含蜡原油管道结蜡规律研究.docx

第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国最主要的原油运输方式是管道运输。管道运输有输量大，能耗低，输
送距离长等优点。我国生产的原油大多含蜡高，凝点高，低温粘度大。在输送过程中经常会有蜡析出，并有一部分蜡沉积到管道内壁形成结蜡层。结蜡层会缩小管道的输送面积，降低管道输量，对管道经济运行有一定的影响，严重时甚至会造成凝管事故，给管道输送造成很大的安全隐患。
管道输送具有原油输量大,运行费用较低,安全性高的特点,这使其成为当前石油工业中普遍采用的输油方式。含蜡原油在管道输送过程中经常会有析錯发生,并有一部分错沉积到管道内壁上形成结錯层,因此管道输送含錯原油不可避免地带来管道结蜡问题。含錯原油中的錯在油层条件下处于溶解状态。蜡的溶解度随原油温度的降低而下降,同时原油性质也发生一定改变在油温高于析蜡点时,錯溶解于原油中,原油具有牛顿流体特性;油温在析蜡点和反常点之间时,仍不易形成錯沉积;直至油温低于反常点时,原油为非牛顿流体。当壁温低于析錯点时,蜡晶不断在管壁上析出,将减少有效管径、降低输量和增大压降甚至阻塞管道,形成蜡沉积。
蜡沉积是导致管道输送能力降低的主要因素,管道结蜡将减少管路的有效流通截面,增大输送压力,降低输送能力,同时还会给管道停输后的再启动带来困难,严重时还可能造成堵管事故。高含錯原油的高粘度和输送过程中的高压力损失,
会严重影响延程摩阻、延程温降等;同时,蜡沉积是研究停输再启动、清管周期等的基础,因此研究我国含蜡原油管道的錯沉积规律及影响因素,进而给出合理的蜡沉积模型,从而预测实际管线中沿线结蜡分布,对节约费用、管线设计、确保管线安全输送以及制定合理的清管方案都具有重要的实际意义。

1.2蜡沉积研究现状
1.2.1 蜡沉积机理
管道内的原油在运输过程中，原油中析出的蜡结晶与沥青质，胶质，部分原油和杂质在管道内壁上沉积，是管道的输送截面积减少，增大原油输送摩阻，减小有效水头，降低管输能力。
国内外的学者运用最先进的研究工具和方法，对蜡沉积问题进行了深入的研究，包括蜡的析出，沉积机理和影响因素，已经取得了比较一致的认识，并建立了许多有效的蜡沉积模型，在实际的运用中有重要意义。
对蜡沉积机理的认识，主要有剪切弥散，布朗运动，分子扩散和重力沉降。1980年，Bern等人在对稳定原油研究的基础上认为，分子运动是造成蜡沉积的主要原因。1981年，Burger等人通过实验及理论分析，确定分子扩散，布朗运动，重力沉降及剪切弥散是造成蜡沉积的主要原因，其中分子扩散和剪切弥散是导致蜡沉积的最主要因素，重力沉降和布朗运动对蜡沉积没有特别明显的影响。Burger等人还提出了基于分子扩散和剪切弥散的蜡沉积速率计算模型。Hamouda等人认为，剪切弥散对蜡沉降有影响，分子扩散对蜡沉积过程起主要作用，这时可以忽略剪切弥散对蜡沉积的影响，并建立了蜡沉积模型。Brown等人认为剪切弥散对蜡沉积没有影响。
黄启玉等人的环道实验，测试没有温差或者温差很小时是否有蜡沉积析出，这时分子扩散不起任何作用，蜡的沉积完全是完全是剪切弥散的作用。该实验的结果是管壁无蜡沉积，否定了剪切弥散对蜡沉积的影响。
现在较为一致的观点认为分子扩散是管壁沉蜡的主要原因，重力因素，剪切弥散对管壁沉蜡的作用可以忽略。很多学者认为布朗扩散对蜡沉积的影响很小。

