含蠟原油輸送管道清管周期預(yù)測(cè)模型研究

李循跡 孟 波 常澤亮 安 超 方 艷 翁韋強(qiáng)

1. 中國(guó)石油塔里木油田分公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000; 2. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院, 四川 成都 610500

0 前言

含蠟原油輸送管道在管輸過(guò)程中沿程溫度不斷降低,當(dāng)原油溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí),蠟分子會(huì)沉積在管道內(nèi)壁上形成結(jié)蠟層,堵塞管道內(nèi)的流通截面,降低管輸效率。定期清管是清除管道內(nèi)的結(jié)蠟、提升管輸效率的有效措施。清管會(huì)影響管道的正常輸送,清管周期過(guò)短會(huì)造成不必要的人力和物力浪費(fèi),帶來(lái)較大的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn);清管周期過(guò)長(zhǎng),又容易使管道長(zhǎng)期在低效率下運(yùn)行,同時(shí)還可能帶來(lái)清管球卡堵問(wèn)題[1]。因此,在保證管道安全、高效運(yùn)行的前提下,如何確定經(jīng)濟(jì)合理的清管周期是國(guó)內(nèi)外含蠟原油輸送管道在運(yùn)行過(guò)程中所面臨的重要問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]、SY/T 5536-2016《原油管道運(yùn)行規(guī)范》[4]、SY/T 5922-2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》[5]、SY/T 6148-1995《輸油管線清管作業(yè)規(guī)程》[6]等標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于制定清管方案、操作程序、清管作業(yè)安全措施和應(yīng)急預(yù)案等,并沒(méi)有明確規(guī)定管道的清管周期。國(guó)外學(xué)者也開(kāi)展了清管周期的研究，澳大利亞Esso石油公司的Hilbert J[7]認(rèn)為影響清管周期的因素眾多,其中最重要的是清管器清出的蠟體積不能超過(guò)接收器的容積；沙特阿拉伯國(guó)家石油公司的Al-Muslim H M等人[8]認(rèn)為管道的清管周期取決于管道的參數(shù)和清管器的運(yùn)行歷史，當(dāng)管道的流體流速較低、沉積物較多、含水量較大以及腐蝕速率較高時(shí),應(yīng)當(dāng)增加清管的頻率；法國(guó)船級(jí)社的Dejean J P等人[9]認(rèn)為,頻繁的清管會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，而清管周期過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致管道中蠟沉積層過(guò)厚,引發(fā)清管器卡堵等安全事故。國(guó)外在清管周期制定方面也尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

上述研究多是針對(duì)某一條具體的輸油管道而開(kāi)展的,并未提出普適性的方法。針對(duì)這一問(wèn)題,本文從管輸效率的定義出發(fā),結(jié)合含蠟原油輸送管道結(jié)蠟速率預(yù)測(cè)模型,提出了基于管輸效率的清管周期預(yù)測(cè)模型。以塔里木油田英買力-牙哈含蠟原油輸送管道為例,驗(yàn)證了方法的有效性。

1 管道蠟沉積計(jì)算

確定管道內(nèi)的蠟沉積速率是計(jì)算管道清管周期的基礎(chǔ)和前提。原油析蠟點(diǎn)和蠟沉積速率是表征管道內(nèi)蠟沉積情況的重要參數(shù)[10]。

析蠟點(diǎn)表示管輸壓力下蠟分子從油流中結(jié)晶析出的溫度。若原油溫度高于原油析蠟點(diǎn),管道中一般不會(huì)出現(xiàn)蠟沉積;反之,管道中可能會(huì)出現(xiàn)蠟沉積[11]。因此,原油析蠟點(diǎn)可用于分析管道中起始結(jié)蠟位置。在已知原油具體組分的情況下,可采用熱力學(xué)方法計(jì)算得到原油析蠟點(diǎn)[12-13]；在未知組分的情況下,可以采用差示掃描量熱法(DSC)測(cè)試得到[14]，SY/T 0545-2012《原油析蠟熱特性參數(shù)的測(cè)定 差示掃描量熱法》[15]對(duì)具體測(cè)量方法進(jìn)行了明確規(guī)定。

