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石油管线蜡沉积试验研究进展

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2010年第39卷 第6期 第5页 石油矿 机械 章编号:1001—3482(2010)06—0005—07 石油管线蜡沉积试验研究进展 李汉勇 .一,宫 敬 ,于 达 ,邓道明 (1.北京石油化工学院机械工程学院,北京102617; 2.中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249) 摘要:含蜡原油在开采和管输过程小了管道的有 效流通截面,降低管道的输送能力,甚至会造成管道堵塞事故。综述了国内外学者对于石油管线蜡 沉积的试验研究进展,分析了不同蜡沉积装置的工作原理、特点和适用范围,并提出了一些研究建议。 关键词:多相流;含蜡原油;蜡沉积;流动安全保障 中图分类号:献标识码:A in I a。,ao—1.02617,2.il 02249,to in of of of of of of on in of 结论 1) 当系统满足式a 一0和式(8)或式(9),振 动系统可实现平动运动,方程的稳态解即式(2)可写 成标准的椭圆方程,振动筛可实现平动椭圆运动 轨迹。 2)三电机激振自同步椭圆振动筛在满足式 (22)~(23)自同步条件和式(26)~(27)稳定运转条 件时,振动筛能够实现自同步稳定运转,且三电机的 驱动力矩与摩擦力矩的差异越小,系统的同步稳定 性越好;或者形成直线运动轨迹的2台电机运动特 性越相近,系统的同步稳定性越好。 参考文献: [1]胡欣峰.自同步椭圆振动筛动力学研究[D].成都:西 南石油学院,2004. 勇俊,刘枭,冷曦.质心偏移式等质量矩双轴振动 筛运动特性研究[J].石油矿场机械,2009,38(3):5[3]郭广东,谢松圣,张福伦.固一液一液三相分离水力旋流 器现状及发展趋势石油矿场机械,2009,38(11): 16—18. [4]侯勇俊,秦明旺.基于运动合成原理的三电机椭圆振动 筛动力学研究[J].天然气工业,2007,27(6):75—77. 勇俊,刘金生,张明洪.基于运动合成原理的三电机 自同步平动椭圆振动筛研究煤炭学报,2005,30 (141[6]冉 建,周忠诚,侯勇俊.双曲柄连杆圆振动筛研究 [J].石油矿场机械,27(2):4收稿日期:2009—12金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2006国家重大科技专项资助课题(200826—004) 作者简介:李汉勇(1975一),女,河南洛阳人,博士,主要从事多相流和流体相平衡方面的研究,E—石油矿场机械 2010年6月 on 层油气藏中含有较多的石蜡等重烃物质,在 开采和输送过程中随着环境温度、压力大幅度降低, 油温也随之降低。当油温低于临界析蜡温度后,就 会使蜡质等固相物质沉积出来,并附着在井壁和管 壁上。结蜡限制了管道的流动面积,导致产能下降, 严重时可导致停产口j。随着海上含蜡原油开采向深 海和较冷水域延伸,结蜡现象尤其严重,结蜡曾导致 北海油田一口油井完全报废 ]。每年在世界范围内 因结蜡问题会造成巨大的经济损失,我国生产的原 油含蜡量高,由于蜡沉积带来的问题比国外更严重, 所花费的防蜡、清蜡成本也更高[3]。 结蜡机理是:在油温降低至浊点温度以下时,石 蜡开始结晶并从原油中分离出来,然后与一部分原 油分子形成网状胶体结构;由于管壁温度低于原油 流体的温度,由此产生的径向温度梯度成为石蜡晶 体向管壁分子扩散的动力 ]。