管道蠟沉積物抗剪切強度研究進展

白成玉，魏 蕾（.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 0008；.北京中盈安信技術服務股份有限公司，北京 00083）

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管道蠟沉積物抗剪切強度研究進展

白成玉1，魏 蕾2
（1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028；2.北京中盈安信技術服務股份有限公司，北京 100083）

摘要：對蠟沉積物抗剪切強度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管過程中發生卡堵事故，但目前關于蠟沉積物性質的研究很少。確定了影響蠟沉積物抗剪切強度的主要因素，包括固相蠟濃度、蠟的碳數分布、膠質瀝青質和管流剪切。并從宏觀和微觀機理的角度，介紹了各因素對蠟沉積物抗剪切強度影響的研究進展。指出定量確定蠟沉積物抗剪切強度亟待解決的主要問題。

關鍵詞：管道；蠟沉積；抗剪切強度；影響因素；研究進展

管道輸送含蠟原油過程中，在管壁上會形成蠟沉積物。隨著沉積時間的增加，蠟沉積物的厚度也增加，造成管道流通面積減小，管道輸送能力下降，甚至會造成管道堵塞。尤其是管道周圍環境溫度較低時，該問題更加突出，如海底管道（3 000 m海底水溫約為4 ℃）。據美國能源部統計，深度為400 m的海底管道，由于蠟堵造成的修復費用高達100萬美元/英里［1］，并隨水深的增加，修復費用也增加，同時，蠟堵會導致停產，造成巨大的經濟損失。

為解決蠟沉積產生的諸多問題，需要定期清除管壁上的沉積物，目前普遍采用機械清管的方法清除沉積物［2-4］，并已確定了清管器剝離沉積物所需壓差與沉積物厚度和抗剪切強度的定量關系［5］。目前關于蠟沉積研究的主要焦點是諸多因素（如溫度、流速和時間等）對沉積物厚度和蠟含量的影響及對二者的定量預測，而對蠟沉積物抗剪切強度的研究很少。事實上，沉積物的抗剪切強度會對清管器的運動產生重要影響，若沉積物的抗剪切強度很大，可能造成清管器發生卡堵事故。

1　蠟沉積物形成機理

蠟沉積物形成的機理包括分子擴散［6-11］、剪切彌散［11］、布朗擴散［12］和重力沉降［12］，目前比較一致的觀點認為分子擴散是造成蠟沉積的主要原因［6-10］。早期研究中，假定沉積物內蠟含量不變［13-16］。Creek et al.［17］和Fogler et al.［6］等人從實驗和理論方面，證實蠟沉積物內的蠟含量隨沉積條件發生變化，從而關于蠟沉積物形成機理的認識取得新進展。

Fogler課題組研究表明蠟沉積物的形成包括五個過程［18-20］：（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。由此蠟沉積物形成機理可知，蠟沉積物屬于膠凝油（蠟包裹液態油）。

2　各因素對沉積物抗剪切強度影響

影響蠟沉積物抗剪切強度的因素很多，主要因素包括沉積物的固相蠟濃度、蠟碳數分布、膠質瀝青質和管流剪切，其中固相蠟濃度受沉積時間、溫度、流速和壓力的影響。

2.1固相蠟濃度的影響

蠟沉積過程（3）～（5）使沉積物內蠟含量增加，前人采用環道或冷指研究了沉積時間［8，18，19，21］、溫度［6，17，22-24］、流速［8，19，21，22，25-26］和壓力［27］對沉積物內蠟含量的影響。雖然實驗結果有所不同，但多數結果表明，隨流速、壓力和沉積時間的增加，沉積物內蠟含量增加，沉積物的硬度也增加；隨油壁溫差的增大，沉積物內蠟含量減小，沉積物的硬度也減小。同時，建立了諸多蠟沉積預測模型［6，28-30］預測沉積物的厚度和蠟含量。

研究者主要從累積［18］和變形［21］的角度解釋了沉物內蠟含量隨時間的變化。累積的觀點認為沉積層內徑向溫度梯度促使蠟分子向膠凝層內擴散及沉積層內輕烴反擴散，增加了沉積物內蠟含量。變形的解釋認為隨時間的增加，變形角增加，沉積物內的液態油被擠出，導致沉積物內蠟含量增加。