為了獲得管道在不同運(yùn)行時(shí)間下的蠟沉積厚度,需要計(jì)算當(dāng)原油溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí)原油的蠟沉積速率。黃啟玉等人[16]在研究蠟分子擴(kuò)散規(guī)律的基礎(chǔ)上,考慮到油流對(duì)蠟沉積層的沖刷和剪切作用,建立了普適性結(jié)蠟速率預(yù)測(cè)模型——蠟沉積傾向系數(shù)法。該方法計(jì)入了管壁處油流剪切應(yīng)力的影響,而采用蠟沉積傾向系數(shù)來(lái)表征沉積物蠟含量、蠟分子擴(kuò)散系數(shù)的影響。其模型表達(dá)式為:

(1)

通過(guò)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17],可以擬合得到蠟沉積速率計(jì)算式的k、m、n數(shù)據(jù),具體表達(dá)式為:

W=2.57

(2)

2 基于管輸效率的清管周期預(yù)測(cè)模型

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-39.4p-118-2002《干線輸油管道運(yùn)行技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱РД153-39.4p-118-2002)中提出了原油管輸效率的概念[18]:管道兩端壓力一定的條件下,結(jié)蠟前后管道輸量的比值,即:

(3)

式中:η為管輸效率;Qwax為結(jié)蠟后管道輸量,m3/s;Q為結(jié)蠟前管道輸量,m3/s。

為了建立管輸效率與管道結(jié)蠟量之間的關(guān)系,本文推導(dǎo)了與管道結(jié)蠟厚度相關(guān)的管輸效率計(jì)算方法。輸油管道的沿程水力摩阻可以表示為[19]:

(4)

式中:hf為管道沿程水力摩阻,m;λ為摩阻系數(shù),與流體流態(tài)有關(guān),無(wú)量綱;L為管道長(zhǎng)度,m;d為管道內(nèi)徑,m;Q為結(jié)蠟前管道輸量,m3/s;g為重加速度，m/s2；V為管道平均流速，m/s。

當(dāng)原油流態(tài)保持不變時(shí),沿程水力摩阻hf與管道長(zhǎng)度L、結(jié)蠟前管道輸量Q和管道內(nèi)徑d有關(guān)。當(dāng)管道中發(fā)生蠟沉積時(shí),管道沿程水力摩阻可以表示為:

(5)

式中:hfw為結(jié)蠟管道的沿程水力摩阻,m;Lwax為結(jié)蠟管段長(zhǎng)度,m;L0為未發(fā)生結(jié)蠟管段長(zhǎng)度,m;W為蠟沉積速率,g/(m2·h);t為管道清管周期,d。

當(dāng)結(jié)蠟前后管道的沿程摩阻損失相等時(shí),由式(4)～(5)可得:

(6)

由此，可以進(jìn)一步推導(dǎo)管輸效率η與結(jié)蠟管段長(zhǎng)度和管道當(dāng)量?jī)?nèi)徑的關(guān)系:

(7)

由式(7)可知,管輸效率與蠟沉積后管道的當(dāng)量?jī)?nèi)徑dwax有關(guān)。在一定的蠟沉積速率下,管道清管周期越長(zhǎng),dwax越小,相應(yīng)的管輸效率越低。

(8)

(9)

式中:ηmin為管輸效率閾值,根據(jù)管道具體情況確定;δ(t)為一個(gè)清管周期t內(nèi)的結(jié)蠟層厚度,通過(guò)累加每一天的結(jié)蠟層厚度得到,m;δi為清管后第i天形成的結(jié)蠟層厚度,m;W為結(jié)蠟速率,g/(m2·h),具體計(jì)算參見(jiàn)式(2);d0為管道內(nèi)徑,m;di-1為清管后第i-1天的當(dāng)量?jī)?nèi)徑,m;ρwax為蠟的密度,取900 kg/m3。

