大庆原油蜡沉积规律研究_黄启玉

　

第27卷　第4期2006年7月

石油学报

AC TA PETROL EI SIN ICA

Vol.27　No.4J uly

2006

　

基金项目:中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目“管输大庆原油结蜡规律研究”

(200021)的部分成果。作者简介:黄启玉,男,1969年9月生,2000年获石油大学(北京)博士学位,现为中国石油大学(北京)油气储运工程系副教授,研究方向为原油流变性及

原油蜡沉积。E 2mail :ppd @https://www.360docs.net/doc/249515180.html,

文章编号:0253Ο2697(2006)04Ο0125Ο05

大庆原油蜡沉积规律研究

黄启玉1　张劲军1　高学峰2　张祖华3

(1.中国石油大学石油天然气工程学院　北京　102249;　2.中国石油管道公司长庆输油分公司　宁夏银川　750006;

3.中国石油管道公司大连输油分公司　辽宁大连　116601)

摘要:在理论分析及室内试验的基础上,系统研究了油温、流速、管壁处温度梯度等参数对大庆原油蜡沉积的影响。在原油与管壁温差相同时,不同温度段蜡沉积速率并不相同,存在蜡沉积高峰区。在壁温相同时,随油温升高,蜡沉积速率逐渐增加。在油温、壁温相同的条件下,随流速增加,蜡沉积速率下降。建立了大庆原油蜡沉积模型,并利用该模型预测了铁岭—秦皇岛输油管线不同季节、不同时间沿线蜡沉积分布。铁—秦线冬季存在蜡沉积高峰区;春、秋季出站时蜡沉积最严重,下一站进站时蜡沉积最轻;夏季蜡沉积速率更小,且沿线变化不大。

关键词:大庆原油;蜡沉积;输油管道;蜡沉积速率;数学模型中图分类号:TE 78 文献标识码:A

Study on w ax deposition of Daqing crude oil

Huang Qiyu 1　Zhang Jinjun 1　Gao Xuefeng 2　Zhang Zuhua 3

(1.Facult y of Pet roleum Engineering ,China Universit y of Pet roleum ,B ei j ing 102249,China;

2.Changqing Oil T rans portation Com pany ,CN PC Pi peline ,Yinchuan 750006;China;

3.Dalian Oil T rans portation Com pany ,CN PC Pi peline ,Dalian 116601,China )

Abstract :A wax deposition model of Daqing crude oil was developed on the basis of theoretical analysis and laboratory experiment.The effects of oil temperature ,flow velocity and temperature gradient of pipeline wall on wax deposition of Daqing oil were studied.When the temperature difference between crude oil and wall of pipeline is same ,the wax deposition rate is different.There is wax deposition peak along a pipeline.At the same temperature of pipeline wall ,the wax deposition rate increases with increase of oil tem 2perature.At the same oil and wall temperature ,the wax deposition rate increases with increase of flow velocity.The wax deposition model was used to predict wax deposition profile along Tieling 2Qinhuangdao pipeline at different seasons.The results show that there is an area where wax deposition rate is serious between pump stations in winter.In autumn and spring ,the wax deposition rate is the highest in outlets of pump stations.In summer ,the variation of wax deposition rate is little along the Tieling 2Qinhuangdao pipeline.K ey w ords :Daqing crude oil ;wax deposition ;oil transportation pipeline ;wax deposition rate ;mathematical model

国内外学者对原油蜡沉积进行了系统研究,提出了多个的蜡沉积模型[126]。大庆原油属于高含蜡原油,在管输过程中蜡沉积严重。笔者在室内实验的基础上,系统研究了大庆原油蜡沉积规律,并对输送大庆原油的铁岭—秦皇岛输油管线的蜡沉积进行了预测。

