蠟沉積模擬與環(huán)道實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

蠟沉積模擬與環(huán)道實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析

陳小榆 蘇 鑫 凌沛文

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

蠟沉積是影響含蠟原油管道安全運(yùn)行的重要隱患。通過(guò)室內(nèi)環(huán)道裝置可以較真實(shí)地模擬實(shí)際管道中的蠟沉積現(xiàn)象，但利用環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究蠟沉積規(guī)律需要大量的原油進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，在油樣缺乏的條件下實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利完成。而采用PVTsim軟件中的蠟沉積模塊（DepoW-ax）模擬管蠟沉積，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適當(dāng)修正系統(tǒng)計(jì)算偏差，可以使模擬得到的蠟沉積規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。

蠟沉積；環(huán)道實(shí)驗(yàn)；PVTsim；結(jié)蠟厚度；模擬

含蠟原油在輸送過(guò)程中，當(dāng)管壁溫度低于油溫且低于原油析蠟點(diǎn)時(shí)，管壁附近原油中的蠟分子將會(huì)結(jié)晶析出，向管壁移動(dòng)并沉積在管壁處。蠟沉積是影響含蠟原油管道安全運(yùn)行的重要隱患。目前研究蠟沉積規(guī)律的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法有冷板法、冷指法、旋轉(zhuǎn)圓盤法和室內(nèi)環(huán)道法等[1-2]。前三種方法裝置簡(jiǎn)單，易于操作，但由于與原油在管道中的蠟沉積表面以及流動(dòng)狀態(tài)不同，擬合出蠟沉積模型預(yù)測(cè)誤差較大。而室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)中原油在真實(shí)管段中流動(dòng)并發(fā)生蠟沉積，可以較真實(shí)地模擬實(shí)際管道中的蠟沉積現(xiàn)象，但通常需要大量的原油進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)才能擬合出較準(zhǔn)確的蠟沉積模型，耗時(shí)長(zhǎng)，且實(shí)驗(yàn)誤差受操作條件、儀表精度等影響。在研究某海上油田含蠟原油的蠟沉積規(guī)律時(shí)，由于油樣較少，無(wú)法通過(guò)環(huán)道實(shí)驗(yàn)擬合出該原油的蠟沉積模型。因此，采用PVTsim軟件中的蠟沉積模塊（Depo Wax），參照環(huán)道實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行蠟沉積模擬，并將模擬結(jié)果與環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證模擬的有效性。

1 室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)油樣組成

首先對(duì)該油田提供的含蠟原油進(jìn)行物性分析，結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)油樣的黏溫關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)油樣蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量及主要物性參數(shù)

1.2 環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置

室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置[3]主要由實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)、恒溫循環(huán)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、充氣及吹掃系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)油樣黏溫關(guān)系曲線

圖2 室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，采用規(guī)格為?32mm×3.0mm的不銹鋼無(wú)縫鋼管，其中兩段測(cè)試管段長(zhǎng)度均為7m。整個(gè)實(shí)驗(yàn)管道浸沒(méi)在恒溫水槽中，通過(guò)熱水浴對(duì)實(shí)驗(yàn)管路中的原油進(jìn)行加熱。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)道裝置中整個(gè)環(huán)道均浸沒(méi)在同一個(gè)水浴環(huán)境中，且沒(méi)有設(shè)置單獨(dú)的冷卻裝置，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別進(jìn)行參比管實(shí)驗(yàn)和測(cè)試管實(shí)驗(yàn)。兩次實(shí)驗(yàn)中，各實(shí)驗(yàn)參數(shù)除水浴溫度不同外，其余參數(shù)均相同。參比管實(shí)驗(yàn)中保持水浴溫度略高于管內(nèi)油溫，測(cè)試管實(shí)驗(yàn)中水浴溫度為恒溫（18℃）。根據(jù)蠟沉積原理，參比管內(nèi)原油中即使有蠟分子析出，但是由于管壁和油流中心沒(méi)有濃度差，蠟分子也不具備在管壁沉積的條件，因此實(shí)際管內(nèi)徑不發(fā)生變化。測(cè)試管段管壁溫度低于油流溫度[4-5]，且低于原油析蠟點(diǎn)，則原油中的蠟分子會(huì)析出，并在測(cè)試管段上發(fā)生蠟沉積，使測(cè)試管管徑變小，壓差增大。通過(guò)測(cè)量參比管段和測(cè)試管段的壓差，根據(jù)靜態(tài)差壓法可計(jì)算出管段中的平均蠟沉積厚度。

1.4 主要操作步驟

（1）參比管實(shí)驗(yàn)。開(kāi)啟罐內(nèi)加熱系統(tǒng)，將油樣加熱到55℃，并開(kāi)啟循環(huán)水浴加熱系統(tǒng)，使環(huán)道管路完全浸沒(méi)在水浴中，保持水浴溫度略高于55℃，以保證油管外壁溫度高于原油溫度，防止析蠟。開(kāi)啟螺桿泵，調(diào)節(jié)流量，在實(shí)驗(yàn)流量下穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)后開(kāi)始記錄測(cè)試管段兩端的壓差，每間隔5min采集一次，記錄時(shí)間總長(zhǎng)為1h。之后再將油溫依次冷卻到50℃、45℃（析蠟點(diǎn)附近）、40℃、35℃，按照同樣的步驟重復(fù)進(jìn)行參比管實(shí)驗(yàn)，并記錄測(cè)試管段壓差。在此過(guò)程中始終保持管外壁溫度略高于原油溫度，以防止管壁結(jié)蠟。