1.2.2蜡沉积的影响因素

综合国内外研究进展，原油蜡沉积的影响因素主要包括原油的流动状态，流速，原油组分，原油所处温度场。
原油的流动状态对蜡沉积的影响。Weingarten通过实验研究表明，在紊流状态下，蜡沉积的厚度随剪切应力的增大而减小；层流时，剪切应力增进管壁沉蜡作用。
原油流速对管壁沉蜡的影响，主要表现在：流速越大，管壁沉蜡速率越小。主要是因为流速越大，原油与管壁的温差越小，剪切应力增大，层流时的蜡沉积比紊流时严重，Re数越小，蜡沉积速率越小。严大凡认为原油流速大，对管壁的冲刷也越大，蜡沉积越小。
原油组分对蜡沉积的影响也是很重要的：当原油的含蜡量,PNA比例,碳数分布,含水量,机械杂质差异,胶质—沥青含量等的不同，都会影响蜡沉积速率。
温度场对蜡沉积的影响：在高于析蜡温度时，或低于凝点温度下输送原油时，管道中的蜡沉积较少，在这两个温度值之间，有一个蜡沉积较为严重的区域。由蜡沉积机理可以解释这种现象：管内壁温度较高时，油温和内壁温度都较高，蜡分子的浓度较小，移向管壁的蜡分子不多，所以该管段内的蜡沉积很少；当油温较低时，原油与管壁的温差小，蜡分子扩散的动力不足，原油的粘度大，蜡扩散的系数小，剪切应力大，将蜡沉积的表层冲刷掉。
管壁温差对蜡沉积的影响：当凝析点温度高于管壁温度时，管壁温度与原油的温度相差越大，蜡分子浓度越大，分子扩散作用越强。由Fick扩散定律：
dGdt = ρwDwdCdr= ρwDwdCdTdTdr
通过实验可知，当油温低于壁温时，蜡分子由管壁流向中心油流，不会产生蜡沉积。
另外，管壁材质和运行时间也对蜡沉积现象有很大影响。

1.2.3蜡沉积数学模型

通过对蜡沉积机理的研究，国内外学者已经提出了一些重要模型，这些模型都是在Fick扩散定律的基础上建立的。比较有代表性的模型有：Burger等的模型，Hamounda等模型，Hsu等的模型和放大方法，黄启玉模型，Kinetic模型以及R.Solaimany Nazar等模型。
Burger模型是将分子扩散和剪切弥散对蜡沉积影响因素分别计算，最后叠加得出蜡沉积速率计算模型。该方法的优点是计算模型清晰，缺点是没有考虑到两种因素对蜡沉积的相互影响。由分子扩散作用产生的蜡沉积可以通过蜡沉积计算求得，但是求解蜡分子扩散系数误差很大，所以该模型还需要进一步完善。
Hamounda模型认为，分子扩散是蜡沉积的主要因素。但是在建立模型时，将油流和管壁沉积物中的蜡分子含量认为是常数。我们知道不同温度下蜡分子含量不同，也不能不考虑冲刷作用和蜡沉积厚度的不均匀性。所以，该模型并不符合实际情况。
Hsu等人通过建立高压紊流环道来研究蜡沉积机理。为了使参比段不产生蜡沉积，要保证参比段管壁高于油温，测试段管壁低于油温，再通过压差法计算蜡沉积量。该方法的计算结果与现场数据比较吻合。
黄启玉模型首先否定了剪切弥散对蜡沉积的重要影响，然后以管壁剪切应力和管壁处温度梯度回归出蜡沉积倾向系数。Kinetic以实验数据为根本，考虑了原油物性对蜡沉积的影响，它主要以原油流态和原油物性（温度，压力梯度，持液率）为基本参数建立的数学模型。
R.Solaimany Nazar等以固液相平衡和冲刷作用为研究思路，得出扩散作用对蜡沉积的影响和提出剥离系数的概念，并预测了紊流和层流时的蜡沉积量。

