混輸管道多相流結蠟實驗裝置與測試技術

于彥恒 張新軍

1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000;2. 中石化節能環保工程科技有限公司, 山東 東營 257000

0 前言

在海洋石油生產中,多數油井的產出物需要通過海底管道輸送到附近平臺,當管壁溫度低于油流溫度且低于原油析蠟點時,原油中的蠟分子會不斷結晶析出,在管壁上形成結蠟層[1-2],導致管道的有效流通面積減小,管道運行壓力增加,降低管道輸送能力,導致凝管、堵塞管道等事件發生[3],嚴重威脅輸油管道的流動安全[4]。在世界范圍內,每年都會因結蠟問題造成巨大經濟損失。中國多數海上油田原油的特點是高黏、易凝、高含蠟,因此多相流結蠟問題更加突出[5]。對多相流結蠟問題進行研究,確保流體順利流動,具有重要的現實意義。許多學者對多相流蠟沉積進行了大量實驗室研究并取得了研究成果,但是對于實際深海油田多相流蠟沉積規律的認識還處于初始階段。

1 蠟沉積機理

1.1 單相蠟沉積機理

早期對單相蠟沉積的研究表明,管壁的結蠟可能基于以下機理:溶液中蠟分子通過分子擴散產生的層間傳遞，流動的剪切擴散，重力沉積以及布朗擴散。Bern PA等人[6]、Brown T S等人[5]和Burger E D等人[7]認為分子擴散是單相流中結蠟的主要機理。許多研究者報道了蠟會在管壁發生剪切剝離現象。Agarwal K M等人[8]認為蠟沉積隨流速增加而減小的主要原因是湍流作用,但在層流時蠟沉積隨流速增加而增大的主要原因是擴散效應。

1.2 多相蠟沉積機理

Rygg O B等人[9]假設兩相流混合物中徑向溫度梯度使溶解蠟從油溶液向管壁擴散,而且擴散過程僅發生在層流底層區域。Dawson S[10]利用當地質量傳遞系數，來描述具有已知界面面積的封閉空間內由于濃度差造成的溶解蠟界面質量傳遞,從而給出多相流環境中的結蠟速率。液體到壁面的界面質量傳遞系數，可由具體管段決定且受當地流動狀態及流體性質的影響。

Apte M[11]和Dawson S[10]提出可以通過考慮流體組分、流型及液相與管壁接觸面積的影響,從而把用于計算單相流結蠟的方法用在多相流條件下。在多相流中控制蠟沉積的決定性因素還有蠟層的剝離力。多相流混合物和液體的組分特征會影響蠟的可溶性。

2 蠟沉積模型

蠟沉積模型是研究蠟沉積規律、預測蠟沉積速度的數學模型。比較常見的蠟沉積模型有:Burger模型[7]、Hamouda模型[15]、Hsu模型[16]、Hernandez模型[17]以及黃啟玉模型[18-19]。

Burger模型分別計算由分子擴散和剪切彌散兩種機理產生的蠟沉積模型,由于原油組成的復雜性,所以蠟分子擴散系數誤差較大,因此此模型計算得到的蠟沉積量和沉積速率不準確;Hamouda模型由分子擴散機理建立蠟沉積模型，由于該模型把蠟沉積傾向系數和不同沉積物的含蠟量視為常數,因此該模型也不準確;Hsu模型的管徑遠小于實際管徑,因此在等流速下,兩者雷諾數相差很大,實驗不能模擬實際現場情況;Hernandez模型考慮了油流剪切力對蠟沉積物的剝離作用;黃啟玉模型包含了管壁處剪切應力、溫度梯度及含蠟溶解度系數對蠟沉積厚度的影響,該模型具有普適性,但是不同原油的蠟沉積傾向系數都需要分別進行擬合。

多相蠟沉積機理、蠟沉積模型的完善化與能夠代表生產現場的結蠟數據密切相關,因此需要建設高壓大口徑多相蠟沉積裝置，模擬深海油田實際混輸管道,在高壓大口徑環道上進行實驗,修正不同模型的蠟沉積傾向系數,對現有模型進行優化,使模型用于指導實際生產。

3 多相蠟沉積實驗研究設施

目前,國內外學者對蠟沉積的實驗研究[20]主要分為動態和靜態兩類。靜態實驗主要包括冷板實驗[21]、冷指實驗[22]和旋轉圓盤實驗[23]。動態實驗指環道法,在管道中循環原油等實驗介質,將管道浸入冷卻介質中,控制原油的流量、溫度和冷卻介質的溫度(恒溫、恒溫差或恒速冷卻),并在指定時間內測量管道內壁上的結蠟量。