径向温度梯度越大, 蜡晶分子的扩散速度也就越大,管壁附近的石蜡晶 体就会增多,造成管壁结蜡量迅速增加。 为了精确模拟含蜡原油的蜡沉积过程,掌握结 蜡规律,寻找合理的清、防蜡方法,各国学者进行了 大量的试验和理论研究,建立了多种蜡沉积试验装 置来测量管道中的蜡沉积厚度以及蜡沉积总量,以 研究含蜡原油在各种流态条件下的蜡沉积过程。测 量的数据主要用来验证含蜡原油管道流动中蜡沉积 的预测模型,同时为现场管道蜡沉积的在线测量积 累经验。经测量数据验证的蜡沉积预测模型将用来 模拟现场管道的运行,为管道的安全运行提供技术 支持。可见,石油管线蜡沉积的试验研究是开展含 蜡原油管道流动中蜡沉积研究工作的基础。 在实验室内对蜡沉积进行模拟的方法有各种各 样,从原理上讲都是使原油和石蜡沉积表面具有一 定的温度差,大致可分为3类。 指”和“冷板”法 这类方法的工作原理是将通有冷却介质的金属 管或金属板浸入原油中,控制原油和冷却介质的温度 (恒温、恒温度差或恒速降温),测量在规定时间内金 属管或金属板上沉积的石蜡量。这类测试方法能够 测量温度、温度差、冷却速率、时问、沉积表面的性质 及化学剂对石蜡沉积的影响。 5798 油防蜡剂评定方法——蜡沉积测试仪法”中所用的石 蜡沉积测量仪就属于这类方法。 ]、 等人分别用冷板法 研究原油蜡沉积问题,该方法的试验装置结构简单, 油和板的温差比较容易控制,并且可以通过磁力搅 拌杆搅拌原油。。 、 等人用冷指 法测量蜡沉积量,该方法与冷板法原理相同,只是改 变了蜡沉积表面。冷指法的试验装置如图1所示, 图2是试验之后沉积在冷指上的石蜡层 图1冷指及不锈钢容器 图2结蜡冷指 2 转盘法 转盘法的工作原理是将通有冷却介质的金属盘 浸入原油中,金属盘在电机带动下转动,控制原油和 冷却介质的温度(恒温、恒温度差或恒速降温)以及 金属盘的转速,测量在规定时间内金属盘上沉积的 石蜡量。这类测试方法除了能够测量温度、温度差、 冷却速率、时间、沉积表面的性质及化学剂对石蜡沉 积的影响外,还可以测量剪切速率对石蜡沉积的 影响。 ,该方法的试验装置可以控制原油温度、旋转盘温 度、旋转速度及时间,随时测量旋转盘的转速和蜡沉 第39卷第6期 李汉勇,等:石油管线蜡沉积试验研究进展 积量;该方法测量和控制比较方便,但是蜡要沉积在 旋转的圆盘上,这与实际管道内原油流动沉积在固 定表面是不一致的。 3 环道法 环道法的工作原理是将原油在管道内循环,管 道浸于冷却介质中,控制原油的流量、原油和冷却介 质的温度(恒温、恒温度差或恒速降温),测量在规定 时间内管道内壁上的结蜡量。这类测试方法能够测 量温度、温度差、冷却速率、时间、化学剂、沉积表面 的性质及流量对石蜡沉积的影响。 3.1单相管流中的蜡沉积测量方法 单相管流的测蜡厚度常用方法有短管法、清 管法、压降法和传热(热能平衡)法[1 等,前2种 方法可以归为“直接法”。此外,还采用以脉 冲反射波超声技术为基础的侵人式冷指和非侵 入式卡箍装置来监测管道中的蜡沉积情况。迄 今为止,这些超声波在线监测石蜡沉积装置仍然 处于实验室开发阶段。 3.1.1直接法 测量管道中结蜡厚度的直接法包括短管法和清 管法,短管法也常称为“取出段”法。 a) 短管法 就是在测试管段泄油后把带有蜡 沉积的“取出”段从测试段中拆卸下来,然后通过测 量从“取出”段中移出的蜡沉积质量或者容积_5 。 或者通过称重“取出”段[1 ]来确定结蜡厚度。这种 方法简单直接,可以进行蜡沉积的表观检查,还可以 取样分析结蜡成分。