1　大庆原油的物性及实验装置

大庆原油的含蜡量为28144%,凝点为3315℃,析

蜡点为4412℃,胶质含量为12159%,20℃时的原油密度为860kg/m

3。

为了研究大庆原油蜡沉积规律,设计安装了管流蜡沉积环道,该环道的流程见图1。该装置有以下特

点:①原油蜡沉积在管流条件下进行;②用计算机采

图1　蜡沉积试验装置

Fig.1　W ax deposition flow loop

集、记录试验数据,自动化程度较高;③试验过程中可以通过参比段、测试段的差压计算并显示蜡沉积厚度,

126　石 油 学 报2006年　第27卷　

可以通过参比段差压监测试验过程中原油的流动性及其变化;④测试段、参比段用软管连接,拆卸方便,操作简单,试验结束后可以回收沉积物样品,供物性研究使用。

2　大庆原油蜡沉积的主要影响因素

211　油　温

在实验流速为013m/s 、原油管壁温差为5℃时,不同温度区间大庆原油蜡沉积实验结果见图2

。

图2　温差为5℃时不同温度区间蜡沉积速率

Fig.2　W ax deposition rate at different temperature area

从图2的结果看,在实验流速相同、原油管壁温差

相同时,不同温度段蜡沉积速率并不相同,在油温为38～45℃时形成蜡沉积高峰区。高于或低于这个温度段时蜡沉积速率相对较小。212　原油管壁温差

在壁温相同、油温不同情况下大庆原油蜡沉积实验结果见图3

。

图3　不同油温时蜡沉积速率

Fig.3　W ax deposition rate at difference oil temperature

从图3的结果看,对于大庆原油,油温在35℃～45℃范围内,在壁温相同时,随油温的升高,蜡沉积速率逐渐增加。213　流　速

在壁温、油温保持不变,流速不同条件下大庆原油蜡沉积速率见图4

。

图4　流速对蜡沉积速率的影响

Fig.4　E ffect of flow velocity on w ax deposition rate

从图4的结果看,在试验的流速范围内,在油温和壁温保持不变的条件下,随流速增加,蜡沉积速率下降。

3　大庆原油不同温度段析出蜡量

根据差示扫描量热仪的工作原理,通过测量输入到试样和参比样之间的能量随温度变化的函数关系,选择在整个温控过程中无相变、热焓小的空气作为参比样,与试样同放在DSC 池中。在程序降温区域内,由于原油析蜡放出一定的热量,造成试样温度高于参比样,其间温差ΔT 由零转为非零。为使ΔT 继续为零,并保证试样、参比样与程控温度相同,仪器自动调节供给试样和参比样的热流量,同时将该热流量的差值对温度作热谱图。在热谱图中可看到,由于相变热的产生和增加,样品热流曲线逐渐偏离参比基线而形成热流峰;随着析蜡逐渐减少至结束,相变热与温差均相应减少,并最终至零,两条曲线又重合。曲线偏离基线的点对应的温度就是油样的析蜡点,曲线峰值对应于析蜡高峰点。对热流曲线和基线包围的面积进行积

分,可计算平均析蜡潜热;根据蜡的平均结晶热,可以计算出试样的含蜡量。根据大庆原油DSC 曲线计算

　第4期黄启玉等:大庆原油蜡沉积规律研究127

　不同温度段析出的含蜡量,结果见图5

。

图5　大庆原油不同温度段析出的蜡量

Fig.5　W ax 2precipitation of Daqing crude oil

at different temperature

4　大庆原油蜡沉积模型

Burger 根据Fick 扩散定理计算了分子扩散产生

的蜡沉积速率,他认为所有扩散到管壁上的蜡分子都能结晶析出并沉积[7]。而实际上原油在管线内是流动的,由于油流的冲刷作用,并不是所有扩散到管壁的蜡分子都能结晶析出并沉积下来,即使沉积下来的蜡也有可能被油流冲刷掉。因此,用Fick 扩散定理计算分子扩散产生的蜡沉积速率有一定局限性。

考虑到油流对蜡沉积层的冲刷,在Fick 扩散定理的基础上,假设蜡沉积速率为

W =f W m =f ρwax

B

μd C

d T d T d r

(1)

式中　W m 为单位时间内扩散到管壁单位面积上可结晶析出的蜡分子的量,g/(m 2?h );W 为单位时间内沉积到单位面积上的蜡沉积物量,g/(m 2?h );f 为蜡沉积系数,随管壁剪切应力、管壁温度梯度等因素不同而变化;d C /d T 为每降1℃时析出的蜡量,即蜡在原油中的溶解度系数,1/℃;d T /d r 为径向温度梯度,℃/m ;

ρwax 为蜡的密度,kg/m 3

;