3.1 中國石油大學(北京)多相蠟沉積環路

3.1.1 多相蠟沉積環路(BJL)

環路測試段和參比段長度均為2 m。進入測試段之前的穩定直管段為4.4 m,該環道能夠實現單相油流、油水乳狀液和油氣兩相流動及油氣水三相條件下的蠟沉積實驗。多相流動蠟沉積實驗環道流程見圖1。

圖1 中國石油大學(北京)多相流動蠟沉積實驗環道流程

3.1.2 高壓多相蠟沉積實驗環路(BJHL)

高壓水合物/蠟沉積實驗環路[24],安裝了在線粒度分析系統，見圖2。

圖2 中國石油大學(北京)高壓多相蠟沉積實驗環路現場

3.2 西南石油大學蠟沉積室內環道(XNL)

蠟沉積室內環道可視窗采用長0.3 m,直徑35 mm的有機玻璃管;其余管段均采用直徑32 mm的不銹鋼無縫鋼管。其工藝流程見圖3。

圖3 西南石油大學蠟沉積室內環道工藝流程

3.3 法國石油研究院Lyre蠟沉積試驗環道

Lyre蠟沉積試驗環道[25]分五個換熱區:一個長 22 m 的向下起伏段;三個向上起伏段,其最低點低于水平管道1.1 m;一個7 m長的試驗段(上面安裝有采樣單元);還有1 m可拆卸段,可以取下可拆卸段,觀察、測量和分析可拆卸段內的沉積物。這五個區域可以獨立控制溫度,環路現場見圖4,環道工藝流程見圖5。

圖4 法國石油研究院Lyre環路現場

3.4 殼牌石油公司Westhollow多相沉積環道

殼牌石油公司Westhollow多相蠟沉積環道見圖6。

3.5 美國Tulsa大學多相蠟沉積環道(Tupdp)

美國Tulsa大學多相蠟沉積環道[26]為U形不銹鋼管,測試段可通過液壓提升機進行調節,使其傾角在0°～90°之間變化，見圖7。測試部分安裝有大量差壓傳感器、溫度傳感器，見圖8。

3.6 挪威Equinor多相流高壓環路(MPFL)

挪威Equinor多相流高壓環路[27]材料大部分為雙相鋼，測試部分見圖9。

3.7 美國德士古石油公司高壓湍流環路(HPTFL)

高壓紊流實驗環道設有兩個相同直徑12.7 mm的不銹鋼管作為測試段和參比段,每個管段上安裝1.5 m長的套管式換熱器。通過測量測試段與參比段之間的壓力差來計算蠟沉積量，見圖10。可用于研究紊流流態下水對蠟沉積情況的影響。

圖5 法國Lyre蠟沉積試驗環道工藝流程

圖6 殼牌石油公司Westhollow多相沉積環道

圖7 美國Tulsa大學多相蠟沉積環道

圖8 美國Tulsa大學多相結蠟沉積環道測試段

圖9 挪威Equinor多相流高壓環路測試部分

圖10 美國德士古石油公司高壓蠟沉積湍流環路

總結世界范圍內多相蠟沉積環路參數見表1，多相蠟沉積環路參數見圖11，多相蠟沉積環路氣液流量見圖12，多相蠟沉積環路氣液折算速度與壓力關系見圖13。

綜上所述,含蠟原油的沉積特性與管徑、油溫和液體流速等[6-7、28]密切相關。其中原油的成分組成是影響管道結蠟的根本原因[29]，溫度和壓力方面的變化會影響流體組分和密度、黏度等物理性質。如果這些變化導致從溶液中釋放出額外的氣體,則多余的氣體會改變溫度和局部流速。另外,在高壓力下存在自由氣相意味著原油更加活躍。由于以上因素的作用,蠟的溶解性和析蠟點會受到影響且會沿管道變化。由圖11～13、表1可知,BJL在管徑、管長和壓力等參數方面均無法與實際輸油管道相比,而且該管道實驗介質為原油、水和空氣,與實際混輸管道中的液相介質(原油、油田采出水)、氣相介質(天然氣)差別巨大,無法模擬真實管輸條件。BJHL長度遠遠小于實際輸油管道長度,無法模擬真實蠟沉積厚度、速率等參數變化。XNL管徑小、長度短、壓力低。Lyre環道溫度變化范圍較小,適用于研究油田真實油品在低溫條件下的蠟沉積情況。Westhollow環道管徑過小,流量達不到模擬深海混輸管道的要求。Tupdp多相蠟沉積環道設計壓力偏小,原油中融入的天然氣量與實際管道存在差異。MPFL為公司內部模擬深海海底混輸環道。HPTFL自動化程度高,實驗過程簡單,但實驗環路規模小。

