大落差管道改性輸送工藝研究

王成林 梁 明 李鳳緒 尚增輝 李憲昭

（中國石油工程建設有限公司華北分公司）

三塘湖油田原油外輸管道位于新疆哈密地區， 起于牛圈湖聯合站， 止于鄯-蘭干線四堡泵站，管道全長193.5 km，管道規格為D273.1 mm×6.4 mm （7.1 mm）/D219.1 mm×5.2 mm， 管道材料L390，設計壓力8.5～12.0 MPa，管道埋深1.5 ～2.5 m，全線采用埋地保溫敷設方式。 管道設計輸量1 Mt/a，最小啟輸量為390 kt/a，最大輸量為1 150 kt/a。 全線設有首站、1#泵站、2#熱泵站、3#熱站、4#減壓站和末站6 座工藝站場。

三塘湖原油外輸管道翻越南、北天山，管道沿線呈馬鞍形：1#RTU（遠程終端單元）位于北天山管道里程57.2 km 處，高程2 764 m；中間為盆地，盆地最低點管道里程68.4 km，高程1 998 m；2#RTU 在翻越南天山118.1 km 處，高程2 767 m；下坡段設置4#減壓站和末站， 低點高程706 m。該管線落差（2 061 m）大，且沿線地溫低（2#熱泵站與4#減壓站之間冬季最低地溫-4.5 ℃）。 2018年三塘湖采油廠原油產量為545 kt/a （超過管道最小啟輸量），達到管道投運條件，為確保三塘湖原油外輸管道的安全投產與運行，對三塘湖原油管道改性輸送的工藝條件進行研究分析。

1 三塘湖原油物性現狀及輸送條件

三塘湖油田原油的基本物性數據與原設計時期（2008 年）對應的數據見表1。 由表1 可以看出，三塘湖油田原油的物性與原設計時期油田原油的物性相比發生了較大的變化。 其中，密度、黏度、凝點和蠟含量均增加，而瀝青+膠質含量和析蠟點均降低。

三塘湖原油黏溫曲線如圖1 所示。 由圖1 可見，三塘湖原油黏度與原設計時期的相比，相同溫度下增大近一倍；溫度低于25 ℃時油品為非牛頓流體、高于25 ℃時為牛頓流體。 根據三塘湖管道輸油泵廠家建議， 泵在油品黏度100 mPa·s 以上的小范圍內仍有較高的運行效率，故輸送三塘湖原油時，泵入口溫度應高于30 ℃。因此，1#泵站進站溫度不低于30 ℃，其余各站進站溫度高于凝點3 ℃以上（凝點為12 ℃）；鑒于三塘湖原油初餾點為72 ℃，各站出站最高溫度不應超過67 ℃。

圖1 三塘湖原油黏溫曲線

三塘湖原油外輸管道的輸送工藝計算采用DNV-GL 公司的SPS （Synergi Pipeline Simulator）軟件來完成。 該軟件能夠完成長輸管線的離線實時模擬計算， 是全世界公認的用于長距離輸油（氣）管道設計、計算和全線自動化控制模擬的高精度軟件［1，2］。 按最小啟輸量（390 kt/a）輸送油品時管道的工藝計算結果見表2。由表2 可知：在最小啟輸量390 kt/a 下，各站加熱系統均需工作，2#熱泵站出站溫度達到最高出站溫度（67 ℃）時，3#熱站進站溫度為15.4 ℃（高于凝點3.4 ℃）；此工況下各站出站溫度均較高，能耗較大。 經模擬計算， 安全停輸時間最短處為3#熱站進站管道，其安全停輸時間為14.3 h（原設計安全停輸時間為28.7 h）。

表2 最小啟輸量時工藝計算結果（冬季輸送）

考慮到三塘湖管道沿線具有地溫較低、高落差等特點，若不采取措施，則無法保障管道的安全運行。 為確保三塘湖原油外輸管道安全投產和運行，有必要進行改性輸送工藝的試驗研究。

2 降凝試驗

降凝劑是一種化學合成的聚合物或縮聚物，其分子中一般含有極性基因（或芳香核）和與石蠟基相類似的烷基鏈。 通常在含蠟原油中添加少許降凝劑就可以大幅降低原油的凝點（SP）、表觀黏度和屈服值，以達到改善原油在較低溫度下流動性的目的，又被稱為低溫流動改進劑［3］。降凝劑的降凝機理涉及理論眾多［4～8］，影響降凝作用的因素繁雜［9～13］。 目前，向原油中添加降凝劑工藝比較成熟，已應用于長呼原油管道、魏荊輸油管道等［14，15］。 基于三塘湖原油的基礎物性和流變性質測試結果， 其凝點較高且20 ℃以下的黏度較大，需添加降凝劑進行改性處理。

2.1 試驗方法與條件

降凝劑改性效果的評價試驗參照SY/T 5767—2016《原油管道添加降凝劑輸送技術規范》進行。鑒于三塘湖原油初餾點為72 ℃，根據加藥溫度不能高于原油初餾點的原則，對降凝劑進行篩選試驗。

