不加熱集油粘壁規(guī)律研究進(jìn)展

呂楊，朱國(guó)承，霍富永，杜鑫，黃啟玉

（1中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

國(guó)家“七五”規(guī)劃階段，石油工業(yè)部重點(diǎn)推廣“節(jié)能降耗油氣集輸配套技術(shù)”攻關(guān)項(xiàng)目，至此不加熱集油工藝登上了石油行業(yè)的歷史舞臺(tái)。大慶、長(zhǎng)慶與華北等9個(gè)大油田相繼開展了不加熱集油工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并取得了顯著成果。迄今，已成功試驗(yàn)并投產(chǎn)的不加熱集油技術(shù)有：摻常溫水不加熱集油（“一站兩制”、“三不”復(fù)合、加劑、摻常溫水）、常規(guī)單管不加熱集油（自然不加熱、環(huán)狀摻水、電熱輔助、通球輔助、深埋串接）及雙管不加熱集油等。截至“十一五”期間，大慶油田已經(jīng)實(shí)行單井全年或季節(jié)性不加熱集油，累計(jì)節(jié)約油田氣6.75×108m3，折合標(biāo)煤87.4×104t，同時(shí)減少了因油田氣燃燒所造成的CO2排放量124.8×104t，取得了顯著的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著油田大面積推廣不加熱集油工藝，油田的實(shí)際生產(chǎn)效益得到切實(shí)提高，但同時(shí)凝油粘壁也成為威脅管道安全的一大流動(dòng)保障問題。時(shí)至今日，國(guó)家政策的導(dǎo)向、油田生產(chǎn)的實(shí)際需求，使得不加熱集油粘壁規(guī)律研究的開展、完善與深入成為必然。

不加熱集油工藝[1]可有效降低地面集輸系統(tǒng)的熱能損耗，降低運(yùn)行成本。但由于集輸條件日趨惡劣[2-3]，不加熱集油容易造成凝油粘壁現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)氯苈?，直接造成井口回壓陡增[4]。近年來，對(duì)不加熱集油的研究從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[5-7]、經(jīng)驗(yàn)嘗試和工藝改良[8-10]逐步深入到凝油粘壁規(guī)律影響因素、原油物性與組成的影響以及膠凝原油的影響等方面，并取得了階段性突破。但由于研究者的側(cè)重點(diǎn)不同、研究體系不統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)方法存在差異，使得凝油粘壁機(jī)理與粘壁溫度判別等方面存在爭(zhēng)議，致使不加熱集油粘壁規(guī)律的研究進(jìn)入“深水區(qū)”。因此通過對(duì)凝油粘壁宏觀規(guī)律的總結(jié)，可進(jìn)一步推進(jìn)凝油黏附層強(qiáng)度、膠凝油團(tuán)顆粒碰撞概率、凝油黏附力測(cè)定、凝油團(tuán)與壁面的界面特性以及組分對(duì)分子間作用力的影響等諸多基礎(chǔ)性研究的開展，為探索與揭示凝油粘壁機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)。本文綜述了不加熱集油粘壁規(guī)律的主要技術(shù)難題、研究方法及成果，并對(duì)存在的問題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)今后研究方向作出展望。

1 不加熱集油粘壁規(guī)律的主要技術(shù)難題分析

1.1 粘壁規(guī)律的影響因素

不加熱集油粘壁規(guī)律受諸多因素影響，如溫度、含水率、剪切應(yīng)力與作用時(shí)間等。這些單一的影響因素可以通過實(shí)驗(yàn)得出粘壁現(xiàn)象的宏觀規(guī)律，也是進(jìn)行初步探索時(shí)的研究焦點(diǎn)。在宏觀實(shí)驗(yàn)中上述影響因素最易實(shí)現(xiàn)單一變量控制法，并獲得有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而定性分析粘壁規(guī)律并擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，指導(dǎo)油田實(shí)際生產(chǎn)。

