陳 濤， 周圣昊， 謝文超， 白 亮， 趙 昆， 陳 鐵， 常 亮

(中國石油長慶油田分公司 第三采油廠，寧夏 銀川 750005)

靖三-靖二聯(lián)管道原油停輸后流變特性與再啟動研究

陳 濤， 周圣昊， 謝文超， 白 亮， 趙 昆， 陳 鐵， 常 亮

(中國石油長慶油田分公司 第三采油廠，寧夏 銀川 750005)

長慶靖三-靖二聯(lián)外輸管線采用加熱輸送，所輸送的是靖安油田典型的低膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的高含蠟原油，這對安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管輸工藝提出了很高的要求。基于原油流變學(xué)、物理化學(xué)和凝膠化學(xué)理論，首先使用高精度控制應(yīng)力流變儀對管道停輸條件下，原油體系的黏-溫、屈服、黏彈、觸變等復(fù)雜流變行為進(jìn)行了研究，然后擬合了適用于該原油的流變方程與觸變模型，最后基于原油流變性、管流的流動與傳熱、熱力與水力的耦合特性，對長慶靖三-靖二聯(lián)管道的再啟動特性進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，長慶原油在反常點(diǎn)溫度以下剪切稀釋性也隨著溫度的降低表現(xiàn)得更為明顯。在凝點(diǎn)以及凝點(diǎn)溫度以上，原油所形成的膠凝結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的延性性質(zhì)，而在凝點(diǎn)溫度以下則表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性性質(zhì)，并且隨溫度的降低，屈服值呈指數(shù)規(guī)律增大。在恒剪切速率的作用下，膠凝結(jié)構(gòu)的破壞和重整發(fā)生在初期的10 min內(nèi)。所預(yù)測的長慶靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸再啟動特性，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相吻合。停輸32 h后，管道末端原油油溫會降至其反常點(diǎn)附近，停輸48 h后，管道末端原油油溫會降至其凝點(diǎn)附近。考慮管道運(yùn)營的安全性，管道最大停輸時間為32 h，對應(yīng)再啟動壓力為1.51 MPa。

含蠟原油輸送管道； 停輸再啟動； 流變性； 屈服行為； 黏彈性； 觸變性

長慶油田已經(jīng)躍居國內(nèi)第一大油田，其產(chǎn)出的原油多為含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%，但膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量低的高含蠟原油[1-2]?，F(xiàn)在油田管輸多采用加熱輸送工藝，保持管道運(yùn)行溫度在原油析蠟點(diǎn)或反常點(diǎn)以上，但管線計劃停輸或事故停輸不可避免。隨著停輸時間的延長，當(dāng)溫度降至其析蠟點(diǎn)以下時，原油中的蠟分子因為過飽和從而以蠟晶的形式析出。所析出的蠟晶通常為片狀、針狀或棒狀，同時表面包覆著一層很厚的親液過渡層。隨著溫度的不斷降低，蠟晶之間容易相互搭接形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，包覆可流動的液態(tài)油分，宏觀上導(dǎo)致原油表現(xiàn)出非牛頓黏-溫特性、屈服特性、黏彈特性、觸變特性等復(fù)雜流變特性，為管道安全啟動壓力、停輸時間預(yù)測帶來困難[3-5]。而管道再啟動過程中，熱油管道的流場、溫度場和原油流變性相互影響，致使管路水力特性的啟動及運(yùn)行壓力、流量、溫度場等運(yùn)行參數(shù)的計算分析變得復(fù)雜[6-7]。

長慶靖三-靖二聯(lián)外輸管線是從靖三聯(lián)合站到靖二聯(lián)合站的原油管路，管線設(shè)計正反輸送，任務(wù)輸量69×104t/a。管線測量長度24.68 km，設(shè)計實(shí)長25.02 km，開料長度26.27 km，全線共11處穿越和8處跨越。管道規(guī)格20-Φ219 mm×6 mm，設(shè)計壓力6.4 MPa。管線埋深處年平均地溫為8.4 ℃，最低溫度為3 ℃，采用典型的加熱輸送工藝。對靖三-靖二聯(lián)外輸管線中管輸原油在管道停輸條件下的非牛頓黏-溫特性、屈服特性、黏彈特性、觸變特性等復(fù)雜流變特性進(jìn)行準(zhǔn)確地測量，并對原油的再啟動過程進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測，對管道的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)營具有重大意義。

