非金屬復(fù)合管防蠟性能研究

范白濤，邢希金，張海龍

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

我國原油大部分是含蠟原油，含蠟原油具有高凝的特點(diǎn)，在原油的開采、儲存及集輸過程中容易出現(xiàn)蠟沉積現(xiàn)象，給油田生產(chǎn)帶來安全隱患，同時造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。非金屬管道因具有耐腐蝕性能[1-4]、延緩結(jié)蠟、延緩結(jié)垢、使用壽命長[5-8]等優(yōu)勢，其在油氣田中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。伴隨材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，非金屬管和復(fù)合材料共同組成的管網(wǎng)將成為大勢所趨。

國內(nèi)外油氣田常用的非金屬管可分為塑料管、增強(qiáng)塑料管和內(nèi)襯管三類[9，10]。為了研究非金屬管與常規(guī)金屬管在結(jié)蠟方面的差異，本文選用了中海油研究總院提供的非金屬管及金屬管，對比考察兩者在蠟沉積量、蠟沉積強(qiáng)度的差異，以期為非金屬管在油氣田中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

非金屬復(fù)合連續(xù)管防蠟性能評價實(shí)驗(yàn)所用試劑（見表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 模擬油配制 將58#石蠟升溫至一定溫度，待石蠟充分熔化后，稱取一定量的石蠟與白油按1:3、1:4、1:5 配制模擬油，混合后置于2 L 燒杯中，再將模擬油放入烘箱中恒溫，待蠟在白油中溶解均勻后，冷卻密封儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 結(jié)蠟實(shí)驗(yàn) 選取中海油研究總院提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管開展實(shí)驗(yàn)。中海油研究總院提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管和金屬管實(shí)物圖（見圖1）。

圖1 中海油提供非金屬復(fù)合連續(xù)管與金屬管實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃、45 ℃、40 ℃、35 ℃、30 ℃，結(jié)蠟時間為0 min、1 min、3 min。其中0 min 是指剛放入結(jié)蠟容器后立即取出。

1.2.3 蠟沉積物剝離實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)中報(bào)道的清管實(shí)驗(yàn)裝置[11]，以研究非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管內(nèi)沉積蠟剝離時清管器的受力變化，分析獲得剝離蠟沉積物時所需壓差。在實(shí)驗(yàn)過程中，配制蠟含量不同的模擬油樣，測定非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管剝離不同含蠟量的沉積層所需力的大小，評價清管器剝離蠟沉積層所需壓差之間的差異。清管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（見圖2）。

圖2 蠟剝離裝置簡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 蠟沉積速度評價

為了對比非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管的防垢性能差異，采用中海油研究總院提供的非金屬樣管，對比考察了非金屬管與金屬管的防垢性能。由于實(shí)際油樣難以獲取，故采用模擬油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬油由石蠟和白油組成，其配制比例分別為1:3、1:4、1:5。當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:3 時，非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)蠟量在不同溫度下隨結(jié)蠟時間的變化（見圖3～圖5）。

圖3 0 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:3）

圖4 1 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:3）

圖5 3 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:3）

由圖3 至圖5 可知，當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:3時，若結(jié)蠟時間相同，隨著體系溫度降低，對于非金屬復(fù)合連續(xù)管與金屬管而言，結(jié)蠟量都呈顯著增加趨勢；若體系溫度相同，隨結(jié)蠟時間增加，對于非金屬復(fù)合連續(xù)管與金屬管而言，結(jié)蠟量也呈增加趨勢。在相同結(jié)蠟條件下，中海油研究總院提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)蠟量低于金屬管，這表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防蠟性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:4 時，非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)蠟量在不同溫度下隨結(jié)蠟時間的變化（見圖6～圖8）。

由圖6 至圖8 可知，當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:4時，結(jié)蠟時間和結(jié)蠟溫度對非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管的結(jié)蠟量影響規(guī)律與1:3 時一致。在相同結(jié)蠟條件下，中海油研究總院提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)蠟量低于金屬管，這表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防蠟性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

圖6 0 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:4）

圖7 1 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:4）

圖8 3 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:4）

當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:5 時，非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)蠟量在不同溫度下隨結(jié)蠟時間的變化（見圖9～圖11）。

由圖9 至圖11 可知，當(dāng)石蠟與白油配制比例為1:5 時，結(jié)蠟時間和結(jié)蠟溫度對非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管的結(jié)蠟量影響規(guī)律與1:3 時一致。在相同結(jié)蠟條件下，中海油研究總院提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)蠟量低于金屬管，這表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防蠟性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