1.1.1 溫度的影響

溫度對(duì)不加熱集油粘壁的影響不言而喻，隨溫度的降低粘壁傾向性與粘壁概率都會(huì)增大，這是現(xiàn)階段該問題研究者的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。一些學(xué)者認(rèn)為含蠟原油流動(dòng)狀態(tài)下的油分子被蠟分子封裝在蠟晶三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)下[11]，隨溫度降低逐漸固化析出黏附在管壁處，這就是初始粘壁層的形成過程。還有學(xué)者對(duì)油壁溫差（溫度梯度）進(jìn)行研究[4]，該研究模擬不同環(huán)境溫度與不同油溫之間的差值對(duì)粘壁形成和增長(zhǎng)過程的影響。研究表明低溫集輸中含蠟原油在凝點(diǎn)之上且存在油壁溫差，粘壁行為的動(dòng)力來源于蠟分子濃度梯度引起的“分子擴(kuò)散”。但當(dāng)含蠟原油在凝點(diǎn)之下且不存在油壁溫差時(shí)，認(rèn)為粘壁行為的動(dòng)力來源是由速度梯度引起的凝油顆粒橫向平移，也就是“剪切彌散”。本文作者觀點(diǎn)與上述研究存在差異，采出液與管壁存在一種“極冷”作用，會(huì)使得油品在管壁處迅速凝固并黏附在管壁上，并不是通過分子擴(kuò)散形成的，因此蠟沉積的機(jī)理并不能照搬。同樣是油壁溫差對(duì)粘壁過程的研究，鄭海敏等[12-13]從實(shí)驗(yàn)中得到了一些規(guī)律，一定的實(shí)驗(yàn)條件下，油溫越高，凝油的強(qiáng)度越弱，溫差越大，粘壁速率也越大。

1.1.2 含水率的影響

對(duì)于含水率的影響研究表明隨含水率的增加凝油粘壁速率降低[14]，粘壁厚度減薄[15-16]，但并沒有深入探討其成因。高含水輸送過程中由于水相的存在，對(duì)輸送過程主要有三方面作用：一方面是水相對(duì)管壁的潤(rùn)濕作用，含水率越高，這種“水膜減阻作用[17-18]”愈加明顯，當(dāng)然這種“減阻作用”也會(huì)受到水滴的接觸角[19]、潤(rùn)濕歷史[20]和離子濃度等諸多因素的影響；另一方面是從凝油團(tuán)強(qiáng)度的角度來說，凝油中的水相會(huì)弱化內(nèi)部張力，由于油分子表面附著水膜在與管壁接觸時(shí)會(huì)減弱凝油團(tuán)與管壁的黏附強(qiáng)度；第三方面是由于管壁剪切應(yīng)力與水相的同時(shí)存在會(huì)使原油逐步乳化，增加原油的黏度，進(jìn)而強(qiáng)化黏附作用?，F(xiàn)階段在高含水輸送過程中管流處于油水懸浮、水包油型乳狀液或二者并存狀態(tài)，這有效降低了凝油團(tuán)與管壁的接觸概率，弱化黏附作用，因此管流中高含水的狀態(tài)將有利于油田開展不加熱集油，有效降低粘壁溫度。

1.1.3 剪切應(yīng)力的影響

Hamouda 等[21]在研究蠟沉積時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體流速增大時(shí)，對(duì)已有的沉積層產(chǎn)生剪切剝離作用。實(shí)際輸送過程中隨著管流速度的增大，對(duì)凝油粘壁層的剝離作用愈加強(qiáng)烈，粘壁溫度與粘壁速率呈下降趨勢(shì)[12-13]。實(shí)際上不加熱集油中原油以膠凝油團(tuán)[22]的形式懸浮于水中，凝油團(tuán)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了形成“分子擴(kuò)散”的粒徑，因此不可照搬“蠟沉積”的機(jī)理，宏觀上來講凝油粘壁過程是依靠凝油顆粒的黏附與管流的剪切剝離共同作用的。

但是本文作者認(rèn)為管段發(fā)生凝油粘壁現(xiàn)象后，管段軸向的粘壁層厚度存在不均性，造成凝油層軸向各點(diǎn)剪切應(yīng)力不同，因此定量表征剪切應(yīng)力與凝油粘壁層厚度之間的關(guān)系存在一定難度。普遍的做法是通過壓差曲線反算平均粘壁層厚度，建立平均粘壁層厚度與剪切應(yīng)力之間的定量關(guān)系。

1.1.4 作用時(shí)間的影響

作用時(shí)間對(duì)粘壁層厚度的影響，并不是一味的正作用。丁振軍[1]、賈治淵[4]與鄭海敏[12-13]等的研究中認(rèn)為粘壁層厚度并不會(huì)無限制增長(zhǎng)，而是存在極限值。而這種極限值實(shí)則是管流中凝油黏附作用與剪切剝離作用的動(dòng)態(tài)平衡。其原因是由于粘壁層的生長(zhǎng)，造成實(shí)際管徑減小，剪切應(yīng)力增大，剝離作用增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)粘壁厚度趨于穩(wěn)定。

