凝析油管道蠟沉積特性及蠟沉積模型研究

陳志朋

中國石油華北油田公司合作開發項目部，河北任丘 062550

隨著我國陸上油氣田的深入開發，越來越多的凝析油從凝析氣田或油田伴生氣中分離出來[1]。凝析油多為C5及以上的重烴組成，具有凝點低、含蠟量低、黏度小等特點，曾忠剛等[2]通過雙曲正切結蠟模型得到了凝析油管道沿線的結蠟分布，認為其凝點低于輸送溫度，無需考慮清蠟操作；左潔等[3]對凝析氣的結蠟現象進行了實驗研究，得到露點以上的氣相析蠟不受凝析油組成的影響。以上研究均未經過現場實際參數驗證，也未考慮膠質、瀝青質含量對結蠟強度的影響。在凝析油組成中，膠質、瀝青質的分子結構由極性基團和長鏈烷烴組成，烷烴與蠟晶發生共晶作用，極性基團吸附在蠟晶表面，兩者對凝析油和蠟晶之間的表面張力產生影響，進而影響蠟沉積效應?；诖?，利用環道實驗裝置確定不同因素對蠟沉積質量及沉積速率的影響，利用1stOpt軟件對擬合參數進行非線性回歸，最后通過現場清管作業驗證動力學結蠟模型準確性，為凝析油或輕質原油管道的穩定運行提供實際參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

環道實驗裝置包括油罐、流量計、攪拌系統、測試段、質量流量計、泵和空壓機等，如圖1 所示。其中，油罐系統和測試段均與控溫水浴相連，由螺桿泵調節流量進而控制流速。測試段長度2 m，管道規格D12 mm×1 mm。

圖1 環道實驗裝置示意

1.2 實驗步驟

1）實驗前，將油罐、測試段和所有保溫管段調至實驗溫度，維持30 min，保證各部分溫度不變，隨后將實驗所需的密封油樣倒入油罐中，啟動攪拌槳使油品充分混合。

2）啟動泵使油品在環道中循環流動。

3）每次實驗結束后先停泵，隨后將環道切換至空氣吹掃系統，啟動空壓機對管路進行吹掃，吹掃壓力定為0.1 MPa，重復數次，直到管道內無殘余原油。

4）將測試段拆卸并垂直放置，逐漸升高測試段溫度至80 ℃，利用燒杯收集高溫熔化的蠟沉積物，計算蠟沉積量，并獲取蠟沉積速率。

1.3 油品基本物性

分別在不同中央處理廠選取3 種不同物性的凝析油，物性參數測試標準及結果見表1。3種凝析油的析蠟點差別不大，均在30 ℃以下，蠟含量（質量分數）為5.04%～5.55%，膠質、瀝青質含量（質量分數）差異較大。

表1 凝析油基本物性參數

參照SY/T 0520—2008 測試凝析油流變性，見圖2。同一種凝析油在不同剪切速率下的黏溫曲線具有較好的一致性，表現為牛頓流體特性，1#凝析油的黏度變化較小，3#凝析油的黏度變化較大。

圖2 凝析油黏溫曲線（剪切速率100 s-1）

2 結果與討論

2.1 油壁溫差對析蠟特性的影響

為保持與實際工況一致，根據3 種油樣的析蠟點溫度，保持管壁溫度10 ℃、油流速度0.2 m/s，考察不同油壁溫差對析蠟特性的影響，見表2。當油流溫度高于凝析油析蠟點時，未觀察到蠟沉積現象；隨著油流溫度的降低，沉積物質量和蠟沉積速率逐漸增大。這一現象與蠟分子在油流中的溶解度有關，油壁溫差越大，蠟在油流中的溶解度越高，在沉積物中的溶解度越低，此時濃度梯度引發的分子擴散是蠟沉積的主要動力，凝析油較好的油品物性對蠟也具有一定的溶解作用。

表2 油壁溫差對析蠟特性的影響

1#和3#凝析油的沉積物蠟含量與蠟沉積速率發展趨勢有所不同，均在油壁溫差較小區間處出現蠟含量減小的情況，這可能與沉積物的形成過程有關，沉積物是蠟析出后包裹原油形成的三維網狀結構，較小的原油量可能導致蠟含量的上升。

