油，也屬于膠凝油。

在 Fogler 課題組提出的蠟沉積物的形成過程模型的基礎上 Singh[18]建立了層流條件下的蠟沉積模型，并編寫了蠟沉積預測軟件 Michigan Wax Predictor（簡稱 MWP）。同時，該作者用小型環道進行實驗，驗證了模型計算的準確性。結果表明：層流條件下，模型計算結果與實驗結果吻合很好；紊流條件下，模型計算結果大于實測結果。Hernandez[20]在Singh等人基礎上，加入剪切的作用，完善了蠟沉積模型。該模型的計算結果與 Tulsa試驗環道結果吻合良好。韓善鵬[21]通過引入蠟結晶動力學常數，考慮了未析出的過飽和蠟分子對蠟沉積的影響，進一步完善了模型。并用小型和中試環道開展了層流和紊流條件下的蠟沉積實驗，評價了模型計算的準確性。結果表明，模型計算結果與實測結果吻合較好。

目前的蠟沉積模型可較準確計算蠟沉積物的厚度和蠟含量。然而，這些模型都不能計算蠟沉積物的性質，如抗剪切強度。對蠟沉積物性質的了解，有助于制定合理的清蠟方案。因此，繼續完善目前的蠟沉積模型，使模型能夠計算蠟沉積物的性質，是未來研究的方向。

4 結束語

低輸量運行的含蠟原油管道，由于含蠟原油對溫度敏感和熱油管道中等流量區的管路特性特點，決定了其在低輸量含蠟原油管輸的不經濟性和不安全性。在合適的結蠟厚度下，可以減少熱力損失，有利于低輸量管道的經濟安全運行，因此每次清蠟時需要保留一定的余蠟厚度。清蠟的方式和清蠟周期的確定，要根據管道的實際情況，從經濟和安全兩方面綜合考慮確定，還要時刻監測管道運行數據的變化，及時調整清蠟方案。進行清管作業時，為了制定經濟合理的清管方案，需要對清管過程所需要的壓差進行估算。因此開展現場管道蠟沉積物抗剪切強度定量分析以及蠟沉積物的厚度和蠟含量預測模型研究是當前急需解決的問題。

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Analysis on Some Problems About Wax Removal of Waxy Crude Oil Pipeline at Low Flow Rate

CAO Ya-wen1，DONG Jing1，CAO Ya-xiong2，ZHANG Shi-hu3
（1. Changqing Oilfield Company the Fifth Oil Production Plant, Shaanxi Xi’an 710016，China; 2. Changqing Oilfield Company the Fourth Oil Production Plant, Shaanxi Jingbian 718500，China; 3. Changqing Oilfield Company the Third Gas Production Plant, Shaanxi Xi’an 710016，China）

Running of waxy crude oil pipeline at low flow rate is neither economic nor safe. In this paper, the necessity of wax removal of waxy crude oil pipeline running at low flow rate was clarified, combining the characteristics of hot oil pipeline based on waxy crude oil rheology. To ensure the pipeline running economy, the wax removal cycle and the thickness of left wax should be determined in advance. The determination method and the conditions that should be considered were introduced by analyzing the domestic research findings. The calculation method of differential pressure that needed during the process of pigging was introduced. The affecting factors on wax sediment and progress of wax deposition models were analyzed, the direction of further research was cleared, which could provide theoretical support for wax removal.

Low flow rate; Waxy crude oil; Wax deposit; Wax removal

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）04-0770-03

2014-11-09

曹亞文（1990-），男，陜西靖邊人，畢業于西安石油大學油氣開采專業。研究方向：在定邊縣從事于石油生產一線基層管理和生產工作。E-MAIL：530062370@qq.com。