对于给定的油样,在不同试验油温、壁温及流速条

件下,ρwax 是常数;B 为系数,对于某一种原油近似为常数。这样,式(1)可以表示为

W =f ′

1

μd C

d T d T d r

(2)

f ′为蜡沉积倾向系数,f ′=f ρm B 。根据式(2)可以求得蜡沉积倾向系数f ′为

f ′=W μ/

d C

d T d T d r

(3)

对于每一组实验,可以通过蜡沉积的热力学模型计算求得d C /d T ,通过传热计算求得d T /d r ,根据压差求得μ,通过实验求得W 。这样就可以计算不同条件下的蜡沉积倾向系数f ′。

根据室内研究结果,对于大庆原油,管壁剪切应

力、管壁处温度梯度对蜡沉积倾向系数有较大影响。这样在研究不同条件下的蜡沉积速率时,就可以计算不同条件下原油蜡沉积倾向系数。蜡沉积倾向系数与管壁剪切应力、管壁处温度梯度的相关式为

f ′=k

τm

d T d r

n (4)式中　k 、m 、n 为常数,通过实验确定;τ为管壁剪切应力,Pa 。

根据式(4)就可以预测其他实验条件下的蜡沉积系数。不同条件下所研究原油的蜡沉积速率为

　W =f ′1μd C d T d T

d r =k τm 1μd C d T d T d r

1+n

　(5)

对于某一油样,在实验的过程中温度梯度、实验流速等条件的选择要有代表性,覆盖所有实验条件。根据室内试验结果,得出大庆原油蜡沉积倾向系数为

f ′=635149

τ-013594

d T d r

-01265

(6) 蜡沉积速率为

W =f ′1μd C d T d T

d r =635149

τ-

013594?1μd C d T d T d r

01735

(7)

5　现场蜡沉积预测

利用室内蜡沉积结果,根据铁岭—秦皇岛输油管线现场运行参数,预测了沿线不同季节蜡沉积分布。511　现场参数的确定

要预测管线的蜡沉积分布,必须首先计算管线的运行参数,为此计算了管线油温、管壁处径向温度梯度、管壁剪切率、原油粘度、管壁处蜡分子浓度梯度等参数。

(1)油温的确定　根据管线的地温、输量、总传热系数、管径等参数,利用苏霍夫温降公式可计算沿线油温分布。计算式为

T m =T 0+(T R -T 0)exp -K πDL G C p

(8)式中T m 为沿管线轴向距首站L 米处截面平均油温,

K;T 0为地温,K;T R 为出站油温,K;K 为总传热系数,W/(m 2?K );D 为热阻最大部分的管径,m ;G 为质量流量,kg/s ;C p 为原油比热,J /(kg ?K );L 为沿管线轴向出站的距离,m 。

(2)径向温度梯度的确定　为确定管线运行条件下不同管段的径向温度梯度,可根据热平衡关系,计算不同管段的径向温度梯度计算式为

d T d r =GC p d T d L

?

1λπD (9) (3)管壁剪切率的确定　牛顿流体紊流状态下的

128　石 油 学 报2006年　第27卷　

管壁剪切率为

γw =4194×

10-

3R e 0175

8V /D (10) (4)原油粘度的确定　根据温降计算的结果,可以计算不同管段的平均油温,这样根据原油粘温关系可

以计算不同温度下原油的粘度。

(5)管壁处蜡分子浓度梯度的确定　根据温降计算可以知道各管段的平均油温,计算不同管段管壁处蜡分子的浓度梯度。

(6)原油密度的确定　原油密度计算式为

ρ=ρ20

-α(t -20)(11)α=11825

-

01001315ρ20

(12)

式中　ρ为原油密度,kg/m 3;ρ20为20℃时的原油密度,kg/m 3

。

(7)管壁处蜡晶的溶解度系数的计算　可由试验

测得的蜡晶溶解度系数d C

d T

与温度关系曲线进行插值

计算。

(8)蜡沉积后的总传热系数计算式为

K w =1/(K

-

1

+δλ-

1

w )

(13)

式中　K w 为有蜡沉积层生成后的热油管路总传热系

数,W/(m 2?K );K 为蜡沉积前的保温热油管路总传热系数,W/(m 2?K );λw 为蜡沉积层的导热系数,W/(m ?K );δ为蜡沉积层厚度,m 。512　预测结果

