長慶頁巖油多相結(jié)蠟特性與清管周期研究

朱源 張巧生 張鵬飛 王斐 霍富永

1長慶工程設(shè)計(jì)有限公司

2中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

頁巖油的特性在全壽命開采周期內(nèi)與常規(guī)石油資源差別較大。主要表現(xiàn)在：單井生產(chǎn)參數(shù)波動(dòng)大，初期產(chǎn)液量高且含水率較高，隨后產(chǎn)油量迅速上升，達(dá)到最大值后開始迅速衰減，產(chǎn)液量和產(chǎn)油量下降的趨勢(shì)逐漸平緩，持續(xù)時(shí)間較長；常溫下黏度較低，凝點(diǎn)較高，且含蠟，頁巖油不加熱集輸難度大。在原油管輸過程中，若管壁溫度低于油流溫度且低于原油的析蠟點(diǎn)，則蠟分子會(huì)從油流中析出并附著在管壁上[1-2]。這種蠟的沉積會(huì)嚴(yán)重影響井筒、集輸系統(tǒng)和地面處理設(shè)備等，甚至在沉積物達(dá)到一定厚度時(shí)，會(huì)降低管道的輸送能力[3]，從而影響集輸效率。為取消平臺(tái)的增壓、加熱功能，僅利用井下電動(dòng)抽油泵給流體提供動(dòng)力來克服井筒和集輸管道的壓降，實(shí)現(xiàn)地面油氣集輸系統(tǒng)能量的最優(yōu)利用，因此，亟需研究頁巖油的結(jié)蠟特性，為頁巖油無桿采油地面集輸工藝的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

蠟的沉積過程受到多種因素的影響，包括管壁溫差、流速、流型和管壁粗糙度等，使其變得相當(dāng)復(fù)雜[4]。盡管在國內(nèi)外，關(guān)于多相混輸中蠟沉積問題的研究取得了顯著進(jìn)展，但機(jī)理的解析和模型的預(yù)測(cè)仍受到多種因素的制約。這主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①關(guān)于單相蠟沉積機(jī)理，學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識(shí)，更沒有出現(xiàn)能夠強(qiáng)有力地支持多相管流蠟沉積機(jī)理的深入研究理論。這個(gè)現(xiàn)狀從根本上限制了對(duì)蠟沉積問題的深入研究。②多相流動(dòng)的特性異常復(fù)雜，涉及油-水兩相、氣-液兩相、油-氣-水三相的流動(dòng)行為，以及傳熱現(xiàn)象。然而，目前對(duì)于這些特性的研究還不夠成熟，尤其是涉及流動(dòng)行為和傳熱機(jī)制的理解，很大程度上也制約了對(duì)多相管流蠟沉積現(xiàn)象的深入探究。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究是目前對(duì)油-水兩相體系蠟沉積規(guī)律研究的主要手段。曹恒廣等[5]利用多相流模擬軟件（OLGA）對(duì)南海某油田深水不保溫回接管道的蠟沉積和清管過程進(jìn)行模擬。得出結(jié)論：隨著蠟沉積時(shí)間的增加，管壁上的蠟沉積層厚度逐漸增加。然而，這種現(xiàn)象在一定程度上增強(qiáng)了管道的保溫效果，因?yàn)榻档土斯軆?nèi)原油與管壁之間的溫度梯度，從而減緩了蠟沉積速率。TRALLERO[6]對(duì)水平管道中的油水兩相流流型進(jìn)行了研究，并將其分為2 種分離流和4 種分散流。分離流中的水相通過管道及油流的傳熱過程對(duì)蠟沉積產(chǎn)生影響。而在分散流中，水相除了影響熱傳遞過程外，還會(huì)阻礙油相中蠟晶析出并沉積到管壁的路徑，從而對(duì)蠟的沉積產(chǎn)生影響。與TRALLERO 不同，SERGIO[7]則利用環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究了分層流和環(huán)狀流這2 種流型下油-水兩相中蠟沉積的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管道與油品是否接觸都會(huì)導(dǎo)致蠟沉積。此外，根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于含水率對(duì)油-水兩相中蠟沉積的影響，前人的結(jié)論并不一致。一些學(xué)者觀察到蠟沉積量隨著含水率的增加而減少，例如AHN[8]、COUTO[9]、BRUNO[10]利用不同實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)沉積物的質(zhì)量隨含水率的增大而減小。也有人認(rèn)為隨著含水率的增加，蠟沉積量會(huì)呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。例如王鵬宇等[11]利用冷指法研究了油包水型乳狀液中蠟沉積量與含水率、剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：蠟沉積量隨含水率的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)隨著剪切強(qiáng)度的增加而更加明顯。導(dǎo)致不同結(jié)論的主要原因與各自的實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，有些采用了冷指裝置，而有些使用了環(huán)道裝置。然而，無論使用哪種實(shí)驗(yàn)裝置，都是通過“拆管”取樣來測(cè)量蠟沉積量，這可能會(huì)與實(shí)際蠟沉積量存在一定誤差。特別是在沉積物中含水的情況下，實(shí)際測(cè)量結(jié)果可能會(huì)受到影響。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)油-氣兩相蠟沉積進(jìn)行了大量研究。學(xué)者們對(duì)油-氣兩相蠟沉積的研究注重于流型對(duì)蠟沉積的影響，F(xiàn)ORSDYK[12]強(qiáng)調(diào)在多相流的蠟沉積過程中，流型對(duì)蠟沉積厚度具有顯著影響。他建議在研究多相管流蠟沉積時(shí)，應(yīng)當(dāng)借鑒單相蠟沉積的研究方法，同時(shí)充分考慮不同流型對(duì)管流蠟沉積的影響因素。MATZAIN[13]通過環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究了氣-液兩相管流蠟沉積與流型之間的關(guān)系，分析了分層流、分層波浪流、環(huán)狀流和間歇流之間的相互轉(zhuǎn)變以及對(duì)應(yīng)流型下的蠟沉積特點(diǎn)。張宇、于達(dá)等[14]則利用多相流動(dòng)蠟沉積試驗(yàn)環(huán)道，對(duì)氣-液兩相流中蠟沉積的規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了在間歇流流型下，蠟沉積層厚度隨著液相折算速度、氣相折算速度和間歇頻率等流型影響因素的變化規(guī)律。

