基于冷指實驗的高含蠟原油蠟沉積規(guī)律研究*

李 達，魏立新，劉桂芬，劉 超,3，何昭軍

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 冀東油田公司招標中心，河北 唐山 063004；3.大慶師范學院 化學工程學院，黑龍江 大慶 163111；4.大慶油田有限責任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163414）

在如今的原油運輸方式之中，管道運輸具有經(jīng)濟環(huán)保、輸量大、方便現(xiàn)場管理等優(yōu)點，被廣泛應用于實際中。在運輸過程中，由于油壁溫差和壓力變化因素的存在，油品中的蠟和瀝青質(zhì)等成分會逐漸析出，附在管壁上形成蠟沉積[1]，導致出現(xiàn)管道的流通橫截面積縮小、阻力增大、輸送能力變?nèi)跎踔潦股a(chǎn)停運，這加大了含蠟原油輸送難度和管道運行風險[2,3]。目前，我國油田產(chǎn)出原油接近80%以上都為高含蠟原油，近些年海底含蠟原油逐漸開發(fā)，可以預見未來一段時間，含蠟原油將成為我國油氣資源不可或缺的一部分[4]，因此，有效地掌握原油的蠟沉積規(guī)律，進而才能進行定期清管等維護措施[5,6]。

針對這一問題，國內(nèi)外學者進行過原油在管道中的模擬實驗來分析其規(guī)律[7]。Hunt、Jorda、Charles等人曾相繼使用冷板法對原油蠟沉積進行實驗。Hamouda等人[8]將冷板法裝置改進出冷指法實驗裝置，其實驗原理與冷板法基本一致[9]，但可以更好地模擬流動狀態(tài)下的蠟沉積狀態(tài)，目前，還有許多學者使用冷指法進行實驗研究[10]。范開峰等人通過冷指實驗認為，蠟分子擴散在沉積過程中起著至關重要作用[11,12]。Majeed，Agrawal，Hamouda，Riberio，Brown和黃啟玉等人選擇了環(huán)道法進行模擬實驗[13,14]。綜上，本文采用冷指型實驗裝置，該裝置簡單經(jīng)濟，保證了管流狀態(tài)下蠟沉積的模擬，更好地對蠟沉積原理進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本次實驗的實驗裝置由一個冷指、一個油罐、兩臺循環(huán)水浴控制器并外加一個攪拌槳組成。實驗裝置示意圖見圖1。

圖1 冷指實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device of cold finger

由圖1可知，其中兩臺循環(huán)水浴控制器分別控制罐內(nèi)油溫和冷指的壁面溫度。在打開水浴控制器并設定溫度后，水浴鍋內(nèi)的水經(jīng)過加溫分別循環(huán)在控制器和冷指壁面、油罐的夾層中間，同時進行熱量交換，提供給冷指壁面和油罐內(nèi)油流一個恒定溫度。攪拌槳可以通過冷指筒中間的空心圓柱放入油罐中，并且攪拌槳配備電機變速器，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變油罐內(nèi)的剪切條件，以模擬管道中油品流動的狀態(tài)。

1.2 實驗介質(zhì)

本次實驗介質(zhì)為大慶油田某油庫的含蠟原油，其物性參數(shù)分別為凝點31℃，20℃下密度為855.7kg·m-3，含蠟質(zhì)量分數(shù)為17.15%，析蠟點為49.8℃。

1.3 實驗步驟

首先，將原油進行60℃水浴加熱6h的預處理后，設置循環(huán)水浴控制器的實驗溫度，待溫度達到實驗要求后加入油樣，將RW20型攪拌器（德國IKA公司）打開調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至實驗所需轉(zhuǎn)速。在沉積時間達到48h后停止攪拌，打開油罐下部閥門，使油罐內(nèi)部油樣流盡，靜置10min，待油罐內(nèi)油品全部放空之后，將冷指從油罐中取出，利用工具將沉積物從冷指表面刮凈并放入取樣盒內(nèi)進行稱重。由于實驗中可能存在人為誤差，所以，每次試驗重復進行兩次，取平均值作為最終實驗結(jié)果，用于后續(xù)的分析比對。

2 結(jié)果與討論

2.1 油品溫度

（1）設定冷指壁溫為39℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，不打開攪拌槳電機，逐漸升高油罐壁溫溫度，分別為41、43、45、47和49℃，對其進行實驗，取其兩次結(jié)果稱重取均值。

（2）設定油罐壁溫為51℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，不打開攪拌槳電機，逐漸升高冷指壁溫溫度，分別為41、43、45、47和49℃，如上述方法取均值將兩組數(shù)據(jù)記錄見圖2。

