管道原油結蠟速率實驗與清管技術研究

何緒蕾

摘 要：針對原油在管道集輸過程中在管壁結蠟危害的問題，首先分析了管道結蠟沉積機理，在此基礎上，綜合考慮了蠟分子濃度梯度、管壁處剪切應力、油流溫度梯度以及粘度等因素建立結蠟沉積速率模型，根據實際油田地區情況，結合當地季節土壤溫度，做了含水率、集油溫度、流量等對結蠟速率的影響，研究表明含水率在65%左右，也就是在轉相點附近管道結蠟速率最高，主要是原油粘度影響較大;集油溫度越高，結蠟速率越低，是由于溫度的高低決定了分子的擴散和熱運動大小;流量越大，結蠟速率越低，是因為剪切應力破壞了管壁結蠟沉積強度。針對結蠟對管道堵塞腐蝕的影響，選取PIG清管技術進行處理，能夠有效的降低管道輸送壓力，降低管道穿孔風險，在保障年輸量的條件下，節約電量高達4.32×105 kW？h，年運行費用減少了123.89×104元。實驗結果有助于指導該地區原油集輸管道工程設計。

關 鍵 詞：集輸管道;機理分析;模型;PIG清管技術

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1388-04

Experiment of Paraffin Deposit Rate in Crude Pipeline and Pigging Technology

HE Xv-lei

（Sinopec International Petroleum Exploration and Development Co.， Ltd.， Beijing 100029，China）

Abstract： Aimed at hazards of paraffin deposit rate in crude oil gathering and transferring process， firstly wax deposition mechanism was analyzed.On this basis， considering the wax molecule concentration gradient and wall shear stress， flow， temperature gradient， viscosity and so on， the wax deposition rate model was established. According to actual oil field condition， combined with the local seasonal soil temperature， effect of moisture content， oil temperature and flow rate on the paraffin deposit rate was investigated. The results show that， when the moisture content is about 65%， which is near the phase inversion point， the wax precipitation rate is the highest， which is mainly caused by greater viscosity of crude oil; The higher the oil temperature， the lower the wax precipitation rate， which is due to that the temperature can affect the molecular diffusion and heat movement; The lower the flow rate， the higher the wax precipitation rate， which is due to that the shear stress can damage wall wax deposition. In order to decrease effect of the paraffin deposit rate on pipe blockage and corrosion， the PIG pigging technology can be used， it can effectively reduce the pipeline pressure and the pipeline perforation risk; Under the condition of ensuring annual throughput， 4.32×105 kW·h power can be saved， annual operation cost can be decreased by123.89×104 Yuan. The results help guide for engineering design of crude oil pipeline in the region

Key words： Pipeline; Mechanism analysis; Model; PIG pigging technology

我國開采出來的原油，普遍具有“三高”特點，即高含蠟、高凝點、高黏度，原油在開采和集輸過程中，大部分管道原油含蠟質量分數在15%～30%，也有達到40%～50%，含蠟量越高，析蠟溫度也越高，析蠟溫度高會導致管道容易結蠟，影響原油管道正常輸送。原油在管道輸送過程中，沿程管道內溫度會降低，當溫度低于析蠟溫度時，原油中的石蠟開始結晶析出，附著在管道內壁上，形成結蠟中心，隨著溫度的繼續降低，管壁內壁附著的晶體逐漸變大、變厚，導致輸油管道有效流通內徑逐漸變小，輸送能力下降，嚴重時可能造成管道結垢堵塞，各石油儲運管道公司每年需要投入大量的資金和人力在管道保溫清蠟工作中。因此，對原油集輸管道結蠟的深入研究顯得十分必要[1]。

1 管道內石蠟沉積機理分析

原油集輸管道蠟沉積受到多種因素的共同影響，其中包括集輸溫度、管壁溫度、輸送流速、含水率、原油輕質成分以及管壁材質等等。下面簡要介紹下以上幾種機理[1-4]：

1.1 分子擴散

在輸油管道中，石蠟分子在不同的部位濃度不同，原油中的石蠟分子濃度高于管壁處，由于濃度梯度的影響，石蠟分子向管壁移動、聚集、沉淀，并且沿程管壁溫度的降低，當低于析蠟溫度和集輸溫度，石蠟分子將大量運移到管壁處，形成結蠟中心。分子擴散定律表達式如下：