由于这些优点,该方法仍然广 泛应用于低压单相流动的蜡沉积试验研究上。但这 种方法也十分耗时,每次测量石蜡厚度时,测试管段 必须走旁路,或者整个测试系统必须完全关闭以便 拆除“取出”段。由于测试管段必须降压,因而相平 衡会随之改变,所以这种方法不可能为高压单相流 和多相流系统提供合适的蜡沉积数据。 b) 清管法 结蜡厚度数据可以通过在管道 中通球然后测量移出的蜡容积来获得,该方法在移 除天然气管道中的液体沉积物方面有十分广泛的用 途,它的优缺点与短管法的类似。但是,它更多地用 于现场研究而不是实验室研究中。 3.1.2压降法 压降法基于这样一个概念,即管段中的蜡沉积 会减小管道中流动液体的水力直径,造成管段的摩 擦压降增加。 内有蜡沉积的管段的摩擦压降为 一4, L ( )。 (1) 式中,压降,为管段长度,m;径或者有效内径,m;rn。s;.0为流 体密度,kg/m。;当油温低于浊点并且在原油中开始出现蜡晶 时,含蜡原油通常表现为非牛顿流体;但当蜡含量较 低(例如低于5%的质量)时,这种非牛顿状态观察 不到,因此可以把原油看作牛顿流体 ]。通常,由 于相当多数量的原油被捕集到石蜡层中,因此假设 石蜡界面光滑_2 。通过观察预备试验期间从单相 管道短管中移除的石蜡层来确定这一光滑石蜡界 面 。因此,式(1)中的范宁摩擦因数可以由下面 的公式来计算,即 f=(2) N 一 (3) 7“Z“ ‘ 式中, 为原油的表观粘度,s。 对于层流,一1;对于紊流,46, 一0.2;当2 000时为层流状态。把式(2)带入 式(1)中得 . 一 ( ( (4) 对式(4)求有效内径的微分后再用式(4)去除 它,得 百a(z~一(5(5) 式(5)清楚地表明:管道有效内径的微小减少会 使管段摩擦压降增加极大。一旦测量出管段的摩擦 压降,并且确定了管段内原油的流量、密度和粘度之 后,就可以通过式(6)精确地计算出管壁上沉积的石 蜡厚度,即 ( ( ) 一n (6) f p 7( 式中,d 为管段内径,m。 ]首先使用压降法间 接测量蜡沉积层的厚度,该方法的依据是:通过对比 同一试验环道内的2段管段——测试段和参比段压 降值的差别,实现对蜡沉积厚度的测量。试验要求 测试段油温低于临界析蜡温度,以保证蜡晶析出并 沉积在管壁;同时,要求参比段油温高于临界析蜡温 度,以保证蜡晶不在参比段管道内沉积。试验过程 中,分别测量参比段和试验段管道的压降值,通过对 比2段管道的压降值,间接测量蜡沉积的厚度。 石油矿场机械 2展了压降测量法,利用此方法进行了大 量有意义的试验研究,并为其提出的蜡沉积放大模 型提供数据支持。 中国石油大学(北京)__2 在总结国内外试验装 置优缺点的基础上,建立了如图3所示的单相管流 蜡沉积试验装置,该装置主要包括测试段、参比段、 水浴、差压传感器、质量流量计、温度传感器、螺杆 泵、蠕动泵及计算机。 与以前的装置相比,该装置有以下特点: a) 原油蜡沉积在管流条件下进行。 b)计算机自动采集、记录试验数据。 c)试验过程中可以通过参比段、测试段的差 压随时计算并显示蜡沉积厚度,还可通过参比段监 测试验过程中原油的流动性及其变化。 d) 测试段和参比段采用软管连接,拆卸便 捷,操作简单,回收的沉积物样品还能用于研究其 物性。 e) 蜡沉积试验装置采用蠕动泵驱动原油,有 效降低了对原油改性效果的破坏。 7一阀门;2一差压计;2一缓冲罐; 一质量流量计;2一离心泵 图3 中国石油大学单相管流蜡沉积试验装置 压降法并不适用于测量多相流动下的石蜡厚 度,因为多相流动的压降具有更为复杂的特性。一 种可选方案就是让单相原油定期流过多相流测试 段,然后测量单相流的压降。