海底管道臺(tái)風(fēng)期間停輸后原油流動(dòng)規(guī)律研究

萬(wàn)年輝

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

隨著我國(guó)油氣田開(kāi)采的逐漸深入，中輕質(zhì)油的存儲(chǔ)量越來(lái)越少，我國(guó)已探明的稠油儲(chǔ)量很高[1]，但是稠油的開(kāi)采和運(yùn)輸面臨的著挑戰(zhàn)。很多學(xué)者研究，稠油中的主要成分是膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，這是導(dǎo)致原油增黏的主要原因。我國(guó)南海地區(qū)，油氣儲(chǔ)量巨大，但是南海地區(qū)臺(tái)風(fēng)較頻繁，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，平臺(tái)生產(chǎn)需要停止，人員撤離平臺(tái)前需往海管內(nèi)頂替海水或生產(chǎn)水，防止輸油管道結(jié)蠟堵塞或再啟動(dòng)壓力過(guò)大。但是油水比例如何選擇，如何能保證臺(tái)風(fēng)過(guò)后海管恢復(fù)正常運(yùn)輸，這是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。本文針對(duì)海底管道臺(tái)風(fēng)期間停輸后原油流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對(duì)原油凝點(diǎn)的影響

對(duì)南海某油田群的2個(gè)海上平臺(tái)原油進(jìn)行凝點(diǎn)測(cè)試，1#平臺(tái)原油通過(guò)海底管道輸至2#平臺(tái)，后由2#平臺(tái)通過(guò)海底管道外輸至終端處理設(shè)備，原油性質(zhì)見(jiàn)表1，其中1#原油黏度大，組分中膠質(zhì)瀝青質(zhì)較多，2#原油不含膠質(zhì)瀝青質(zhì)，分別對(duì)1#平臺(tái)原油、2#平臺(tái)原油以及1#平臺(tái)原油和2#平臺(tái)原油混合樣以及質(zhì)量比為1 ∶3的混合樣進(jìn)行凝點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。預(yù)測(cè)溫度為80℃，由表2可見(jiàn)，1#平臺(tái)原油凝點(diǎn)值最低為-8℃，2#平臺(tái)原油凝點(diǎn)最高為27℃，混合油凝點(diǎn)介于1#原油和2#原油之間，說(shuō)明2#原油中混入1#原油后，凝點(diǎn)有微小的降低。

表1 原油性質(zhì)

在不同溫度、不同剪切率下分別測(cè)試1#原油對(duì)混合油黏度、屈服值的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表4。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在同一溫度同一剪切率下，1#原油的加入，降低了混合油的黏度值。在同一剪切率下，2#原油的黏度與溫度呈正相關(guān)，隨著溫度的升高，黏度值降低，在同一溫度下，隨著剪切率的升高，原油黏度增大。在同一剪切率下，混合油的黏度與溫度成正相關(guān)，隨著溫度升高，黏度值降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1#原油的加入降低了混合油的黏度值，但是在高剪切率下，隨著溫度的升高，1#原油的加入對(duì)黏度值的影響減小。

表3 6s-1黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 0.2s-1黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)1#原油分別進(jìn)行不同溫度不同含水率下的黏度研究，從表5看出，在同一含水率下，隨著溫度升高，1#原油黏度值降低。同一溫度下，隨著含水率的升高，黏度值呈下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，原油摻水可以降低油水混合物整體流動(dòng)性，但是摻水之后，油水混合物的凝點(diǎn)如何變化，還需實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。

表5 含水率對(duì)1#原油黏度和屈服值的影響

1.2 環(huán)道試驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同含水率下1#油和混合油的流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套小型環(huán)道裝置，用于模擬海上平臺(tái)之間海底管道的運(yùn)行情況，試驗(yàn)環(huán)道管線圖如圖1所示，試驗(yàn)環(huán)路設(shè)計(jì)為43.85m長(zhǎng)，容積約345L，管線規(guī)格為DN100，管道中間通過(guò)法蘭連接，確?？梢圆鹦丁Ａ黧w從反應(yīng)釜出來(lái)，通過(guò)多級(jí)離心泵讓流體在環(huán)道循環(huán)，流體繞釜一周形成一段水平段，模擬海底管道平管段。然后垂直上升，經(jīng)頂部水平段后又垂直向下，模擬海底管道立管部分，經(jīng)一段水平回流管段后流回反應(yīng)釜。圖中垂直管段拆卸位置和水平段拆卸位置用于觀察管段的結(jié)蠟情況。分別研究不同含水率下，循環(huán)泵的起泵壓力變化和管段的結(jié)蠟情況。循環(huán)溫度為80℃，冷卻至20℃后起泵、拆管。1#原油實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，2#原油實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，混合油實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表可見(jiàn)，隨著含水率的升高，起泵壓力逐漸升高。現(xiàn)場(chǎng)外輸泵的最大操作壓力是實(shí)際操作壓力的2倍，以循環(huán)壓力的2倍作為外輸泵能否啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，則1#原油摻水外輸時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為50%，混合油摻水外輸?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)為70%。

圖1 環(huán)道試驗(yàn)裝置示意圖

表6 1#原油環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 2#油環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)蠟分析

環(huán)道主要拆管點(diǎn)為垂直管段，底部水平管段。垂直管段結(jié)蠟層為環(huán)狀，底部水平管段結(jié)蠟發(fā)生在12點(diǎn)鐘方向。垂直管段呈環(huán)狀結(jié)蠟，是因?yàn)榇怪惫芏螞](méi)有做保溫，鋼管散熱快，溫度降的快，所以沿管壁方向最先析出蠟晶，而水的比熱容最大，散熱最慢，油次之，在冷卻過(guò)程中油水會(huì)分離，油密度小往高處上浮，水密度大往低處流動(dòng)，整體溫度分布從管壁向管中心溫度逐漸升高，所以最后蠟晶會(huì)沿管壁析出，水會(huì)沿著中間孔道往下流。

表8 混合油環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

底部水平管段結(jié)蠟形貌正常，因?yàn)榈撞刻幵谑覂?nèi)，溫降較慢，在析出蠟晶之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了油水分離，所以蠟晶在管線12點(diǎn)鐘方向析出，如圖2所示。

圖2 平管段停輸后流體狀態(tài)圖

實(shí)際工況中，平臺(tái)立管溫度較高，海底管線溫度較低，在停產(chǎn)降溫過(guò)程中，立管部分先發(fā)生油水分離，立管上部為油，下部為水，如圖3所示，底部水平管線溫度降的慢，也會(huì)油水分層，如果溫度降的快，會(huì)和試驗(yàn)環(huán)道的立管一樣，形成環(huán)狀結(jié)蠟。如有氣體存在，可能是氣、油、水3層，或者是氣層和環(huán)形通道。

圖3 立管段停輸后流體狀態(tài)圖

3 結(jié)論

1）膠質(zhì)、瀝青質(zhì)起到了表面活化劑的作用，少量的膠質(zhì)瀝青質(zhì)可以降低原油的凝點(diǎn)。

2）在同一剪切率下，隨著含水率的升高，原油黏度和屈服值降低。

3）摻水外輸時(shí)，對(duì)于凝點(diǎn)低于環(huán)境溫度的原油，起泵壓力為循環(huán)壓力2倍的情況下，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為50%，對(duì)原油凝點(diǎn)高于環(huán)境溫度，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為70%。