1 實(shí)驗部分

1.1 原油基本物性與組成

實(shí)驗所用原油取自靖三聯(lián)站出站口，其基本物性與組成如表1所示。由表1可見，長慶原油屬于典型的含蠟原油，含蠟量高，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量相對較低。使用標(biāo)準(zhǔn)凝點(diǎn)測定儀，測得長慶原油在55 ℃熱處理溫度下的凝點(diǎn)為22 ℃。

表1 長慶原油的基本物性與組成Table 1 Physical properties and composition of the Changqing waxy crude oil

1.2 原油黏-溫特性測量與黏-溫方程回歸

所有的流變實(shí)驗均采用高精度控制應(yīng)力流變儀(MCR302，Anton Paar)進(jìn)行。首先，將油樣進(jìn)行55 ℃的熱處理后，加樣至流變儀中保持10 min；隨后控制降溫速率為0.5 ℃/min，降溫至測量溫度并恒溫30 min。在非牛頓流體溫度范圍內(nèi)設(shè)置50.00、88.91、158.10、281.20、500.00 s-1五個不同剪切速率進(jìn)行黏度測量，牛頓流體溫度范圍設(shè)置50、100、200、400 s-1四個不同剪切速率進(jìn)行黏度測量。通過改變不同溫度，確定不同溫度下的原油黏度，并將測定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制擬合，得到黏溫曲線和黏溫方程。

1.3 原油屈服特性測量

模擬原油停輸條件，將油樣進(jìn)行55 ℃的熱處理后，加樣至流變儀中保持10 min。隨后控制降溫速率為0.5 ℃/min，降溫至測量溫度并恒溫30 min。連續(xù)增加剪切應(yīng)力，每隔2 s對試樣進(jìn)行采點(diǎn)，直至原油膠凝結(jié)構(gòu)被破壞。做出剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變的關(guān)系曲線，曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的剪切應(yīng)力值就是該實(shí)驗條件下所測得的原油屈服值。

1.4 原油黏彈特性測量

模擬原油停輸條件，將油樣進(jìn)行55 ℃的熱處理后，加樣至流變儀中保持10 min。隨后控制降溫速率為0.5 ℃/min，同時施以振蕩應(yīng)變?yōu)?.000 1(足夠小以至于不會影響蠟晶膠凝結(jié)構(gòu)的形成[2,8])，振蕩頻率為1 Hz的恒應(yīng)變振蕩。記錄降溫過程中原油黏彈性參數(shù)(儲能模量、損耗模量、損耗角)隨溫度的變化關(guān)系。

1.5 原油觸變特性測量與模型建立

將油樣進(jìn)行55 ℃的熱處理后，加樣至流變儀中保持10 min。隨后控制降溫速率為0.5 ℃/min，降溫至測量溫度并恒溫30 min。施加恒定的剪切速率剪切30 min，測量原油的剪切應(yīng)力以及表觀黏度隨時間的變化關(guān)系，其中剪切速率在考慮原油輸量的基礎(chǔ)上，根據(jù)壁面處剪切速率公式計算所得。

1.6 再啟動預(yù)測模型建立與計算

管道再啟動過程中，熱油管道的流場、溫度場和原油流變性相互影響，管路水力特性和熱力特性相互耦合，涉及到管道流場的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及管輸原油、管壁、土壤的傳熱方程[9-11]。具體描述如下所示：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

式中，ρ為原油密度，kg/m3；ν為流速，m/s；θ為管軸與水平線的夾角，(°)；τbi為軸向管壁處應(yīng)力，Pa；p為輸油壓力，Pa；e為單位質(zhì)量流體的總能量，J；iz為油流水力坡降；q為熱流密度，J/(m2·s)；A為截面面積，m2；t為時間，s；z為軸向方向。

管輸原油的傳熱方程：

管壁的傳熱方程：

土壤的傳熱方程：

式中，T為溫度，℃；λi為各層對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；τ為時間，s；ρi為各層密度，kg/m3；ci為各層比熱容，J/(kg·℃)。

利用雙特征線法求解水力與熱力耦合方程，利用達(dá)西公式計算再啟動的沿程摩阻，利用傳熱公式計算管內(nèi)與管壁傳熱，利用有限元法求解管外土壤溫度場，綜合以上模型與求解，編寫計算程序，其思路框圖如圖1所示。