1.2 原油物性與組成對(duì)粘壁規(guī)律的影響

Visintin[23]和Oliveira[24]等的研究分別證明了原油物性與組成會(huì)影響不加熱集油中膠凝原油粘壁的風(fēng)險(xiǎn)。因此測(cè)定原油物性與組成是各研究者進(jìn)行原油實(shí)驗(yàn)時(shí)必不可少的環(huán)節(jié)，原油物性測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確與否，直接影響著整套實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.1 原油物性的影響

常規(guī)的不加熱集油物性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中主要針對(duì)于原油的凝點(diǎn)、密度和黏度。原油物性的優(yōu)劣直接影響著不加熱集油的邊界條件。對(duì)于高含水原油的凝點(diǎn)是判斷集輸邊界條件的重要指標(biāo)，現(xiàn)階段的研究是參考實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同含水率下的原油粘壁溫度進(jìn)行預(yù)判，具有一定的工程應(yīng)用意義。原油物性是原油組成的宏觀表現(xiàn)，對(duì)于凝油粘壁的研究可從原油組成入手，探究?jī)?nèi)部組成之間的分子作用力、范德華力、氫鍵作用以及雙電層靜電引力與黏附力之間的關(guān)系，通過原油物性反應(yīng)出來，進(jìn)而建立模型或是揭示原油粘壁機(jī)理。

1.2.2 原油組成的影響

原油的組成直接影響粘壁行為的發(fā)生，現(xiàn)階段可通過四組分測(cè)定獲取原油中飽和烴、芳香烴、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量，但是在凝油粘壁的研究中還未有應(yīng)用。原油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)的含量影響著油品黏度[24]，進(jìn)而增加粘壁行為的發(fā)生概率。本文作者認(rèn)為應(yīng)該從瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的結(jié)構(gòu)[25]入手，現(xiàn)階段對(duì)于瀝青質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究主要集中于“分子層次[26]”、“似晶締合體層次[27]”和“膠束層次[28]”。瀝青質(zhì)分子通過分子間作用力形成似晶締合體，似晶締合體再次聚集成膠束分散于輕烴組分中[29]，并且環(huán)烷環(huán)與烷基側(cè)鏈暴露在外側(cè)（見圖1）。那么在凝油粘壁過程中，對(duì)于粘壁層的生長(zhǎng)應(yīng)該考慮瀝青質(zhì)與膠質(zhì)攜帶輕烴組分黏附時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移、范德華力、氫鍵、偶極作用等分子間作用力對(duì)黏附的影響[30]。稠油的粘壁現(xiàn)象[4,31]有學(xué)者認(rèn)為發(fā)生在凝點(diǎn)以上，由于稠油的黏度極大，即使高含水輸送，其流動(dòng)性依舊很差，會(huì)嚴(yán)重附著在管壁之上，迅速形成“初始粘壁層”。針對(duì)輸送稠油的惡劣工況，實(shí)際生產(chǎn)中多采用稀釋法[32]、乳化降黏[33]與改質(zhì)降黏等方法來實(shí)現(xiàn)稠油的不加熱集油。歸根結(jié)底原油組分中瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的分子作用力[34-38]對(duì)粘壁存在著重要影響，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)稠油中膠質(zhì)含量高，應(yīng)以膠質(zhì)為基礎(chǔ)，蠟與瀝青質(zhì)“輔助協(xié)同組裝行為”為路線來研究粘壁過程。

圖1 瀝青質(zhì)分子聚集與締合過程［25］

1.3 膠凝原油對(duì)粘壁規(guī)律的影響

原油“膠凝”源于管道停輸再啟動(dòng)，而膠凝油團(tuán)是由蠟晶形成的海綿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[39]和液態(tài)油水所組成的膠體[40]。近些年蠟沉積研究者逐步考慮膠凝在沉積層[41]中的影響，認(rèn)為沉積層中80%～90%為質(zhì)地較軟的凝油層，沉積層“老化”后凝油量仍可以達(dá)到50%～70%，但是并沒有對(duì)初始凝油層形成過程進(jìn)行具體研究。因此應(yīng)著重考慮這層“新鮮”凝油層黏附管壁的實(shí)際過程與機(jī)理。本節(jié)就含蠟油膠凝油團(tuán)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、受力變形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)粘壁規(guī)律的影響展開綜述與討論。

1.3.1 膠凝原油的結(jié)構(gòu)組成與運(yùn)動(dòng)形態(tài)

