管道原油结蜡速率实验与清管技术研究

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第44卷第6期当代化工Vo1．44．No．62015年6月ContemporaryChemicalIndustryJune．20i5管道原油结蜡速率实验与清管技术研究何绪蕾(中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京100029)摘要：针对原油在管道集输过程中在管壁结蜡危害的问题，首先分析了管道结蜡沉积机理，在此基础上，综合考虑了蜡分子浓度梯度、管壁处剪切应力、油流温度梯度以及粘度等因素建立结蜡沉积速率模型，根据实际油田地区情况，结合当地季节土壤温度，做了含水率、集油温度、流量等对结蜡速率的影响，研究表明含水率在65％左右，也就是在转相点附近管道结蜡速率最高，主要是原油粘度影响较大；集油温度越高，结蜡速率越低，是由于温度的高低决定了分子的扩散和热运动大小；流量越大，结蜡速率越低，是因为剪切应力破坏了管壁结蜡沉积强度。针对结蜡对管道堵塞腐蚀的影响，选取PIG清管技术进行处理，能够有效的降低管道输送压力，降低管道穿孔风险，在保障年输量的条件下，节约电量高达4．32x10kW-h，年运行费用减少了123．89x10元。实验结果有助于指导该地区原油集输管道工程设计。关键词：集输管道；机理分析；模型；PIG清管技术中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：1671—0460(2015)06—1388—04ExperimentofParafinDepositRateinCrudePipelineandPiggingTechnologyHEXv．1ei(SinopecIntemationalPetroleumExplorationandDevelopmentCo．，Ltd．，Beijing100029，China)Abstract：Aimedathazardsofparafindepositrateincrudeoilgatheringandtransferringprocess，firstlywaxdepositionmechanismwasanalyzed．Onthisbasis，consideringthewaxmoleculeconcentrationgradientandwallshearstress，flow,temperaturegradient，viscosityandsoon，thewaxdepositionratemodelwasestablished．Accordingtoactualoilfieldcondition，combinedwiththelocalseasonalsoiltemperature，efectofmoisturecontent，oiltemperatureandflowrateontheparafindepositratewasinvestigated．Theresultsshowthat，whenthemoisturecontentisabout65％，whichisnearthephaseinversionpoint，thewaxprecipitationrateisthehighest，whichismainlycausedbygreaterviscosityofcrudeoil；Thehighertheoiltemperature，thelowerthewaxprecipitationrate，whichisduetothatthetemperaturecanafectthemoleculardifusionandheatmovement；Thelowertheflowrate，thehigherthewaxprecipitationrate，whichisduetothattheshearstresscandamagewallwaxdeposition．