表1 多相蠟沉積環路參數總結表

參數環路名稱LyreWesthollowTupdpMPFLBJLBJHLXNL管徑/mm501652.577.92525.4或50.832管長/m140106.7-2002030-測試段長度/m7-48.8602-7壓力/MPa1010.356.89111～40～152.5溫度范圍/℃0～50液相:4～494～71-5～40-10～50-10～100最高溫度90 ℃實驗介質數三相兩相三相三相三相三相三相實驗介質各種流體(除酸性氣體外)液相:原油氣相:甲烷液相:原油/水氣相:天然氣液相:原油/水(含鹽)氣相:天然氣液相:原油/水氣相:空氣液相:原油/水氣相:空氣氣體折算速度/(m·s-1)63.323030.000 1～2.3---液體折算速度/(m·s-1)30.943.85液體流速:0.02～11.6水:0.000 1～2.3油:0.000 1～3.4---氣體流量/(m3·h-1)42.412.42 3600.002～40---液體流量/(m3·h-1)21.210.6830水:0.002～40油:0.002～60---

圖11 多相蠟沉積環路參數

圖12 多相蠟沉積環路氣液流量

圖13 多相蠟沉積環道氣液折算速度與壓力關系

4 蠟沉積厚度測量方法

4.1 直接測量法

直接測量法[30]主要包括短管法和清管法[31]。短管是指從實驗裝置中取出可拆卸測試部分,從中稱量沉淀物質量或測量體積的方法。短管方法的優點是直接觀察沉積物的沉積狀況,對沉積物進行取樣分析,但此法只適用于低壓測試。清管法是將測試段加熱,使含蠟沉積物融化并從管壁刮下,測量含蠟沉積物的質量并等效成沉積物厚度。短管法和清管法都可以用于大型蠟沉積環道測量蠟沉積量,但費時較長。

4.2 壓降法

壓降法測量蠟沉積厚度是在實驗環路上設置相同的測試段和參比段,通過比較測試段和參比段的壓降來間接計算蠟沉積厚度。多相流下蠟沉積厚度分布不均勻,而壓降法只能測出平均蠟沉積厚度,不能反映出蠟沉積厚度的真實分布情況,故壓降法對大型裝置中的定點蠟沉積厚度測量并不適用。

4.3 傳熱法

傳熱法的測量原理是當管內壁形成蠟沉積后,油流對外界環境散熱的總熱阻發生改變,熱阻隨蠟沉積厚度變厚而增大,可以近似地認為新增熱阻與沉積蠟厚度成正比,測量相關的熱參數,并將其代入到傳熱公式中,得到蠟沉積厚度。由于環道實驗的蠟沉積厚度一般較小,所以此法需要準確的對流換熱系數等參數,對裝置的測試準確性要求很高。

4.4 超聲波法和激光法

超聲波法[32]為在線測量方法,但該法還處于試驗階段;激光法的原理是激光束通過鏡面(360°旋轉)反射到管道內壁上,采用相機拍攝管道內蠟沉積情況,然后對圖片進行處理,對比分析沉積前后拍攝的圖片,從而得到管壁處的蠟沉積厚度分布情況。

4.5 LD-LD法(液體置換法)

LD-LD(Liquid Displacement-level Detection)法是在實驗管段上加入定量試驗油,實時記錄加入油品含量和管道內液面上升高度,通過記錄數據得到管路中不同位置的蠟沉積厚度和實驗管段內壁的平均結蠟厚度。每次記錄數據的時間間隔越短,記錄次數越多,得到管道內壁上的蠟沉積厚度分布越準確。該法測量準確,但是過程耗時長,尤其對于大型實驗環路來說工作量大。

上述方法都可用于高壓大管徑多相蠟沉積環路檢測結蠟情況,但由于檢測裝置技術并未完全成熟并且部分檢測裝置只能測平均結蠟厚度等原因,目前多數大型環路仍采用直接法測量蠟沉積厚度。

5 結論

目前，用于研究多相流管道結蠟的裝置集中于小管徑、較短長度和中低壓的原油-水-天然氣,對中國深海氣田大口徑、高壓力大型海底混輸管道并不適用。因此,在國家重大油氣專項的支持下,“十三五”期間中海油規劃在廣東珠海的高欄終端建設流動安全中試試驗基地,建設高壓大口徑多相流結蠟實驗環道,對于指導中國深海油氣生產將具有重要意義。