高含水期的不加熱集油工藝就是膠凝油團(tuán)的多相流水力懸浮輸送過程[42]。由于輸送流體溫度在原油凝點(diǎn)以下，故原油呈膠凝油團(tuán)狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。在集油中，井口采出液由于集油溫度低于析蠟點(diǎn)[40]，致使蠟晶析出并吸附在油與液滴的界面上[圖2(a)]；隨著溫度繼續(xù)降低，析出的蠟晶逐漸覆蓋整個(gè)油與液滴的界面[圖2(b)]；當(dāng)溫度降低至凝點(diǎn)甚至凝點(diǎn)以下時(shí)，液滴上的石蠟層吸引乳狀液中析出的蠟晶逐漸生長(zhǎng)[圖2(c)]；最終，分散相液滴完全被蠟晶網(wǎng)格包裹并形成“聯(lián)結(jié)點(diǎn)”構(gòu)成膠凝結(jié)構(gòu)[圖2(d)]。

這是膠凝油團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，蠟晶吸附于油與液滴界面時(shí)會(huì)攜帶部分瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等極性物質(zhì)。蠟晶結(jié)構(gòu)包裹液滴為這些極性物質(zhì)接觸管壁提供了有利條件，而這些極性物質(zhì)才是有可能影響粘壁發(fā)生的主要因素。

膠凝油團(tuán)是一種由石蠟與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)所構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[43]，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中還包裹著半流動(dòng)狀態(tài)的膠凝油團(tuán)。從可視化的角度來講，膠凝油團(tuán)是一種呈黑棕色的海綿狀彈性膠凝體系，且具有“凝而不固[17]”的特性。在近井端與進(jìn)間端，有研究者[10]利用透明管觀察膠凝油團(tuán)的形態(tài)與運(yùn)動(dòng)形式，但是膠凝油團(tuán)的形態(tài)與運(yùn)動(dòng)形式受流型、流量、汽油比和管流有效截面積等諸多因素影響，因此其形態(tài)與運(yùn)動(dòng)形式（見表1）具有隨機(jī)性。尚未有學(xué)者給出明確的定論，表1僅為后續(xù)研究提供借鑒，具體形態(tài)以及運(yùn)動(dòng)形式有待進(jìn)一步推敲。

1.3.2 膠凝原油的運(yùn)動(dòng)軌跡與受力變形

近年來，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與變形的研究主要集中在兩相流顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬和界面捕捉方面[44]。例如Helenbrook利用有限元方法對(duì)Euler-Euler模型進(jìn)行求解獲得3 種不同液滴（長(zhǎng)條形、扁形、團(tuán)形）不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及液滴變形阻力模型。而同一時(shí)期的Chinyoka等[45]則直接對(duì)水力懸浮體系中液滴受剪切應(yīng)力后的變形進(jìn)行模擬，并認(rèn)為牛頓流體在懸浮流動(dòng)時(shí)其所受的力與有效重力存在一定關(guān)系[46]，基于這種受力關(guān)系得到臨界流速計(jì)算式。對(duì)于膠凝原油的懸浮輸送需要考慮兩相流運(yùn)動(dòng)中的曳力[47-48]與曳力模型[49]在凝油粘壁中的應(yīng)用。需建立適合于非牛頓流體膠凝油團(tuán)懸浮輸送的曳力系數(shù)[50]（與懸浮液黏度、膠凝油團(tuán)尺寸、雷諾數(shù)有關(guān)）的計(jì)算方法。

圖2 含蠟原油膠凝過程及結(jié)構(gòu)示意圖[43]

表1 管流中膠凝油團(tuán)形態(tài)與運(yùn)動(dòng)形式

鑒于前人的研究基礎(chǔ)[52]，劉曉燕課題組[53]針對(duì)水與膠凝原油這一特殊的兩相流中單個(gè)膠凝原油顆粒進(jìn)行相場(chǎng)法數(shù)值模擬。在浮升力、流體曳力與水流剪切應(yīng)力的作用下，這種具有屈服-假塑性膠凝原油顆粒在管流中向上浮升并觸及管壁上部后懸浮向前流動(dòng)（見圖3），并認(rèn)為單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡受顆粒尺寸、管道尺寸、溫度與流速等因素的影響。

圖3 單個(gè)膠凝油團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

但本文作者認(rèn)為膠凝油團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅是這幾個(gè)單一因素的作用結(jié)果，還應(yīng)是顆粒黏附力、界面張力、管壁材質(zhì)、原油物性組成與輸送條件等因素共同作用的結(jié)果。同時(shí)二維的矩形模擬區(qū)域不能滿足真實(shí)管道流動(dòng)的復(fù)雜情況，單個(gè)的膠凝油團(tuán)顆粒也不能代表整個(gè)顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒運(yùn)動(dòng)伴隨著顆粒的形變，有研究者發(fā)現(xiàn)隨著流動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒的變形度增大[42]。從溫度、粒徑和界面張力各角度探究了變形的影響因素。發(fā)現(xiàn)提升顆粒的界面張力系數(shù)可以有效抵抗外界流場(chǎng)對(duì)顆粒的變形作用。同時(shí)引入量綱為1 韋伯?dāng)?shù)We，隨著We的增大，外在流場(chǎng)對(duì)顆粒的變形作用越明顯[53-55]。