圖1 再啟動預(yù)測程序思路框圖

Fig.1 The block diagram of the restart prediction program

2 結(jié)果與討論

2.1 停輸后原油流變特性變化

2.1.1 原油黏-溫特性 長慶原油的黏溫曲線如圖2所示。由圖2可知，長慶原油在溫度較高范圍內(nèi)(牛頓流體區(qū))黏度很低，不到10 mPa·s，隨著溫度的降低，黏度不斷增大。當(dāng)溫度達(dá)到原油析蠟點(diǎn)(32.5 ℃)時，原油黏度的增幅速率開始提高，這是由于蠟晶的析出，使原油黏度升高速率變快。隨著溫度進(jìn)一步的降低，當(dāng)析出的蠟晶累計到一定量時，原油開始表現(xiàn)出非牛頓流體特征，此時達(dá)到原油的反常點(diǎn)(27.0 ℃)。在反常點(diǎn)溫度以下，原油呈現(xiàn)非牛頓流體特征，其剪切稀釋性也隨著溫度的降低而表現(xiàn)得更為明顯。為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的參數(shù)計算與再啟動進(jìn)行預(yù)測，擬合了長慶原油在牛頓流體區(qū)的黏度-溫度關(guān)系以及在非牛頓流體區(qū)、不同溫度下黏度-剪切速率關(guān)系，得到長慶原油的黏溫方程和流變方程，如表2所示。

圖2 長慶原油黏溫曲線

Fig.2 The viscosity-temperature curve of the Changqing waxy crude oil

表2 長慶原油的流變方程與黏溫方程Table 2 The rheological equations and the viscosity-temperature equations of the Changqing waxy crude oil

2.1.2 原油屈服特性 長慶原油在24、22、20、18 ℃四個溫度下的屈服特性如圖3所示。由圖3可知，隨著剪切應(yīng)力的不斷加載，剪切應(yīng)變隨之緩慢增大，原油膠凝結(jié)構(gòu)處于緩慢蠕變中。在20 ℃(凝點(diǎn)以下2 ℃)和18 ℃(凝點(diǎn)以下4 ℃)測量溫度下，當(dāng)剪切應(yīng)力增大至某一值時，應(yīng)變突然陡升了幾個數(shù)量級，說明結(jié)構(gòu)的脆性破壞，應(yīng)變突變點(diǎn)所對應(yīng)的剪切應(yīng)力即為屈服值。在24 ℃(凝點(diǎn)以上2 ℃)和22 ℃(凝點(diǎn))測量溫度下，原油所形成的膠凝結(jié)構(gòu)還不是很強(qiáng)，延性很大，所以在屈服臨界處只能觀測到應(yīng)變的緩慢升高。擬合這幾個溫度下屈服值與溫度的對應(yīng)關(guān)系可知，隨著溫度T的降低，屈服值τy呈指數(shù)規(guī)律增大。

lgτy=299.53-11.87T(18 ℃≤T≤24 ℃

圖3 長慶原油剪切應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的變化曲線

Fig.3 The shear strain-shear stress curve of the Changqing waxy crude oil

2.1.3 原油黏彈特性 長慶原油黏彈性參數(shù)G′、G″及δ隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 長慶原油黏彈性參數(shù)隨溫度的變化

Fig.4 The viscoelasticity-temperature curve of the Changqing waxy crude oil

由圖4可知，在高溫段，損耗模量G″始終大于儲能模量G′，說明原油呈現(xiàn)完全的黏性性質(zhì)。從析蠟點(diǎn)32.5 ℃開始，G′和G″均隨著溫度的降低而快速升高，且G′上升速度明顯快于G″，損耗角δ的值由90°附近快速下降，意味著長慶原油在析蠟點(diǎn)以下，蠟晶迅速析出并長大，互相之間容易局部搭接而形成結(jié)構(gòu)，使體系G′快速升高，內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)的增加以及析出的蠟晶表面包覆較厚的溶劑化層導(dǎo)致體系G″上升，但此時G″仍大于G′，δ大于45 °，體系的黏性性質(zhì)仍占主導(dǎo)，體系表現(xiàn)為溶膠狀態(tài)。隨著溫度的進(jìn)一步降低至27.8 ℃時，G′開始等于G″(δ=45 °)，這個溫度點(diǎn)是體系由溶膠狀態(tài)向凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，即長慶原油的膠凝點(diǎn)，此時G′和G″值約為10 Pa左右?？梢钥闯?，膠凝點(diǎn)與凝點(diǎn)沒有絕對的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)溫度降至膠凝點(diǎn)溫度以下，G′的值進(jìn)一步上升，并遠(yuǎn)大于G″，體系的彈性性質(zhì)占主導(dǎo)，體系表現(xiàn)為凝膠狀態(tài)，且隨著溫度的降低，膠凝結(jié)構(gòu)越來越強(qiáng)。在15 ℃下，不加劑原油的G′和G″值都很大，分別為19 020 Pa和2 316 Pa，意味著長慶原油此時已經(jīng)呈現(xiàn)強(qiáng)膠凝結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2.1.4 原油觸變特性 根據(jù)管道條件與現(xiàn)場輸量，可以通過壁面處剪切速率公式得到所施加的恒剪切速率為10、20、30 s-1和40 s-1，得到在凝點(diǎn)溫度下，剪切應(yīng)力隨時間的衰減曲線如圖5所示。