Inordertodecreaseefectoftheparafindepositrateonpipeblockageandcorrosion，thePIGpiggingtechnologycanbeused，itcanefectivelyreducethepipelinepressureandthepipelineperforationrisk；Undertheconditionofensuringannualthroughput，4．32x10kW·hpowercanbesaved，annualoperationcostCallbedecreasedby123．89x104Yuan．TheresultshelpguideforengineeringdesignofcrudeoilpipelineintheregionKeywords：Pipeline；Mechanismanalysis；Model；PIGpiggingtechnology我国开采出来的原油，普遍具有“三高”特点，石油储运管道公司每年需要投入大量的资金和人力即高含蜡、高凝点、高黏度，原油在开采和集输过在管道保温清蜡工作中。因此，对原油集输管道结程中，大部分管道原油含蜡质量分数在15％～30％，蜡的深入研究显得十分必要。也有达到40％～50％，含蜡量越高，析蜡温度也越高，l管道内石蜡沉积机理分析析蜡温度高会导致管道容易结蜡，影响原油管道正原油集输管道蜡沉积受到多种因素的共同影常输送。原油在管道输送过程中，沿程管道内温度会降低，当温度低于析蜡温度时，原油中的石蜡开响，其中包括集输温度、管壁温度、输送流速、含水率、原油轻质成分以及管壁材质等等。下面简要始结晶析出，附着在管道内壁上，形成结蜡中心，随着温度的继续降低，管壁内壁附着的晶体逐渐变介绍下以上几种机理：大、变厚，导致输油管道有效流通内径逐渐变小，1．1分子扩散在输油管道中，石蜡分子在不同的部位浓度不输送能力下降，严重时可能造成管道结垢堵塞，各基金项目：国家科技重大专项，项目号：2009ZX05038—002。收稿日期：2015-0l一2O作者简介：何绪蕾(1982一)，男，山东日照人，中级工程师，2008年毕业于中国石油大学(华东)油气储运工程专业，研究方向：从事油气田地．面工程工作。E-mail：tuyi200605156@126．corn。 第44卷第6期何绪蕾，等：管道原油结蜡速率实验与清管技术研究1389梯度的影响，石蜡分子向管壁移动、聚集、沉淀，石蜡沉积速率模型：并且沿程管壁温度的降低，当低于析蜡温度和集输w=厂,1dC八dT)=Ji}f1‘dC)‘dT)(2)温度，石蜡分子将大量运移到管壁处，形成结蜡中心。分子扩散定律表达式如下：式中：一蜡沉积倾向系数，(m·h)；=PwDm警一原油粘度，Pa．s；dC一d一管壁处石蜡晶体溶解度系数，10-／~C。式中：一单位时间单位面积扩散的蜡分子的质量，kg／(s．m)；p一t蜡密度，kg／m3；D一蜡分子扩散系数，m／s；等一蜡分子径向浓通过对某油田地区产出原油进行大量室内模拟度梯度，m～。实验，确定了模型中的常数，具体原油集输管道结1．2剪切弥散蜡模型如下：与分子扩散中的浓度梯度机理不同，剪切弥散w：863．9~-W-0．9561()()s机理主要是从管道中原油流速角度出发，强调在流“O．1U，场速度梯度的作用下，石蜡分子由原油中运移到管壁处。当管壁处的温度高于油流温度或者与油流温3集油温度和含水率对集输管道结蜡度差不多时，并且管壁处存在石蜡结晶，这说明是速率的影响剪切弥散作用导致管壁结蜡，而并非分子扩散作用。根据某油田地区资料，首先，研究了集输管道1．3布朗运动原油视粘度与含水率、剪切速率之间的变化规律，原油中石蜡晶体的无规则热运动，即布朗运动，如图l所示。该地区一年中最高土壤温度为l0℃，石蜡晶体颗粒存在于原油中，由于存在浓度梯度，最低土壤温度为一1O℃，研究在最高和最低土壤温油流中的石蜡晶体浓度较高，石蜡晶体从较高浓度度下，不同流量、不同集油温度、不同含水率对原区域运移到管壁低浓度区，沉降、聚集附着在管壁油管道结蜡速率大小的影响，分析不同因素对结蜡上，减小管道有效流通横截面积。速率影响规律，如图2一图4所示。