綜上所述，對(duì)于膠凝油團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡與受力變形需考慮的因素仍較多，且實(shí)驗(yàn)操作難度系數(shù)較大，數(shù)值模擬的方法為研究提供了便捷，上述研究只能為水力懸浮輸送膠凝油團(tuán)提供一定思路與基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)軌跡與變形度勢(shì)必會(huì)影響粘壁規(guī)律，因此未來研究應(yīng)多集中于膠凝油團(tuán)屈服值、兩相界面張力、流場(chǎng)剪切稀釋性、油團(tuán)黏附力等方面，將有助于凝油粘壁的研究。

1.3.3 膠凝原油的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

圖4 原油乳狀液屈服應(yīng)力隨含水率的變化［40］

對(duì)于含蠟原油，由于蠟晶結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)采用凝點(diǎn)以下的低溫集輸時(shí)管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)特殊的“膠凝油團(tuán)”。這種膠凝油團(tuán)類似于一種“凝而不固”且具有光澤的“膏狀體”。在粘壁問題中，應(yīng)該用管壁與凝油之間的黏附力來表征凝油層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但就目前的研究來看黏附力的研究還集中在瀝青粘壁[56-57]、水合物粘壁[58]和核心環(huán)狀流粘壁[59]等領(lǐng)域，還未在原油輸送粘壁問題中有深入的應(yīng)用。因此本節(jié)借助屈服應(yīng)力與儲(chǔ)能模量來表征膠凝油團(tuán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外大部分研究表明[60-64]，隨著原油乳狀液中含水率的增加（見圖4），其乳狀液膠凝的屈服應(yīng)力越大，也就是從膠凝狀態(tài)轉(zhuǎn)向流動(dòng)狀態(tài)所需驅(qū)動(dòng)力越來越大。從機(jī)理上分析就是：原油乳狀液在低溫集輸下，逐漸形成蠟晶結(jié)構(gòu)包裹著水的膠凝油團(tuán)，破壞該結(jié)構(gòu)，必須使剪切應(yīng)力足以破壞蠟晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)部水滴的相互作用力。

針對(duì)凝油粘壁中的膠凝油團(tuán)，有研究者利用儲(chǔ)能模量來描述高含水體系膠凝油團(tuán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[22]，其認(rèn)為膠凝強(qiáng)度表征含蠟油內(nèi)部的穩(wěn)定性以及抵抗管流剪切剝離的能力。

儲(chǔ)能模量描述高含水的混合體系原油內(nèi)部極性基團(tuán)間的相互作用與聚并作用。研究表明恒降溫速率下，增加體系中的含水率，儲(chǔ)能模量降低，膠凝強(qiáng)度減弱；在相同體系含水率下，恒應(yīng)力下的降溫速率減小，儲(chǔ)能模量增大，膠凝強(qiáng)度越強(qiáng)（見表2）。通過實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)者提出儲(chǔ)能模量和損耗模量對(duì)溫度變化之間的關(guān)系式，見式(1)和式(2)。

表2 不同含水原油體系溫降膠凝過程中的儲(chǔ)能模量（G′）平衡值[22]

式中，G′為儲(chǔ)能模量，Pa；G″為損耗模量，Pa；T為溫度，℃；x、y、z、x′、y′、z′為擬合系數(shù)。上述的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成，可用于工程實(shí)際應(yīng)用，但不是通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)而成，缺乏物理意義。對(duì)于粘壁問題中膠凝油團(tuán)強(qiáng)度，仍需重點(diǎn)研究其自身抵抗管流剪切應(yīng)力的能力，從另一個(gè)角度來說就是膠凝油團(tuán)與管壁處的黏附力和膠凝油團(tuán)內(nèi)部極性基團(tuán)之間的作用力，這都將成為揭示原油粘壁機(jī)理的重大突破口。

2 不加熱集油粘壁規(guī)律的主要研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

目前，粘壁實(shí)驗(yàn)裝置的共性是模擬實(shí)際管流的運(yùn)行參數(shù)，利用剪切應(yīng)力這一“橋梁”對(duì)應(yīng)到實(shí)際管道。通過稱重法與壓差法，研究不加熱集油的粘壁規(guī)律。然而由于不同實(shí)驗(yàn)裝置的操作方法、判斷依據(jù)不同，加之尚未形成判別粘壁發(fā)生的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，致使諸多學(xué)者對(duì)凝油粘壁行為的界定存在爭(zhēng)議。本節(jié)將逐一介紹各類實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、操作方法與優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法