1.2.4蜡沉积的热力学模型
从热力学的角度出发，析蜡热力学模型利用相平衡，相转变，结晶学，热力学，胶体化学和流体力学的理论，预测原油的析蜡点和原油中的析蜡量。
蜡沉积的热力学模型主要有：
Won (1986)应用相平衡准则,把原油中的蜡看作单一固相,其余部分看成液
相,据此提出熔解热洽及溶点温度的计算式,但其模型预测结果与实测值差别相对较大。
Svendsen (1993)在前人的基础上考虑到气液固三相平衡,提出了一个改进的模型,该模型应用严格的数学推导,求出了錯沉积厚度的计算公式,但该模型没有考虑冲刷作用,认为所有扩散到管壁的错都能沉积下来。
Liar-Galeana. Firoozad和Pan等人提出了一个多固相模型。模型中他们把沉积物假定由多种固相组分组成,并提出了相平衡计算方程,每一组分能否以固相存在取决于相平衡计算,气液相的性质则由状态方程确定,该模型计算的析蜡点及析蜡点温度以下析出的錯量与试验结果较为吻合。
黄启玉(2000)根据差示扫描量热仪的工作原理,提出通过原油DSC曲线计算不同温度段析蜡量的新方法。该方法简单、实用、精度较高,但测试仪器费用较高,不具普及性。热力学模型在一定条件下可以较好的预测錯析出问题,但由于原油组分众多且相互影响,在应用这种模型前需要对原油进行详细而准确的组份分析,还需要采用近似组分代替难以测量组分,因此计算精度较低且适用范围较窄,实际应用起来比较复杂。