尽管这样,这种方法也 不能够给出石蜡厚度的不均匀环形分布情况,而这 在多相流中更为重要,特别是当段塞流和层流存 在时。 目前,国内多家单位建立的蜡沉积试验环道均 采用压降法,由于多相流结蜡的非均匀性和其压降 的复杂性,该方法不容易用于真正的多相流管道结 蜡研究。 3.1.3传热法 在管壁上出现结蜡层之前,从流体到环境的总 传热阻力包括流体至管壁的对流传热阻力、管壁与 任何绝缘或其他涂层的热传导以及与环境的适当传 热过程(例如,如果管道暴露于水中、空气中或者其 他冷却液中产生的对流传热)。当管壁上形成了一 层蜡沉积之后,在流体和结蜡层之间的界面上会发 生对流传热,并且伴随着石蜡凝固。通过该结蜡层 热传导而产生的热阻这一项要添加到流体至环境的 总传热阻力上。新增加的这一热阻近似地与管壁上 的蜡层厚度成正比。因此,结蜡厚度可以通过测量 相关的热参数后带入传热公式求解得到。 从内部流体到管道外壁的传热可用式(7)表示 一丢· + n n r._h k k ) 一●一—十一一一一In l,l 。 w r。一 w 。 w…w 。 p… … 式中,;T。为管 外壁的温度,℃;吼为通过管外壁的热通量,W/m。 别为管道的外径和内径,h 为从流体 到结蜡层的膜传热系数;k 和k 分别为管壁和蜡 沉积的导热系数; 为结蜡层的厚度,于一条 给定的管道,和k。值通常是已知的。 由于蜡的导热系数非常接近于含蜡原油的导热 系数,并且在蜡沉积中通常捕集了相当多的原 油_2 ,因此假设k 等于含蜡原油的导热系数,采用 适当的关系式或者模型来估算h 。当测得大部分 原油的温度丁f、管外壁温度T。以及通过管外壁的 热通量q。(利用热平衡得到q。)后就可以采用式(7) 来计算结蜡厚度。流体通过一段管道所损失的热量 必须等于传递给周围环境的热量,则 C。q。 (8) 式中,△丁;C。为含 蜡原油的比热容,)。 如果无法测得管外壁温度是可以测得环 境温度 ,就可以利用式(9)来计算结蜡厚度,即 生 生一 1· r~~-]-~ q k k n +丢h 。 ^ 一r 一 。 。… 。 。 (9) 式中,h。为管外壁到环境的膜传热系数,w/(m ·K), 通过适当的关系式或者模型估算得到。 )获得单相流环道的预备 试验数据。 传热法是一种非插入式的在线结蜡厚度测量 法,如果可以精确地预测内外管壁上的膜传热系数, 就可以通过传热法获得合适的结蜡厚度数据。但 是,由于管道中的多相传热预测还有待于解决,因此 该方法不适用于多相管流。水平管道和近水平管道 第39卷第6期 李汉勇,等:石油管线蜡沉积试验研究进展 管壁周围的膜传热系数通常是不相同的,特别是当 管道中出现段塞流和层流时。 上述各种方法测量的物理量均为管道平均结蜡 厚度,应用于单相管流蜡沉积测量时,效果较好;当 用于多相管流蜡沉积测量时,就不能反映管道的真 实蜡沉积厚度。多相管流蜡沉积厚度分布不均匀, 不同截面上的蜡沉积厚度存在差异,而单相的蜡沉 积测量方法只能测量平均结蜡厚度。因此,单一套 用单相测量方法,无法满足多相管道蜡沉积测量的 需要。 3.2 多相管流中的蜡沉积测量方法 随着海上石油资源的开发,油气多相管输技术 得到了广泛应用,但是在深海低温的影响下,多相管 输技术面临着含蜡原油的结蜡问题,而且多相管输 中的油气在运行条件下其流动行为很复杂。因此, 有必要通过试验模拟各种混输流型对管壁结蜡的影 响,从而寻求合理的方法来避免海底管道中蜡的过 度沉积,保证流体顺利流动。 a) 法国石油研究院建成的道如图4。该环道长152.4 m(500英尺),直径 50.8 英寸),其中蜡沉积试验段长7.01 m(23英 尺)。