早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要集中在控制集輸溫度并試運(yùn)行，通過檢測(cè)井口回壓的變化來判斷集輸溫度下限。這種早期試驗(yàn)方法缺乏科學(xué)指導(dǎo)與理論依據(jù)，因此宋承毅等[9]提出所謂集輸界限應(yīng)該是可操作的，但切記不可“一刀切”且應(yīng)因地制宜采取不同措施。經(jīng)過多年的科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探索，逐步形成配套的不加熱集輸系統(tǒng)（見圖5）。

圖5 配套不加熱集輸系統(tǒng)［9］

迄今為止，隨著研究者對(duì)粘壁規(guī)律研究的不斷深入，逐步開展有理論指導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。王志華[22]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：井口回壓上升快，主要是凝油粘壁現(xiàn)象嚴(yán)重，時(shí)而出現(xiàn)間歇流，因此要制定合理的集輸邊界條件與熱洗周期。劉曉燕[10]研究不同工況下對(duì)應(yīng)的集輸流型與油水狀態(tài)，通過分析得到合理的集輸邊界條件與壓力極限值?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可進(jìn)行的研究不夠深入，所得成果也僅僅局限于宏觀的定性分析與指導(dǎo)生產(chǎn)。綜上所述，類似的不加熱集油中油水流型與流態(tài)的研究多使用透明玻璃管，但透明玻璃管內(nèi)壁面性質(zhì)與實(shí)際輸送鋼管不同，進(jìn)出端口壓差變化與實(shí)際存在偏差；透明玻璃管段的徑向溫度梯度與輸送鋼管不同，會(huì)造成膠凝油團(tuán)黏附情況存在差異。不可忽略的是，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有油樣“新鮮”未老化的優(yōu)點(diǎn)、基礎(chǔ)物性保持良好、所得數(shù)據(jù)可靠，因此開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在一定范圍和基礎(chǔ)上是十分必要的。

2.1.2 環(huán)道實(shí)驗(yàn)法

凝油粘壁的實(shí)驗(yàn)環(huán)道主要是基于油水兩相蠟沉積環(huán)道，雖然環(huán)道的設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)二者大體相同，但實(shí)驗(yàn)過程粘壁實(shí)驗(yàn)環(huán)道需保持“無溫差全程冷輸”。早在20世紀(jì)末期，Trallero等[65]利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)道模擬管流中的油水兩相流型；Tulsa 大學(xué)Vielma等[66]在此基礎(chǔ)上改良傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)道設(shè)置了可調(diào)傾斜角的油水兩相蠟沉積實(shí)驗(yàn)環(huán)道；還有學(xué)者[67]通過實(shí)驗(yàn)環(huán)道探究分層流與環(huán)狀流對(duì)蠟沉積的影響；范開峰[68]和Bruno[69]等利用實(shí)驗(yàn)環(huán)道對(duì)油包水型乳狀液的蠟沉積規(guī)律與反相蠟沉積規(guī)律[70]進(jìn)行研究；現(xiàn)階段環(huán)道的主要測(cè)試方法[71]是利用測(cè)試段的壓差計(jì)算沉積層厚度。目前，凝油粘壁環(huán)道實(shí)驗(yàn)也延續(xù)了部分蠟沉積環(huán)道實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件與數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。常見的粘壁環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置（見圖6），一般由控溫?cái)嚢韫?、蠕?dòng)泵、流量計(jì)、測(cè)試段、參比段、壓力變送器和控溫水浴組成。

鄭海敏等[13]利用圖6 中的小型室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置得出了粘壁的宏觀規(guī)律以及粘壁速率與溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，見式(3)和式(4)。

圖6 粘壁環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置［13］

式中，TN為粘壁溫度，℃；TGP為原油乳狀液凝點(diǎn)，℃；φ為綜合含水率，%；τw為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；k、m、n為回歸系數(shù)。