式中：—單位時間單位面積擴散的蠟分子的質量，;—蠟密度，;—蠟分子擴散系數，;—蠟分子徑向濃度梯度，m-1。

1.2 剪切彌散

與分子擴散中的濃度梯度機理不同，剪切彌散機理主要是從管道中原油流速角度出發，強調在流場速度梯度的作用下，石蠟分子由原油中運移到管壁處。當管壁處的溫度高于油流溫度或者與油流溫度差不多時，并且管壁處存在石蠟結晶，這說明是剪切彌散作用導致管壁結蠟，而并非分子擴散作用。

1.3 布朗運動

原油中石蠟晶體的無規則熱運動，即布朗運動，石蠟晶體顆粒存在于原油中，由于存在濃度梯度，油流中的石蠟晶體濃度較高，石蠟晶體從較高濃度區域運移到管壁低濃度區，沉降、聚集附著在管壁上，減小管道有效流通橫截面積。

1.4 布朗運動

石蠟晶體顆粒密度與原油密度不同，由于重力作用，石蠟晶體顆粒沉降在液流底部，逐漸沉積。

1.5 剪切剝離與老化機理

隨著油流速度的增大，管壁與油流溫差減小，剪切應力增大，紊流比層流結蠟能力低，管壁蠟沉積速度降低，而且隨之增大的剪切應力能夠沖擊石蠟沉積強度，當剪切應力達到一定值后，可能直接將石蠟從管壁沖刷下來。老化機理是指低于油流溫度時，首先在管壁處會形成凝油層，隨后，石蠟分子會通過凝油層繼續向管壁運移，導致管壁處沉積石蠟越聚越多，含油量變小[4]。

2 建立石蠟沉積速率模型

根據室內模擬實驗，建立石蠟沉積速率模型。該模型考慮了蠟分子濃度梯度、管壁處剪切應力、油流溫度梯度以及粘度等，首先計算了蠟沉積傾向系數，考慮蠟沉積傾向系數，建立蠟沉積速率模型。

石蠟沉積傾向系數：

（1）

式中：f′—蠟沉積傾向系數;

—管壁處剪切應力，Pa;

—管壁處徑向溫度梯度，℃/mm;

—常數。

石蠟沉積速率模型：

（2）

式中：w—蠟沉積傾向系數，;

—原油粘度，;

—管壁處石蠟晶體溶解度系數，10-3/℃。

通過對某油田地區產出原油進行大量室內模擬實驗，確定了模型中的常數，具體原油集輸管道結蠟模型如下：

3 集油溫度和含水率對集輸管道結蠟速率的影響

根據某油田地區資料，首先，研究了集輸管道原油視粘度與含水率、剪切速率之間的變化規律，如圖1所示。該地區一年中最高土壤溫度為10 ℃，最低土壤溫度為-10 ℃，研究在最高和最低土壤溫度下，不同流量、不同集油溫度、不同含水率對原油管道結蠟速率大小的影響，分析不同因素對結蠟速率影響規律，如圖2-圖4所示[4-8]。

圖1 不同含水率下原油粘度實驗曲線

Fig.1 Experiment curve of viscosity of crude oil with different moisture content

上圖1可知，在不同的剪切速率下，管道原油視粘度不同，隨著剪切速率的增加，轉相點（含水率65%左右）的視粘度明顯下降;在轉相點之前（含水率為10%～65%），原油視粘度隨著含水率的增加而上升，在轉相點之后（含水率為65%～85%），原油視粘度隨著含水率的增加而下降;在相同的含水率條件下，原油視粘度一般是隨著剪切速率的增加而下降，當含水率超過85%時，原油視粘度受剪切速率影響減小，趨向牛頓流體。

從圖1-4可知，對于不同含水率、不同油溫的原油，結蠟速率最高點出現在轉相點（含水率為65%左右），油流速度越高，結蠟速率越低;在轉相點之前，同一油溫條件下，隨著含水率的上升，管道結蠟速率上升，這是由于原油視粘度的增大，促使原油與管壁充分接觸，原油中的石蠟分子與管壁徑向石蠟晶體濃度梯度增大，原油中的石蠟分子逐漸遷移到管壁結蠟中心聚集、沉淀下來;在轉相點之后，隨著含水率的上升，結蠟速率呈下降趨勢;在最高土壤溫度（10 ℃）條件下，流量為40 m3/d時的結蠟速率是流量為5 m3/d的1/4倍，是因為流量越大，剪切應力越大，足以破壞管壁處石蠟沉積層，或者直接將石蠟沖刷下來;對于同一土壤溫度下，40 ℃集油溫度時的結蠟速率一般是20 ℃集油溫度的2～3倍，這是由于集油溫度的下降，分子擴散作用將減小，石蠟晶體的熱運動會減弱，造成了20 ℃下的結蠟速率比30、35和40 ℃的結蠟速率要低;對于其他條件相同情況下，土壤溫度為10 ℃的結蠟速率只有土壤溫度為-10 ℃的一半。