1．4布朗运动石蜡晶体颗粒密度与原油密度不同，由于重力作用，石蜡晶体颗粒沉降在液流底部，逐渐沉积。一1．5剪切剥离与老化机理●随着油流速度的增大，管壁与油流温差减小，舅一剪切应力增大，紊流比层流结蜡能力低，管壁蜡沉蜒积速度降低，而且随之增大的剪切应力能够冲击石慰蜡沉积强度，当剪切应力达到一定值后，可能直接将石蜡从管壁冲刷下来。老化机理是指低于油流温度时，首先在管壁处会形成凝油层，随后，石蜡分原油含水率，％子会通过凝油层继续向管壁运移，导致管壁处沉积图1不同含水率下原油粘度实验曲线Fig．1Experimentcurveofviscosityofcrudeoilwith石蜡越聚越多，含油量变小】。diflferentmoisturecontent2建立石蜡沉积速率模型上图l可知，在不同的剪切速率下，管道原油视粘度不同，随着剪切速率的增加，转相点(含水率根据室内模拟实验，建立石蜡沉积速率模型。65％左右)的视粘度明显下降；在转相点之前(含该模型考虑了蜡分子浓度梯度、管壁处剪切应力、水率为10％一65％)，原油视粘度随着含水率的增加油流温度梯度以及粘度等，首先计算了蜡沉积倾向而上升，在转相点之后(含水率为65％85％)，原系数，考虑蜡沉积倾向系数，建立蜡沉积速率模型。油视粘度随着含水率的增加而下降；在相同的含水石蜡沉积倾向系数：率条件下，原油视粘度一般是随着剪切速率的增加，，：．i}fm()一1)OF而下降，当含水率超过85％时，原油视粘度受剪切式中：厂一蜡沉积倾向系数；速率影响减小，趋向牛顿流体。l"W一管壁处剪切应力，Pa；从图l一4可知，对于不同含水率、不同油温的dr一管壁处径向温度梯度，~C／ram； 1390当代化工2015年6月原油，结蜡速率最高点出现在转相点(含水率为65％左右)，油流速度越高，结蜡速率越低；在转相点之前，同一油温条件下，随着含水率的上升，管道结蜡速率上升，这是由于原油视粘度的增大，促使原油与管壁充分接触，原油中的石蜡分子与管壁径向石蜡晶体浓度梯度增大，原油中的石蜡分子逐渐迁移到管壁结蜡中心聚集、沉淀下来；在转相点之后，随着含水率的上升，结蜡速率呈下降趋势；在最高土壤温度(10℃)条件下，流量为40m／d时的结蜡速率是流量为5m／d的1／4倍，是因为流量越大，剪切应力越大，足以破坏管壁处石蜡沉积层，或者直●接将石蜡冲刷下来；对于同一土壤温度下，4O口c集吕●油温度时的结蜡速率一般是2O℃集油温度的2～3倍，这是由于集油温度的下降，分子扩散作用将减小，石蜡晶体的热运动会减弱，造成了20℃下的结磐好蜡速率比3O、35和40℃的结蜡速率要低；对于其他条件相同情况下，土壤温度为l0℃的结蜡速率只有土壤温度为一10。C的一半。(a)土壤温度1O℃(b)土壤温度一10℃图3油流流速为2Om。，d时不同含水率不同温度下的管道结蜡速度Fig．3Parafindepositrateofcrudeoilwith20m／dflowvelocityunderdifferentmoisturecontentanddifferent(a)土壤温度lO℃(b)土壤温度一1O℃图2油流流速为40m。／d时原油含水率，％(a)土壤温度l0oC(b)土壤温度一1O℃不同含水率不同温度下的管道结蜡速度Fig．2Parafindepositrateofcrudeoilwith40m／dflow图4油流流速为5m。／d时velociWunderdiferentmoisturecontentanddifferent不同含水率不同温度下的管道结蜡速度temperatureFig．4Parafindepositrateofcrudeoilwith5m／dflowvelocityunderdifferentmoisturecontentanddifierenttemperature综上所述，总结以下规律：结蜡速率的变化规 第44卷第6期何绪蕾，等：管道原油结蜡速率买验与清管技术研究1391律可划分为2个区间，①小于含水率65％时，随着含实例分析结果表明，管道压降在清洗前压降为水率的上升，结蜡速率上升；⑦大于65％以下时，1．7MPa，清洗后降为0．