3 算例分析

3.1 英買力-牙哈含蠟原油管道基本情況

英買力-牙哈(以下簡(jiǎn)稱英牙)含蠟原油管道起點(diǎn)位于英買力作業(yè)區(qū)英買發(fā)球區(qū),終點(diǎn)為牙哈裝車站,管道全長(zhǎng)為151 km,管道規(guī)格為219.1 mm×5.2 mm,管道材質(zhì)為L(zhǎng) 320直縫鋼管,設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa,設(shè)計(jì)輸量為51×104t/a,管線防腐層為熔結(jié)環(huán)氧粉末+4 mm黑夾克+50 mm聚氨酯泡沫塑料,沿途共有6座閥室,距起點(diǎn)74 km處有1座中間加熱站。25℃時(shí)英牙原油樣品密度為8.02 g/cm3,黏度約為16.58 mPa·s。

英牙管道為加熱輸送管道,夏季在起點(diǎn)加熱后直接輸送到終點(diǎn);冬季會(huì)啟用中間加熱站進(jìn)行二次加熱。管道在夏季和冬季的典型運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。英牙管道結(jié)蠟情況較為嚴(yán)重,曾因結(jié)蠟過(guò)多,在清管過(guò)程中發(fā)生過(guò)清管器堵塞事故。因此,有必要對(duì)蠟沉積速率進(jìn)行預(yù)測(cè),以確定合理的清管周期。

表1英牙原油管道典型運(yùn)行參數(shù)

節(jié)點(diǎn)參數(shù)季節(jié)英買力外輸中間加熱站進(jìn)中間加熱站出牙哈末站溫度/℃夏季70373727冬季75247527壓力/MPa夏季2.081.11.10.11冬季2.181.061.060.11

3.2 清管周期預(yù)測(cè)

采用DSC實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同壓力下英牙原油析蠟點(diǎn)溫度,析蠟點(diǎn)P-T曲線見(jiàn)圖1。當(dāng)壓力為管道最大運(yùn)行壓力3.0 MPa時(shí),溫度為26.9℃。根據(jù)表1可知,夏季管道全線的運(yùn)行溫度高于析蠟點(diǎn),不存在結(jié)蠟的可能性。冬季中間加熱站進(jìn)站溫度為24℃,低于析蠟點(diǎn)溫度,因此進(jìn)站前的部分管道存在結(jié)蠟的可能性。冬季管道沿線各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度,以及計(jì)算得到的冬季沿程溫度分別見(jiàn)表2和圖2。根據(jù)表2可知,70#樁-中間站管段的平均溫度為25.23℃,低于析蠟點(diǎn),因此該管段存在結(jié)蠟。

圖1 析蠟點(diǎn)P-T曲線

表2英牙原油管道冬季運(yùn)行溫度

位置溫度/℃出站751#閥室52.42#閥室35.870#樁27.7中間加熱站 進(jìn)站24 出站754#閥室54.45#閥室39.6牙哈裝車站23.3

采用DSC實(shí)驗(yàn),測(cè)試得到式(2)中蠟晶溶解度系數(shù)dC/dT的表達(dá)式：

0.098T+2.49

(10)

將式(10)帶入式(2)中,計(jì)算得到英牙管道蠟沉積速率為2.89 g/(m2·h)。因?yàn)?0#樁-中間站的起終點(diǎn)溫度相近(分別為27.7℃和24℃),因此可以利用管段平均溫度計(jì)算管段平均蠟沉積速率和蠟沉積厚度,并根據(jù)式(7)、式(9)計(jì)算管輸效率。計(jì)算的蠟沉積厚度與管輸效率隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖2 英牙原油管道冬季沿程運(yùn)行溫度

圖3 蠟沉積厚度與管輸效率的關(guān)系

4 結(jié)論

1)從含蠟原油輸送管道管輸效率的定義出發(fā),結(jié)合蠟沉積速率預(yù)測(cè)方法,提出了描述清管周期與管輸效率、結(jié)蠟速率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。以此為基礎(chǔ),通過(guò)設(shè)定合理的管輸效率閾值,可計(jì)算出含蠟原油輸送管道的清管周期。

3)以塔里木油田英牙管道為例,計(jì)算了冬季管道沿線的蠟沉積速率;通過(guò)建立的基于管輸效率的清管周期預(yù)測(cè)模型,并結(jié)合實(shí)際情況,計(jì)算得到管道的清管周期為110 d,驗(yàn)證了方法的有效性。