試驗條件如下：

待選藥劑 CE、EVA、EP-B1、EP-B3、GY-2、

BEM-3、BEM-5P、BEM-6N、BEM-Q、

DPD-1、DPD-2、DPD-3、DPD8861

加藥溫度 55、60 ℃

加藥量 50、100 mg/kg

攪拌轉速 180 r/min

測試溫度 5 ℃

2.2 試驗結果

降凝劑篩選試驗數據見表3。由表3 可知，加入降凝劑后， 在終冷溫度下三塘湖原油的黏度、凝點和屈服值均有所降低，凝點最大下降6 ℃，達不到SY/T 5767—2016 《原油管道添加降凝劑輸送技術規范》的要求——經降凝劑改性處理后凝點至少要有8 ℃的降幅。

表3 降凝劑篩選試驗數據

經篩選試驗，13 種降凝劑中BEM-Q 的降凝效果最好，因此選取BEM-Q 進行流變性質測定。降凝前后三塘湖原油黏溫曲線如圖2 所示。 由圖2 可見，加入50 mg/kg BEM-Q 后，三塘湖原油在不同溫度下降黏率相差并不大，低溫時降黏率略高，高溫時降黏率略低，總體降黏效果有限。

圖2 降凝前后三塘湖原油黏溫曲線

3 摻混試驗

摻混輸送主要用于含蠟高凝原油或稠油的輸送［16，17］，且摻混輸送比化學降黏、稠油改質降黏等方式更具經濟性和可行性［18］，已在國內得到應用，如日東原油管道、中洛線及烏鄯原油管道等［19～21］。

對高凝、高黏且降凝劑作用不明顯的三塘湖原油進行摻混試驗，摻混所需的稀油選取吐哈油田內部的紅臺原油和塔里木原油。

3.1 三塘湖原油-紅臺原油的混合

三塘湖原油和紅臺原油在不同摻混比例下的物性測試結果見表4。由表4 可知，隨著紅臺原油摻入比例的增加，混合油的密度下降趨勢較為明顯，而凝點降幅有限。

表4 不同比例的三塘湖-紅臺混合油物性測試結果

該混合油品黏溫曲線如圖3 所示。 由圖3 可見，摻混紅臺原油后，可顯著降低25 ℃以下的混合油黏度， 與三塘湖原油的黏度相比，20 ℃的混合油黏度降低了58.6%，但25 ℃以上的混合油黏度降幅較小。

圖3 三塘湖∶紅臺=10∶1 摻混后油品黏溫曲線

3.2 三塘湖原油-塔里木原油的混合

三塘湖原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結果見表5。由表5 可知：要使混合油的密度降至870 kg/m3以下， 需摻入近30%的塔里木原油； 要使混合油的凝點降至0 ℃以下，則塔里木原油的摻入比例不能低于50%。

表5 不同比例的三塘湖-塔里木混合油的物性測試結果

3.3 三塘湖原油-紅臺原油-塔里木原油的混合

由前兩節測試結果可知，紅臺原油的降密效果較好，而塔里木原油的降凝效果較好。 綜合考慮降密和降凝的需求，將三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油進行混合，鑒于三塘湖原油和紅臺原油的產量比為10∶1，故固定其比例為10∶1。

三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結果見表6。 由表6可知：當塔里木原油的摻入量達到15%時，混合油的密度可降至870 kg/m3以下； 當塔里木油的摻入量超過20%時，可使混合油的凝點降至4 ℃以下，凝點降幅可達8 ℃。

表6 不同比例的三塘湖-紅臺-塔里木混合油的物性測試結果

摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線如圖4所示。由圖4 可見，隨著向三塘湖∶紅臺=10∶1 的混合油品中添加的塔里木油量增加，混油的黏度逐漸降低。

圖4 摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線

對（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油品進行流變性質的測定，結果如圖5 所示。由圖5可見，當油品按（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2混合時，溫度高于14 ℃呈牛頓流體，此時黏度為123.5 mPa·s， 與三塘湖原油黏度相比降低了88.2%，降黏效果顯著。

圖5 （三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2混合油品的黏溫曲線

3.4 摻混輸送工藝計算

從摻混塔里木原油拉運輸送的經濟性角度出發，并綜合考慮降凝和降黏因素，選取（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油，再結合輸油泵效率這一因素，設定1#泵站進站溫度不低于14 ℃，其余各站進站溫度不低于7 ℃（凝點4 ℃）。輸送該油品時，管道最小啟輸量可降至290 kt/a，其工藝計算結果見表7。由表7 可知，牛圈湖首站和4#減壓站可實現熱力越站， 僅有2#熱泵站和3#熱站的加熱系統工作，能耗較低。 經模擬計算，安全停輸時間最短處仍為3#熱站進站管道，但其安全停輸時間延長至43.7 h。

表7 最小啟輸量時工藝計算結果（冬季輸送）

4 結論

4.1 從2008 年到2018 年，三塘湖原油物性變化較大，黏度、凝點和含蠟量均增大，經工藝核算，宜采取降凝降黏輸送工藝。

4.2 三塘湖原油對降凝劑的感受性不強，降凝劑的加入對降低三塘湖原油的凝點和黏度均有限。

4.3 紅臺原油對降低三塘湖原油密度效果明顯，且能顯著降低25 ℃以下的三塘湖原油黏度，但降低其凝點有限。

4.4 塔里木原油對降低三塘湖原油凝點和黏度效果明顯，但降低其密度有限。

4.5 當輸送（三塘湖∶紅臺=10∶1）∶塔里木=8∶2 的混合油時，管道的最小啟輸量可降至290 kt/a，此工況下，管道的安全停輸時間可延長至43.7 h。