（a）土壤溫度10 ℃ （b）土壤溫度-10 ℃

圖2 油流流速為40 m3/d時

不同含水率不同溫度下的管道結蠟速度

Fig.2 Paraffin deposit rate of crude oil with 40 m3/d flow velocity under different moisture content and different temperature

（a）土壤溫度10 ℃ （b）土壤溫度-10 ℃

圖3 油流流速為20 m3/d時

不同含水率不同溫度下的管道結蠟速度

Fig.3 Paraffin deposit rate of crude oil with 20 m3/d flow velocity under different moisture content and different temperature

（a）土壤溫度10 ℃ （b）土壤溫度-10 ℃

圖4 油流流速為5 m3/d時

不同含水率不同溫度下的管道結蠟速度

Fig.4 Paraffin deposit rate of crude oil with 5m3/d flow velocity under different moisture content and different temperature

綜上所述，總結以下規律：結蠟速率的變化規律可劃分為2個區間，①小于含水率65%時，隨著含水率的上升，結蠟速率上升;②大于65%以下時，隨著含水率的上升，結蠟速率下降;整體呈現出一條凸型曲線。結蠟速率的最高點出現在轉相點附近，集油溫度越高，結蠟速率越低。

4 清管技術

在原油輸送過程中，由于集輸管道內壁結蠟導致原油流通界面減小、輸送能力下降，勢必會增加運行成本，因此，對管道內壁清蠟顯得尤為重要。管道內部結蠟示意圖如圖5所示。

圖5 集輸管道蠟沉積示意圖

Fig.5 Schematic of wax deposition in the pipeline

4.1 沉積蠟成分分析

集輸管道內壁蠟主要是以片狀晶體析出，在管道低溫狀態下，容易形成網絡結構將液態包裹起來構成凝膠狀，長時間沉積在管道內壁，是管道運行的有效管徑變小，導致原油輸送能力下降，下面主要選取了管道結蠟嚴重的原油蠟樣進行分析化驗，如表1所示。

對管道蠟樣分析，管道內壁沉積物主要以原油重組分為主，蠟和膠質、瀝青含量高達63.77%，固相含量占比6.32%，屬于混合垢質，這些結垢物質主要包括FeS、Fe2O3（腐蝕垢），CaCO3、MgCO3（碳酸垢）以及硅鋁酸鹽。

表1 蠟樣品成分化驗分析

Table 1 Wax sample composition analysis

4.2 PIG清管應用效果

PIG是一種清管器簡稱，主要成分為聚氨酯發泡體，在油氣流推動以及自身動力下，在管道內壁運動，以清潔和檢測管壁狀態為目的。下面選取一條結蠟嚴重的管道為例，進行PIG清管效果分析。

實例分析結果表明，管道壓降在清洗前壓降為1.7 MPa，清洗后降為0.7 MPa，相反，輸送原油的流量從12 m3/h上升為14 m3/h，上升幅度為16.7%。

（1）在相同年輸量的條件下，采取PIG清管技術后，維護管道運行的電量減少了4.32×105 kW·h，年運行費用減少了123.89×104元。

（2）同時啟用泵加壓條件下，PIG清管技術后，年輸送原油量可增加18 361 m3，年電量可減少5.96×105 kW·h，年運行費用減少將近16 214×104元。

5 結 論

根據某油田地區原油集輸管道結蠟模擬實驗，原油在集輸過程中，沿程的輸油溫度會有所下降，溫度的下降會導致石蠟分子的擴散減小，無規則的熱運動減弱，原油中的石蠟與管壁處的石蠟形成濃度梯度，石蠟分子逐漸向管壁處遷移，積少成多，最后沉淀下來。在不同的含水率條件下，轉相點一般是管道結蠟速率的最高點，結蠟速率的變化規律以轉相點為分界，劃分為2個區間，整體呈現出一條一條凸型曲線，原油含水率在65%左右（轉相點）時，原油的視粘度最大，形成的水環在管道橫截面上不明顯，這時原油與管壁充分接觸，導致原油中的石蠟分子與管壁處的石蠟晶體形成較大的濃度梯度，石蠟分子逐漸向管壁遷移、聚集，結蠟速率上升，而轉相點以后，含水率逐漸上升，起到稀釋體系液體粘度的作用，石蠟分子濃度梯度下降，結蠟速率隨之減小。采取PIG清管技術可以有效的降低管道運行壓力，較低管道輸送壓力會降低管道穿孔風險，保證年輸量的同時，節約了年使用電量以及運行費用。

參考文獻

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