上述經(jīng)驗(yàn)回歸式主要通過對(duì)應(yīng)剪切應(yīng)力與綜合含水率來預(yù)判粘壁速率與溫度，并認(rèn)為二者是影響粘壁的主要因素，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。但并不是通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)得出的，欠缺數(shù)學(xué)與物理意義。其他的粘壁實(shí)驗(yàn)環(huán)道[10]除規(guī)模、設(shè)備元件不同外，其設(shè)計(jì)大體思路與監(jiān)測(cè)方法基本一致，均用于計(jì)算粘壁層厚度與速率等研究。但目前對(duì)多相流的粘壁實(shí)驗(yàn)環(huán)道還“鮮有耳聞”，主要是考慮乳化的問題。利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)道可以較好地模擬管流中的實(shí)際流動(dòng)情況，但要注意的是環(huán)道內(nèi)的油品老化和過泵剪切乳化；環(huán)道輸送距離較短，且局部水頭損失大，使得管內(nèi)壓力分布與集輸管道存在差異；集輸管道所在地層環(huán)境溫度隨季節(jié)而改變，但環(huán)道依靠水套管或水浴控溫與實(shí)際存在差異；同時(shí)粘壁環(huán)道實(shí)驗(yàn)測(cè)試段也面臨“取樣難和測(cè)溫難”的問題，只能通過數(shù)據(jù)計(jì)算平均粘壁厚度和模擬油流溫度場(chǎng)來解決。

2.1.3 轉(zhuǎn)輪流動(dòng)模擬器法

轉(zhuǎn)輪模擬器是由挪威Petreco 公司制造的Petreco 流動(dòng)模擬器主要應(yīng)用于評(píng)價(jià)原油降凝劑的效果[72]、氣液混輸管道中原油析蠟溫度測(cè)定[73]以及凝油粘壁量[74]的測(cè)定。用轉(zhuǎn)輪流動(dòng)模擬器可以測(cè)定集油溫度界限，可同時(shí)得到摩擦因子、水包油型原油乳狀液油珠聚結(jié)溫度和凝油粘壁溫度等數(shù)據(jù)。其主要結(jié)構(gòu)是由轉(zhuǎn)輪、溫度傳感器、速度位置傳感器、扭矩傳感器、驅(qū)動(dòng)單元、壓力傳感器與控溫測(cè)試室7個(gè)部分組成。雖然利用轉(zhuǎn)輪流動(dòng)模擬器可以實(shí)現(xiàn)凝油粘壁溫度的測(cè)定，但由于控溫測(cè)試室空間較大，外界環(huán)境變化對(duì)控溫效果影響嚴(yán)重；轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)拖動(dòng)油流流動(dòng)，這一點(diǎn)與實(shí)際管流相悖，無法模擬真實(shí)管流。

2.1.4 石蠟沉積杯法

石蠟沉積杯最初應(yīng)用于大慶油田對(duì)結(jié)蠟問題的研究，還用于防蠟涂料與清蠟劑的效果評(píng)價(jià)。目前主要應(yīng)用于粘壁溫度的測(cè)定，可以通過簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)方法，獲取粘壁溫度和粘壁量。并且其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低廉。研究者通過搭建控溫?cái)嚢韫弈M系統(tǒng)，可以方便的獲取不加熱集油的邊界條件，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行集輸溫度下限的預(yù)判。

控溫?cái)嚢韫弈M系統(tǒng)[13]源于石蠟沉積杯（見圖7），是由數(shù)顯型攪拌器、水套式小型控溫罐和控溫水浴組成。其測(cè)試原理是依靠稱重法對(duì)比粘壁量來界定粘壁溫度，認(rèn)為粘壁量突增的溫度即是粘壁溫度。

圖7 控溫?cái)嚢韫弈M系統(tǒng)示意圖

綜上所述，控溫?cái)嚢韫弈M系統(tǒng)是現(xiàn)階段對(duì)于凝油粘壁問題最簡(jiǎn)單、最方便、最有效的研究手段之一。但相同的實(shí)驗(yàn)條件下，多次實(shí)驗(yàn)所得凝油粘壁量存在偏差，需重復(fù)實(shí)驗(yàn)并取平均值；模擬罐中的油流是由攪拌槳拖動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，雖然剪切應(yīng)力可與實(shí)際管道相對(duì)應(yīng)，但具體的流動(dòng)條件仍與實(shí)際管流不符；一般集輸管線的壓力在0.8MPa左右，模擬罐目前還很難進(jìn)行帶壓模擬。