1.2.5蜡沉积动力学模型
由于实际管道运行中,原油组成复杂,各组分之间性质差别较大,并且热力学模型较复杂,适应性较差,因此建立了多种蜡沉积动力学模型。一般的动力学模型
都是在Fick扩散定律基础上建立的。
扩散沉积由蜡分子浓度梯度引起,而浓度梯度是在温度梯度的基础上建立起来,当原油温度变低,石蜡溶解浓度也会降低,从而导致溶解的石蜡会向生产油管的管壁扩散。因此由扩散而引发的质量交换将使石蜡的浓度超出溶解上限,进而蜡析出。
Burger模型中提出把形成蜡沉积的不同机理(分子扩散、剪切弥散及布朗扩散)分开计算最后整合出蜡沉积速率,该模型思路清晰易懂,但实际上2种机理产生的蜡沉积是不能分开的,分子扩散产生的蜡沉积要通过计算求得由于原油组成复杂,进行蜡分子扩散系数求解时误差较大,由此计算蜡沉积误差就比较大,在放大到实际管道中的计算后误差更大,因此该模型并不完善。
其后,Hamouda提出,蜡沉积过程中分子扩散相对于剪切弥散起主导作用,所
以建立蜡沉积模型时可以忽略剪切弥散[3G]。并根据分子扩散机理建立了错沉积模型,其中,蜡分子浓度、管壁沉积物中蜡含量为常数,但实际上对于大部分原油,
在不同温度区间的蜡分子浓度并不相同;同时,试验条件不同时因为管流对蜡层的冲刷作用不同,蜡沉积层不均勾,从而管壁沉积物中蜡含量也不同。因此该模型的假设条件不能成立。
Hsu等在分子扩散的基础上考虑了流动的影响,通过实验证明,蜡沉积过程中分子扩散和剪切弥散都有影响,但层流时,剪切弥散的作用不大,其他状态特别是湍流时剪切弥散影响变大,该模型认为如果试验室蜡沉积试验与实际管道的流速和环境温度相同,试验室数据就可以放大应用到实际管道上预测蜡沉积分布,并且Hsu提出蜡沉积放大系数,以此建立錯沉积放大模型,将试验室数据放大应用到实际管道上。
应用这个模型进行的现场试验结果与模型管路的蜡沉积量误差很小,但由于现场不同位置温度计算不精确,因此不同管段总的蜡沉积量相差较大。该模型的局限性还存在于该模型认为只要使模型管与实际管道有相同的临界蜡沉积强度,流速相同,就可以用室内模型预测现场蜡沉积规律,模型管与实际管道的流速必须相同。但对于物性相同的原油,当实际管道与模型管路流速相同时,由于管径相差较大,管壁剪切率及管壁剪切应力不同,对蜡层的冲刷作用也不同,因此造成蜡沉积速率也不尽相同。另外,该模型在放大过程中,认为实际管道与模型管道流态相同,但实际管道与模型管道的直径会有很大差别,在流速相同的情况下,雷诺数相差很大,流态也就不同。这样该模型的假设条件也就不成立。
黄启玉模型首先论证了剪切弥散对于蜡沉积基本没有影响,由此建立了新的蜡沉积模型,该模型考虑管壁剪切应力、管壁处温度梯度的影响,该模型考虑管壁剪切应力、管壁处温度梯度的影响,结合多年的研宄及实验,可以回归出蜡沉积倾向系数与管壁剪切应力、管壁温度梯度的关系。
Kinetic模型利用关键的试验参数和气液固热力学平衡,建立了半经验的蜡沉积模型,其中,温度、压力、压力梯度以及流态和持液率是模型中关键的参数,这种模型考虑了流态以及原油捕集作用的影响,但它仍然依赖实验数据,是能够为实际生产提供计算的工具,也为以后模型的发展奠定了一定基础。
R.SolaimanyNazar等考虑了 n种组分的固液相平衡,利用Fick扩散定律得分子扩散对蜡沉积的贡献,考虑了冲刷对錯沉积的影响,提出了剥离系数的概念,并应用该模型预测了层流和紊流条件下的赌沉积。
1.2.6蜡沉积的实验方法
为研究蜡沉积规律,人们采用了多种方法进行蜡沉积的室内研宄,建立了多种蜡沉积实验装置,其原理上都是使原油和蜡层表面具有一定的温差:Hum利用冷板法进行蜡沉积问题的研宄; Hamouda等、Bern等对冷板法进行了改进,将沉积面改变成圆柱面即冷指法,冷办法和冷指法简单易操作;但实验条件下的流动状态与实际管道相差很大。不能对实际管道的錯沉积规律进行模拟;Matlach等用旋转圆盘法测量錯沉积量; Majeed等建立了环道系统进行蜡沉积的测试,通过控制专门作为测试段的壁温使其产生蜡沉积,对比不结蜡时压差来计算蜡沉积厚度,或者通过短管法或清管法测量在规定时间内管壁上的结蜡量,从而算出平均结蜡厚度; Singh等在压降法的基础上延伸出环道系统的基础上增加了一个参比段,称为两段式模型环道蜡沉积装置在试验过程中保持测试段壁温低于油温,参比段壁温和油温相同,测试段在壁温低于原油析蜡点时有蜡沉积。通过测量测试段和参比段的差压比来计算蜡沉积量;黄启玉等在Hsu提出的实验装置基础上将齿轮泵改进为对原油剪切作用更小的蠕动泵。
室内模型环道装置进行蜡沉积实验后,计算测试段蜡沉积厚度的方法有直接称重法、传热法等,目前比较常用的方法是差压法。
直接称重法是蜡沉积实验进行一段时间后,用压缩空气对管线进行吹扫,以取出沉积物进行称重。此种方法的缺点是误差较大,空气对錯层的冲刷作用力不好控制,吹扫气流会使凝点高的原油陷于沉积层中。
传热法是根据传热学公式,计算测试段和参比段有蜡和无蜡状态下的热阻。测试管段蜡沉积后增加的热阻与蜡沉积厚度成正比。该方法的缺点是蜡沉积为一定量时,产生的热阻必须能够造成测试段油流进出口处温差显著,并且该法的计算过程不考虑结晶潜热。因此当结晶潜热较大时,该法对蜡沉积的计算误差较大。
差压法计算錯沉积厚度在石油管道工程预测错沉积中比较常用,其方法是对比蜡沉积前后测试段的压差变化,由摩阻公式算出沿线平均蜡沉积厚度。

1.3主要研究内容
本文主要研究管输条件下的蜡沉积规律,建立合理的蜡沉积模型,预测实际管道中的蜡沉积分布,为管道合理的优化运行提供依据。
1)总结蜡沉积机理、影响因素，研究进展和蜡沉积规律,用差压法建立合理的蜡沉积模型,并预测实际管线中沿线结蜡分布情况,从而对实际管道的蜡沉枳厚度的预测评估和优化运行提供参考。
2)分析比较蜡沉积的几种模型，并选择一种模型进行热力计算。
3)计算沿线管路的温降，水力和蜡沉积的厚度。