研究者主要從相對快慢［22］和傳熱傳質［6，8］角度分析了溫度對沉積物內蠟含量的影響。相對快慢觀點認為較大的油壁溫差使沉積物內蠟和液態油的量均增加，但液態油增加的速率較大。傳熱傳質的解釋認為隨油壁溫差的減小，形成厚度較小的沉積層，沉積層內較大的溫度梯度促進了蠟分子擴散。

壓力將沉積物內的液態油擠出，從而使蠟含量增加［27］。管流對蠟含量的影響在 2.4節詳細介紹。筆者認為，將上述不同觀點結合在一起，能夠比較全面的認識各因素對沉積物內蠟含量的影響機理。

前人通過配制模擬油，研究了蠟濃度對抗剪切強度的影響［20，31，32］。事實上，沉積物內固相蠟（結晶析出的蠟）才影響沉積物的抗剪切強度，而未析出的蠟并不影響沉積物抗剪切強度。探索管道沉積物固相蠟濃度的確定方法，是下一步研究的方向。

2.2烷烴碳數分布的影響

蠟沉積過程（2）臨界碳數決定了擴散進入沉積物烷烴的碳數分布，其主要受原油組成和溫度的影響［20］，因此，管道輸送組成不同或組成相同但輸送條件不同的含蠟原油，蠟沉積物中蠟的碳數分布也不同，如隨流速增加，沉積物內蠟平均碳數增加［33］。諸多研究表明較大的蠟晶有助于增強膠凝結構的強度［34-36］，而烷烴的碳數分布是影響蠟晶尺寸的一個重要因素。由此推測，蠟的碳數分布是影響沉積物抗剪切強度的一個重要因素。

目前主要采用室內配制模擬油的方法，研究C17以上烷烴碳數分布對膠凝油屈服應力（可表征抗剪切強度）的影響，但研究報道較少，且所用烷烴碳數分布比較簡單，大多為兩種烷烴混合，尚未形成一致的觀點。Imai et al.［37］的研究表明，C32/C30可以共晶，形成粗糙的晶體表面，而C32/C28單獨結晶，形成光滑的晶體表面，前者屈服應力約為后者的2倍。Senra et al.［38］的研究結果與之相反，認為共晶使晶體結構中形成缺陷，難以形成大的晶體，導致膠凝結構的強度減小。Guo et al.［39］研究表明C36/C32形成膠凝體系屈服應力約為C36/C28的2倍，但作者未進行解釋。

事實上，管道沉積物中的蠟是由 C17以上連續分布的烷烴組成，且不同沉積物內蠟的碳數分布不同。預測沉積物內蠟的碳數分布，并研究其對抗剪切強度的影響是未來的研究方向。

2.3膠質瀝青質的影響

根據對油田含蠟原油管道的分析統計，沉積物中一般含有10%-20%的膠質瀝青質［40］，但關于膠質瀝青質的沉積機理尚不清楚。

許多研究者用模擬油研究了瀝青質對膠凝油屈服應力的影響［32，41-43］，但各研究者并未得出一致的結論。某些研究結果［42］表明瀝青質對膠凝油屈服應力的影響存在臨界濃度，若瀝青質的濃度小于臨界濃度時，隨瀝青質濃度的增加，屈服應力也增加；若瀝青質的濃度大于臨界濃度時，隨瀝青質濃度的增加，屈服應力減小。某些研究未觀察到臨界濃度，結果表明瀝青質使膠凝油的屈服應力顯著減小［32，41，43］。目前關于膠質對屈服應力的影響未見報道。

Kriz et al.［42］的實驗結果表明，瀝青質對膠凝油屈服應力的影響存在臨界濃度（為0.05%）。認為小于臨界濃度時，瀝青質很好的分散，易被包裹在蠟晶中，同時由于瀝青質與蠟在空間的相互作用，使蠟分子有更多時間結晶，形成強的網絡結構。大于臨界濃度時，蠟晶結構中沒有更多空間容納瀝青質，部分瀝青質在結構外部發生聚集，形成大的瀝青質顆粒，甚至是瀝青質層，蠟-蠟之間的作用被瀝青質-蠟之間作用所取代，形成弱的膠凝結構。