1#凝析油的蠟沉積速率明顯大于其余兩種凝析油，綜合表1的油品物性情況，其膠質、瀝青質含量明顯偏大。Yun 等[4]證明了瀝青質的分散或絮凝程度對于蠟沉積存在一定影響，當瀝青質含量小于臨界濃度時，瀝青質可以較好地分散在沉積物中，與石蠟完全合并；當瀝青質含量大于臨界濃度時，石蠟在瀝青質粒子上結晶，形成無組織的石蠟-瀝青質結垢，有利于降低沉積物的屈服特性，且在油流剪切作用下，沉積物更易發生脫落。研究表明，臨界質量分數為0.2%[4]，1#凝析油的瀝青質含量小于該值，2#、3#凝析油的瀝青質含量大于該值，導致在相同沉積時間下析蠟特性有所差異?？紤]到膠質是瀝青質的良溶劑，兩者存在較明顯的交互協同作用，故膠質對析蠟特性的影響與瀝青質大致相同，不再冗述。此外，2#、3#凝析油的沉積物蠟含量明顯大于1#凝析油，這是由于高濃度膠質、瀝青質的存在會加快沉積物的老化過程，促進油流和沉積物之間蠟分子的擴散和反擴散，導致沉積物中的蠟含量增大，油流中的蠟含量減小。

綜上所述，不僅油壁溫差對析蠟特性產生影響，膠質特別是瀝青質的含量對于析蠟特性的影響也較大，1#凝析油的蠟沉積速率較大，清管周期較短；2#、3#凝析油的沉積物蠟含量較大，管壁處高碳數的烴類含量較大，蠟質較硬，故此存在一定的清管卡堵風險。

2.2 油壁溫度區間對析蠟特性的影響

保持油壁溫差10 ℃、油流速度0.2 m/s，考察不同油壁溫度區間對析蠟特性的影響，見表3。隨著油壁溫度區間的減小，沉積物質量和蠟沉積速率呈增大趨勢。根據分子擴散理論，當壁溫低于油溫時，油流會與壁面形成徑向溫度梯度，溫度區間越低，蠟分子在油流和壁面處的溶解度越低，但此時油流主體與壁面處的蠟晶分子徑向濃度梯度卻未明顯減小，導致析蠟區間不斷增大，蠟沉積量有所增加。

表3 溫度區間對析蠟特性的影響

3種凝析油沉積物析蠟點和蠟含量的變化均與蠟沉積速率的發展趨勢相同，同樣1#凝析油的蠟沉積速率最大，蠟含量較小，原因與2.1節的分析相同。

2.3 油流流速對析蠟特性的影響

在油壁溫度區間18℃/8℃的條件下，考察不同油流流速對析蠟特性的影響，見表4。隨著油流流速的增加，沉積物質量和蠟沉積速率先增大后減小，說明流速對蠟沉積的影響存在臨界狀態。這是由于流速增大初期，管壁處的蠟分子濃度梯度增大，相應的蠟沉積速率增大；當流速增加到一定程度后，油流對壁面沉積物的剪切作用增強，沉積物表層較軟的原油和蠟被沖刷掉，導致蠟沉積速率減小，傳熱和剪切作用的綜合作用影響蠟沉積速率[5]。此外，沉積物析蠟點和蠟含量隨油流速度的增加而增大，說明實際蠟沉積質量受剪切作用的影響更大。

表4 油流流速對析蠟特性的影響

2.4 蠟沉積速率模型的參數回歸

黃啟玉等[6]認為剪切彌散對蠟沉積的作用很小，分子擴散和剪切剝離的作用較大，采用蠟沉積傾向系數對Fick 公式進行了完善[7]，動力學蠟沉積速率模型見下式：

式中：W為蠟沉積速率，g/(m2·h)；f'為蠟沉積傾向系數；μ為油品黏度，mPa·s；τw為管壁處剪切應力，Pa；dC/dT為管壁處蠟晶溶解度系數，10-3/℃；dT/dr為管壁處徑向溫度梯度，℃/mm；k、m、n為根據原油物性和工況條件擬合得到的無量綱參數。

按照2.1～2.3 節的結果，蠟沉積速率、油溫、壁溫、油品黏度μ、管壁處剪切應力τw、管壁處蠟晶溶解度系數dC/dT、管壁處徑向溫度梯度dT/dr、油流流速，分別設置為X0～X7。通過計算斯皮爾曼相關系數分析不同變量之間的多重共線性，見表5。如果兩個變量的相關系數大于0.8，則認為兩者間存在重復信息。X0與X1、X2、X4存在多重共線性，X1與X3存在多重共線性，X2與X4存在多重共線性，X3與X7存在多重共線性，X4與X7存在多重共線性。綜合分析，將油溫、壁溫、油流流速等變量刪除，剩余變量與式（1）的選取結果一致，證明了動力學蠟沉積模型參數選取的合理性。

表5 蠟沉積影響因素之間的相關系數矩陣

對剩余變量采用另一種評價方法-方差膨脹因子（VIF）驗證變量篩選結果[7]，見表6。其中，剩余變量的VIF均小于10，說明此時每個變量可表示一種確切的物理意義，體現不同參數對蠟沉積速率的影響。