圖2 不同油壁溫度下沉積物質(zhì)量曲線圖Fig.2 Sediment mass curves at the temperatures of different oil and wall

由圖2油溫曲線可知，當保持壁溫不變逐漸升高油溫時，淤積物質(zhì)量是單調(diào)遞增的。當油溫升高時，冷指壁面的溫度梯度增大，罐內(nèi)油樣隨著管壁溫度升高而升高。當油溫升高時，冷指壁面的溫度梯度增大，蠟分子的擴散速率隨之增加[15]。蠟沉積速率在49℃時，沉積速率最大為0.24g·h-1，最大沉積量高于最低時35.4%。

由圖2壁溫曲線可知，在保持油溫不變的情況下，逐漸升高壁溫，淤積物質(zhì)量在初始最大之后逐漸降低，即隨著溫差增大淤積物質(zhì)量增大。在本次實驗中，油壁溫差增大有利于淤積物的沉積，但當冷指表面溫度過低時，會使冷指表面周圍油樣黏度增大，黏度增大會減少淤積物質(zhì)量，即較大的油壁溫差和較低的冷指表面溫度，同時對淤積物的沉積起著增大和削弱作用，從本次的實驗結(jié)果中可以得知，在此實驗條件下，淤積物質(zhì)量隨溫差減小而減小，即在此過程中油壁溫差對淤積物沉積起主要作用。41℃時沉積速率最大為0.56g·h-1，較最低時沉積量高出38.9%。

2.2 溫度區(qū)間

設定冷指壁溫和油罐壁溫溫差恒為10℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，不打開攪拌機電機，逐漸升高溫差溫度區(qū)間，對其進行實驗，并對每次試驗所得淤積物進行稱重，得出其質(zhì)量。如上述方法取均值記錄見圖3。

圖3 不同溫度區(qū)間下沉積物質(zhì)量曲線圖Fig.3 Sediment quality curves at the ranges of different temperatures

由圖3可知，淤積物質(zhì)量在初始油溫時達到最大，隨著油壁溫度區(qū)間逐漸升高，質(zhì)量逐漸降低。這是由于在相同的溫差下，油溫越高，罐內(nèi)油品對淤積物的溶解作用越大，這使得較多已經(jīng)析出的蠟再次被溶解，從而使淤積物質(zhì)量隨著油壁溫度區(qū)間的增大呈現(xiàn)一個遞減現(xiàn)象，沉積速率在油溫51℃、壁溫41℃時最大為0.58g·h-1，沉積量較最低時高出38.5%。

2.3 沉積時間

設定油罐壁溫為55℃，冷指壁溫為45℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，不打開攪拌機電機，逐漸升高油品的沉積時間，分別為6、12、18、24、30、36、42、48h，對其進行實驗，并對每次試驗所得淤積物進行稱重，得出其質(zhì)量。如上述方法取均值記錄見圖4。

圖4 不同沉積時間下沉積物質(zhì)量曲線圖Fig.4 Sediment quality curves at the time of different depositions

由圖4可知，隨著沉積時間逐漸增大，淤積物質(zhì)量逐漸增大，在48h時達到最大。在前12h淤積物質(zhì)量增速較慢，18～24h淤積物質(zhì)量增速較高達到了0.35g·h-1，經(jīng)過一段時間的沉積，于42～48h左右沉積量趨于穩(wěn)定，此時，油品中蠟基本全部析出，最高沉積速率較平均速率時高出45.8%。由于沉積時間的增大，蠟沉積的厚度也隨之增大，這將削弱原油向外的散熱能力，導致油壁溫差縮小，所以，蠟沉積量趨于平緩[16]。

2.4 剪切強度

設定油罐壁溫為55℃，冷指壁溫為45℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，沉積時間為48h，逐漸提高攪拌槳轉(zhuǎn)速，分別為0、30、60、90和120r·min-1，對其進行實驗，并對每次試驗所得淤積物進行稱重，得出其質(zhì)量。如上述方法取均值記錄見圖5。

