混輸管道多相流結(jié)蠟實驗裝置與測試技術(shù)

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(jié)能環(huán)保工程科技有限公司, 山東 東營 257000

0 前言

在海洋石油生產(chǎn)中,多數(shù)油井的產(chǎn)出物需要通過海底管道輸送到附近平臺,當(dāng)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(jié)晶析出,在管壁上形成結(jié)蠟層[1-2],導(dǎo)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(dǎo)致凝管、堵塞管道等事件發(fā)生[3],嚴(yán)重威脅輸油管道的流動安全[4]。在世界范圍內(nèi),每年都會因結(jié)蠟問題造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。中國多數(shù)海上油田原油的特點是高黏、易凝、高含蠟,因此多相流結(jié)蠟問題更加突出[5]。對多相流結(jié)蠟問題進(jìn)行研究,確保流體順利流動,具有重要的現(xiàn)實意義。許多學(xué)者對多相流蠟沉積進(jìn)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(guī)律的認(rèn)識還處于初始階段。

1 蠟沉積機(jī)理

1.1 單相蠟沉積機(jī)理

早期對單相蠟沉積的研究表明,管壁的結(jié)蠟可能基于以下機(jī)理:溶液中蠟分子通過分子擴(kuò)散產(chǎn)生的層間傳遞，流動的剪切擴(kuò)散，重力沉積以及布朗擴(kuò)散。Bern PA等人[6]、Brown T S等人[5]和Burger E D等人[7]認(rèn)為分子擴(kuò)散是單相流中結(jié)蠟的主要機(jī)理。許多研究者報道了蠟會在管壁發(fā)生剪切剝離現(xiàn)象。Agarwal K M等人[8]認(rèn)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(kuò)散效應(yīng)。

1.2 多相蠟沉積機(jī)理

Rygg O B等人[9]假設(shè)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(kuò)散,而且擴(kuò)散過程僅發(fā)生在層流底層區(qū)域。Dawson S[10]利用當(dāng)?shù)刭|(zhì)量傳遞系數(shù)，來描述具有已知界面面積的封閉空間內(nèi)由于濃度差造成的溶解蠟界面質(zhì)量傳遞,從而給出多相流環(huán)境中的結(jié)蠟速率。液體到壁面的界面質(zhì)量傳遞系數(shù)，可由具體管段決定且受當(dāng)?shù)亓鲃訝顟B(tài)及流體性質(zhì)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(jié)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(guī)律、預(yù)測蠟沉積速度的數(shù)學(xué)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(kuò)散和剪切彌散兩種機(jī)理產(chǎn)生的蠟沉積模型,由于原油組成的復(fù)雜性,所以蠟分子擴(kuò)散系數(shù)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(zhǔn)確;Hamouda模型由分子擴(kuò)散機(jī)理建立蠟沉積模型，由于該模型把蠟沉積傾向系數(shù)和不同沉積物的含蠟量視為常數(shù),因此該模型也不準(zhǔn)確;Hsu模型的管徑遠(yuǎn)小于實際管徑,因此在等流速下,兩者雷諾數(shù)相差很大,實驗不能模擬實際現(xiàn)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(yīng)力、溫度梯度及含蠟溶解度系數(shù)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(shù)都需要分別進(jìn)行擬合。

多相蠟沉積機(jī)理、蠟沉積模型的完善化與能夠代表生產(chǎn)現(xiàn)場的結(jié)蠟數(shù)據(jù)密切相關(guān),因此需要建設(shè)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(huán)道上進(jìn)行實驗,修正不同模型的蠟沉積傾向系數(shù),對現(xiàn)有模型進(jìn)行優(yōu)化,使模型用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

3 多相蠟沉積實驗研究設(shè)施

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

3.1 中國石油大學(xué)(北京)多相蠟沉積環(huán)路

3.1.1 多相蠟沉積環(huán)路(BJL)

環(huán)路測試段和參比段長度均為2 m。進(jìn)入測試段之前的穩(wěn)定直管段為4.4 m,該環(huán)道能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)道流程見圖1。

圖1 中國石油大學(xué)(北京)多相流動蠟沉積實驗環(huán)道流程

3.1.2 高壓多相蠟沉積實驗環(huán)路(BJHL)

高壓水合物/蠟沉積實驗環(huán)路[24],安裝了在線粒度分析系統(tǒng)，見圖2。

圖2 中國石油大學(xué)(北京)高壓多相蠟沉積實驗環(huán)路現(xiàn)場

3.2 西南石油大學(xué)蠟沉積室內(nèi)環(huán)道(XNL)

蠟沉積室內(nèi)環(huán)道可視窗采用長0.3 m,直徑35 mm的有機(jī)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(xué)蠟沉積室內(nèi)環(huán)道工藝流程