Fig.5 The cracking down curve of the Changqing waxy crude oil gel structure

由圖5可知，長慶原油作為低膠質(zhì)瀝青質(zhì)的典型含蠟原油，在恒剪切速率的作用下，膠凝結(jié)構(gòu)的破壞和重整發(fā)生在初期的10 min內(nèi)，尤其集中在最初的1 min內(nèi)，剪切應(yīng)力均下降了80%。隨著剪切速率的變化，長慶原油達(dá)到剪切平衡的時間也有所不同，但基本上在30 min內(nèi)，已經(jīng)調(diào)整到與剪切水平相對應(yīng)的動平衡狀態(tài)。Houska模型被廣泛應(yīng)用于含蠟原油觸變性描述，該模型由2個本構(gòu)方程構(gòu)成[12-14]：

套用初始條件與邊界條件，聯(lián)解式(8)與式(9)，可以得到Houska模型的描述：

用式(10)描述不同剪切速率下的原油觸變性時，發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力隨剪切時間的變化與實(shí)際情況有較大差別，這是由于時間與應(yīng)力是一次關(guān)系。因此，為剪切時間t增加一個指數(shù)c，得到下式[11,13]:

采用式(11)對長慶原油觸變性實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖5中實(shí)線所示，擬合的觸變方程如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)觸變模型的精確性很高，并且模型中各個參數(shù)具有與工程中所對應(yīng)的物理意義，易于理解與應(yīng)用。

表3 長慶原油在凝點(diǎn)溫度、不同剪切速率條件下擬合的觸變方程Table 3 The thixotropy equations of the Changqing waxy crude oil under different shear rate at the gelation point

2.2 停輸再啟動預(yù)測

基于以上流變實(shí)驗數(shù)據(jù)，利用雙特征線法求解水力與熱力耦合方程，利用達(dá)西公式計算再啟動的沿程摩阻，利用傳熱公式計算管內(nèi)與管壁傳熱，利用有限元法求解管外土壤溫度場，綜合以上模型與求解，編寫計算程序，預(yù)測了長慶靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸再啟動特性。圖6是靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸不同時間后沿線油流溫度分布的變化情況。由圖6可知，管道正常運(yùn)行時出站溫度為55.0 ℃，進(jìn)站溫度為43.2 ℃(實(shí)測數(shù)據(jù)為43.0 ℃)，在管道分別停輸8、16、24、32、40、48 h后，出站溫度分別降至51.3、47.8、44.7、41.5、38.3、35.2 ℃，降溫幅度分別達(dá)到了3.7、7.2、10.3、13.5、16.7、19.8 ℃；而進(jìn)站溫度分別降至39.7、37.1、34.8、32.3、29.9、27.6 ℃，降溫幅度分別達(dá)到了3.5、6.1、8.4、10.9、13.3、15.6 ℃。因此，停輸32 h后，管道末端原油油溫會降至其反常點(diǎn)附近，停輸48 h后，管道末端原油油溫會降至其凝點(diǎn)附近。由于本管路沿線地勢起伏雖然較為平緩，但沿線穿跨越處多，因此風(fēng)險性較大，停輸過程中盡量不要使管內(nèi)原油溫度降至凝點(diǎn)，故從安全性方面考慮，管道的最大停輸時間為32 h。

圖6 靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸不同時間后沿線油流溫度分布

Fig.6 Oil fluid temperature distribution along the Jingsan-Jinger pipelines

通過原油流變性質(zhì)與管道水力性質(zhì)，可以計算管道的再啟動壓力隨停輸時間的變化，如圖7所示。當(dāng)管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，出站壓力為1.22 MPa。停輸32 h后，管道末端油溫降至反常點(diǎn)附近時，管道再啟動壓力約為1.51 MPa。而停輸48 h，管道末端油溫降至凝點(diǎn)附近時，管道再啟動壓力約為1.58 MPa。綜合以上數(shù)據(jù)，再根據(jù)管道泵站特性、管道腐蝕情況、管道承壓能力等因素，確定再啟動壓力，從而決定合理、安全、經(jīng)濟(jì)的停輸時間。