圖5 不同剪切速率下沉積物質(zhì)量曲線圖Fig.5 Sediment quality curves at different shear rates

由圖5可知，當轉(zhuǎn)速低于90r·min-1時，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增加，淤積物質(zhì)量隨之增大，在轉(zhuǎn)速為90r·min-1時達到最大，此時沉積速率為0.26g·h-1，當轉(zhuǎn)速高于90r·min-1時，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，淤積物質(zhì)量逐漸減小。其中最大沉積量較最低時增大了3%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，由于轉(zhuǎn)速可以增大溫度梯度，增加蠟分子的擴散速率，使淤積物質(zhì)量增大[17]，但過高的轉(zhuǎn)速提供的大剪切速率也會對已經(jīng)析出附著在冷指表面的淤積物帶來沖刷作用。當轉(zhuǎn)速小于90r·min-1時，此時轉(zhuǎn)速提供的剪切應力較小，溫度梯度增大導致淤積物質(zhì)量增加這一效果更顯著，所以淤積物質(zhì)量增大。當轉(zhuǎn)速大于90r·min-1時，冷指表面的剪切應力較大，對冷指表面淤積物的沖刷作用明顯加大，所以此時淤積物質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速增大而減小[18]。

2.5 驅(qū)油劑含量

設定油罐壁溫為55℃，冷指壁溫為45℃，油品瀝青質(zhì)含量為4.5（wt）%，沉積時間為48h，不打開攪拌槳電機，逐漸提高油品的驅(qū)油劑含量，分別為0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%，對其進行實驗，并對每次試驗所得淤積物進行稱重，得出其質(zhì)量。本次實驗所加入驅(qū)油劑為聚丙烯酰胺（PAM）驅(qū)油劑，分子式為（C3H5NO）n，如上述方法取均值記錄見圖6。

圖6 不同驅(qū)油劑含量下沉積物質(zhì)量曲線圖Fig.6 Sediment quality curves at different oil displacement agent content

由圖6可知，淤積物質(zhì)量隨著驅(qū)油劑含量增大而增大，在驅(qū)油劑含量增大到1.7%時達到最大，此時沉積速率為0.6g·h-1，最大沉積量較最低時增大了30%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，驅(qū)油劑可以在油中包裹一些物質(zhì)形成結(jié)晶核心，這會增大淤積物的沉積量。但同時，驅(qū)油劑又會和蠟分子共同作用來抑止淤積物的沉積速率，從圖6可知，在這種實驗條件情況下，增大淤積物產(chǎn)量的作用大于抑制增長速率的作用。

2.6 瀝青質(zhì)含量

設定油罐壁溫為55℃，冷指壁溫為45℃，沉積時間為48h，不打開攪拌機電機，逐漸提高油品的瀝青質(zhì)含量，分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，對其進行實驗，并對每次試驗所得淤積物進行稱重，得出其質(zhì)量。如上述方法取均值記錄見圖7。

圖7 不同瀝青質(zhì)含量下淤積物質(zhì)量曲線圖Fig.7 Sediment quality curves at different asphaltene content

由圖7可知，淤積物質(zhì)量隨著瀝青質(zhì)含量的增加，出現(xiàn)了先增加后降低再增加的波浪形趨勢，在瀝青質(zhì)含量增加到4%時達到最大，此時沉積速率為0.26g·h-1，再繼續(xù)加入瀝青質(zhì)到5%時淤積物質(zhì)量降到最低，此時沉積速率為0.22g·h-1，之后淤積物質(zhì)量又隨著瀝青質(zhì)含量增高而增高，最高沉積量較最低時高出21.3%。這是由于當油品中瀝青質(zhì)含量較低時，管壁結(jié)蠟的主要原因是蠟分子的遷移作用，此時淤積物質(zhì)量逐漸增大。當瀝青質(zhì)含量超過一定值后，油品中的輕質(zhì)組分相對減小，油品黏度增大，蠟分子的遷移作用受阻，此時隨著瀝青質(zhì)濃度的增大，淤積物質(zhì)量逐漸降低。繼續(xù)增大瀝青質(zhì)含量時，由于此時瀝青質(zhì)過剩，蠟沉積的主要原因從蠟分子的遷移作用轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)的增黏作用，淤積物質(zhì)量會再次隨著瀝青質(zhì)含量增大而增大[19]。

3 結(jié)論

（1）沉積時間8～24h時沉積速率最大為0.35g·h-1；在轉(zhuǎn)速為90r·min-1時，速率最大為0.26g·h-1，沉積量高于最低時3%；與驅(qū)油劑含量成正比，速率為0.6g·h-1，沉積量高于最低30%；在瀝青質(zhì)含量4%時，沉積速率最大為0.26g·h-1，5%時淤積物降到最低速率為0.22g·h-1，最高沉積量較最低時高出21.3%。

（2）在原油實際輸送中，應當注意輸送原油與管壁之間存在的溫差，將其控制在一相對合理的區(qū)間，并且控制原油的沉積時間和受到的剪切應力以及內(nèi)部瀝青質(zhì)含量等組分，以上因素都會對原油的蠟沉積量產(chǎn)生影響。