3.3 法國石油研究院Lyre蠟沉積試驗環(huán)道

Lyre蠟沉積試驗環(huán)道[25]分五個換熱區(qū):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(nèi)的沉積物。這五個區(qū)域可以獨立控制溫度,環(huán)路現(xiàn)場見圖4,環(huán)道工藝流程見圖5。

圖4 法國石油研究院Lyre環(huán)路現(xiàn)場

3.4 殼牌石油公司W(wǎng)esthollow多相沉積環(huán)道

殼牌石油公司W(wǎng)esthollow多相蠟沉積環(huán)道見圖6。

3.5 美國Tulsa大學(xué)多相蠟沉積環(huán)道(Tupdp)

美國Tulsa大學(xué)多相蠟沉積環(huán)道[26]為U形不銹鋼管,測試段可通過液壓提升機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié),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(huán)路(MPFL)

挪威Equinor多相流高壓環(huán)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(huán)路(HPTFL)

高壓紊流實驗環(huán)道設(shè)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?？捎糜谘芯课闪髁鲬B(tài)下水對蠟沉積情況的影響。

圖5 法國Lyre蠟沉積試驗環(huán)道工藝流程

圖6 殼牌石油公司W(wǎng)esthollow多相沉積環(huán)道

圖7 美國Tulsa大學(xué)多相蠟沉積環(huán)道

圖8 美國Tulsa大學(xué)多相結(jié)蠟沉積環(huán)道測試段

圖9 挪威Equinor多相流高壓環(huán)路測試部分

圖10 美國德士古石油公司高壓蠟沉積湍流環(huán)路

總結(jié)世界范圍內(nèi)多相蠟沉積環(huán)路參數(shù)見表1，多相蠟沉積環(huán)路參數(shù)見圖11，多相蠟沉積環(huán)路氣液流量見圖12，多相蠟沉積環(huán)路氣液折算速度與壓力關(guān)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(guān)。其中原油的成分組成是影響管道結(jié)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(zhì)。如果這些變化導(dǎo)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(shù)方面均無法與實際輸油管道相比,而且該管道實驗介質(zhì)為原油、水和空氣,與實際混輸管道中的液相介質(zhì)(原油、油田采出水)、氣相介質(zhì)(天然氣)差別巨大,無法模擬真實管輸條件。BJHL長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)變化。XNL管徑小、長度短、壓力低。Lyre環(huán)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(huán)道管徑過小,流量達(dá)不到模擬深海混輸管道的要求。Tupdp多相蠟沉積環(huán)道設(shè)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(nèi)部模擬深海海底混輸環(huán)道。HPTFL自動化程度高,實驗過程簡單,但實驗環(huán)路規(guī)模小。

表1 多相蠟沉積環(huán)路參數(shù)總結(jié)表

參數(shù)環(huán)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(zhì)數(shù)三相兩相三相三相三相三相三相實驗介質(zhì)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(huán)路參數(shù)

圖12 多相蠟沉積環(huán)路氣液流量

圖13 多相蠟沉積環(huán)道氣液折算速度與壓力關(guān)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(zhì)量或測量體積的方法。短管方法的優(yōu)點是直接觀察沉積物的沉積狀況,對沉積物進(jìn)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(zhì)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(huán)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(huán)路上設(shè)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(dāng)管內(nèi)壁形成蠟沉積后,油流對外界環(huán)境散熱的總熱阻發(fā)生改變,熱阻隨蠟沉積厚度變厚而增大,可以近似地認(rèn)為新增熱阻與沉積蠟厚度成正比,測量相關(guān)的熱參數(shù),并將其代入到傳熱公式中,得到蠟沉積厚度。由于環(huán)道實驗的蠟沉積厚度一般較小,所以此法需要準(zhǔn)確的對流換熱系數(shù)等參數(shù),對裝置的測試準(zhǔn)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(zhuǎn))反射到管道內(nèi)壁上,采用相機(jī)拍攝管道內(nèi)蠟沉積情況,然后對圖片進(jìn)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(nèi)液面上升高度,通過記錄數(shù)據(jù)得到管路中不同位置的蠟沉積厚度和實驗管段內(nèi)壁的平均結(jié)蠟厚度。每次記錄數(shù)據(jù)的時間間隔越短,記錄次數(shù)越多,得到管道內(nèi)壁上的蠟沉積厚度分布越準(zhǔn)確。該法測量準(zhǔn)確,但是過程耗時長,尤其對于大型實驗環(huán)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(huán)路檢測結(jié)蠟情況,但由于檢測裝置技術(shù)并未完全成熟并且部分檢測裝置只能測平均結(jié)蠟厚度等原因,目前多數(shù)大型環(huán)路仍采用直接法測量蠟沉積厚度。

5 結(jié)論

目前，用于研究多相流管道結(jié)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(guī)劃在廣東珠海的高欄終端建設(shè)流動安全中試試驗基地,建設(shè)高壓大口徑多相流結(jié)蠟實驗環(huán)道,對于指導(dǎo)中國深海油氣生產(chǎn)將具有重要意義。