圖7 靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸不同時間后再啟動壓力預(yù)測

Fig.7 The predicted re-start pressure of the Jingsan-Jinger pipelines after different shut-down time

3 結(jié)論

(1)擬合了停輸過程中原油在不同降溫階段的流變方程，在反常點(diǎn)溫度以下，原油的剪切稀釋性也隨著溫度的降低而表現(xiàn)得更為明顯。原油在凝點(diǎn)溫度以下表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性結(jié)構(gòu)，但在凝點(diǎn)以及凝點(diǎn)溫度以上，所形成的膠凝結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的延性性質(zhì)，并且隨溫度的降低，屈服值呈指數(shù)規(guī)律增大。

(2)黏彈性參數(shù)G′、G″及δ隨溫度的變化關(guān)系可以描述長慶原油膠凝結(jié)構(gòu)隨溫降變化的形成過程，所確定的膠凝點(diǎn)與凝點(diǎn)沒有對應(yīng)關(guān)系。

(3)作為低膠質(zhì)瀝青質(zhì)的典型含蠟原油，長慶原油在恒剪切速率的作用下，膠凝結(jié)構(gòu)的破壞和重整發(fā)生在初期的10 min內(nèi)。隨著剪切速率的變化，長慶原油達(dá)到剪切平衡的時間也有所不同，但基本上在30 min內(nèi)，已經(jīng)調(diào)整到與剪切水平相對應(yīng)的動平衡狀態(tài)。改進(jìn)的Houska觸變模型可以精確描述長慶原油觸變性曲線，且模型中各個參數(shù)具有實(shí)際物理意義，易于理解與應(yīng)用。

(4)利用雙特征線法求解水力與熱力耦合方程，利用達(dá)西公式計算再啟動的沿程摩阻，利用傳熱公式計算管內(nèi)與管壁傳熱，利用有限元法求解管外土壤溫度場，預(yù)測了長慶靖三-靖二聯(lián)外輸管線停輸再啟動特性，計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相吻合。停輸32 h后，管道末端原油油溫會降至其反常點(diǎn)附近，停輸48 h后，管道末端原油油溫會降至其凝點(diǎn)附近?？紤]管道運(yùn)營的安全性，管道最大停輸時間為32 h，對應(yīng)再啟動壓力為1.51 MPa。

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(編輯 王戩麗)

Research on the Rheological Properties and Restart-Up Process of the Crude Oil in Jingsan-Jinger Pipelines

Chen Tao, Zhou Shenghao, Xie Wenchao, Bai Liang, Zhao Kun, Chen Tie, Chang Liang

(OilProductionPlant3ofPetroChinaChangqingOilfieldCompany，YinchuanNingxia750005,China)

Via heating pipelining method, Changqing waxy crude oils with few resins and asphaltenes are transported in Jiangsan-Jinger pipelines, which makes great demands on the safe, economic and efficient pipelining technology. Based on crude oil rheology, physical chemistry and gel chemistry theory, the control stress rheometer was first used to test the complex rheological behaviors of the crude oil, such as viscosity-temperature, yielding, viscoelastic and thixotropic properties. The rheological equation and thixotropic model were then created to fit the Changqing waxy crude oil. Finally, based on the rheological properties, pipeline flow and heat transfer properties, thermal and hydraulic coupling characteristics of the Jingsan-Jinger pipelines, the restart characteristics were forecasted. Results showed that the shear dilution properties became more obvious with the decreasing temperatures below abnormal point; above the pour point, the gelled crude oil showed ductility properties, while below the pour point, it showed a strong brittleness nature, and with the decrease of temperature, yielding stress value increased exponentially; under the constant shear rate, the destruction and reformation of the gel structure occurred in the early 10 min. The prediction of the pipeline restart properties showed that after being shut down for 32 h, pipeline crude oil temperature at the end would drop to the abnormal point; after being shut down for 48 h, pipeline crude oil temperature at the end would drop to the pour point. Considering the safety of pipeline operation, the maximal shutdown time was 32 h, corresponding to the restart pressure of 1.51 MPa.

Waxy crude oil pipelines; Shutdown and startup; Rheological property; Yield behavior; Viscoelasticity; Thixotrop

1006-396X(2017)03-0078-06

2017-03-05

2017-03-23

陳濤(1983-)，男，工程師，從事石油工程地面建設(shè)方面的研究；E-mail：124236738@qq.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.014

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