（2）測(cè)試管實(shí)驗(yàn)。采用罐內(nèi)加熱的方式，將油溫加熱到55℃，保持水浴溫度為18℃，開(kāi)啟螺桿泵，調(diào)節(jié)流量，在實(shí)驗(yàn)流量下穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)后，開(kāi)始每隔5min采集一次流量、壓差、溫度等數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為12h。在此過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)水浴溫度并及時(shí)添加冷水，以保證水浴溫度始終維持在18℃（±0.5℃）左右。

（3）依次調(diào)節(jié)輸油溫度為50℃、45℃、40℃、35℃，按照同樣的步驟重復(fù)進(jìn)行蠟沉積實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每次進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)前，利用實(shí)驗(yàn)環(huán)路的吹掃系統(tǒng)吹掃環(huán)道內(nèi)和輸油泵內(nèi)的殘油。每組實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為12h以上。記錄每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、管線溫度、水浴溫度等。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用靜態(tài)差壓法計(jì)算管壁結(jié)蠟厚度，計(jì)算結(jié)果匯總于表2中。

2PVTsim模擬

PVTsim軟件是由Calsep公司開(kāi)發(fā)的一款流體計(jì)算軟件，可以為許多化工模擬軟件建立流體文件，同時(shí)也是一款具有PVT模擬、水合物形成預(yù)測(cè)、結(jié)蠟結(jié)垢預(yù)測(cè)、單元操作計(jì)算等功能的多用途PVT模擬軟件。其中，蠟沉積模塊是一個(gè)管道模擬器，它可以考慮蠟沉積和油相中懸浮的蠟顆粒對(duì)黏度的影響，模擬含蠟原油管道沿程壓降、溫降曲線以及結(jié)蠟厚度，適用于在油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和回路測(cè)試，可以評(píng)估管線在輸運(yùn)過(guò)程中的蠟沉積風(fēng)險(xiǎn)。在DepoWax模塊中，需要用戶輸入管線的特性（坐標(biāo)、內(nèi)徑、粗糙度、外界溫度、保溫材料）、入口的溫度、壓力和流速等。在開(kāi)始蠟沉積模擬之前，首先利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的蠟含量、凝點(diǎn)以及黏溫曲線數(shù)據(jù)等來(lái)對(duì)結(jié)蠟?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行修正，使得模擬得到的結(jié)果更符合實(shí)際情況。

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

模擬條件設(shè)置與環(huán)道實(shí)驗(yàn)完全相同，分別模擬入口流體溫度為55℃、50℃、45℃、40℃、35℃時(shí)管道中的結(jié)蠟情況。蠟分子孔隙度分別設(shè)置為60%、70%、80%、90%，每種情況的模擬運(yùn)行時(shí)間均為12h。

表2 蠟沉積厚度計(jì)算結(jié)果匯總

2.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將PVTsim模擬結(jié)果與環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。從對(duì)比結(jié)果可看出：

圖3 油溫55℃時(shí)管壁平均結(jié)蠟厚度隨時(shí)間的變化

圖4 油溫45℃時(shí)管壁平均結(jié)蠟厚度隨時(shí)間的變化

圖5 油溫35℃時(shí)管壁平均結(jié)蠟厚度隨時(shí)間的變化

圖6 壁溫18℃時(shí)管壁平均結(jié)蠟厚度隨油溫的變化

（1）平均結(jié)蠟厚度隨孔隙度增大而增大，孔隙度為80%時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近，表明環(huán)道實(shí)驗(yàn)中管壁蠟沉積層的蠟分子孔隙度在80%左右。

（2）PVTsim模擬結(jié)果與環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律基本一致，主要表現(xiàn)在：平均結(jié)蠟厚度隨著時(shí)間不斷增加，且結(jié)蠟速率由快變緩；結(jié)蠟速率隨原油溫度先升高后下降；析蠟高峰位于析蠟點(diǎn)附近。

（3）PVTsim模擬結(jié)果與環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同體現(xiàn)在：PVTsim模擬顯示蠟沉積在模擬開(kāi)始時(shí)刻即存在，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在運(yùn)行前4h內(nèi)管壁上幾乎沒(méi)有蠟沉積；PVTsim模擬值比實(shí)驗(yàn)值略大（油溫35℃時(shí)除外）。這主要是由于在PVTsim模擬中忽略了油流對(duì)蠟沉積層的剪切力，因此管壁上一開(kāi)始便存在蠟沉積，而在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)初期少量的蠟沉積物會(huì)在油流的剪切作用下被帶回油流中，隨著實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的增加，油流中析出的蠟晶越來(lái)越多，蠟晶會(huì)再次沉積并附著在管壁上，形成蠟沉積層。但由于油流剪切力的存在，始終會(huì)有部分蠟沉積物被帶回油流中去，因此，實(shí)驗(yàn)值比模擬值要小。而油溫為35℃時(shí)，在反常點(diǎn)附近，原油流動(dòng)性變差，在測(cè)試管實(shí)驗(yàn)中多次出現(xiàn)差壓計(jì)引壓管被蠟堵的現(xiàn)象，造成該組實(shí)驗(yàn)后期所采集的差壓數(shù)據(jù)偏大，因此計(jì)算數(shù)據(jù)偏大。

3 結(jié)論

對(duì)PVTsim模擬結(jié)果與環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，在采用PVTsim模擬蠟沉積時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)適當(dāng)修正系統(tǒng)計(jì)算偏差，可以使模擬得到的蠟沉積規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。因此，

當(dāng)條件缺乏且無(wú)法進(jìn)行環(huán)道蠟沉積實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用PVTsim中的蠟沉積模塊來(lái)模擬管道中的蠟沉積現(xiàn)象，探索含蠟原油管道中的蠟沉積規(guī)律是可行的。

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（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.006