该环道的工作压力可达10 450 外 界温度可调节至0℃。其工艺流程如图5所示。 图4法国石油研究院b)用冷指试验确 定含蜡原油的结蜡量,根据热力学模型确定临界结 蜡温度(络线,并进行具有结蜡效应的稳 态多相流模拟。 水 图5 用传统黑油方法的结果表明:管道/立管系统 中的压差每年会增加241.5~483.0 5~ 70 或在20 6 400 管道 系统运行第1年之后的最大结蜡厚度预计为 3.81 .15英寸),20 O.32 .8英寸)。 蜡沉积试验在壳牌石油公司的沉积环道中进行(如图6所示),该环道内径为 106.68 m(350英尺)。采用的凝析油和乙二醇试样生成含2 体积乙二醇的 代表性液相,甲烷用作补充气体。与12.42~ 4O. 8 800 油田管道压力相 比,试验环道的操作压力大约为10.35 1 500 调整环道流量与油田预期的液体表观 石油矿场机械 2010年6月 速度和气体表观速度相匹配。为了在较短的试验环 道上再现油田的实际温度,所施加的温度梯度比海 床上的温度梯度要高得多。在,最低的管壁温度和过程流体温度出现在7;此处也是生成蜡沉积量最多的地方。 图6 环形雾状流型试验可知:这些沉积物可以发 生大规模、不规则的积聚活动,比由单相流或者层流 中的“典型”蜡沉积过程而导致的普通积聚要严重 得多。 c) 美国利用如图7所示的一套 试验系统,对天然气和原油2相流体在直径为 .067英寸)的水平、近水平和垂直管道 中流动时所产生的蜡沉积现象进行了研究。 温度 调系 图7气液2相流蜡沉积试验装置 油罐 天然气罐 该系统主要由原油系统、天然气系统、多相流系 统、冷却系统、加热系统、乙二醇计量和热量微调系 统以及辅助系统构成,在蜡沉积测量试验段中安装 了一种称为“D(的新型装置来测量结蜡厚度,试验结果 十分可靠、精确。 如图8所示。 图8 设存在一个已知函数叫( )(即管壁表面)和 一个未知函数)(即蜡沉积和流体之间的界面), 叫( )减去f( )等于另一个未知函数(即结蜡厚 度),一旦测出增量△后就可以大致计 算出点 ,即 厂( j)一 (10) △后,点z 处的未知函数 ( )可以通过下式 计算求得,即 (训(z )一.厂(z ) (11) 重复进行这一计算步骤,就可以得到未知函数 (z)和 (z)沿线测量,而不需要拆卸试验管段,因此就避免了因 降压拆卸管段破坏石蜡、原油、气3相相平衡而引起 的蜡沉积量的改变。 4 结论 1) 在室内研究蜡沉积的影响因素,可以用冷 指法、冷板法、旋转圆盘法等简单的试验方法,但是 这些方法与实际管道内原油流动产生蜡沉积的机理 不一致。 2) 要研究实际管道的蜡沉积规律,需要使用 蜡沉积环道。单相管流的蜡厚度测量方法有短管 法、清管法、压降法和传热(热能平衡)法,采用这些 方法得到的均为管道的平均结蜡厚度,应用于单相 管流蜡沉积测量时效果较好;当用于多相管流蜡沉 积测量时,就不能反映管道的真实蜡沉积厚度。 3) 多相管流的流动行为对管壁上蜡沉积的影 响较为复杂,不同截面上的蜡沉积厚度存在差异。 多相管流蜡沉积测量方法,从初期的借鉴单相蜡沉 第39卷第6期 李汉勇,等:石油管线蜡沉积试验研究进展 · 11 · 积测量方法实现对多相管道的测量到目前研究开发 适合多相管流蜡沉积自身特点的测量方法,已经取 得了可喜进步,这将为蜡沉积预测模型的研究提供 有力支持。 参考文献: 宇,吴海浩,宫敬.海底混输管道蜡沉积研究与 发展[J].石油矿场机械,2009,38(9):1—8. 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