Oh et al.［32］、Tinsley et al.［41］和Venkatesan et al.［43］的研究結果均表明，瀝青質使膠凝油的屈服應力顯著減小。作者均認為瀝青質改變了蠟晶形態，降低了膠凝油的屈服應力。

雖然有研究者觀察到瀝青質對膠凝油屈服應力的影響存在臨界濃度，但該濃度一般小于0.1%，而管道沉積物中瀝青質濃度一般遠高于此臨界濃度。由此可以推測，沉積物中的瀝青質可以降低其抗剪切強度。

2.4管流的影響

原油在管道內流動，對管壁沉積物產生剪切作用，管流剪切對沉積物抗剪切強度的影響主要表現在以下兩個方面：影響沉積過程（1）中初始膠凝層的形成；管流剪切使沉積層內蠟含量增加，增強了沉積物的抗剪切強度。

Venkatesan et al.［34］、Visintin et al.［44］、Ding et al.［45］等人研究了剪切對膠凝油屈服應力的影響，但未形成統一觀點。Venkatesan et al.［34］實驗結果表明對體系施加剪應力可導致蠟晶顆粒聚集和破壞，較小的剪應力作用下，蠟晶顆粒聚集占主導，屈服應力增加；較大的剪應力作用下，蠟晶顆粒破壞占主導，屈服應力顯著減小。Visintin et al.［44］實驗結果表明剪應力對膠凝油結構的影響與屈服應力和剪應力相對大小有關。Ding et al.［45］研究結果表明剪切對膠凝油屈服應力的影響與剪切時油樣的溫度有關。環道實驗結果表明，隨管流剪切的增加，沉積物的厚度減小［8，19，25］。綜合以上結果，可推測隨管流剪切的增強，更難形成初始膠凝層。

隨管流剪切的增加，沉積物內的蠟含量增加，導致沉積物的硬度也增加［8，17，21-22］。研究者從兩個方面進行解釋，一方面隨管流剪切的增加，形成的沉積層厚度減小，沉積層內溫度梯度增加，促進蠟分子的擴散，導致沉積層內的蠟含量增加。另一方面隨管流剪切的增加，液態油被擠出沉積層，導致沉積層內蠟濃度增加，沉積層的抗剪切強度增加。

綜上所述，隨管流剪切的增加，更難形成初始膠凝層，沉積層的厚度減小，而沉積層內的蠟含量增加，導致沉積物的抗剪切強度增加。

3　結束語

蠟沉積給管道安全經濟運行帶來潛在風險，普遍采用機械清管的方法清除蠟沉積物。對蠟沉積物抗剪切強度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管器發生卡堵。但目前主要研究沉積物的厚度和蠟含量，而對蠟沉積物抗剪切強度的研究很少。

蠟沉積物的抗剪切強度主要受固相蠟濃度、烷烴碳數分布、膠質瀝青質和管流剪切的影響。目前的研究普遍認為，隨固相蠟濃度和管流剪切的增加，沉積物的抗剪切強度也增加；瀝青質可以降低沉積物的抗剪切強度。關于蠟碳數分布和膠質對沉積物抗剪切強度的影響還有待研究。如何定量表征這些因素對蠟沉積物抗剪切強度的影響，是另一亟待解決的問題，解決該問題對清管器運動模擬至關重要。

參考文獻：

［1］DOE.University of Tulsa embark on wax-deposition study［J］.Oil & Gas Journal，2001，99（4）∶ 56.

［2］Wang Q，Sarica C，Volk M.An experimental study on wax removal in pipes with oil flow［J］.Journal of Energy Resources Technology，2008（130）∶ 0430011-0430015.

［3］Blunk J A.Composition for paraffin removal from oilfield equipment∶US，6176243B1 ［P］.2001.

［4］R?nningsen H P.Production of waxy oils on the Norwegian Continental Shelf∶ experiences，challenges，and practices［J］.Energy & Fuels，2012，26（7）∶ 4124-4136.

［5］Souza Mendes P R，Braga A M B，Azevedo L F A，et al.Resistive force of wax deposits during pigging operations［J］.Journal of Energy Resources Technology，1999（121）∶ 167-171.