2.1.5 冷指法

冷指主要應(yīng)用于多相流蠟沉積[75-79]研究領(lǐng)域，這種多相流蠟沉積實(shí)驗(yàn)裝置改變了蠟沉積表面，使沉積層沉積在圓柱形的冷指表面上，更加貼近實(shí)際管道內(nèi)表面。但是通過冷指研究凝油粘壁問題，往往只能得到定性規(guī)律，如油壁溫差、轉(zhuǎn)速、含水率和作用時(shí)間對(duì)粘壁規(guī)律的影響等，相應(yīng)的定量研究報(bào)道較少。在凝油粘壁的研究中，中國(guó)石油大學(xué)（北京）自行研發(fā)了一套具有“油樣可持續(xù)更新”的連續(xù)釜粘壁模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[4,80]。該裝置最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)“老化油樣”的更新。但是對(duì)于冷指實(shí)驗(yàn)裝置不論是研究蠟沉積還是粘壁都存在與實(shí)際集輸管路的差別[81]；同時(shí)利用冷指的凝油粘壁實(shí)驗(yàn)粘壁發(fā)生位置與管流存在出入，這是由于冷指與實(shí)際管道之間的冷壁位置不同造成的，同時(shí)還要強(qiáng)調(diào)的是冷指內(nèi)油水兩相的流動(dòng)是一種同軸圓筒間的Taylor-Couette 流動(dòng)，與實(shí)際管內(nèi)流動(dòng)存在差異[79]。

2.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法在凝油粘壁中的應(yīng)用主要集中在環(huán)道內(nèi)壁面和冷指攪拌罐內(nèi)溫度場(chǎng)的計(jì)算，還有對(duì)管內(nèi)單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力與變形等方面的研究分析。數(shù)值模擬方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低、時(shí)效性好和節(jié)約實(shí)驗(yàn)消耗。但是針對(duì)原油復(fù)雜的組成和集輸管道內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)，數(shù)學(xué)物理模型的建立較為困難，目前還未出現(xiàn)針對(duì)凝油粘壁顆粒群的數(shù)值模擬研究；并且集輸管路受各種因素影響較大，邊界條件設(shè)置較為復(fù)雜，很難與實(shí)際管道相符合，所以其計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 粘壁溫度的判別

對(duì)于粘壁溫度的判別，迄今為止沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。各學(xué)者都提出了自己的觀點(diǎn)，現(xiàn)將具有代表性的粘壁溫度判別方法列于表2。

現(xiàn)階段針對(duì)于凝油粘壁溫度的判別主要存在上述的5種方法，其中最接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的方法是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)環(huán)道，但也存在著實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、耗油量大等些許問題。石蠟沉積杯是現(xiàn)階段判斷凝油粘壁溫度最便捷的方法，但是粘壁溫度受實(shí)驗(yàn)者操作的影響較大，因此利用石蠟沉積杯判別粘壁溫度需要大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語與展望

為了更好地研究凝油粘壁規(guī)律，有效把控凝油粘壁風(fēng)險(xiǎn)，本文就不加熱集油粘壁規(guī)律研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。指出影響粘壁的單一因素是溫度、含水率、剪切應(yīng)力與作用時(shí)間；同時(shí)還有原油的物性與組成以及膠凝原油對(duì)粘壁的影響。通過分析不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研究方法總結(jié)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了研究方法的比選。明確了凝油粘壁現(xiàn)象是“凝油黏附”與“剪切剝離”共同作用的結(jié)果。鑒于對(duì)凝油粘壁的實(shí)驗(yàn)規(guī)律與理論分析仍不夠深入，提出對(duì)凝油粘壁規(guī)律研究方向的展望，具體如下。

（1）目前對(duì)凝油粘壁機(jī)理和影響因素的研究需深入。定量研究少，粘壁溫度與速率模型多為經(jīng)驗(yàn)回歸式，缺乏理論推導(dǎo)。同時(shí)對(duì)單一影響因素的研究工作仍需細(xì)致，不能只局限于宏觀定性研究，應(yīng)從微觀機(jī)理揭示粘壁現(xiàn)象。

（2）由于原油是一種復(fù)雜的混合體系，因此對(duì)于其物性與組成有待于進(jìn)一步研究，同時(shí)在粘壁問題中組分的影響需進(jìn)一步開展，以便于從分子間作用力與能量的角度解釋粘壁問題。

（3）不加熱集油中膠凝油團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡、受力變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究有待于進(jìn)一步深入，這將是未來對(duì)粘壁碰撞概率與抗剪切剝離能力的研究重點(diǎn)之一。

（4）凝油粘壁的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，或是研究方法仍需進(jìn)一步細(xì)化完善，應(yīng)盡快建立對(duì)凝油粘壁的判別標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，這將是下一步研究者應(yīng)進(jìn)行的主要工作之一。

（5）現(xiàn)階段對(duì)凝油粘壁的數(shù)值模擬研究還停留在單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與受力變形階段，應(yīng)著重從顆粒群的碰撞概率與黏附過程入手研究粘壁問題，但數(shù)學(xué)與物理模型的建立仍然是研究的難點(diǎn)。

表2 粘壁溫度判別方法