7MPa，相反，输送原油的随着含水率的上升，结蜡速率下降；整体呈现出～流量从12m／h上升为14m／h，上升幅度为16．7％。条凸型曲线。结蜡速率的最高点出现在转相点附近，(1)在相同年输量的条件下，采取PIG清管集油温度越高，结蜡速率越低。技术后，维护管道运行的电量减少了4．32x10kW·h，年运行费用减少了123．89x104元。4清管技术(2)同时启用泵加压条件下，PIG清管技术后，在原油输送过程中，由于集输管道内壁结蜡导年输送原油量可增加18361m，年电量可减少致原油流通界面减小、输送能力下降，势必会增加5．96x10kW·h，年运行费用减少将近16214x10元。运行成本，因此，对管道内壁清蜡显得尤为重要。5结论管道内部结蜡示意图如图5所示。根据某油田地区原油集输管道结蜡模拟实验，⋯’●r——、⋯集输管道原油在集输过程中，沿程的输油温度会有所下降，⋯温度的下降会导致石蜡分子的扩散减小，无规则的一一一／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／热运动减弱，原油中的石蜡与管壁处的石蜡形成浓图5集输管道蜡沉积示意图Fig．5Schematicofwaxdepositioninthepipeline度梯度，石蜡分子逐渐向管壁处迁移，积少成多，最后沉淀下来。在不同的含水率条件下，转相点一4．1沉积蜡成分分析般是管道结蜡速率的最高点，结蜡速率的变化规律集输管道内壁蜡主要是以片状晶体析出，在管以转相点为分界，划分为2个区间，整体呈现出一道低温状态下，容易形成网络结构将液态包裹起来条一条凸型曲线，原油含水率在65％左右(转相点)构成凝胶状，长时间沉积在管道内壁，是管道运行时，原油的视粘度最大，形成的水环在管道横截面的有效管径变小，导致原油输送能力下降，下面主上不明显，这时原油与管壁充分接触，导致原油中要选取了管道结蜡严重的原油蜡样进行分析化验，的石蜡分子与管壁处的石蜡晶体形成较大的浓度梯如表1所示。度，石蜡分子逐渐向管壁迁移、聚集，结蜡速率上对管道蜡样分析，管道内壁沉积物主要以原油升，而转相点以后，含水率逐渐上升，起到稀释体重组分为主，蜡和胶质、沥青含量高达63．77％，固系液体粘度的作用，石蜡分子浓度梯度下降，结蜡相含量占IzL6．32％，属于混合垢质，这些结垢物质速率随之减小。采取PIG清管技术可以有效的降低主要包括FeS、FeO，(腐蚀垢)，CaCO，、MgCO(碳管道运行压力，较低管道输送压力会降低管道穿孑L酸垢)以及硅铝酸盐。风险，保证年输量的同时，节约了年使用电量以及表1蜡样品成分化验分析Table1Waxsamplecompositionanalysis运行费用。管道内壁沉积物样品外观褐色、高粘、硬质参考文献[1]蔡均猛，张国忠，邢晓凯，等．含蜡原油管道蜡沉积研究进展}JJ．油气储运。2002．21(11)：12—16．[2]耿德江，王岳．温度对高凝成品油管壁结蜡规律影响的研究[J1．油气储运，2009．28(10)：52—54．[3]李俊刚，王志华，龙安厚，等输油管道系统管壁温度与原油温度对蜡沉积的影响[J]．大庆石油学院学报，2006，6(3)：21—23．[4]朱林，项振东，杨玉华．原油温度对管道结蜡的影响及其机理研究fJ1_油田地面工程，199110(2)：13—15．[5]涂乙，吴萌，管丽，等．注水开发油田结垢影响因素的分析与研究『J1．油气储运，2010．29(2)：97—99．[6]朱敬华，王双喜，徐海波，等．含水率对原油集输管道结蜡影响分析【JJ．广州化工，2013，41(5)：77—79．4，2PIG清管应用效果[7]朱林孙锦华，杨杰．原油视粘度随含水率的变化规律及在原油集输中PIG是一种清管器简称，主要成分为聚氨酯发的应用fJ]．油田地面工程，1993，12(2)：8—11．泡体，在油气流推动以及自身动力下，在管道内壁[8]马立国，胡国元，米宏云瑚田高含水期常温集输技术『Jll内蒙古石油运动，以清洁和检测管壁状态为目的。下面选取一化工，2004，30(4)：119—12．条结蜡严重的管道为例，进行PIG清管效果分析。