［6］Singh P，Venkatesan R，Fogler H S，et al.Formation and aging of incipient thin film wax-oil gels［J］.AIChE Journal，2000，46（5）∶1059-1074.

［7］Singh P，Youyen A，Fogler H S.Existence of a critical carbon number in the aging of a wax-oil gel［J］.AIChE Journal，2001，47（9）∶ 2111-2124.

［8］Singh P，Venkatesan R，Fogler H S，et al.Morphological evolution of thick wax deposits during aging［J］.AIChE Journal，2001，47（1）∶ 6-18.

［9］Paso K G，Fogler H S.Influence of n-paraffin composition on the aging of wax-oil gel deposits［J］.AIChE Journal，2003，49（12）∶ 3241-3252.

［10］Correra S，Fasano A，Fusi L，et al.Calculating deposit formation in the pipelining of waxy crude oils［J］.Meccanica，2007，42（2）∶ 149-165.

［11］Burger E D，Perkins T K，Striegler J H.Studies of wax deposition in the Trans Alaska Pipeline［J］.Journal of Petroleum Technology，1981，33（6）∶ 1075-1086.

［12］Azevedo L F A，Teixeira A M.A critical review of the Modeling of wax deposition mechanisms［J］.Petroleum Science and Technology，2003，21（3-4）∶ 393-408.

［13］Majeed A，Bringedal B，Overa S.Model calculates wax deposition for North Sea oils［J］.Oil & Gas Journal，1990，88（25）∶ 63-69.

［14］Svendsen J A.Mathematical modeling of wax deposition in oil pipeline systems［J］.AIChE Journal，1993，39（8）∶ 1377-1388.

［15］黃啟玉，張勁軍，高學峰，等.大慶原油蠟沉積規律研究［J］.石油學報，2006，27（4）∶ 125-129.

［16］黃啟玉，李瑜仙，張勁軍.普適性結蠟模型研究［J］.石油學報，2008，29（3）∶ 459-462.

［17］Creek J L，Lund H J，Brill J P，et al.Wax deposition in single phase flow［J］.Fluid Phase Equilibria，1999，158-160∶ 801-811.

［18］Singh P.Gel deposition on cold surffaces［D］.Ann Arbor∶ University of Michigan，2000.

［19］Venkatesan R.The deposition and rheology of organic gels［D］.Ann Arbor∶ University of Michigan，2004.

［20］Paso K.Paraffin gelation kinetics［D］.Ann Arbor∶ University of Michigan，2005.

［21］Tiwary R，Mehrotra A K.Deposition from wax-solvent mixtures under turbulent flow∶ effects of shear rate and time on deposit properties［J］.Energy & Fuels，2009，23（3）∶ 1299-1310.

［22］Jennings D W，Weispfennig K.Effects of shear and temperature on wax deposition∶ Coldfinger investigation with a Gulf of Mexico crude oil［J］.Energy & Fuels，2005，19（4）∶ 1376-1386.

［23］Lashkarbolooki M，Seyfaee A，Esmaeilzadeh F，et al.Experimental investigation of wax deposition in Kermanshah crude oil through a monitored flow loop apparatus［J］.Energy & Fuels，2010，24（2）∶1234-1241.

［24］Hoteit H，Banki R，Firoozabadi A.Wax deposition and aging in flowlines from irreversible thermodynamics［J］.Energy & Fuels，2008，22（4）∶ 2693-2706.

［25］Matzain A.Multiphase flow paraffin deposition modeling［D］.Oklahoma∶University of Tulsa，1999.

［26］Hernandez O C.Investigation of single-phase paraffin deposition characteristics［D］.Oklahoma∶ University of Tulsa，2002.

［27］Hamouda A A，Viken B K.Wax deposition mechanism under high-pressure and in presence of light hydrocarbons［C］.SPE 1993 International Oilfield Chemistry Symposium，New Orleans，1993.

［28］Lee H S.Computational and rheological study of wax deposition and gelation in subsea pipelines［D］.Ann Arbor∶ University of Michigan，2008.

［29］Mehrotra A K，Bhat N V.Deposition from "Waxy" mixtures under turbulent flow in pipelines∶ inclusion of a viscoplastic deformation model for deposit aging［J］.Energy & Fuels，2010，24（4）∶ 2240-2248.