表6 剩余變量的共線性診斷結果

常規計算k、m、n參數的方法是通過變量替換將式（1）的非線性形式轉化為線性形式：

將式（2）兩邊取對數，見下式：

令lnf'=y、lnτw=x1、ln(dT/dr)=x2，則式（3）可轉化為：

通過對上式進行多元線性回歸，即可解得k、m、n的參數值。但該模型存在以下問題，即解得的參數值為式（3）的最小二乘估計，不是原始式（2）的最小二乘估計，兩者存在不同源現象。在此采用1stOpt軟件進行全局優化求解，該軟件可在不使用待求參數初始估值的基礎上，根據最近兩次迭代差值的閾值限制確定最優解[8]。該軟件中內置了多種優化算法，以1#凝析油為例，采用決定系數、均方差、平均相對誤差、最大相對誤差絕對值作為評價指標，見表7。常規變量替換法中設置k、m、n的初值均為1，算法迭代容差值為1×10-9。除變量替換法外，其余算法的誤差范圍和等級均在相同水平內，Levenberg-Marquardt 算法的誤差最小，模型精度最高，故采用該算法作為參數估計方法。同理，得到3種凝析油的參數估計值，見表8。

表7 不同參數估計算法的結果及誤差分析（1#凝析油）

表8 3種凝析油的參數估計值

3 管道沿線蠟沉積預測

3.1 蠟沉積預測

以一條實際管道為例，利用回歸得到的參數估計值建立蠟沉積速率模型，預測管道沿線的結蠟情況。管道全長63.5 km，管徑254 mm，壁厚9.5 mm，起點溫度30 ℃、末點壓力0.5 MPa，輸量150 × 104t/a。管道為不保溫埋地鋪設，從內到外的結構形式依次為鋼管、環氧粉末涂層、膠黏劑和聚乙烯，根據夏季、春秋季和冬季土壤溫度的不同，利用蘇霍夫公式反算總傳熱系數分別為0.751、1.654、2.885 W/(m2·K)，對以上3 種總傳熱系數的蠟沉積情況進行預測[9]，見圖3。不同季節蠟沉積厚度變化趨勢大致相同，1#凝析油的蠟沉積層厚度最大，3#凝析油的蠟沉積厚度最小。以夏季為例，在管道沿線起始10 km 內，油流主體溫度高于析蠟點，此時無蠟沉積產生；之后受溫度對流換熱的影響，油流溫度下降至析蠟點及以下，蠟分子開始析出，并在13 km 附近逐漸達到高峰，該管段的油壁溫差最大，分子擴散作用最強；之后盡管油流和管壁溫度均低于析蠟點，但蠟沉積速度有所減緩并逐漸減小至0。不同季節的總傳熱系數不同，總傳熱系數越小，油流的散熱損失越小，蠟沉積開始位置和峰值位置向管道后方移動，且峰值大小逐漸減??；峰值位置前管段的蠟沉積厚度增加幅度要大于后管段的蠟沉積厚度減小幅度。綜上所述，1#凝析油在冬季時的結蠟風險較高，應予以著重防護。

3.2 結果驗證

對3.1 節中的管道在運行15 d 后進行清管操作，采用射流清管器，清管器與管壁摩擦力為1 000 N，清管器質量150 kg，旁通率15%，在首站發球、末站接球，根據首末站的壓差確定沿程摩阻情況，并反算當量蠟沉積厚度[10]，將其作為實際蠟沉積厚度，與本文動力學蠟沉積速率計算的蠟沉積厚度進行對比，見表9。當量蠟沉積厚度和模型蠟沉積厚度均先增大后減小，兩者的峰值厚度分別在5.604 km 和7.548 km 處。除在清管器到達管道末端的時間外（37 h），其余位置處蠟沉積厚度的相對誤差范圍在[-18.63%,27.35%]，平均相對誤差絕對值為6.12%，滿足工程實踐的需求，進而證明了動力學蠟沉積模型預測結果的準確性。

表9 蠟沉積厚度結果驗證

4 結論

1）利用環道實驗裝置，探討了不同因素對凝析油析蠟特性的影響，油壁溫差越大、油壁溫度區間越小，沉積物質量和蠟沉積速率越大，油流流速對蠟沉積的影響存在臨界狀態；膠質特別是瀝青質的含量對于析蠟特性的影響也較大，1#凝析油的蠟沉積速率較大，2#、3#凝析油的沉積物中蠟含量較大，蠟質較硬存在一定的清管卡堵風險。

2）分別通過相關系數矩陣和方差膨脹因子驗證了動力學蠟沉積速率模型中參數選取的準確性，并通過全局優化求解方法對無量綱參數進行求解，其中Levenberg-Marquardt 算法的誤差最小、模型精度最高。

3）通過現場清管作業，對比了當量蠟沉積厚度和模型蠟沉積厚度，相對誤差范圍在[-18.63%，27.35%]，平均相對誤差絕對值為6.12%，滿足工程實踐的需求，證明了動力學蠟沉積模型預測結果的準確性。