目前，涉及油-氣-水三相蠟沉積規(guī)律的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。全青[15]針對(duì)模擬油和大慶原油在油-氣-水三相間歇流流型下的蠟沉積進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然而，在研究原油體系下的油-氣-水三相蠟沉積時(shí)得出了一個(gè)與大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果不一致的結(jié)論：隨著含水率的增加，蠟沉積速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這一結(jié)論引發(fā)了較大的爭議，與其他研究結(jié)果存在差異。因此，關(guān)于含水率對(duì)蠟沉積速率的影響問題仍需進(jìn)一步深入研究。

為提高開發(fā)的整體效益，適應(yīng)油田可持續(xù)發(fā)展的需要，本文結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者研究的油-氣、油-水、油-氣-水多相結(jié)蠟規(guī)律以及油田生產(chǎn)實(shí)際，利用多相流動(dòng)特性測(cè)試環(huán)道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改變不同油溫、混合流速、氣液比和含水率測(cè)試油-氣-水多相流結(jié)蠟情況，開展頁巖油集輸管路多相流結(jié)蠟規(guī)律與清管周期研究，建立不加熱集輸管道的結(jié)蠟?zāi)Ｐ秃颓骞苤芷诓⒎治鼋Y(jié)蠟規(guī)律，以進(jìn)一步完善含蠟原油井口不加熱集輸理論及技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)地面油氣集輸系統(tǒng)能量的最優(yōu)利用，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作和管理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)采用的是自主設(shè)計(jì)的可控溫環(huán)道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)環(huán)道、動(dòng)力與計(jì)量單元、溫控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)環(huán)道包括不銹鋼管和透明石英管；動(dòng)力與計(jì)量單元涵蓋了單螺桿泵、質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器、壓力變送器和差壓傳感器；溫控系統(tǒng)采用循環(huán)水浴和不銹鋼套管；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速采集卡、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件組成。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 室內(nèi)可控溫環(huán)道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of indoor controlled temperature loop test system