［30］Bhat N V，Mehrotra A K.Modeling the effect of shear stress on the composition and growth of the deposit layer from "Waxy" mixtures under laminar flow in a pipeline［J］.Energy & Fuels，2008，22（5）∶3237-3248.

［31］Wang Q，Sarica C，Chen T X.An experimental study on mechanics of wax removal in pipeline［J］.Journal of Energy Resources Technology，2005，127（4）∶ 302-309.

［32］Oh K，Deo M.Characteristics of wax gel formation in the presence of asphaltenes［J］.Energy & Fuels，2009，23（3）∶ 1289-1293.

［33］Panacharoensawad E.Wax deposition under two-phase oil-water flowing conditions［D］.Oklahoma∶ University of Tulsa，2012.

［34］Venkatesan R，Nagarajan N R，Paso K，et al.The strength of paraffin gels formed under static and flow conditions［J］.Chemical Engineering Science，2005，60（13）∶ 3587-3598.

［35］Guo X H，Pethica B A，Huang J S.Crystallization of mixed paraffin from model waxy oils and the influence of micro-crystalline poly（ethylene-butene） random copolymers［J］.Energy & Fuels，2004，18（4）∶ 930-937.

［36］Chang C，Boger D V，Nguyen Q D.Influence of thermal history on the waxy structure of statically cooled waxy crude oil［J］.SPE Journal，2000，5（2）∶ 148-157.

［37］Imai T，Nakamura K，Shibata M.Relationship between the hardness of an oil-wax gel and the surface structure of the wax crystals［J］.Colloids and Surfaces A，2001，194（1-3）∶ 233-237.

［38］Senra M，Scholand T，Maxey C，et al.Role of Polydispersity and cocrystallization on the gelation of long-chained n-alkanes in solution［J］.Energy & Fuels，2009，23（12）∶ 5947-5957.

［39］Guo X H，Pethica B A，Huang J S，et al.Effect of cooling rate on crystallization of model waxy oils with microcrystalline poly（ethylene butene）［J］.Energy & Fuels，2006，20（1）∶ 250-256.

［40］楊筱蘅.輸油管道設計與管理［M］.山東∶ 中國石油大學出版社，2006∶ 225.

［41］Tinsley J F，Jahnke J P，Dettman H D，et al.Waxy gels with asphaltenes 1∶ characterization of precipitation，gelation，yield stress，and morphology［J］.Energy & Fuels，2009，23（4）∶ 2056-2064.

［42］Kriz P，Andersen S I.Effect of asphaltenes on crude oil wax crystallization［J］.Energy & Fuels，2005，19（3）∶ 948-953.

［43］Venkatesan R，Ostlund J A，Chawla H，et al.The effect of asphaltenes on the gelation of waxy oils［J］.Energy & Fuels，2003，17（6）∶1630-1640.

［44］Visintin R F G，Lapasin R，Vignati E，et al.Rheological behavior and structural interpretation of waxy crude oil gels［J］.Langmuir，2005，21（14）∶ 6240-6249.

［45］Ding J，Zhang J，Li H，et al.Flow behavior of Daqing waxy crude oil under simulated pipelining conditions［J］.Energy & Fuels，2006，20（6）∶2531-2536.

Research Progress of the Shear Strength of Wax Deposit in Pipelines

BAI Cheng-yu1，WEI Lei2
（1.CNPC Offshore Engineering Company Limited，Beijing 100028，China；
2.Beijing JAS Technical Service Company Limited，Beijing 100083，China）

Abstract：A better understanding of the shear strength of wax deposit assists in making a suitable pigging schedule and preventing the pig from getting stuck in the pipelines.However，there is little study on the nature of the wax deposit.The main influencing factors of the deposit strength were determined，including solid wax content，carbon number distribution of wax，resins and asphaltenes and the flow rate.The research progress of the effect of these factors on the deposit strength was introduced from macroscopic and microscopic aspects.It's pointed out that，to quantitatively determine the deposit shear strength is the main issue that needed to be resolved.

Key words：pipeline；wax deposition；shearing strength；influencing factor；research progress

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0105-04

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：白成玉（1985-），男，北京市人，工程師，博士，2014年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，研究方向：從事總體設計及蠟沉積研究。E-mail：baicheng_yu@126.com。