圖9 0 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:5）

圖10 1 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:5）

圖11 3 min 時非金屬管與金屬管結(jié)蠟量隨溫度的變化（蠟:白油=1:5）

2.2 蠟沉積強(qiáng)度評價

含蠟原油在管內(nèi)流動時，若管壁溫度降至析蠟點(diǎn)以下時，在管道內(nèi)壁就會發(fā)生蠟沉積現(xiàn)象。對于管道中清蠟問題，目前應(yīng)用較為廣泛的是清管法，蠟沉積強(qiáng)度即可通過該法進(jìn)行評價。

在清管過程中，清管器主要受到前、后油流的作用力P1和P2，自身重力在前進(jìn)方向上的分力G1，結(jié)蠟層的抗剪阻力Fc和管壁的摩擦阻力Fw[12]（見圖12）。

圖12 清管器運(yùn)行過程中的受力情況

2.2.1 穩(wěn)定力的確定 本節(jié)主要對比研究非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管經(jīng)過蠟沉積后，清管器在剝離沉積蠟層的過程中所需壓差的變化規(guī)律。

根據(jù)配制不同比例的模擬油結(jié)蠟清管實(shí)驗(yàn)，金屬管與非金屬管清蠟所測穩(wěn)定力FB的變化（見表2、表3）。

由表2、表3 可知，含蠟量相同時，非金屬管的穩(wěn)定力FB要低于金屬管，這表明非金屬管蠟剝離所需要的外力要低。

表2 金屬管穩(wěn)定力變化

表3 非金屬管穩(wěn)定力變化

2.2.2 剝離蠟沉積物所需壓差 清管過程中，由于管段部分水平，清管器自身重力分力為0，清管器所受合力即油流給清管器提供的推動力。清管器受到的合力Fmax分別由清管器與管道表面的摩擦力Fw、沉積蠟的抗剪阻力Fc，以及清掉的蠟形成蠟塞后與蠟層間的摩擦力Fs構(gòu)成，計(jì)算見式（1）。

式中：Fmax-油流作用于清管器的最大推動力，N；ΔPmax-清管器在清管過程中的最大壓差，MPa；A-截面積，m2；Fc-蠟層抗剪阻力，N；Fw-清管器與管壁之間的摩擦力，N；Fs-蠟塞與蠟層之間的摩擦力，N。

上述變量中，F(xiàn)c和Fs可從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析獲得，F(xiàn)w可從空管實(shí)驗(yàn)獲取。

在清管實(shí)驗(yàn)中，所得穩(wěn)定力FB即Fw與Fc之和，據(jù)此可計(jì)算出非金屬管、金屬管在各不同含蠟量時的Fc，再根據(jù)式（2）計(jì)算得到剝離蠟沉積物所需壓差ΔPc。

式中：ΔPc-剝離蠟沉積物所需壓差，MPa；A-截面積，m2；Fc-蠟層抗剪阻力，N。

根據(jù)上述分析，金屬管和非金屬復(fù)合連續(xù)管在不同含蠟量情況下沉積蠟層抗剪阻力計(jì)算結(jié)果（見表4、表5）。

表4 金屬管不同含蠟量情況下沉積蠟層抗剪阻力

表5 非金屬管不同含蠟量情況下沉積蠟層抗剪阻力

由表4、表5 所得剝離蠟沉積物所需壓差可擬合獲得非金屬管與金屬管的壓差隨蠟含量的變化曲線（見圖13）。

圖13 非金屬管與金屬管剝離沉積蠟所需壓差變化

由圖13 可知，當(dāng)蠟含量從16.7%升高至35%時，蠟沉積層抗剪阻力顯著增加。無論是非金屬復(fù)合連續(xù)管還是金屬管，蠟積聚后所需剝離的力也隨著蠟含量的增加而顯著增加。這可能是由于蠟沉積物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由表層至管壁連續(xù)增加，蠟沉積物屈服應(yīng)力的大小與含蠟量有關(guān)[13，14]。沉積物剪應(yīng)力隨著含蠟量的增加而變大，此時，清管器所受阻力也隨之增大，因此，需要提供更大的推動力才能使清管器運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，相比常規(guī)金屬管而言，非金屬復(fù)合連續(xù)管在不同含蠟量（16.7%、20%、25%、30%、35%）情況下沉積蠟層抗剪阻力均要低，非金屬復(fù)合連續(xù)管結(jié)蠟相對常規(guī)金屬管更容易剝離。

3 結(jié)論

（1）石蠟與白油配制比例分別為1:3 至1:5 時，中海油提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)蠟量均低于常規(guī)金屬管，這表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防蠟性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

（2）中海油提供的非金屬復(fù)合連續(xù)管在不同含蠟量（16.7%、20%、25%、30%、35%）情況下沉積蠟層抗剪阻力均低于常規(guī)金屬管，非金屬復(fù)合連續(xù)管蠟沉積物相對常規(guī)金屬管而言更容易剝離。