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用的頁巖油為長慶油田華H100 平臺(tái)原油，其基本的物性如下。

凝點(diǎn)：使用MP852石油自動(dòng)凝點(diǎn)測(cè)試儀，按照規(guī)范以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)華H100 平臺(tái)原油進(jìn)行凝點(diǎn)測(cè)量，測(cè)定其最終凝點(diǎn)為11 ℃。密度：進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，在15～50 ℃測(cè)量范圍內(nèi)，其密度逐漸降低，密度與溫度基本成線性關(guān)系，范圍為808～827 kg/m3。黏度：隨著溫度的升高，原油的黏度逐漸減低；隨著剪切速率的增大，原油的黏度在25 ℃及以上溫度時(shí)基本相等，24 ℃為該原油反常點(diǎn)。原油在反常點(diǎn)到50 ℃溫度范圍內(nèi)時(shí)，其黏度范圍為5.1～7.2 mPa·s。含水率：原油含水率為0.2%，屬于無水原油，因此不需要脫水進(jìn)行物性測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

（1）稱重不同含水率的油和水，倒入攪拌罐加熱攪拌。

（2）達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后，啟動(dòng)螺桿泵到實(shí)驗(yàn)流量。

（3）流動(dòng)穩(wěn)定后打開氣閥，利用孔板流量計(jì)讀取氣液比。

（4）流動(dòng)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段與參比段套管水浴溫度進(jìn)行結(jié)蠟實(shí)驗(yàn)。

（5）10 h 后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用高壓氣瓶對(duì)管道掃線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，推導(dǎo)結(jié)蠟速率與清管周期計(jì)算關(guān)系式。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 含水率對(duì)結(jié)蠟厚度的影響規(guī)律

原油在氣液比40、溫度15 ℃、不同流速下結(jié)蠟厚度隨含水率的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同混合流速下結(jié)蠟厚度隨含水率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between wax thickness and water content under different mixing flow rates

當(dāng)保持溫度和混合流速恒定時(shí)，隨著含水率的增加，結(jié)蠟厚度呈下降趨勢(shì)。此現(xiàn)象是由于水相在蠟沉積過程中具有抑制作用。水相從2個(gè)方面影響了此過程：①阻礙蠟晶體的擴(kuò)散路徑，從而導(dǎo)致蠟沉積速率的降低；②水分子會(huì)削弱蠟的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其更容易脫離表面。

2.2 氣液比對(duì)結(jié)蠟厚度的影響規(guī)律

原油在混合流速0.8 m/s、溫度15 ℃、不同氣液比下結(jié)蠟厚度隨含水率的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同氣液比下結(jié)蠟厚度隨含水率的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between wax thickness and water content under different gas-liquid ratio

在流速、油溫和壁溫保持不變的條件下，隨氣液比增大增加，結(jié)蠟厚度減小。主要是氣速逐漸增大，對(duì)管壁處的蠟結(jié)晶顆粒沉積產(chǎn)生不利影響，同時(shí)容易造成已經(jīng)形成的蠟沉積層被沖刷掉；氣量增大會(huì)使蠟在乳狀液中的溶解度增大，從而導(dǎo)致沉積物沉積速率下降。

2.3 流速對(duì)結(jié)蠟厚度的影響規(guī)律

原油在含水率60%、溫度15 ℃、不同氣液比下結(jié)蠟厚度隨混合流速的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同氣液比下結(jié)蠟厚度隨混合流速的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between wax thickness and mixing flow rate under different gas-liquid ratio

實(shí)驗(yàn)流速范圍內(nèi)，在油溫和壁溫保持不變的條件下，隨流速增加，結(jié)蠟厚度減小。這是因?yàn)楣艿纼?nèi)的混合流速增大，導(dǎo)致管壁處的剪切應(yīng)力增加，這不利于在管壁處沉積結(jié)晶顆粒，同時(shí)還容易造成已經(jīng)形成的沉積層被沖刷掉，從而導(dǎo)致沉積物的沉積速率下降。