利用室内蜡沉积模型,根据现场运行工况,预测了铁岭—秦皇岛输油管线沿线蜡沉积分布。由于铁—秦线沿线分输,不同管段的输量不同,沿线地温相等,冬季为0℃,春、秋季为10℃,夏季为20℃。各站间进站温度为33℃。管线各段输量及总传热系数见表1。铁岭—秦皇岛输油管线各管段不同季节沿线蜡层厚度随时间的变化关系见图6。

表1　铁—秦线不同站间运行参数

T able 1　P arameter of Tieling 2Q inhu angd ao pipieline

站　间站间距/km

输量/(t ?d -1)

总传热系数/

(W ?m -2?℃-1)

冬季出站

温度/℃

春、秋季出站温度/℃

夏季出站温度/℃

铁岭—新民

9211940000113434037新民—黑山7115835000112413937

黑山—凌海7910835000113434037凌海—锦西7913735000113434037锦西—绥中7111725000110434037绥中—秦皇岛

60186

25000

113

44

41

37

图6　铁—秦线沿线蜡沉积分布

Fig.6　Predicted thickness of w ax deposition along Tieling 2Q inhu angd ao pipieline

从图6的结果看,铁—秦线各管段冬季蜡沉积最

严重,且存在明显的蜡沉积高峰区。这是由于冬季出站温度较高,刚出站时虽然原油管壁温差较大,但由于高温下大庆原油析出的蜡分子较少,蜡沉积并不严重;到达中间某一段后,由于蜡分子大量析出,原油管壁温差又相对较大,因此蜡沉积速率增大;在随后的管段中,虽然析出的蜡分子较多,但由于油温进一步降低,原油管壁温差变小,蜡沉积速率变慢。

春、秋季由于地温升高,出站温度降低,原油管壁温差降低,蜡沉积速率变小,且没有出现明显的蜡沉积

高峰区;出站时蜡沉积最严重,下站进站时蜡沉积最轻。

夏季由于地温更高,原油管壁温差更小,蜡沉积速率更小,且沿线蜡沉积速率相差不大。

6　结　论

(1)对于大庆原油,原油管壁温差相同时,不同温

度段蜡沉积速率并不相同,在油温处于38℃～45℃时形成蜡沉积高峰区。高于或低于这个温度段蜡沉积速率相对较小。对于实际管线,如果油温处于这个温度

　第4期黄启玉等:大庆原油蜡沉积规律研究129

　

区间,蜡沉积速率将高于其他管段。

(2)在壁温相同时,随油温的升高,原油管壁温差增大,蜡沉积速率逐渐增加。在油温和壁温保持不变的条件下,随流速增加,蜡沉积速率下降。

(3)利用室内蜡沉积模型,根据管线实际运行工况,预测出:铁岭—秦皇岛输油管线冬季存在蜡沉积高峰区;春、秋季出站时蜡沉积最严重,下站进站时蜡沉积最轻;夏季蜡沉积速率最小且沿线变化不大。

参考文献

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(收稿日期2005Ο09Ο17　改回日期2005Ο12Ο07　编辑　黄小娟)

(上接第124页)

6　结　论

(1)与抽油机举升方式相比,往复式磁力驱动柱塞泵具有一次性投资少、泵效高、能耗低、系统效率高等技术特点。

(2)往复式磁力驱动柱塞泵运行参数自控制技术可以实现液位实时动态显示和柱塞泵运行参数自控调整功能,在发生蜡堵、撞泵等异常工况时,系统具有过载自控保护功能。

(3)防蜡防腐油管与DX2I型电磁防蜡器组合配套工艺将清蜡周期由原来的20d延长到143d,取得了理想的防蜡效果。

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(收稿日期2005Ο09Ο21　改回日期2005Ο12Ο15　编辑　黄小娟)

大港油田南部海滩油田探明新储量

从中国石油大港油田勘探开发设计研究院获悉,由该院组织实施的“大港油田南部海滩油气富集规律与预探”课题取得重大突破,在大港附近海域探明石油储量3000多万t,可供10年开采,这标志着该油田的主要开采领域将从陆地转向海洋。

大港油田是一个开采了40余年的老油田。为使之焕发青春,把目光投向海洋勘探。2002年起,重点实施了“大港油田南部海滩油气富集规律与预探”课题研究,利用自主创新的三维可视化及谱分解释等探测技术,优选出“目标靶区”,为大港油田加快勘探奠定了基础。

摘自《石油综合信息》