2.4 油溫對(duì)結(jié)蠟厚度的影響規(guī)律

原油在氣液比40、混合流速0.8 m/s、不同含水率下結(jié)蠟厚度隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同含水率下結(jié)蠟厚度隨溫度的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between wax thickness and temperature under different water contents

在氣液比相同、含水率相同時(shí)，隨溫度升高，結(jié)蠟厚度增大。這是由于實(shí)驗(yàn)油溫均為析蠟高峰后溫度，隨著溫度的升高，油流與管道壁之間的溫差逐漸增大，導(dǎo)致了管壁附近沉積物結(jié)晶分子的濃度梯度增加，因此，原油中沉積物更容易向管壁處運(yùn)移進(jìn)而沉積在管壁上。

3 清管周期計(jì)算關(guān)系式

油-氣-水三相結(jié)蠟速率主要受管徑、流速、集輸溫度、氣液比和含水率影響。因此，水平管流實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)蠟速率計(jì)算通式可以由公式（1）所示

式中：Vs為水平管流環(huán)道蠟沉積速率，mm2/h；D為管道內(nèi)徑，mm；Vm為混合流速，m/s；φ為油氣水混輸液含水率，%；T為集輸溫度，℃，Ra為氣液比。

結(jié)合各實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)蠟速率的擬合關(guān)系式可以得到實(shí)驗(yàn)蠟沉積速率與流速、含水率、氣液比和溫度的關(guān)系式為

式中：a、b、d、g、j為未知系數(shù)。

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)公式（2）擬合，可以求解公式中的未知系數(shù)。求解可得：a=1.46×10-4，b=-2.18，d=0.3，g=-5.48，j=-0.02。

因此由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的實(shí)驗(yàn)蠟沉積速率公式為

水平管流條件下不同管徑的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)蠟速率計(jì)算通式為

式中：Vx為現(xiàn)場(chǎng)水平管流蠟沉積速率，mm2/h。

與上述擬合過程相同，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)集輸管道與實(shí)驗(yàn)環(huán)道管徑不同，基于伯努利方程與達(dá)西公式計(jì)算不同管徑下的壓降梯度：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井口回壓與進(jìn)站壓力即可算出不同工況下的清管周期

式中：t為水平管流清管周期，h；ΔP為井口回壓與進(jìn)站壓力之差，MPa；L為集輸半徑，km。

以現(xiàn)場(chǎng)目前運(yùn)行工況條件為例：管道內(nèi)徑114 mm，井口回壓與進(jìn)站壓力差為2.2 MPa，混合流速0.2 m/s，集輸溫度15 ℃，含水率60%，氣液比2，經(jīng)計(jì)算可得清管周期為120.6 d，與現(xiàn)場(chǎng)清管要求相符。

4 結(jié)論

（1）在溫度相同，流速相同時(shí)，隨含水率升高，進(jìn)一步阻礙蠟晶的擴(kuò)散路徑，削弱蠟形成結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致沉積速率下降。

（2）在氣液比相同，含水率相同時(shí)，隨溫度升高，壁溫不變，油壁溫差逐漸增大，管壁處徑向溫度梯度大，由分子擴(kuò)散導(dǎo)致的原油蠟沉積得到了加強(qiáng)，致使管壁處沉積物結(jié)晶分子濃度梯度增大，因此蠟沉積速率增大。

（3）實(shí)驗(yàn)流速范圍內(nèi)，在油溫和壁溫保持不變的條件下，隨流速增加，管壁處剪切應(yīng)力增大，不利于管壁處結(jié)晶顆粒的沉積，導(dǎo)致沉積速率下降。

（4）在流速、油溫和壁溫保持不變的條件下，隨氣液比增大增加，不利于管壁處結(jié)晶顆粒的沉積，而且容易造成已形成的沉積層被沖刷掉，還會(huì)使蠟在乳狀液中的溶解度增大，導(dǎo)致沉積速率下降。

（5）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出不同結(jié)蠟工況條件下管路壓降和清管周期關(guān)系式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)清管要求，因此對(duì)華H100 平臺(tái)工況條件改變后的壓降、蠟沉積速率、清管周期預(yù)測(cè)有一定參考價(jià)值。